基于ZigBee的温室测控系统设计

赵 悦， 程 跃， 张宏坤， 车 健

(成都大学 工业制造学院，四川 成都 610106)

0 引 言

随着传感器技术以及低功耗无线通信技术的大力发展和应用，低功耗的传感器节点共同组成无线传感器网络在实际生产中应用也越来越广。这些低功耗传感器网络，通过节点间的相互协作，将其监测的多种环境信息收集并以无线方式发送出去。无线传感器网络与各种集成的外部传感器协作，完成环境信息监测。极大地扩宽了人们获取信息的能力，具有广阔的应用前景。

传统的温室大棚的环境信息获取都是靠人工实地检测，或通过有线的方式，但这些方式在不同程度上都无法满足现代温室大棚智能化的要求。无线传感器网络可以对温室大棚的环境信息实现快速、实时，低成本的获取。同时在后期的管理和维护上也有着极大的便利。温度，湿度，光照度对作物的生长至关重要，在温室大棚中，培育高产的作物，环境信息监测变得必不可少，传统的上述环境信息采集都或多或少的需要人实地查看，随着无线传感器网络的兴起，可以通过将温度，湿度，光照度等信息加载到传感器网络上，实现无人值守的温室大棚智能环境测控系统[1]。

1 系统设计简介

在实际温室大棚中，温度，湿度和光照度对作物的生长起着决定性作用，在传统温室大棚中采用人工读取仪表值或目测大棚中上述环境变量信息，由人工带来的量化误差和经验性不具有推广价值，采用较为先进的传感器技术可以相对标准量化大棚中整个作物环境状况。同时辅以ZigBee网络可以真正实现无人值守的环境检测系统，提高了效率，节约了成本！

同时对一个完整的大棚测控系统，在控制方面主要涉及到人为调节大棚中的作物生长环境参数，典型的控制机构有卷帘，滴灌，以及其他的一些开关量控制设备。对于现有的大棚控制系统，采用电子元器件模拟控制系统执行机构。整个系统分为上位机和下位机部分，下位机部分主要是对上位机的数据进行解析同时完成上位机对执行机构的控制命令，并反馈环境信息到上位机，下位机对执行机构采用开环控制[2-4]。

2 下位机系统设计简介

下位机主要是由ZigBee网络，传感器，简单控制模拟组成。温湿度、光照度信息通过传感器变换成数字信号通过ZigBee节点加上自身描述信息发送到上位机，自身描述信息包括该节点的网络地址和节点类型。控制部分采用直流电机，步进电机，继电器，LED灯模拟大棚中的控制系统执行机构。同时网路中任意一个节点都可以接收到上位机的有效控制数据，完成相应的动作。

整个下位机设计框图如图1所示。

下位机中节点分为协调器，传感路由节点，传感非路由节点，传感终端节点，控制终端节点五大类，分类标准主要是考虑节点的功能需求，和Zigbee协议中节点的定义基本相同。

该设计框图是满足整个设计需求的最小系统，在系统需要更大的覆盖区域，可以在网络中添加路由节点(Router)。需要获取更多的环境信息可以在传感终端节点添加更多传感器。

3 硬件设计

无线数据收发芯片采用TI的CC2530芯片，该芯片对TI的Z-Stack协议栈能够提供很好的硬件平台。温湿度传感器选用的是DHT11,测量范围20%～90%RH，0～50 ℃，其中湿度(相对湿度)精度为±5%RH，温度精度±2 ℃。在实际应用中可以选择整体参数更优的DHT22。光照度传感器BH1750测量范围1～65535lx。主控MCU选用TI的MSP430F5529，该MCU为RISC 16架构。拥有128KB Flash 8KB SRAM。

图1 下位机设计框图

传感终端节点的硬件设计包括CC2530外围电路设计，串口电路设计，以及传感器接口电路设计。DHT11为单总线协议芯片。总体框架如图2、3所示。

图2 硬件设计框架图

图3 硬件设计图

控制终端节点主要包括电源、CC2530核心板接口、电机、步进电机、按键、LED、继电器。在设计方案中，ULN2003A驱动步进电机占用4个驱动口，剩下的3个口驱动直插式LED灯。PL2303用于CC2530和PC通讯，主要可以用过PC上的串口助手查看CC2530串口输出信息，而MSP430F5529则不能通过PL2303和PC通讯，但留有IO口可以在需要的外接[5-7]。

电机驱动方案采用IR2104+MOSFET组成H桥，可以完成调速，调向。驱动电流可以达到3 A。步进电机驱动方案选用的达林顿晶体管阵列ULN2003A,对于单通道的驱动电流可以达到500 mA。对于小型4相5线性步进电机完全适用。继电器驱动采用NPN三极管驱动。

4 系统软件设计

Zigbee协议栈采用TI的Z-Stack协议栈，版本为2.5.1.协议栈中有很多例程，本系统基于Z-Stack协议栈中SampleAPP工程开发。考虑整个协议栈的初始化状态，每个节点在复位后其网络地址都是从父节点分配得到，设计时加上编译选项，可以防止每次节点复位后网络地址改变。同时每个节点的MAC地址不随网络状态而改变，故每个节点在复位后都会发送自己的网络地址、MAC地址到上位机。同时每个节点在发送数据到上位机时都会在数据帧中嵌入自己的网络地址[8-11]。

考虑节点可控制，则节点与上位机之间通讯数据含义众多，故在应用层添加自定义数据通信协议，如表1所示。

表1 数据通信协议

数据校验采用的异或校验，提高数据传输稳定性的同时减少了MCU的负担。自定义数据协议可以发送变长数据，同时便于上位机数据解析以及后期系统功能扩展。

几个关键节点的流程图如图4所示。

传感终端节点主要是完成温湿度，光照度信息的采集，每次发送的数据帧中包括节点类型。传感终端发送的数据被协调器接受，由协调器根据底层协议获取数据源节点的网络地址，将网络地址加入数据帧中传给上位机。

传感终端节点同时还可以通过协调器接受上位机的命令，包括启动传输，停止传输，以及对单个传感器数据的获取，以及无线数据收发芯片电压和温度的获取。

图4 关键节点的流程图

控制终端节点主要是模拟大棚中控制系统的执行机构，由于无线数据收发芯片引脚不多，且对于外设的控制能力较弱，所以外设采用单独的MCU控制。

设计的主要思路考虑外设的底层驱动，以及和无线数据收发芯片之间的数据交换。对于每次收到的上位机数据都会进行数据意义适用性判别，从而降低了控制MCU的负担，对于每次收到的控制命令都会返回当前控制外设的状态。

协调器节点是整个ZigBee网络的核心，负责整个网络的建立与维护，协调器主要是对上位机的数据进行识别，由协调器确定转发到具体的节点，同时协调器还负责对其余节点发送给上位机的数据帧添加网络地址后转发给上位机。其协调器节点流程图如图5所示[12-15]。

图5 协调器节点流程图

5 结 语

利用ZigBee网络无线传输大棚中的环境信息参数，同时上位机无线控制执行机构，完成了整个温室大棚测控系统的结构设计，整个系统的可扩展性和可移植性都比较好。

在设计后期测试下位机结果如下：不同节点之间的通讯在无障碍情况下可以达到150 m，在环境复杂的情况下能够保有10 m的通讯距离，在通讯范围内，通讯延迟控制在100 ms内；若在节点设计中添加PA，则单对单个节点通讯距离可以超过200 m。传感终端节点周期性发送传感器数据到上位机，通讯稳定，基本上无掉包情况发生。控制终端节点外设驱动稳定，直流电机驱动PWM达到80%的情况下节点无异常。

在后期更靠近大棚实际应用环境，整个环境信息采集可以多样化，同时对于整个网络的架构从下位机开环控制变为闭环控制，对于下位机的执行机构可以针对大棚具体需求设计完整机械结构。

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