设施农业温湿度无线监测系统设计

黄强岭，王鸿磊，贾伟伟

（徐州工业职业技术学院机电学院，江苏徐州 221000）

设施农业温湿度无线监测系统设计

黄强岭，王鸿磊，贾伟伟

（徐州工业职业技术学院机电学院，江苏徐州 221000）

针对传统的温湿度有线测量方式，设计一种基于ZigBee无线模块CC2530和温湿度传感器DHT11的设施农业温湿度监测系统。系统采用ZigBee无线技术，传感器节点和协调器节点的软硬件设计，实现了温湿度低功耗无线监测，并在协调器上显示。

ZigBee；温湿度；无线传感网络；设施农业

0 引言

设施农业的温湿度直接影响农作物的产量，如果温湿度超过或低于额定值都会出现许多意想不到的结果。目前大部分设施农业通信都采用有线的方式，大量铺设电缆造成了许多不必要的浪费。设施农业空间分布广，布线相对比较困难，信息采集也比较困难，而通过短距离无线通信方式可以实现实时采集和监测，成本低，效率高[1-3]。本文利用基于ZigBee CC2530模块构建无线传感网络，对设施农业温湿度进行实时采集、处理、传输和显示。

1 系统结构及原理

本系统采用在一个组网络内进行广播的方式，协调器节点首先组建一个无线传感网络。将测量相同类型物理量的传感器节点加入到同一个组，不同组内成员通过分组广播的形式将数据发送出去，协调器接收到数据以后判断是哪个节点发送过来的，并在协调器的LCD上显示。本系统采用的是星型网络拓扑结构系统结构框图，如图1所示。

图1 系统结构框图

2 系统节点设计

CC2530内部集成8051芯片和RF射频发射器，集成度高、体积小。单总线传感器DHT11采集数据通过I2C串口传给CC2530，CC2530通过内部集成射频发射模块RF将数据发送给协调器完成终端节点功能；射频天线RF接收到数据后就发送给CC2530，CC2530通过串口RS232上传数据到PC，从而完成协调器节点的功能。本设计遵循IEEE 802.15.4标准，中心频率为2.4GHz。系统节点框图如图2所示。

图2 系统节点框图

2.1 传感器节点硬件设计

基于CC2530设计的传感器节点是一个微型的嵌入式系统，具有一定的信息处理能力和通信能力。单总线传感器DHT11将采集到的数据通过I2C串口送给终端节点，终端节点再将数据送到缓冲区buffer，对数据进行压缩封装。通过集成RF射频天线将封装完成的数据发给协调器节点。经系统测试，1节5号电池在正常情况下可以工作一年，充分体现了节能性。传感器节点硬件电路图如图3所示。

图3 传感器节点硬件电路图

图4 协调器节点硬件电路图

2.2 协调器节点设计

协调器主要负责整个无线传感网络的建立、系统参数的设定、信息的管理和维护，也可用来协助系统安全层的建立以及应用层的绑定[4]。协调器节点作为无线传感网络的核心，实现对设施农业温湿度数据的收发，从而实现对整个分组网络的控制。CC2530通信模块作为协调器节点的关键部分，专门负责接收传感器节点发送过来的数据信息，与上位机建立相互通信机制，上位机发送消息指令给协调器节点，协调器再将这些指令通过集成RF射频天线发送给执行器节点，实现温湿度调节。协调器节点硬件电路图如图4所示。

3 系统软件设计

系统软件设计主要包括协调器和传感器节点两部分。本设计是在CC2530的ZigBee开发环境中搭建，协调器和传感器节点的设计符合TI协议栈的要求。协调器节点主要负责网络的建立和上传数据等；传感器节点主要负责数据的采集与定时发送。

3.1 传感器节点软件设计

在ZigBee协议栈中声明组对象aps_Group_t SampleApp_Group并对组对象结构体进行初始化和赋值，通过SampleApp_Periodic_DstAddr.addr. shortAddr设定通信的目标地址为0xFFFF。然后，通过函数aps_AddGroup（SampleApp_EndPoint，&SampleApp_Group）将测量相同物理量的传感器节点加入到同一组中，并对组里的节点进行编号。将组分别加入到无线传感网络，传感器将采集到的温湿度送到报文缓冲区中，在报文缓冲区buffer中对数据进行封装，协议栈调用函数SampleApp_SendPeriodicMessage（）和osal_start_timer-Ex，将这些封装完成的数据通过buffer按照组播地址进行周期性广播。为了能够实现低功耗和时效性的平衡，本人设计了以下三种方案：一是遇到网络环境差或高负载时，终端节点以较大间隔的发送概率将数据发送出去，这样就适当地减少了网络负载；二是在平时，组内各节点每隔2分钟采集一次数据并立即发送，其余时间就进入休眠状态；三是调整ZigBee节点的发射功率，当附近有大功率发射器时应该根据实际情况适当的提高传感器节点的发射功率，发完数据自动降低功率。传感器节点程序流程如图5所示。

图5 传感器节点程序流程图

3.2 协调器节点软件设计

协调器作为无线传感网络的核心部分，主要负责实现整个无线传感网络的组建、管理和处理数据信息等功能。[5]本设计组建的是一个星型网络拓扑结构，首先判断协调器是否工作，协调器接收来自传感器测量的温湿度数据，从而完成协调器的功能。协调器的程序流程如图6所示。组建网络的两个主要步骤是网络初始化和节点加入网络。[6]网络初始化首先要确定协调器是否正常工作，通过先主动扫描无线网络并发送请求命令来检测当前的无线网络中是否存在协调器。在设备初始化完毕后，协调器新建无线网络。传感器节点加入到新建网络中，将数据通过分组广播的形式发送出去，协调器接收到数据以后格式转换，并通过LCD显示。

图6 协调器程序流程图

4 效果展示

图7 Zigbee节点分布图

图8 温湿度显示

从图7、图8中可以看到协调器节点接收到的温湿度。将本设计运用到设施农业中可实现对温湿度实时的监测。

5 结论

本设计是基于ZigBee CC2530低成本和低功耗无线温湿度监测系统实现对节点温湿度的监测和数据的无线传输，由于ZigBee技术组网方便、网络容量大，可以将其进一步拓展到工农业生产上，实现对多节点温湿度检测。

［1］沈建明.基于ZigBee的温室大棚的温湿度检测系统［D］.西安：西安大学，2013.

［2］孙静林，徐峰，赵明忠.基于ZigBee技术的温湿度数据采集系统设计［J］.现代电子技术，2011，1（11）：34-21.

［3］王翠茹，于祥兵，王成福.基于ZigBee技术的温度采集传输系统［J］.仪表技术与传感器，2008（7）.

［4］王建平，徐其林，张茂林.基于EPA标准的ZigBee网络构建方法的研究［J］.计算机测量与控制，2008，16（1）：121-123.

［5］昂志敏.基于ZigBee的无线传感器网络节点的设计与通信实现［D］．广州：中山大学，2009.

［6］郝晓萌.基于ZigBee的无线粮情监测系统中路由协议的研究［D］.北京：北京邮电大学，2009.

Design of Wireless Monitoring System of Temperature and Humidity in Agriculture Facility

HUANG Qiang-ling，WANG Hong-lei，JIA Wei-wei
（Xuzhou College of Industrial Technology College Mechanical and Electrical Communication，Jiangsu Xuzhou 221000，China）

According to the traditional wired temperature and humidity measurement methods，a temperature and humidity monitoring system based on ZigBee wireless module CC2530 and the temperature and humidity sensor DHT11 is designed.Adopting ZigBee wireless technology as well as software and hardware design of sensor node and the coordinator node，the design realizes the real-time monitoring of temperature and humidity and display in the coordinator.

ZigBee;temperature and humidity;WSN; agricultural facilities

S161.1

A

1673-2022（2014）03-0066-03

2014－04－02

2013年徐州市科技发展基金计划项目（XF13C035）；2013江苏省高等学校大学生实践创新训练计划项目（766）；2012年校级科研课题项目（XGY201213）

黄强岭（1992-），男，江苏盐城人，研究方向为无线传感网；王鸿磊（1979-），男，江苏徐州人，副教授，研究方向为无线传感网；贾伟伟（1981-），男，山西临汾人，讲师，研究方向为传感器技术应用。