基于ZigBee的花卉浇水控制系统的设计与实现

张双德+蒋家和

摘要:针对花卉养殖者因遗忘对于花卉的浇灌,而导致名贵花卉死亡造成损失的情况,提出运用无线网络,根据花卉种植环境的温､湿度及光照的各种参量,下达喷淋灌溉指令的方法｡结果表明,该方法在控制浇灌时间､水量等方面具有很好的效果｡

关键词:ZigBee网络;喷淋灌溉;温度;湿度;过程控制

中图分类号:TP273+.5文献标识码:A文章编号:0439-8114(2014)11-2657-04

Design and Implementation of Watering Control System of Flowers Based on ZigBee

ZHANG Shuang-de,JIANG Jia-he

(1.Institute of Electric and Electronical Engineering, Wuhan Polytechnic University,Wuhan 430023, China;

2. Xianning Vocational Technical College, Xianning 437100, Hubei, China)

Abstract: Considering travel and forgotten watering flowers leading to the death of rare flowers the wireless network can give spray irrigation instructions according to the flower cultivation environment temperature, humidity, illumination was put forward. Results showed that the method controlling the irrigation time and irrigation quantity had a good effect.

Key words: ZigBee network; spray irrigation; temperature; humidity; process control

基金项目:武汉市科技攻关项目(201120722211)

当今社会,随着生活品质的不断提高,从事花卉养殖的人越来越多｡对于从事花卉种植的从业者来说,能实时准确地获得花卉温室大棚内的各个区域的重要温湿度､光照､二氧化碳含量,从而对相关因素进行控制,使人的看护工作量被系统所取代,显得尤为迫切｡为此,设计了基于ZigBee的花卉浇水控制系统,以期满足农业智能灌溉的要求｡

1总体设计方案

经过对花卉浇水/花卉养殖大棚灌溉系统需求的分析,结合ZigBee无线传感网络技术,提出了花卉温室环境监控系统的总体设计方案模型[1],具体见图1｡

花卉的浇水系统是根据室内外装设的温度传感器､湿度传感器和光照传感器等采集或观测的温室内外温度､湿度､光照等环境因素,通过温室设备进行控制,对温室环境进行调节来达到栽培作物生长发育的需要,为花卉生长发育提供最适宜的生态环境,提高花卉的品质｡

2硬件设计

2.1无线传感网络硬件设计及实现

无线传感网络主要包括两类硬件平台:协调器节点､传感器采集节点｡除此之外在无线传感网络的设计､调试等过程中还需要用到一些辅助设备,如编程器､仿真器等[2,3]｡无线传感网络系统结构图如图2所示｡

协调器节点和中心控制器之间是通过串口RS232连接进行通信的,传感器节点和协调器节点是通过ZigBee无线传感网络进行通信的｡系统主要是以温室环境中的参数(如温度､湿度和光照度)为监测对象,来达到实时监测的目的,且中心控制器可同时通过ZigBee网络下达浇水指令,连接在无线节点上的电磁阀即刻开始工作,完成浇水过程｡充分利用ZigBee网络的双向通讯功能[3]｡

温室环境监测是由集成传感器､数据处理单元和通信模块的节点通过自组织的方式连接在一起构成的网络｡无线传感器网络的优点包括检测精度高､覆盖区域大､容错性强和可远程监控等｡由于网络中节点的硬件设计时要求成本低､功耗小､寿命长,因此在硬件上要采用低功耗和低成本的芯片,软件必须要支持多跳路由协议｡为了达到减小硬件设计的复杂度和提高射频通信系统的稳定性的目标,硬件采用TI 公司的CC2530 芯片来进行控制,CC2530 芯片是一个兼容 IEEE 802.15.4的片上系统,支持专有的 802.15.4 市场以及ZigBee､ZigBee PRO和ZigBeeRF4CE标准｡协调器节点主要由智能主板模块和无线节点模块组成,传感器采集节点主要由传感器模块､智能主板模块和无线节点模块组成｡

2.2无线节点设计

无线节点模块主要由射频单片机构成,MCU是TI的CC2530芯片,用的是2.4 G载频棒状天线｡无线传感部分的CC2530采用核心板设计,与底板分开设计加工,便于更换和编程｡整体模块使用5 V供电输入,在内部使用DC/DC芯片转换成3.3 V(最大输出200 mA电流)｡CC2530系统使用单芯片解决方案,CC2530芯片的信号将从模块层面引出并进行系统规划｡使用上电手动复位芯片完成可靠的上电复位操作[3]｡使用专用的5 脚的FPC 插座完成2线DEBUG接口信号的引出,DEBUG信号使用额外的扩展小板转换成标准的DEBUG 插头可用的接口｡另外将P2_1､P2_2 管脚引到扩展插座｡无线节点模块结构图见图3｡

2.3中心控制器电路原理设计

中心控制器负责与协调器相连接,通过向协调器发送命令,完成对无线传感器网络中的无线节点数据的采集｡同时,它会将实时动态采集到的数据,以Web页的方式发布到互联网上,管理员只需登录到中心控制器上,就可完成对温室大棚浇花系统的监控｡本项目为中心控制器配置了GPRS接口及模组,以及3G模组,即使在温室中没有互联网接入点的情况下,仍能将数据发布到互联网上[4]｡中心控制器采用Linux操作系统;处理器选择三星公司S3C6410,这是一款产量大,成本低的高性能ARM处理器｡这部分代码在Linux下编写,性能稳定｡

2.4GPRS电路设计

GPRS是通用分组无线服务技术(General Packet Radio Service)的简称,它是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务｡GPRS可以说是GSM的延续｡GPRS和以往连续在频道传输的方式不同,是以封包(Packet)式来传输｡GPRS经常被描述成“2.5G”,也就是说这项技术位于第二代(2G)和第三代(3G)移动通讯技术之间｡它通过利用GSM网络中未使用的TDMA信道,提供中速的数据传递｡GPRS突破了GSM网只能提供电路交换的思维方式,只通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换,这种改造的投入相对来说并不大,但得到的用户数据速率却相当可观｡而且,因为不再需要现行无线应用所需要的中介转换器,所以连接及传输都会更方便容易｡SIM300是一款内带TCPIP的GPRS模组,可简单地设置成DTU模式,使用简单,性能可靠[5]｡图4是SIM300的电路设计｡

3软件系统设计

项目的软件系统大体上分为两个部分｡第一部分软件为CC2530无线传感节点运行软件以及协调器采集软件,这部分软件是基于TI公司的Z-Stack平台,编译环境是IAR Embedded Workbench 7.2｡TI Z-Stack 协议栈是基于一个轮转查询式操作系统的｡Z-Stack的main函数在ZMain.c中,总体来说,它一共做了两项工作,一个是系统初始化,即由启动代码来初始化硬件系统和软件构架需要的各个模块,另外一个就是开始执行操作系统实体｡协调器汇聚节点主要完成和传感器节点的通信以及和上位机的通信,等待发送端发送数据｡传感器采集节点主要是发送采集的数据,等待协调器加入网络中进行无线通信｡当协调器节点的ZigBee无线射频通信模块CC2530接通电源并且复位后,首先建立一个具有惟一ID标识的ZigBee网络,然后应答与其绑定的传感器模块的请求把其加入到网络中,同时要为发送模块分配本网络内惟一的16位地址,最后等待传感器模块发送数据,如果检测到有数据时就接受这些数据,同时通过SP3232E把接收端数据包传送给中心控制器[6]｡协调器工作流程见图5｡无线传感器节点软件工作流程见图6｡

第二部分软件是中心控制器部分软件,这部分软件运行在Linux操作系统下,主要代码为CGI程序｡中心控制器平台下运行Thttpd Web服务器,CGI程序完成网页的发布,管理者可以在远地访问此Web服务器,在Web页中完成对花卉浇水系统的控制｡后台的CGI程序负责解释命令,并把命令通过串口发到协调器中｡此外,GPRS模组､短消息处理等软件模块也由中心控制器来实现,基本为Linux下的多线程应用层程序｡

4小结

该项目首次将ZigBee和Wifi技术应用于农业花卉的浇水控制,并结合GPRS等公共网络资源解决了大棚花卉浇灌系统的远程控制,具有较强的创新性;该项目根据精准农业的要求,综合运用传感器网络技术､无线通信技术和嵌入式技术,设计了一种基于手机的远程智能浇水控制系统,能满足农业智能灌溉的要求,具有较好的示范意义;实际应用表明,该成果具有较好的应用价值及推广前景｡

参考文献:

[1] 袁艳霞. 基于zigbee的污水处理厂自动监控系统设计与实现[J].华章,2009(17):120,132.

[2] 朱德荣,党保华. 基于单片机和电话网的远程控制系统的设计与实现[J]. 机床电器,2011(4):32-35.

[3] 段筱雨,景新幸.基于PSTN的家用电器远程智能控制系统[J]. 电子工程师,2007,33(10):75-77.

[4] 潘继良,杨晓文,于锦灿.基于GSM的远程电台遥控报警监控系统[J].广播电视信息,2009(8):86-88.

[5] 周锦荣,周小方,陈炜明.基于电信网络的家电智能控制[J].电子技术应用,2008(3):72-75.

[6] 刘芬,杨继生.智能电话网远程家电控制系统的设计[J].微型机与应用,2010(2):30-32.

3软件系统设计

项目的软件系统大体上分为两个部分｡第一部分软件为CC2530无线传感节点运行软件以及协调器采集软件,这部分软件是基于TI公司的Z-Stack平台,编译环境是IAR Embedded Workbench 7.2｡TI Z-Stack 协议栈是基于一个轮转查询式操作系统的｡Z-Stack的main函数在ZMain.c中,总体来说,它一共做了两项工作,一个是系统初始化,即由启动代码来初始化硬件系统和软件构架需要的各个模块,另外一个就是开始执行操作系统实体｡协调器汇聚节点主要完成和传感器节点的通信以及和上位机的通信,等待发送端发送数据｡传感器采集节点主要是发送采集的数据,等待协调器加入网络中进行无线通信｡当协调器节点的ZigBee无线射频通信模块CC2530接通电源并且复位后,首先建立一个具有惟一ID标识的ZigBee网络,然后应答与其绑定的传感器模块的请求把其加入到网络中,同时要为发送模块分配本网络内惟一的16位地址,最后等待传感器模块发送数据,如果检测到有数据时就接受这些数据,同时通过SP3232E把接收端数据包传送给中心控制器[6]｡协调器工作流程见图5｡无线传感器节点软件工作流程见图6｡

第二部分软件是中心控制器部分软件,这部分软件运行在Linux操作系统下,主要代码为CGI程序｡中心控制器平台下运行Thttpd Web服务器,CGI程序完成网页的发布,管理者可以在远地访问此Web服务器,在Web页中完成对花卉浇水系统的控制｡后台的CGI程序负责解释命令,并把命令通过串口发到协调器中｡此外,GPRS模组､短消息处理等软件模块也由中心控制器来实现,基本为Linux下的多线程应用层程序｡

4小结

该项目首次将ZigBee和Wifi技术应用于农业花卉的浇水控制,并结合GPRS等公共网络资源解决了大棚花卉浇灌系统的远程控制,具有较强的创新性;该项目根据精准农业的要求,综合运用传感器网络技术､无线通信技术和嵌入式技术,设计了一种基于手机的远程智能浇水控制系统,能满足农业智能灌溉的要求,具有较好的示范意义;实际应用表明,该成果具有较好的应用价值及推广前景｡

参考文献:

[1] 袁艳霞. 基于zigbee的污水处理厂自动监控系统设计与实现[J].华章,2009(17):120,132.

[2] 朱德荣,党保华. 基于单片机和电话网的远程控制系统的设计与实现[J]. 机床电器,2011(4):32-35.

[3] 段筱雨,景新幸.基于PSTN的家用电器远程智能控制系统[J]. 电子工程师,2007,33(10):75-77.

[4] 潘继良,杨晓文,于锦灿.基于GSM的远程电台遥控报警监控系统[J].广播电视信息,2009(8):86-88.

[5] 周锦荣,周小方,陈炜明.基于电信网络的家电智能控制[J].电子技术应用,2008(3):72-75.

[6] 刘芬,杨继生.智能电话网远程家电控制系统的设计[J].微型机与应用,2010(2):30-32.

3软件系统设计

项目的软件系统大体上分为两个部分｡第一部分软件为CC2530无线传感节点运行软件以及协调器采集软件,这部分软件是基于TI公司的Z-Stack平台,编译环境是IAR Embedded Workbench 7.2｡TI Z-Stack 协议栈是基于一个轮转查询式操作系统的｡Z-Stack的main函数在ZMain.c中,总体来说,它一共做了两项工作,一个是系统初始化,即由启动代码来初始化硬件系统和软件构架需要的各个模块,另外一个就是开始执行操作系统实体｡协调器汇聚节点主要完成和传感器节点的通信以及和上位机的通信,等待发送端发送数据｡传感器采集节点主要是发送采集的数据,等待协调器加入网络中进行无线通信｡当协调器节点的ZigBee无线射频通信模块CC2530接通电源并且复位后,首先建立一个具有惟一ID标识的ZigBee网络,然后应答与其绑定的传感器模块的请求把其加入到网络中,同时要为发送模块分配本网络内惟一的16位地址,最后等待传感器模块发送数据,如果检测到有数据时就接受这些数据,同时通过SP3232E把接收端数据包传送给中心控制器[6]｡协调器工作流程见图5｡无线传感器节点软件工作流程见图6｡

第二部分软件是中心控制器部分软件,这部分软件运行在Linux操作系统下,主要代码为CGI程序｡中心控制器平台下运行Thttpd Web服务器,CGI程序完成网页的发布,管理者可以在远地访问此Web服务器,在Web页中完成对花卉浇水系统的控制｡后台的CGI程序负责解释命令,并把命令通过串口发到协调器中｡此外,GPRS模组､短消息处理等软件模块也由中心控制器来实现,基本为Linux下的多线程应用层程序｡

4小结

该项目首次将ZigBee和Wifi技术应用于农业花卉的浇水控制,并结合GPRS等公共网络资源解决了大棚花卉浇灌系统的远程控制,具有较强的创新性;该项目根据精准农业的要求,综合运用传感器网络技术､无线通信技术和嵌入式技术,设计了一种基于手机的远程智能浇水控制系统,能满足农业智能灌溉的要求,具有较好的示范意义;实际应用表明,该成果具有较好的应用价值及推广前景｡

参考文献:

[1] 袁艳霞. 基于zigbee的污水处理厂自动监控系统设计与实现[J].华章,2009(17):120,132.

[2] 朱德荣,党保华. 基于单片机和电话网的远程控制系统的设计与实现[J]. 机床电器,2011(4):32-35.

[3] 段筱雨,景新幸.基于PSTN的家用电器远程智能控制系统[J]. 电子工程师,2007,33(10):75-77.

[4] 潘继良,杨晓文,于锦灿.基于GSM的远程电台遥控报警监控系统[J].广播电视信息,2009(8):86-88.

[5] 周锦荣,周小方,陈炜明.基于电信网络的家电智能控制[J].电子技术应用,2008(3):72-75.

[6] 刘芬,杨继生.智能电话网远程家电控制系统的设计[J].微型机与应用,2010(2):30-32.