Zigbee智慧连栋温室环境监控系统

2015-02-07天地常州自动化股份有限公司袁凤培

电子世界 2015年16期

天地（常州）自动化股份有限公司邱宇张建袁凤培

Zigbee智慧连栋温室环境监控系统

天地（常州）自动化股份有限公司邱宇张建袁凤培

对于农场式规模经营的不断壮大，农业各种基础设施也不断的完善成熟，但在一些监控监测方面还存在着很多问题，尤其是大面积的节点布局通过有线方式来构成大型的温室监控网络来进行温湿度以及光照度、pH值等信息，这样使得连栋温室内走线杂乱、安装维护困难以及带来很多的不稳定因素。若直接采用GSM或GPRS的无线传输模式则使得成本较高。采用性价比较高的Zigbee模块来实现无线组网，经济实惠的解决智慧连栋温室的网络传输问题。

Zigbee；智慧农业；传感器；无线；组网

引言

随着国家一号文件的发布，对农业的大力支持，越来越多的个体种植户正在向庄园及农场的方式转变。对于一个园区而言，温室群的管理耗费了大量的人力物力。虽然在一些先进的温室已有一些简单的控制设备通过有线及局域性的无线控制，但面临整个网络还存在传感器节点数量多、实现成本高、可靠性低等特点。对于一些工作人员只能凭经验粗略的对温室环境进行调节，然而对于作物的生理参数重视的很少。

本系统主要通过性价比较高、稳定的Zigebee网络来实现对作物生理环境参数的采集以便于根据系统集成的专家推荐经验环境值通过一些设备来改善环境，提高作物的成活率，增产增效，节省成本。实现大区域的智慧温室，提高产值。

图1 系统整体拓扑

1 环境信息监测系统结构

如图1所示本系统设计为三层的网络结构即终端节点层、数据传输层以及应用层。系统的终端节点层主要分为数据采集和输出控制两类模块。其中数据采集模块主要完成温室环境的土壤以及环境的温湿度、PH值、空气中的二氧化碳含量等信息值，设备控制模块主要根据监控中心或者协调器节点发出的指令进行相应的环境温湿度及地灌、二氧化碳等设备进行控制，从而将环境改善适合作物的生长环境；数据的传输层主要由Zigebee网络终端节点、路由以及协调器节点组成；应用层主要由Labview进行上位机界面设计来实现对连栋温室的监控监测。

本设计的Zigbee网络通过使用协调器发命令对终端进行轮询数据查询的方式，这种方式可以保证每个终端在整个网络中的地址分配唯一，不存在数据传输的冲突及丢包问题，Zigebee的理论接入点为65536，本设计通过对Zigebee发射功率的加强，大大增加了其传输性能，增大了网络的覆盖面积。

2 系统硬件设计

2.1 芯片及模块选型

CC2530具有成本低、功耗低以及硬件资源丰富等优点，属于带射频的单片机。可以直接对传感器进行数据采集，CC2530具有8路 AD转换通道可以连接8种模拟量传感器及多种数字及开关量传感器。通过定时器、通讯、DMA、定时器以及协议处理器等完成较复杂的数据采集及传输任务。在本设计中主要涉及的物理量有空气温度、空气湿度、土壤湿度、光照强度以及土壤PH值等。需要接入的传感器主要为DS18B20数字式温度传感器、HM1500模拟量湿度传感器以及HA151-PH型耐碱pH电极PH值传感器、光强、二氧化碳等模拟量传感器。CC2530结合自身的丰富资源完全可以满足一个分站的设计需求。

2.2 Zigbee硬件电路设计

本设计中的CC2530具有电路设计简单，可靠稳定的特点，如图2所示为Zigebee的基础工作电路。电路中的32M时钟晶振的主要作用是为CPU供主频，本设计中需要使用RF射频功能，因此对此时钟的性能参数要求较高。系统中的32.768kHz晶振主要作用是当CC2530进入睡眠模式时为睡眠定时器以及看门狗提供时钟从而降低系功耗。射频天线接口的作用是将CC2530输出的模拟信号通过外围天线电路发射出去，信号通过LC电路以及匹配电路将单端信号与天线的阻抗匹配后通过陶瓷天线将信号发射出去。

表2 完整帧格式

为了避免电路受到电源的影响，电路中增加了电源滤波，为了更精确的得到AD，选取了REF3330芯片作为Zigebee的精准外部参考电压。协调器中选择芯片的P0_2和P0_3作为串行通讯接口并可通过MAX232芯片与主机进行通讯。

图2 Zigbee硬件电路

3 系统软件设计

3.1 协议栈及处理流程

本系统采用z_stack协议栈软件进行开发，使用此软件主要在初始化过程中通过函数osal_init_system()这个接口函数来初始化操作系统的抽象层，通过调用osalInitTasks()函数来对任务列表进行优先级的分配以及任务的调度，优先级高的返回小值。在协议栈中有个负责任务处理的数组taskArr[]，其内容与osalInitTask()初始化的顺序是相同的，更利于任务的调度。当前的扫描任务主要由tasksEvents指针指向。

3.2 数据帧传输编码

为了提高数据传输的可靠性，本文设计了传输帧格式，将采集到的一组数据以打包的形式发送出去，在每一帧中都有校验码，提高数据的可靠性。每一帧的数据格式分配如表1所示：单独的有效数据帧以“{{” 开头，以“}}”结束；ID为5个字节，其中前两个字节为数据内容长度，接下来两个字节为序列号, 例如：00 01～99 99用来区分是第几个数据；最后一个字节来表示数据类型，如B：湿度。

表1 数据帧格式

当Data为湿度信号值。一段完整的数据帧如表2所示：

表2中的设备地址主要区分是哪个数据采集分站的数据，用两个字节；作为识别一帧数据的开始和结束分辨用引号来表示；CS校验方式：校验码主要为(ID＋识别码+数据)%256来作为校验码。

4 现场测试及应用

分别将防水温度采集探头、湿度探头、光照以及PH值等传感器接入16组数据采集分站，将分站在每栋温室内放两个节点。在上电后Zigebee实现自动组网，将实时采集的书库传送至主机及上位机。

图3 现场应用及上位机

为了给温室内的作物提供更加合理的生长环境，该系统内部建立了相关作物的生长条件专家系统，可以更加方便的指导业主对作物更加合理的种植，对作物的生长环境改善实现智能化自动控制，方便管理。通过现场实践表明，该网络信息传输稳定，方便实用，大大的改变了以往人工检测的情况，更加合理的对通风、增二氧化碳以及排湿等操作。达到很好的降本增效效果。