基于ZigBee 技术的温室大棚环境监控系统应用探究

2015-12-31谭成兵

电子测试 2015年4期

谭成兵

（亳州职业技术学院信息工程系,安徽亳州,236813)

0 引言

对于用户来说，只有将温室中构建的无线传感网络中采集的相关数据收集起来进行统计分析，才能对温室的各项环境因素有准确的认识，从而实现对温室的真正意义上的监控。对传感器采集数据的进行分析的软件应该在系统中相对独立，通过一个用户体验良好的界面，使得用户能够方便快捷的获取自己关注的相关数据，而不必关注这些数据是如果通过传感器读取，又如何通过无线传感网络传输这些细节过程。

在本次设计过程中，对于用户使用的监控界面是基于LabVIEW8.2 平台来设计的，根据温室大棚监控系统中的相关功能要求，本次设计的系统主要由数据接收模块，数据处理，系统报警模块三个3 模块组成，接下来将围绕系统的相关功能作进一步介绍。

1 软件开发环境介绍

1.1 LabVlEW 简介

LabVIEW（Laboratory Vir tual Inst rument Engineering Workbench）也是一种通用系统，其中提供了庞大的函数库，它提供了图形化编程的形式，产生的程序是一种类似框图的图形。

LabVIEW 中通过图标去代替文本创建程序，对于基于文本语言实现的程序中的顺序逻辑在LabVIEW 中以流程图的形式去指定。使得开发人员并不需要很强的编码能力就能够在LabVIEW 上进行系统开发，极大提高了系统的开发效率，另外LabVIEW 也提供了传统的程序调试工具s 开发者在开发过程中能够很方便的对出现的问题进行定位。

1.2 MoteWorks 软件平台

对于无线传感网络是采用的MoteWorks 开发，它提供了对OEM 设备和多种无线传感器的支持，MoteWorks 中构建的无线传感器网络主要由节点端、中间件和客户端组成，在节点端主要是一些自组网技术，保障整个通信过程的顺利进行。中间件主要是一些系统操作平台或者是服务器，主要提供一些发送基本命令、管理、监控整个系统的功能。

中间件是采用的Xserve 去实现的， Xserve 的高效的性能使得其在能够对无线传感网络中传输的数据快速进行分析处理，同时在Xserve 中提供了一些功能扩展的接口，使得用户可以根据自己的需求定义相关的数据处理规则，并且Xserve 提供了跨平台的支持，使得基于Xserve 开发的程序模块的可移植性较高。

2 系统软件组成

本次设计的系统的图形化界面主要有两个部分组成，一个是实时监测部分，提供了系统参数配置、数据接收处理等功能，另一个是数据管理模块，对系统中的各种数据为用户提供了访问接口。

软件系统结构功能如下：

● 参数配置

NX的UI Styler应用模块提供给用户可视化建立NX风格对话框的功能。用户可根据需求选择合适的控件，在属性编辑器中设置对话框名称和提示信息实现数据传输，同时调整控件位置，实现合理布局。本文对于施工升降机导轨架零件的设计界面采用UI Styler中提供的UI样式编辑器定制系统操作界面对话框。所创建系统界面对话框见下节实例。

参数配置模块主要是对系统中一些基本的参数进行设定，如系统中的通信地址、通信端口等，使得系统能够接收到无线传感网络传输的各种数据。

● 数据接收

数据接收主要在传感器中获取到数据，将数据交付给微控制器处理和微控制器在处理完数据后，通过无线传感网络将数据传输给控制系统的过程。

● 数据处理

系统中很多地方都要进行数据处理，如微控制器对传感器采集的数据进行处理、数据在无线传感网络中网络节点对数据进行的处理已经控制系统在接收到无线传感网络传输的数据再作进一步处理。

● 数据查询

数据查询主要是对系统中的各种历史数据进行查询，包括温室的温度、湿度、一些异常情况等等，查询的结果将会以一种动态的效果图的形式显示，使得用户可以更加直观的获取自己所需要的数据，本次的数据查询功能还提供了对无线传感网络中对于网络节点的查询功能，使得系统能够动态监控网络节点的工作情况。

● 报警模块

温室中对于很多环境因素都设置了阀值，如温度、湿度等，当系统中一旦监测到相关数据超过阀值的限定，要能够发出报警信号，并能够采取相应的处理措施。

3 软件开发关键技术

3.1 数据格式

Xserve 能够将完成一些在应用程序中对数据高层次的处理，简化了应用程序的工作。它是将数据直接解析成应用程序可用的格式，使得应用程序可以直接应用接受到数据，Xserve 能够满足在应用程序中定义的不同格式的需求，实现了传感网络与系统应用的无缝连接。

3.2 连接中间件Xserve

通过扩展Xserve 中提供的相关数据接口实现了对无线传感网络整个工作过程的监控。设计过程中利用Xserve 中的XML 接口作为数据发送器，将其与XServe 中间件服务器建立连接，并为该连接配置基于TCP／IP 通信协议下，数据的传输方式是基于XML 实现的。配置Xserve 的数据交互方式基于XML 的命令如下：

xserve-0—-xmlc-xmlport=9005—-s=eom4

该命令的含义是通过将传输的数据转化成XML 格式，并通过9005 这个端口传输数据，应用程序监听9005 这个端口就能够获得发送过来的XML 数据。

3.3 数据的解析和转换

通过在界面开发平台中LabVIEW 提供的相关函数接口，能够很方便的与Xserve 进行交互，获得Xserve 中发送的基于XML 的数据包，界面应用程序在获得这些XML 数据后，对其作进一步的解析，使得数据能够被其他模块方便使用。

3.4 程序流程图和后面板程序

Xserve 服务器被开启后，能够通过应用程序将Xserve 转发的数据进行捕获，进而对捕获的数据进行进一步处理成用户可用的格式。

接下来将对本次系统设计的监控程序的流程进行介绍，在系统中将相关环境因素的阀值设定以后，启动系统的监控程序后再启动Xserve 服务器，这样温室中的传感器就能够将采集的数据最后以XML 的形式传输，应用程序在捕获到Xserve 发送的这些XML 数据后对这些数据作进一步分析处理，并对一些数据与系统中设置的相关阀值进行比较，一旦有数据超过阀值的限定，那么系统就会发出警报信号通知用户，同时系统能够自动进行相关处理，对于那些在合理范围的数据能够按照用户所期望的格式进行显示。当系统的监控程序被终止的时候，整个监控过程结束。

图3-1 系统程序流程图Fig 3-1 System program flowchart

4 软件界面及功能介绍

在本次设计的监控系统中，用户界面主要分为主界面、监控界面和查询界面。在主界面中提供了系统基本参数配置、数据备份等功能；在监控界面能够对系统中各项环境数据进行监控，并对监控过程提供报警的功能，对于报警提示系统中专门提供了报警的界面；在查询界面主要是提供一些历史查询的操作，查询的结果会以图的形式动态的展现给用户。

5 基于ZigBee 技术的温室大棚环境监控系统的性能试验及结论

本次设计的温室大棚监控系统成功的实现了与MICAz 平台的整合，并且数据采集、发送接收过程均未出现异常；为了进一步确定本次设计的系统的准确性和可行性，搭建以下的测试环境对系统的各项功能进行验证：

测试环境：生化培养箱，温度范围5-10℃；

测试平台：LabVIEW8.2 下开发的终端监控软件；M1CAz 硬件平台；

测试目的：验证本次开发的温室大棚监控系统的各项功能模块运行正常。

测试方法如下：

（1）首先在温室的培养箱中设置多个传感器节点就采集培养箱中的温度数据，并将传感器节点与终端连接，使得采集到的温度数据能够最后被发送到系统的监控中心。

（2）接着在终端电脑上进入本次设计的监控系统，在主界面中设置相关环境因素的阀值后，进入监控界面，打开监控程序开始对传感器采集的数据进行监控。

（3）然后在监控界面上对监控的数据进行记录，由于温室中温度的变化一般来说都不会太剧烈，为此对于温度数据的实时性要求相对较低，本次测试过程每隔十分钟记录一次数据。记录的数据见表5-1。

（4）最后将记录的结果与系统中设定的标准值进行比较，发现所采集到的数据在正常范围内。

就本次系统功能测试过程和最后采集到的相关数据来看：系统各项功能模块运行正常，在系统参数设置过程还是在启动监控程序后获得监控结果，系统中未出现数据传输失败的现象，温度感应器能够将其采集到的数据及时有效的发送到系统终端，验证系统整体的稳定性；温度感应器采集到的数据与实际值的偏差是相当小的，当然这种误差并不是系统本身造成的，而是温度感应器在采集数据过程中就出现的。为此验证了系统的数据传输的正确性；最后，在不同的温度温度范围内，系统中不同的温度传感器采集的数据之间的误差以及数据和标准值的误差都不是很明显，验证了本次设计系统采集的数据的可靠性。