基于ZigBee的温室监测系统协调器节点设计

李晓娟,徐君鹏,秦国庆

（河南科技学院,河南新乡453003）

基于ZigBee的温室监测系统协调器节点设计

李晓娟,徐君鹏,秦国庆

（河南科技学院,河南新乡453003）

基于ZigBee协议设计了用于温室环境监测的无线协调器网络节点.节点硬件部分采用无线微控制器JN5139作为核心模块,加入存储电路、时钟电路、LCD液晶显示电路、按键和语音电路；软件采用C语言编写.在实验室搭建模拟运行环境,结果表明：系统可以实时、准确、可靠地完成温室环境因子监测.

ZigBee；协调器节点；JN5139；监测

智能温室可以为农作物提供适宜的生长环境,对温室环境参数监测的实时性、准确性是衡量温室智能化高低的重要参数[1-2].在温室监测系统中,协调器节点设计是关键一环,协调器节点不但是单个温室环境监测网络的中心,而且是单个温室与主干网络的交互中心,负责组建整个温室监测网络并通过串口将信息传递到监控室.本文基于ZigBee协议设计了一种用于温室环境监测的无线协调器网络节点.

1 协调器节点硬件设计

协调器节点采用英国Jennic公司的无线微控制器JN5139[3]作为硬件核心模块,同时加入存储电路、时钟电路、语音电路、按键和LCD液晶显示电路,其结构如图1所示.

图1 协调器节点结构Fig.1 Block diagram of coordinator node

1.1 控制器选择

系统构建的基于ZigBee协议的温室监测系统的协调器节点,选用英国Jennic公司的集CPU内核、标准的I/O外围单元及RF模块为一体的无线微控制器JN5139,它有3种灵活工作模式（有效处理模式、睡眠模式和深度睡眠模式）和4个模块供电域,在应用时根据实际情况选取合适的工作模式和控制具体的模块供电域,在降低功耗的同时延长电池的使用寿命.另外在它内部集成32-bit RISC CPU、1.4 GHz IEEE801.15.4全兼容的无线收发器、192 KB ROM、96 KB RAM及丰富的模拟数字外围.

1.2 存储电路设计

为了使温室监测网络更加灵活,即不仅能监测温室环境参数,还能根据需要调出温室内任一节点的监测数据及工作状态,在协调器点上加入了存储电路,以便存入各个节点的MAC地址或网络地址等信息.结合低功耗、与微处理器接口简单、存储空间需要、小体积等因素,系统选用ATMEL公司的AT24C64N-10SC-1.7[4].其接口电路如图2所示.

图2 AT24C64接口电路Fig.2 The interface circuit of AT24C64

图2中,把A0、A1、A2接地,表明协调器只扩展一个同类型的存储器,WP脚为硬件写保护脚,当其接高电平时,64 Kbit的前16 Kbit禁止写操作,从而可以避免一些误操作,当接低电平时,没有写保护功能,当悬空时,内部默认下拉到地.

1.3 时钟电路设计

在温室监测系统中,基于时间的温室环境因子数据报表有利于查找作物的生长规律,并且利用实时时钟可以记录一些故障发生的时间及无线节点的失效时间,这对整个温室环境因子的准确监测都是不可缺少的,因此协调器节点引入实时时钟.结合低供电电压、低功耗、小体积、接口简单等因素,选用Philips Semiconductors的基于IIC总线的日历时钟芯片PCF8563[5].其接口电路如图3所示.

图3 PCF8563接口电路Fig.3 The interface circuit of PCF8563

图3中,中断输出通过DIO11接至JN5139,当中断事件发生时,JN5139微控制器进行相应的处理；由于集电极开漏,所以加入10 kΩ的上拉电阻；R16、R17为0 Ω电阻,主要用于调试方便及测试系统功耗.在电源设计中,当主电源正常时,主电源供电,否则后备钮扣电池供电以便保存数据和维持时钟的照常走动.

1.4 LCD显示电路设计

采用LCD显示技术把温室里的主要监测环境因子显示出来,可以供用户实时查询,并通过按键去采取必要措施,从而达到良好的人机互动.结合体积及功耗,监测系统中采用V12864-0[6],其为一块128*64点阵的LCD显示面板（玻璃）,采用COG技术将控制（包括显存）、驱动器集成在LCM的玻璃上,接口简单,操作方便,各种MCU均可对其进行方便简单的接口操作.内核驱动控制芯片为EPSON SED1565.其与JN5139无线微控制器的接口电路图如图4所示.

图4 V12864-0接口电路Fig.4 The interface circuit of V12864-0

由图4可以看出,使用DIO0-DIO7作LCD并行数据口,而DIO8、DIO9作控制口,可以根据光照传感器的输出值来判定周围光照度,从而向V12864-0发送不同的背光设置命令以节省功耗,并且还可以通过控制命令使V12864-0进入节电模式.

1.5 按键电路设计

用户需要通过按键来查询整个监测系统的工作状态,或通过按键输入节点的地址,来查询节点的相关信息以及设置一些必要的系统参数等.因此按键电路的设计也是必要一环.由于JN5139无线微控制器仅有21个GPIO,为了充分利用JN5139的现有资源,系统的键盘设计采用ADC2及ADC3接口来实现.其按键接口原理如图5所示.

图5 按键接口原理Fig.5 The interface circuit of key

1.6 语音电路设计

用户常和协调器节点交互,为使协调器节点更加人性化,除了键盘、LCD显示外,引入语音电路,从而可以以声音的形式来播报温室环境因子参数及报警指示.考虑到系统中实际语音播报时间及性价比,这里选用美国信息存储器件公司的ISD系列语音芯片ISD4002-120EI[7],它能录放达120 s,操作命令可通过串行通信接口（SPI）送入.为了能够驱动8 Ω扬声器工作,本协调器选用Freescale Semiconductor公司的MC34119低功耗音频功率放大器对语音芯片输出的音频信号进一步放大.

由ISD4002-120EI和MC34119组成的语音电路如图6所示.

图6 ISD4002-120EI和MC34119组成的语音电路Fig.6 Sound circuit comprise of ISD4002-120EI and MC34119

在图6中,为了使语音电路与高频电路不互相干扰,把模拟电源与数字电源、模拟地与数字地利用磁珠进行隔离.为节省功耗,系统在不播放语音时,通过JN5139的IO脚来控制S9011的导通与截止,进而控制MC34119在工作与静音模式的切换.

2 协调器节点软件设计

本系统采用C语言在Jennic CodeBlocks环境下进行编译和调试.

协调器在网络层主要是选择网络所使用的频率通道,启动网络并将其他节点加入网络,提供安全管理和其他服务.协调器成功建立网络,路由器节点和传感器节点加入网络,并且路由器节点和传感器节点发送自己的MAC地址给协调器,协调器通过查找存储器AT24C64中存储的节点编号地址对应表,来完成路由节点和传感器节点的注册,并把节点编号、MAC地址、网络地址对应起来,重新存入AT24C64.

初始化完成后,应用程序把控制权交给BOS/ZigBee协议栈,通过设定定时器的值来定时读取相关数值,并作出相应处理.监控中心通过UART0发出命令和数据,协议栈根据命令采取相应措施.传感器节点及路由节点通过MSG事务事件发送温室环境因子监测数据,协议栈处理后送LCD显示或通过RS485总线传输到监控中心.其协调器功能流程图如图7所示.

图7 协调器功能流程Fig.7 The functional flow chart of coordinator

3 系统测试

3.1 实验环境

本测试阶段在实验室内完成,在模拟过程中采用5个节点的网络,其中2个传感器节点,2个路由节点,1个协调器节点.在实验过程中,传感器节点、路由节点采集数据,并且路由节点负责把传感器节点采集数据传到协调器,最终协调器节点通过串口中断事件把数据发送到上位机的超级终端进行显示,以便进行初步的实验结果验证.实验环境如图8所示.

图8 实验环境Fig.8 Experiment environment

3.2 网络管理功能测试

网络管理功能主要包括：协调器启动,传感器节点和路由节点加入网络,并完成相应注册；网络节点损坏时及时报警.其中协调器启动网络,网络节点加入网络的系统组网图如9所示.

图9 系统组网图Fig.9 System network diagram

从图9可以看出,协调器能够启动并成功建立网络,同时完成路由器节点和传感器节点的网络加入.

3.3 数据采集测试

系统成功组网后,通过测试程序来检测各部分功能.在测试程序中,采用随机函数法来模拟采集温室数据,其中断数据传输如图10所示.

图10 中断模式下的数据采集Fig.10 Data acquisition in interruptive mode

从图10可以看出,协调器节点采集的温室数据主要包括温度、湿度、光照度,当数据超限时,能采取中断方式立即上报协调器,并发出声光报警,使用户可以及时采取相应措施,从而提高温室环境监测的实时性、准确性.

4 小结

本文基于ZigBee协议设计了一种用于温室环境监测的无线协调器网络节点.完成了硬件电路设计和程序编写,实验表明,该系统采用中断方式极大地提高了温室环境的实时监测能力,通过上位机界面用户可以方便地监测温室环境参数,为农业信息化提供依据,应用前景广阔.

[1]孔晓红,秦国庆,张强.智能远程温室监控系统设计[J].湖北农业科学,2015,54（17）：4294-4296.

[2]鞠传香,吴志勇.基于Zig Bee技术的温室大棚智能监控系统[J].江苏农业科学,2013（12）：405-407.

[3]杨维国,殳国华.基于ZigBee模块JN5139无线数据采集系统的设计与实现[J].电气自动化,2010,32（1）：54-56.

[4]杨尊峰,曹金玲.非易失存储器数据安全性研究[J].天津师范大学学报：自然科学版,2006,26（2）：63-66.

[5]赵亮.跟我学51单片机（十二）：实时时钟/日历芯片PCF8563[J].电子制作,2011（12）：72-74.

[6]郭峻岭.基于DSP的信号采集与处理系统的设计与实现[D].武汉：武汉理工大学,2009.

[7]刘微,陈贺新,孔令媛,等.ISD4002语音芯片在报警系统中的应用[J].微计算机信息,2009（17）：260-261.

（责任编辑：卢奇）

Design of coordinator node of greenhouse environmental monitoring system based on ZigBee technology

LI Xiaojuan,XU Junpeng,QIN Guoqing
（Henan Institute of Science and Technology,Xinxiang 453003,China）

A wireless coordinator network node for greenhouse environmental monitoring based on ZigBee technology was designed in this paper.The hardware part adopts the wireless microcontroller JN5139 as the core module,and the storage circuit,the clock circuit,the LCD liquid crystal display circuit,the button and the voice circuit was joined at the same time；the software adopts C language.Finally,building a simulation environment in laboratory, the experimental results showed that greenhouse environmental factors could be real-timely,accurately and reliably monitored though the system.

ZigBee；coordinator node；JN5139；monitoring

TP274

A

1008-7516（2016）04-0067-07

10.3969/j.issn.1008-7516.2016.04.014

2016-04-10

河南科技学院2016年大学生创新训练项目（2016CX025）

李晓娟（1986―）,女,河南汝州人,硕士,助教.主要从事模式识别与智能控制研究.