基于ZigBee的烟草育苗大棚群环境参数无线监测系统设计

2016-04-11魏兴祝诗平黄华贺园园

江苏农业科学 2016年2期

魏兴++祝诗平++黄华+贺园园

摘要：我国重庆地区烟草育苗大棚多建在偏远山区农村，坐落在同一地点的多个大棚相对集中形成大棚群。为了对大棚群里每一个大棚的棚内空气温湿度、照度、棚外温度、基质温度以及水池温度等环境参数实现实时监测，设计一套基于ZigBee的烟草育苗大棚群环境参数无线监测系统。系统以单片机为主控制器完成信息的采集、处理和GPRS远程无线传输，在KELL C51和IAR Embeded Workbench for MCS-51 7.51 A上编写ZigBee无线自组网、信息数据的采集与处理、TCP网络通信的C程序，并在LabVIEW 2010环境下编写系统上位机人机界面。系统可实现对烟草育苗大棚环境参数的采集、处理和无线传输，同时系统的上位机人机界面上可显示、存储数据并发布数据到Internet网络上。

关键词：ZigBee；GPRS；烟草育苗；大棚群；环境参数；无线监测；LabVIEW；数据库

中图分类号： TP212.6；S126文献标志码： A文章编号：1002-1302（2016）02-0414-04

收稿日期：2015-01-12

基金项目：中央高校基本科研业务费专项（编号：XDJK2013C107）。

作者简介：魏兴（1989—），男，四川营山人，硕士研究生，主要从事智能检测与控制研究。E-mail：429249022@qq.com。

通信作者：祝诗平（1969—），男，四川巴中人，博士，教授，博士生导师，主要从事智能检测与控制研究。E-mail：zspswu@126.com。烟草育苗是烟草栽培过程中一个非常重要的环节，培育出健壮、无病、适期、适龄、形体大小适宜的烟苗，在整个烟草种植过程中起很关键的作用[1]。例如，育苗播种后，温室内的温度须保持在25 ℃左右，湿度应保持在50%，这样的环境最适宜烟苗发育生长。因此，在烟苗生长过程中的管理至关重要，对育苗环境参数的监测成了育苗过程中一项必不可少的工作。

随着无线传感器网络技术的日益发展，近距离局域无线通信技术日趋成熟。ZigBee技术作为一种近距离、自组网、低复杂度、低功耗、低成本的双向无线通信技术，多用在区域内实现多点的信息采集[2-3]。ZigBee也通常与GPRS相结合，从而实现信息的多点采集与远程无线传输，是采集点较集中而监测中心很远的情况下的最佳应用组合[4]。

我国重庆地区的烟草种植基地分散在各县（市、区）山村，某一村户建造管理多个烟草育苗大棚，这些数量不多且相对集中在同一地点的大棚形成了大棚群。对育苗大棚环境参数的测量采用传统温度计人工测量方式，费劳费时；后来也有采用基于GPRS技术进行远程无线监测，但是为了布线方便和节约成本，针对大棚群的多个大棚，往往只选其中1个大棚进行无线监测，以此代表整个大棚群的情况。针对这一情况，本研究将ZigBee与GPRS网络相结合，ZigBee网络节点对所有烟草育苗大棚的环境参数进行采集，GPRS将ZigBee网络采集的环境参数远程发送至监测中心，从而实现对整个烟草育苗大棚群里所有大棚的环境参数进行远程无线监测。

1基于ZigBee的烟草育苗大棚群环境参数无线监测系统的总体设计结构为了让系统能够实现对烟草育苗大棚群环境参数的远程无线监测，监测育苗大棚群里每一个育苗大棚的棚内空气温湿度、照度、棚外温度、基质温度以及水池温度等环境参数，能够给烟草育苗获得更实时、准确的管理依据，给烟苗创造一个更适合茁壮成长的环境，对监测系统实行模块化方案设计，该系统结构如图1所示。

该监测系统主要由协调器主节点、信息采集终端子节点和上位机监测中心三大模块组成。信息采集终端子节点通过区域内的无线网络将采集到的信息数据发送到协调主节点，再由GPRS无线数据传输模块将数据发送至Internet网络，从而与上位机监测中心实现通信。

2基于ZigBee的烟草育苗大棚群环境参数无线监测系统的硬件设计在基于ZigBee的烟草育苗大棚群环境参数无线监测系统的硬件部分上，采用模块化设计思想，须要对协调器主节点和信息采集的终端子节点进行设计。

为了保证各模块能长时间稳定工作，各模块均采用易普EP-2不间断电源供电。EP-2内置大容量高品质锂离子电池可边充电边用，连续循环寿命达1 000次以上。精选进口电芯及IC，具备过充、过放、过流、短路及温度保护，恒定电压输出，电流自适应，高达数十万小时无故障时间，确保安全稳定。使用该电源后，即使在长时间停电的情况下，也不会影响模块的正常工作。

2.1协调器主节点硬件模块化设计

主控单元单片机（MCU）、ZigBee模块、GPRS模块三部分共同组成监测系统的协调器主节点。在主节点模块，协调器MCU汇聚来自无线传感器网络各子节点采集到的信息数据，主控单元使用串行外设接口与协调器模块相互连接，将信息数据经GPRS远程数据发送模块发送至监测中心。协调器主节点的硬件系统组成结构如图2所示。

主控单元MCU选用STC12C5A60S2单片机，该单片机为单时钟双串口，工作电压为3.3～5.5 V，以防电源抖动，含有60 kB可反复擦写10万次以上的Flash程序存储器、1 280 B片内数据存储器，其指令代码与传统的8051完全兼容，运行速度快，比普通的8051快8～12倍，而且具有能耗小、抗扰性能好的优点。因此，根据模块硬件设计要求，采用这款性能比较好的单片机作为主控单元的MCU。

协调器主节点与终端子节点的无线通信采用TI公司的CC2530无线单片机。CC2530含有8051MCU内核，拥有高速SPI串行通信端口，满足国际IEEE802.15.4协议和Z-Stack协议栈，适应2.4-GHz IEEE 802.15.4 的RF 收发器[5]。此外，CC2530还具有不同的运行模式，各运行模式之间转换时间短，使得其适应超低功耗要求的系统，能够实现低功耗无线通信，是一款真正的片上系统芯片（SOC）[6]。

主节点的GPRS模块采用SIM900a数据传输模块，内置完善的TCP/IP协议簇，通过串口通信与主控单元MCU进行通信[7]。模块能够将采集到的数据自动处理成IP数据包，通过GPRS空中接口接入到GPRS网络，最后经网关、路由和Internet网络到达上位机监测中心，实现数据远程无线传输[8]。

2.2终端子节点模块设计

无线监测系统终端子节点模块由单片机系统、棚内空气温湿度检测、棚内照度检测、棚外温度检测、大棚基质温度检测以及大棚水池温度检测传感器组成，硬件系统结构如图3所示。

CC2530模块实现局域内系统的网络自行组建，并实时采集获取传感器的信息数据，将有效的数据经ZigBee无线网络发送回协调器再进行后续处理。

大棚内空气温湿度检测采用数字型传感器DHT21，单线制串行接口，功耗非常小、响应迅速、抗扰性强，传输信号距离超过20 m，在90%～100%RH的高湿度环境中仍然能够长期确保准确输出，对于湿度比较高的环境非常适用。

棚内光照检测选用数字传感器GY-30光照模块，其BH1750FVI芯片内置16 bit AD转换器，数字信号输出，检测照度范围为0～65 535 lx，模块内部包含通信电平转换标准IIC通信协议，采集到的信息数据由CC2530单片机通过IIC总线定时处理。

棚外温度检测、大棚基质温度检测以及大棚水池温度检测均采用防水型DS18b20数字温度传感器探头。数字温度传感器的测量分辨率可通过程序来进行9～12位的设置，测量的温度低至-55 ℃左右，高达125 ℃左右，在-10～85 ℃的温度范围之内测量精度的范围为±0.5 ℃。传感器采用单总线接口，与MCU通信只需要1条口线，其探头的密封使用导热性能好的胶体，以确保温度延迟小、灵敏度高、抗扰性能好，对处于较差场合下进行检测的系统非常适用。

3基于ZigBee的烟草育苗大棚群环境参数无线监测系统的软件设计3.1下位机软件设计

系统下位机软件设计主要包括无线传感器网络和GPRS无线数据传输两大部分，以实现ZigBee在区域内自动组网和信息数据的无线传输。

3.1.1无线传感器网络系统的ZigBee无线传感器网络是基于IEEE802.15.4标准与ZigBee网络协议而设计的无线数传网络[9]。嵌入由IAR Embedded Workbench for MCS.51开发的Z-Stack协议栈，能够实现ZigBee的自动组网。

在ZigBee数据采集子节点中，单片机先初始化协议栈和各传感器模块后，再发出申请加入ZigBee协调器网络的加入信号，成功加入区域内无线网络后再启用协议栈，读取各个传感器相应的信息数据并将信息数据发送到协调器。无线数据采集终端子节点的主程序流程如图4所示。

在ZigBee无线网络的各个节点中，协调器主节点中的协调器处于最上端的核心位置，负责整个网络的组建以及协调调度各个子节点，其主程序先要对内外部设备进行初始化后，再进行程序的循环等待终端子节点加入网络，然后再处理接收到的信息数据。协调器主程序流程如图5所示。

3.1.2GPRS无线传输软件设计协调器主节点中的主控单元与SIM900a无线数据传输模块相互连接和通信是使用串口来实现的。SIM900a无线数传模块内置TCP/IP协议簇，鉴于系统数据采集地点与监测中心无线数传的实时性和可靠性要求都非常高，双方要保持随时连接，所以选用面向连接的TCP传输控制协议作为GPRS的传输协议，以保证数据传输的可靠和准确[10]。

主控制器单片机通过AT指令驱动SIM900a模块登陆上网、建立TCP连接来进行数据的远程无线传输。数据远程无线传输主程序流程如图6所示，需要调用的一些主要函数如下：

Send_AT_Command（uchar type， uchar *str_at， uchar *str_code）； //写模块AT指令

Init_SIM900a（char *ptr1_at，char *ptr1_code）； //SIM900a模块初始化

GPRS_Set（char *ptr1_at，char *ptr1_code，char *ptr_tel）； //建立TCP连接，域名方式

GPRS_Data_Trans （uchar *data_str）； //检验GPRS网络连接并进行数据传输

GPRS_Send（char *ptr1_at，char *ptr1_code）； // TCP数据发送

strsearch（uchar *ptr2，uchar *ptr1）； //处理字符串，验证应答

3.2上位机监测中心软件设计

为了能方便、直观、快捷地了解育苗大棚的实时状态，在LabVIEW 2010环境下编写1个可视化监测平台来处理下位机系统发送回来的数据，包括实现对数据的实时显示、存储和Internet网络发布，以便于管理人员随时分析决策[11]。

在接收数据过程中，服务器端调用TCP侦听函数对特定的端口进行侦听，读取终端发送回的数据，将数据显示在界面

上并存入数据库。开启LabVIEW集成开发环境中的LabVIEW Web Server服务器，配置好需要远程发布VI的Internet配置，打开VI前面板窗口，使用LabVIEW 自带的“Web Publishing Tool”就可将配置好的的VI发布到网络上去[12]。这样，无论电脑下有没有安装LabWIEW，只须在Web浏览器地址按规定格式输入URL，就可访问到在服务器上运行的VI了[13]。上位机软件流程如图7所示。

4基于ZigBee烟草育苗大棚群环境参数无线监测系统的测试在大棚群现场的4个大棚里各部署1个信息采集终端子节点，协调器主节点放置在大棚管理室内，并设定各终端子节点每5 min采集发送1次数据，对系统进行为期1周的测试，结果如下：

（1）监测中心能够监测到大棚群环境参数情况，并存储历史数据，上位机无线监测中心数据显示如图8所示，节点数据存储如图9所示。

（2）在7 d的测试中，系统的网络丢包率平均为0.53%，说明系统传输部分运行正常。网络丢包率数据统计如表1所示。

测试结果表明，系统运行稳定可靠，能够将采集到的环境信息实时快速地传回至监测中心，达到预期的效果。

5结束语

烟草育苗是烤烟生产的一个非常重要的阶段，烟苗生长的好坏直接关系到烟农当年的经济收入水平的高低。对于烟草育苗阶段烟苗生长环境的监测与日常管理显得特别重要。因此，本研究开发一套基于ZigBee技术与GPRS技术相结合的烟草育苗大棚群环境参数远程无线监测系统，对大棚群里每一个大棚的棚内空气温湿度、照度、棚外温度、基质温度以及水池温度等环境参数实现实时监测。该系统利用ZigBee无线自组网模块进行自组网，实现局域内信息实时采集，并利

用GPRS模块通过GPRS网络与服务器建立可靠稳定的连接，将各个育苗棚的环境信息实时快速地传至监测中心。对于环境参数信息的监测，在采集点相对集中而监测中心较远的情况下均可运用该系统。

参考文献：

[1]丁万红，唐勇，张瑜琨，等. 烟草育苗技术[J]. 农村科技，2014（5）：51-52.

[2]夏伯锴，杨晓红. 基于ZigBee技术的短距离无线数据传输系统[J]. 硅谷，2012（17）：31，11.

[3]梁万杰，曹静，凡燕，等. 基于无线传感器网络的猪舍环境监测系统[J]. 江苏农业学报，2013，29（6）：1415-1420.

[4]徐亚峰，刘焕强，顾晓峰，等. 基于ZigBee和GPRS的远程水质监测系统的设计与实现[J]. 江苏农业科学，2013，41（3）：328-331.

[5]蒋挺，赵成林. 紫蜂技术及其应用[M]. 北京：北京邮电大学出版社，2006.

[6]汤朝明. 低功耗煤矿无线监测系统的设计与实现[J]. 矿业安全与环保，2013，40（4）：31-34.

[7]李金雷. 基于物联网设施农业环境信息智能采集终端研发[D]. 天津：河北工业大学，2012.

[8]贺园园. 基于太阳能的茶园无线监测系统的设计[D]. 重庆：西南大学，2013.

[9]Chen L J，Sun T，Liang N C. An evaluation study of mobility support in ZigBee networks[J]. Journal of Signal Processing Systems，2010，59（1）：111-122.

[10]Rendon J，Casadevall F，Serarols D，et al. Analysis of snoop TCP protocol in GPRS system[J]. Electronics Letters，2001，37（10）：651-652.