基于ZigBee无线通信的智能温室监控系统设计

许宇卫，戴　澜北方工业大学电子信息工程学院，北京　100144



基于ZigBee无线通信的智能温室监控系统设计

许宇卫，戴澜
北方工业大学电子信息工程学院，北京100144

摘要随着现代农业和高新技术的发展，智能温室得到广泛的关注和应用。为了克服温室人工管理和远距离有线监控在人力、技术等方面的局限性，本文介绍了一种基于TI公司ZigBee专用SOC芯片CC2530，采用无线网络技术结合先进的射频微处理器控制技术和智能传感器技术设计的智能温室无线多参数监控系统。经实际测试分析，测试结果表明系统具有较高的可靠性和很好的实用价值。

关键词射频收发器；智能温室；多参数实时监控

随着无线通信、处理器以及传感器等高新技术的发展以及国家对智能农业发展的逐渐重视，智能温室作为智能农业的一个小的体现形式，正在被广泛关注和应用。智能温室也称作自动化温室，它是集计算机智能控制、传感器数据采集、通信等技术为一体的自动化设施。现有的大多数智能温室采用人工实地记录或者有线设备远距离监测的方式对数据进行采集，然后再通过分析结果，控制相应的设备以达到对温室生态系统进行调整的目的。这种方式不仅加大了工作量，又受到地理位置、布线及各种复杂环境的影响，具有很大的局限性。智能生态系统的环境温湿度等参数对农作物的生长起着至关重要的作用，为此，本文介绍了采用ZigBee无线通信技术结合微处理器控制技术和智能传感技术设计的智能温室无线多参数监控系统。

1　方案论证与设计

在无线智能温室监控系统的设计过程中，可采用ZigBee专用通信芯片CC2530。其是TI公司针对ZigBee近距离无线通信设计的SOC芯片，内部含有一个加强型8051内核，八路可调位宽的模数转换器，有多种存储空间的类型可以选择。整个系统的硬件部分，可采用以下两种主要方案。

1.1MCU+RF收发器方案

可采用微处理器与射频收发器相结合的方案进行设计，此时射频收发模块只负责数据的收发，而不进行数据处理。处理器负责数据的处理，以及与上位机的通信。以协调器节点为例，CC2530只作为射频收发器使用，给出方案框图。

图1　MCU+RF方案简单框图

此方案微处理器的选择可用51单片机、ARM处理器等，虽增加了控制与处理数据的灵活性，但同时也增加了设计电路的复杂度。在处理大量节点数据的情况时，可以考虑。

1.2CC2530作为处理器和RF收发器方案

以下给出简单结构框图。

图2　CC2530作为MCU和RF收发器的实现方案

对比两方案，我们采用第二种方案进行设计。设计对监测温室环境所需的温度、光照、CO2气体含量等参数进行数据采集与处理。具体原因如下：

1）智能温室所需采集的参数量相对较少，增强型8051处理器相对足够；2）为了保证节点的长期稳定工作，低功耗是必须考虑的问题，外加处理器会增加功耗；3）在保证电路设计的可靠性前提下，各类型节点电路设计益简不益繁。做到硬件设计的快速进行和资源的有效利用。

2　系统工作原理及部件架构

2.1系统工作原理

以温度采集为例：首先，由协调器节点通过ZigBee协议建立一个ZigBee网络，此时可以通过USB转串口连接协调器与PC机上的上位机。打开一个终端节点的电源，终端节点按照ZigBee协议的要求，自组网/自适应的加入到刚才建立的ZigBee网络。单个终端节点上的单总线DS18B20温度传感器，采集实时的温度参数，通过ZigBee网络传送到协调器节点，然后通过串口，把数据采集到PC上位机，这样便完成了单个节点一次温度采集的过程。如果经多个节点温度数据分析，温度超出设定的范围，手动模式下可利用上位机界面上的按钮，通过串口发送命令给协调器，再由协调器发送指令给对应的控制终端节点，控制相应设备的开启和关闭，从而使温度得以长期保持在所设定的范围。亦可采用自动模式，自动对相应设备进行开关控制，其原理与手动模式类似。

经过整个过程的运行，达到对温度参数的无线监测和动态调整。其他参数的监控方式与温度监控类似。

2.2系统部件架构

2.2.1硬件设计

系统总体框图如下：

图3　系统总体实现方案框图

由于只是初步试验阶段，本设计共制作4个节点模块，其中一个作为协调器模块，另外3个作为终端节点模块，为节省资源，在其中一终端节点模块接入继电器控制接口，以模拟对设备的无线控制。协调器模块与近程PC的上位机软件采用串口连接。手机App软件暂未开发。

协调器节点原理框图与图2类似。作为整个系统中的核心模块，协调器节点负责数据的“上传下达”。用户LED采用4种不同颜色的灯代表不同的功能，以直观的显示出节点的工作状态。

终端节点设计原理如图4，在其中一终端节点上接入继电器组或是电子开关，此时的终端节点既是数据采集的终端又是相关设备的控制机构，这样可以提高CC2530作为SOC芯片的利用率，不用再单独的设计一个控制模块节点，节省了节点的数量，提高了系统工作的稳定性。

图4　终端节点及控制部分框图

2.2.2软件设计

系统上电以后，首先对硬件和协议栈进行初始化，然后把该节点作为协调器节点，建立网络，待网络建立成功以后，扫描终端节点的请求接入网络的信息，扫描到以后，开始配置网路地址空间，在网络地址未满的情况下，给各终端节点分配相应的短地址，此时终端节点加入网络成功。

仍以温度采集为例，终端节点上的温度传感器DS18B20接到数据采集命令开始记录温度数据，然后将实时采集到的温度数据以串行数据形式传输到CC2530处理器，接着通过ZigBee网络往协调器节点传送，再依次传送到上位机，进行数据解析和显示。上位机通过一些提前设定好的参数去控制带有控制机构的终端节点，以开启或关闭设备实现对温度的实时监测和控制。整个过程的软件设计流程图如下：

图5　温度监测和调控软件设计流程

3　测试结果分析

经实际测试，终端节点与协调器节点及PC的通信链路通信正常，终端节点与协调器节点最远有效通信距离为61m，最近有效通信距离为47m，数据的传输响应比较迅速，能够实现实时数据采集。

对设备的控制在50m有效范围内，也能通过ZigBee网络得以实现，手动、自动控制模式均得到验证。测试结果符合预期设定的要求。

4　结论

测试结果表明本设计方案可行，系统具有较高的可靠性和很好的实用价值。由于时间仓促和试验条件有限，整个系统只是模拟进行了各项功能的测试，还未应用于实际的温室当中。

下一步，要在实际应用的基础上查找不足，对系统进行改进，主要是在硬件的传输距离及可靠性和互联网接入等方面的考虑，以及手持终端APP的开发。

参考文献

［1］栾学德.基于ZigBee无线网络的智能温室环境监控系统设计［D］.青岛：中国海洋大学，2012.

［2］王小强，欧阳骏，黄宁淋.ZigBee无线传感器网络设计与实现［M］.北京：化学工业出版社，2012.

［3］CC2530 Data Sheet..http：//www.ti.com.

中图分类号TP3

文献标识码A

文章编号1674-6708（2016）165-0146-02

作者简介：许宇卫，硕士在读，北方工业大学电子信息工程学院，研究方向为集成电路系统设计。戴澜，北方工业大学电子信息工程学院。