基于Zigbee无线传感器网络的温室栽培温湿度监测系统设计

刘环

摘 要： 在温室栽培中，温度是作物培育的重要参数，但是采用一般的办法并不能完成实际需求任务。针对这一问题，提出一种以Zigbee为基础、无线网络为媒介的温室栽培温度监测系统。使用Zigbee协议栈搭建网状拓扑的无线网，网络终端为插在土壤中的传感器节点，采集土壤的温湿度数据，利用无线网络，数据发送到网关后并上传到控制端，再由控制端的监控系统对数据进行相关的再处理。通过简单操作，节点可以快速、灵活地组成无线传感器网络，整个网络性能稳定，可靠性强。开发的Zigbee无线传感器网络不仅可以在温室中应用，还可以将其作为一个后期继续研究的开放平台。

关键词： Zigbee；状态监测；无线传感器网络

Abstract：In greenhouse cultivation temperature is an important parameter of crop cultivation but the general method can not fulfill the actual required task. Aiming at this problem a kind of greenhouse cultivation temperature monitoring system based on Zigbee and wireless network is proposed. Zigbee protocol stack is used to build mesh topology of wireless networks network terminal is the sensor node inserted in a soil which could collect soil temperature and humidity data；using the wireless network after the data sent to the gateway and uploaded to the control side the data is related to processing again by the control of the monitoring system. Through simple operation the node can quickly and flexibly set up the wireless sensor network. The whole network performance is stable the reliability is good. The developed Zigbee wireless sensor network not only can be used in the greenhouse but also can be used as an open platform for further research.

Key words： Zigbee；condition monitoring；wireless sensor network

引言

温室栽培是现代农业的主要内容之一，也是作物培养和农业研究的必要手段。重点是基于温室环境和各种调控方为作物提供最适宜的生长条件，摆脱季节和环境的制约，实现农产品的全年供给[1]。而在当前国内的基础运营中却已发现农业生产过程现代化程度较低、缺少温室支持的相关技术等问题。针对这一现状，就需要对温室环境融入更多的自动化调控，为农业生产中的作物生长这一环节创造智能有利的技术支持。然而，由于人工培育主要依托经验而难以臻至精确，无法将土壤温湿度实时控制在适宜范围内。因此，研究经济实用而设计合理的温室土壤监测系统则尤显得必要与重要。

1 以Zigbee为基础的无线传感器网络

无线传感器网络由区域传感节点、外部网络和用户控制监测端组成，研究可得设计结构如图1所示。节点之间可以自行组成无线网络架构，并通过传感节点信号收集目标信号，收集范围可以覆盖全部网络区域。收集结束后，可将数据发送到用户控制端[2] 。

作为一种应用简单、面向控制的行业专用标准，Zigbee 具有组网方式多、网络容量大、协议简单、可靠性高、成本低等优势。Zigbee是建立在IEEE 802.15.4标准之上的一种组网技术，其中包括的物理层、MAC层和数据链路层均直接使用IEEE 802.15.4标准，但在此基础上进行了扩充和完善[3]。Zigbee协议的开发基于IEEE802.15.3无线标准，该标准在无线数据傳输方面集成有先进的抗扰性与抗毁性，同时省去了检测环境中布线的麻烦，节点自组织特性使无线网络的管理更趋便捷、高效。因此，本系统采用了ZigBee技术的无线传感器网络来实现区域内有关温室栽培的数据处理。

2 无线温湿度传感器网络搭建

本系统通过对温室栽培的温度、湿度等相关数据进行收集和监控，并将收集的数据利用无线传感器网络发送到用户监控端，数据在用户监控端将会设计得到指定的任务处理。研究内容可解析论述如下。

2.1 Zigbee核心模块方案设计与选择

Zigbee通信节点的核心是射频模块和控制器模块。目前，Zigbee核心模块的解决方案有组合式和单芯片式两种。具体功能分析可见如下。

（1） 组合式方案。Zigbee通信节点组合式方案结构图如图2所示。微处理器为主器件，RF收发器为从器件。微处理器包含特定的应用逻辑，能够用于IEEE 802.15.4 MAC层和Zigbee协议层的研发。时下，吸引更多关注的就是CHIPCON公司的CC2420+PIC系列单片机和FREESCALE公司的MC13192+MSP430系列单片机。

（2）单芯片方案。单芯片设计集成了射频和微控制器，使得Zigbee的组建更加简便，具有代表性的芯片就是TI的CC2430[4]。

对比2种解决方案可以看出，组合式方案优势在于系统各个部分相对独立，一旦出现问题不会对其它部分产生影响，可以根据客户要求和市场情况灵活选择其中的各部件更换；但是由于组合式方案部件较多，设计、装配和调试比较复杂，相互间还会带来匹配和干扰问题，无法有效满足系统小型化的要求。单芯片方案的芯片选择受制于市场供应，整个系统完全与特定芯片相对应，导致芯片型号无法更换；但是单芯片方案外围电路设计简洁、研发周期短，因而整体优势明显。综上所述，结合本文设计要求，单芯片方案更适用于本系统，故采用CC2430单芯片解决方案。这里，将给出其硬件结构如图3所示。

图3中，CC2430芯片的MCU内核为8位，现已在各类采用Zigbee技术的无线网络中发挥着无法替代的重要作用。

CC2430内嵌了 12位模数转换ADC，并配置有21个可编程的 I/O管脚。本系统中，协调器使用一个 UART部件端口与用户控制端通信；终端设备由数字输入、输出接口、数据收集、数据发送和射频模块管脚组成。

2.2 温度和湿度传感器方案的选择

温湿度传感器的设计方案均可分为温度传感器和湿度传感器两种。考虑到模拟传感器还需要单独设置模数转换模块，具有电能消耗大等缺点，而分体传感器会使终端的数据读取过程趋于复杂，因此根据温室作物栽培的实际要求，拟采用温湿度一体的数字传感器[5]。研究中综合衡定了测量范围、测量精度、时漂和温漂及投入成本等情况后，最终选定了DHT11温湿度一体数字传感器。

DHT11数字温湿度传感器由电阻式感湿元件和NTC测温元件组成，传感器内部已包含校准系数，校准系数保存在OTP存储器中，这些校准系数可以在系统监测和数据处理中进行实时调用[5]。研究中将涉及的性能指标说明可详见表1。

由表1可知，DHT11能够满足温室作物栽培的要求。本系统采用单总线通讯方式，并设计了实际的连接电路，如图4所示。

3 基于Z-Stack的无线通讯设计

Z-Stack采用任务激活机制，系统初始化时处于暂停状态，当有任务触发时，系统就进入中断事件处理模式，任务完成后又进入暂停状态 [6]。对本系统而言，在相同的协议栈下，系统启动、驱动初始化并无区别，区别在于进入任务轮循之后，不同的节点对应不同的任务。

3.1 传感器节点设计

传感器节点可以根据系统的设定任务来对温室环境中的数据进行定时收集、上传和处理，在完成任务后传感器节点自动转为低功耗模式 [7]。首先，传感器节点开启初始化，而后将陆续逐项展开执行协议栈、加入网络、建立通信连接表等系统任务。系统应用层在加入网络后，睡眠定时器就会运行保持在低功耗模式中。在低功耗模式下，传感器节点虽然处于电路关闭状态，但是仍能收取无线数据，并可以对无线数据进行处理[8]。当接到收集命令时，传感器即进入收集工作模式。在收集工作模式中就根据睡眠定时器是否溢出，来判断决定是否中断收集的过程。同时，还要分析检测环境参数阈值，并根据阈值状态来辨识掌控是否执行相应处理任务 [9]。传感器节点的工作流程如图5所示。

基于Zigbee协议，保证每个传感器节点都配设安装着一个微型操作系统，则温湿度数据采集、发送等动作均能够在系统中自动运行。

3.2 网关节点设计

网关节点设计流程如图6所示。初始化进程过后，开始组建无线网络。当网关节点收到信息时，会分析数据内容并做出不同动作[10]。当收到没有标明地址信息的时候，系统网关节点会把这个地址信息发送到地址表中，而且还会转发给用户控制端。当收到温度和湿度数据时，网关节点在发给用户控制端后，用户控制端就会运行处理数据的具体内容。同时，可根据实际的监测需求，将网络地址与传感器的数据信息生成一一对应，并在上位机（用户监控端）界面发布提供信息的实时显示。

3.3 路由节点设计

路由器节点程序工作流程如图7所示，路由器节点工作流程与网关节点工作流程非常相似。路由器节点在初始化后就加入网关节点的网络中，并且发送信息通知邻近的传感器节点需要启动查找、加入和系统绑定的设定功能环节。

4 系统实验结果与分析

本系统旨在实现温室栽培温湿度参数的实时采集和监控。将传感器节点、网关节点和路由节点按需求分别布置在相应位置，各节点上电，并进行系统调试，调试完成后，传感器节点加入无线网络，每10 min向上位机发送温度、湿度和节点电压数据。

在系统区域内的传感器节点收集到的数据后，数据经过无线网络、RS232串口与用户控制端通信。系统在与区域内检测点建立连接和收集数据后，系统开始对数据进行处理，数据处理过程会实时显示在系统界面上，并且为了保证数据的实时性，会定时刷新数据处理的界面。运行界面如图8所示。本系统的数据处理界面刷新频率为10 min/次，从界面上显示的数据能够直接分析温室中的环境情况，实现了对温室环境的监测。

将数据采集时间定为5 s，经过100次传输，接收到数据98次，（传输失败是组网成功时间偏短，未处理数据）接收率98%，有2次数据错误（空数据或乱码），总传输成功率为96%，可以满足系统的要求。从结果可以看出，本系统能够达到无线测量温湿度的目的；能够根据短地址分辨不同的传感器节点，且网形拓扑结构中能够部署大量节点，故可以同时测量多个测点的温湿度结果。测量结果有轻微波动及误差，可在上位机通过软件进行结果补偿。

5 结束语

本系统以Zigbee模块为基础，采用一体化温湿度传感器作为系统的传感器节点的硬件构成，同时由路由节点、网关节点等组成区域范围的无线网络。在此基础上与用户控制端进行通信，实现区域内数据的发送、处理、监控、事件响应等任务，有效解决了温室环境监测的需求。本文对系统的整体结构设计、系统硬件架构设计与搭建、系统程序流程的设计方法，都给出了全面的分析与论述。此外，本系统的用户控制端监测部分还具有扩展性，可以根据温室栽培的具体要求在数据采集模块上进行相应传感器的扩充，增加特定的参数监测功能。本系统具有搭建环境灵活、低功耗、成本低、自动化程度高等特点，因此在各类操作场景中取得了良好的应用效果。

参考文献

[1] 王勉. 高效设施农业发展现状及趋势分析[J]. 经济论坛，2012（2）： 108-111.

[2] 徐瑞娜 胡方明 仁爱锋. ZigBee无线传感器网络在远程环境监测中的应用设计[J]. 电子元器件应用 2010，12 （7）： 38-42.

[3] POLASTRE J SZEWCZYK R MAINWARING A et al. Analysis of wireless sensor networks for habitat monitoring [M]// RAGHAVENDRA C S SIVALINGAM K M ZNATI T. Wireless Sensor Networks. Boston MA：Springer 2004：399-423.

[4] Texas Instruments. Application-Level Tuning of Z-Stack_F8W-2006-0005_ [Z]. San Diego California USA：Texas Instruments Inc，2006.

[5] 邴志剛，卢胜利，刘景泰. 面向精准灌溉的传感器网络的研究[J]. 仪器仪表学报，2006，27（6）： 294-296.

[6] 韩丹翱，王菲. DHT11数字式温湿度传感器的应用性研究[J].电子设计工程 2013，21（13）：83-85，88.

[7] Texas Instruments. Z-Stack - ZigBee协议栈[EB/OL]. [2014-06-04]. http：//www.ti.com.cn/tool/cn/z-stack.

[8] 谢洁锐，刘才兴，胡月明，等. 无线传感器网络的部署[J]. 传感器与微系统，2007，26（l）：4-7.

[9] 代忠 樊晓光 万明，等. 基于射频芯片CC2420的ZigBee无线通信节点设计[J]. 传感器世界，2006（5）：41-44.

[10]徐瑞娜 胡方明 仁爱锋. Zigbee无线传感器网络在远程环境监测中的应用设计 [J]. 电子元器件应用 2010 12（7）：38-42.