基于ZigBee 技术温室大棚智能监测系统

杨小来 常州工程职业技术学院 江苏常州 213164

【文章摘要】

针对目前温室大棚在环境监测方面遇到的问题，本文提出了一种基于ZigBee 技术温室大棚智能监测系统。该系统具有低复杂度、低功耗、低成本、可靠性高等特点。

【关键词】

ZigBee ；CC2530 ；无线传感网络；协议栈

0 引言

无线传感器网络技术当中，ZigBee 技术的低复杂度、低功耗、低成本、网络容量大、可靠性高、适宜的数据传输速率以及双向通信等特点，使ZigBee 技术在智能家居、工业自动化、智能建筑、环境监测、农业等领域得到了广泛的应用。近年来ZigBee 技术在温室大棚环境智能监控方面的应用也引起的人们的关注和研究。

为了提高土地的产出效益，温室大棚技术在我国已经盛行多年，但是目前在农业温室大棚监控领域，使用较多的依旧为传统有线监测型监控系统，这些系统普遍存在安装难度大，布线难度大，需要单独供电和覆盖范围较小等问题。鉴于此本文提出一种基于ZigBee 技术的温室大棚只能监控系统。本系统由无线传感器终端采集节点，ZigBee 协调器和上位机监控系统三部分组成。可通过上位机QT 程序实时监测温室大棚中温度、湿度、二氧化碳、光照度等环境参数。

1 系统硬件设计

本系统硬件主要包含无线传感器终端采集节点和ZigBee 协调器这两部分。

终端采集节点通过CC2530 搭载温湿度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器， 其中温湿度采集采用瑞士Sensirion 公司推出的SHT10 单片数字温湿度集成传感器，具有超低功耗，自动休眠，稳定性高等特点。光照度采集采用一种超小型表面贴装IC 的照度传感器TPS852，它在芯片电路中集成了一个光电二极管和电流放大器，敏感度高，能识别很小的光变化，并且拥有优异的线性输出。二氧化碳采集采用对CO2 有着良好的灵敏度和选择性，并且受到温湿度变化的影响较小，拥有良好的稳定性和、再现性的MG811 二氧化碳传感器。

协调器节点主要负责网络的发起、参数的设定、信息的管理及维护功能，也可用来协助建立安全层和应用层的绑定。协调器节点主要由处理器模块、RF 前端、电源管理模块及各外部接口等组成。其中处理器模块的主控芯片采用CC2530 ，它是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee 和RF4CE 应用的一个真正的片上系统（SoC） 解决方案。结合了领先的RF 收发器的优良性能，业界标准的增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM 和许多其他强大的功能。能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统，运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。RF 前端采用TI 公司的集成度很高的射频前端芯片CC2591。

2 系统软件软件

本系统软件设计分为3 大块：传感器节点软件设计，协调器软件设计和上位机软件设计，软件设计框图如图1 所示。

2.1 ZigBee 协议栈介绍

协议是一系列的通信标准，通信双方需要共同按照这一标准进行正常的数据发射和接收。协议栈是协议的具体实现形式，可以看成是协议和用户之间的一个接口，开发人员通过使用协议栈来使用这个协议的，进而实现无线数据收发。 ZigBee 的协议分为两部分，IEEE 802.15.4 定义了PHY（物理层）和MAC（介质访问层）技术规范；ZigBee 联盟定义了NWK（网络层）、APS（应用程序支持子层）、APL（应用层）技术规范。ZigBee 协议栈就是将各个层定义的协议都集合在一直，以函数的形式实现，并给用户提供API( 应用层)，用户可以直接调用。

2.2 ZigBee 协调器软件设计

ZigBee 协调器是整个网络的主要控制者，负责建立网络，管理网络中的节点和存储网络信息，同时还要通过串口连接实现与上位机的通讯。在本设计中协调器主要负责建立网络，接收由传感器定时发过来的传感器数据并将它输出到串口与上位机程序进行通讯。所以在SampleApp_ ProcessEvent() 函数中我们主要处理AF_ INCOMING_MSG_CMD 消息，即射频信息已被下层接收到的消息。此时该消息的处理函数为SampleApp_MessageMSGCB( MSGpkt ) ；在该函数中我们将解析收到的射频数据并且分析数据哪种传感器的数据并发送到串口。

2.3 ZigBee 传感器节点软件设计

作为一个传感器节点，首先需要做的功能就是定时不断的向协调器发送当前环境数据信息，在开启时会寻找网络， 当加入网络时，在协议栈中会发出ZDO_ STATE_CHANGE 消息，告诉SampleApp_ ProcessEvent() 函数，已经进入网络可正常工作，所以在该消息下编写定时发送SAMPLEAPP_SEND_TEMPHUMI_MSG_ EVT 事件的函数，并定义该事件的发送频率为SAMPLEAPP_SEND_PER IODIC_ MSG_TIMEOUT，从开始的预定义可以发现该事件为5000ms 即5s 发送一次。

2.4 上位机软件设计

ARM6410 嵌入式开发平台上利用QT 图形化程序设计软件作为上位机监测程序，主要分为两部分功能。第一部分为实时监测功能。用户需要知道当前环境参数，这部分用户需要精确的查看，所以设计为文本数字查看。第二部分为历史查看功能，用户则需要很直观的查看历史过程，所以设计为折线图查看。

3 结论

本设计以Zigbee 为核心技术，搭配QT4GUI 编程设计了一套基本完整的监测系统，经过实验论证该系统在温室大棚检测领域中拥有一定的可行性。使用Zigbee 无线传感网络技术来搭载传感器进行传感网的架设，省略麻烦的传统式有线传感器的线缆预埋，并且Zigbee 本身具有成本低、掉网重连等一系列优势。ARM6410 作为一个搭载linux 系统的嵌入式平台，搭配QT4 可以非常便利的进行GUI 程序设计，并且ARM 拥有非常全的扩展性能。

【参考文献】

[1] 王建平, 徐其林, 张茂林. 基于EPA 标准的ZigBee 网络构建方法的研究[J]. 计算机测量与控制， 2008.

[2] 李文仲, 段朝玉.ZigBee2007\PRO 协议栈实验与实践. 北京航空航天大学出版社.

[3] 徐健, 杨珊珊. 基于CC2530 的ZigBee 协调器节点设计. 物联网技术,2012.

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