基于zigbee技術(shù)的溫室環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)

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1、基于ZigBee技術(shù)的溫室環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)卜閃閃（永城職業(yè)學院，河南永城476600）【摘要】針對傳統(tǒng)溫室布線有線監(jiān)控系統(tǒng)所帶來的組網(wǎng)復雜以及系統(tǒng)維護難度大等缺點，提出并設(shè)計了一種基于ZigBee技術(shù)的溫室環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以TI公司的CC2530為主控制芯片，整個無線傳感網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由節(jié)點和終端節(jié)點構(gòu)成。終端節(jié)點實時監(jiān)測溫室內(nèi)的各種環(huán)境信息（土壤水分、空氣溫濕度、CO2濃度等），并且以無線的方式發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點，最終通過發(fā)送給通過VB編寫的上位機軟件用戶終端，采用數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進行實時的存儲等操作?，F(xiàn)場試驗表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、操作簡單，

2、達到了預(yù)期的應(yīng)用目標。.jyqk甚至是千米之上。協(xié)調(diào)器節(jié)點在整個監(jiān)測系統(tǒng)中是唯一的，負責整個無線傳感網(wǎng)絡(luò)的組建于運行，需要的能量較大，加上其與監(jiān)控主站相連，因此為滿足其能量的要求本系統(tǒng)采用有線的方式進行供電。供電模塊采用5V電源，并通過電源轉(zhuǎn)換模塊將其轉(zhuǎn)換為實際需要的3.3V電壓，電源轉(zhuǎn)換模塊的核心IC采用穩(wěn)定性很好的AMS1117穩(wěn)壓芯片。當協(xié)調(diào)器節(jié)點成功組建無線傳感網(wǎng)絡(luò)后，便會開始與各個協(xié)調(diào)器節(jié)點進行通信：通過上位機的串口接收用戶終端發(fā)送的命令；同時監(jiān)聽來自于網(wǎng)絡(luò)的反饋型消息，并上傳到用戶終端。因此協(xié)調(diào)器節(jié)點與其他節(jié)點相比增加了串口模塊，其中串口模

3、塊采用MAX3232作為RS232串口芯片。2.2終端節(jié)點與路由節(jié)點硬件設(shè)計終端節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖如2所示。系統(tǒng)中所有節(jié)點均以低功耗和高穩(wěn)定性為準則設(shè)計，因此由兩節(jié)5號干電池提供的能量足以滿足其工作需求。如圖2可知，除包含各個節(jié)點所擁有的共同部分以外，終端節(jié)點主要增加了傳感器模塊，該模塊可實現(xiàn)終端節(jié)點和各種傳感器之間的無縫連接。綜合考慮具體的監(jiān)測要求、溫室環(huán)境、測量精度以及傳感器等因素，本系統(tǒng)采用如下所示的幾種傳感器：土壤水分傳感器、CO2濃度傳感器以及DHT21溫濕度傳感器。各傳感器主要性能指標如表1所示。該系統(tǒng)中，路由節(jié)點和終端節(jié)點采用相同的配置，但其

4、不具有傳感器模塊，由此不僅縮短了研發(fā)周期，并且進一步降低了節(jié)點成本。3系統(tǒng)軟件設(shè)計本文設(shè)計的溫室無線傳感網(wǎng)路主要由協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由節(jié)點和終端節(jié)點三個部分組成。其中，路由節(jié)點可看成是具有與路由相同功能的協(xié)調(diào)器節(jié)點，其在子網(wǎng)中充當著協(xié)調(diào)器節(jié)點的角色，管理網(wǎng)絡(luò)的連接和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換。同時它的網(wǎng)絡(luò)層會多出一個路由功能，即為通過其轉(zhuǎn)換和發(fā)送的數(shù)據(jù)流尋找一條最為合適的路徑，文中軟件設(shè)計時移植了Z－Stack協(xié)議棧，該協(xié)議棧提供完整路由協(xié)議，并在應(yīng)用層是透明的，只需要將數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)議棧，該協(xié)議棧即會自動的尋找路徑，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到目的地址，因此本設(shè)計在程序開發(fā)上，主要任務(wù)

5、是在Z－Stack協(xié)議?；A(chǔ)上，完成對協(xié)調(diào)器節(jié)點和路由節(jié)點的程序設(shè)計。3.1協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件設(shè)計協(xié)調(diào)器節(jié)點是整個傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心，負責整個網(wǎng)絡(luò)的建立和網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定運行。系統(tǒng)上電之后，協(xié)調(diào)器節(jié)點會掃描并選擇一個最合適的信道建立一個初始網(wǎng)絡(luò)。當有新的設(shè)備申請加入該網(wǎng)絡(luò)時，協(xié)調(diào)器節(jié)點則會分配一個16位的短地址給它，并允許其加入網(wǎng)絡(luò)。當組網(wǎng)完成后，協(xié)調(diào)器節(jié)點開始接受從終端節(jié)點與路由節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)，并且通過USB接口將其上傳到上位機。協(xié)調(diào)器節(jié)點的工作流程圖如圖3所示。3.2終端節(jié)點軟件設(shè)計終端節(jié)點的主要任務(wù)是以ZigBee協(xié)議的方式將采集到的溫濕度、土壤水分和CO2

6、濃度等數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器節(jié)點。節(jié)點完成對傳感器和協(xié)議棧的初始化后，即開始掃描信道，尋找合適的網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送加入網(wǎng)絡(luò)的信息，當?shù)玫酱_認的答復后，即進入休眠模式以節(jié)約能量，當定時器喚醒收到喚醒指令后，則開始通過節(jié)點上的傳感器采集相應(yīng)的參數(shù)信息，并將其上傳到協(xié)調(diào)器節(jié)點。終端節(jié)點軟件流程圖如圖4所示。4系統(tǒng)測試本系統(tǒng)測試為了模擬真實的溫室環(huán)境，選擇在某單位的花卉培養(yǎng)室中進行，一方面可驗證網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集和傳輸能力，另一方面也可驗證設(shè)計的系統(tǒng)能否在溫室這種復雜的環(huán)境中正常工作，實驗時間為2014年8月20日，天氣晴朗，室外溫度在35℃左右，濕度在46%RH左右。該實驗所

7、組建的網(wǎng)絡(luò)，是由一個協(xié)調(diào)器節(jié)點、兩個路由節(jié)點和四個終端節(jié)點所組成的簡單的星形網(wǎng)絡(luò)。其中，終端節(jié)點必需連接傳感器，負責采集溫室現(xiàn)場的實驗數(shù)據(jù)。而當協(xié)調(diào)器節(jié)點上電后，即會構(gòu)成一個新的網(wǎng)絡(luò)。之后會分別給兩個路由節(jié)點和四個終端節(jié)點上電，并加入新建的網(wǎng)絡(luò)。通過實驗可知，該網(wǎng)絡(luò)可以完成溫濕度、土壤水分和CO2濃度等數(shù)據(jù)的采集，并可通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送至協(xié)調(diào)器節(jié)點，這表明本文所設(shè)計的溫室無線傳感網(wǎng)絡(luò)運行狀態(tài)良好。同時也可說明所測試得到的數(shù)據(jù)基本與該環(huán)境符合，傳感器在溫室潮濕并且悶熱的環(huán)境中并未失準，可以正常工作。5結(jié)束語本文基于ZigBee技術(shù)，提出了一種溫室

8、環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)解決方案，設(shè)計了以CC2530芯片為核心的硬件結(jié)構(gòu)節(jié)點，并移植了Z－Stack