基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的蔬菜工廠監(jiān)控系統(tǒng)

隨著農(nóng)業(yè)規(guī)模的不斷擴大、自動化程度的不斷提高，國內(nèi)外興起了對農(nóng)作物生長過程實施遠程監(jiān)控的研究，其中無線通信技術(shù)的快速發(fā)展為實現(xiàn)實時監(jiān)控農(nóng)作物生長提供了可能。ZigBee技術(shù)具有高可靠性、低成本、低功耗、高安全性、低數(shù)據(jù)速率等特點，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、智能家居、商業(yè)樓宇以及農(nóng)業(yè)自動化等領(lǐng)域。本文基于ZigBee無線傳感技術(shù)，實現(xiàn)了一套基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的蔬菜工廠監(jiān)控系統(tǒng)。

1 ZigBee無線傳感技術(shù)

ZigBee是一種標準，該標準定義了短距離、低數(shù)據(jù)傳輸速率無線通信所需要的一系列通信協(xié)議。ZigBee協(xié)議標準采用分層結(jié)構(gòu)，每一層為上層提供一系列特殊的服務(wù)：數(shù)據(jù)實體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù);管理實體提供所有其他的服務(wù)，所有的服務(wù)實體都通過服務(wù)接入點為上層提供接口，每個服務(wù)接入點都支持一定數(shù)量的服務(wù)原語來實現(xiàn)所需的功能。Zig Bee協(xié)議分為兩個部分，IEEE802.15.4定義了物理層和媒體訪問控制層，ZigBee聯(lián)盟在此基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層架構(gòu)，在應(yīng)用層內(nèi)提供了應(yīng)用支持子層和ZigBee設(shè)備對象。ZigBee協(xié)議棧將各個層定義的協(xié)議都集合在一起，以函數(shù)的形式實現(xiàn)，并給用戶提供一些應(yīng)用層API，供用戶調(diào)用。

2 蔬菜工廠監(jiān)控系統(tǒng)整體控制框架

蔬菜工廠監(jiān)控系統(tǒng)整體控制框架如圖1所示，由主控機、房間節(jié)點監(jiān)控單元、培菜架節(jié)點監(jiān)控單元3部分組成。在蔬菜工廠里有多個房間，每個房間里配置了一個房間節(jié)點監(jiān)控單元，每個房間里有多個培菜架，每個培菜架上配置了一個培菜架節(jié)點監(jiān)控單元，每個培菜架分為4層。

主控機的功能：1)作為服務(wù)器，接收各房間節(jié)點和培菜架節(jié)點的數(shù)據(jù)并存儲，通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器實現(xiàn)蔬菜工廠的整體監(jiān)控;2)在獲得相應(yīng)權(quán)限后，給相關(guān)的房間節(jié)點和培菜架節(jié)點發(fā)送控制命令或數(shù)據(jù)采集命令。

房間節(jié)點監(jiān)控單元(包括整體監(jiān)控單元)的功能：1)房間節(jié)點監(jiān)控單元負責每個房間的空調(diào)控制、二氧化碳濃度采集和電源管理;2)整體監(jiān)控單元負責中央空調(diào)控制、二氧化碳發(fā)生器控制以及整個蔬菜工廠的電源管理。

培菜架節(jié)點監(jiān)控單元的功能：1)接收到主控機的數(shù)據(jù)采集命令后，采集本培萊架的溫度、濕度和圖像數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給主控機;2)接收到主控機的控制命令后，控制本培菜架的LED燈的亮暗、營養(yǎng)液循環(huán)泵和電磁閥的開關(guān)等。

蔬菜工廠監(jiān)控系統(tǒng)采用如圖2所示的人機交互界面，該交互界面采用網(wǎng)頁瀏覽器實現(xiàn)，用戶可以登錄該瀏覽器來實現(xiàn)對蔬菜的生長環(huán)境及生長狀況的實時監(jiān)控。

3 無線傳輸網(wǎng)絡(luò)模塊

蔬菜工廠監(jiān)控系統(tǒng)的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)模塊如圖3所示，在無線網(wǎng)絡(luò)中，配置了一個協(xié)調(diào)器，一個路由器和多個終端節(jié)點。協(xié)調(diào)器通過RS232連接上位機，與其進行通信，路由器用于無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的路由轉(zhuǎn)發(fā)，終端節(jié)點用于各房間和培菜架的數(shù)據(jù)和命令的收發(fā)。

3.1 CC2530單片機

CC2530單片機是一款完全兼容8051內(nèi)核，同時支持IEEE 802.15.4協(xié)議的無線射頻單片機，我們采用CC2530單片機來搭建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

3.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備分為3種：1)協(xié)調(diào)器，主要負責無線網(wǎng)絡(luò)的建立與維護;2)路由器，主要負責無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的路由轉(zhuǎn)發(fā);3)終端節(jié)點，主要負責無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的采集。

ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的三種設(shè)備類型是由ZigBee協(xié)議棧不同的編譯選項來選擇的，它們的硬件部分其實都是一樣的，就是協(xié)調(diào)器多了一個串口，用于和上位機之間的通信。

3.2.1 協(xié)調(diào)器

協(xié)調(diào)器流程圖如圖4所示，協(xié)調(diào)器上電后，會按照編譯時給定的參數(shù)，選擇合適的信道、合適的網(wǎng)絡(luò)號，建立ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)。然后，等待路由節(jié)點和終端節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)后，上位機通過串口給協(xié)調(diào)器發(fā)送命令，協(xié)調(diào)器將接收到的命令發(fā)送給路由節(jié)點和終端節(jié)點后，等待和接收返回的數(shù)據(jù)，判斷返回數(shù)據(jù)的類型并執(zhí)行相應(yīng)的操作，如果返回的是地址回復(fù)幀，則更新地址列表，如果返回的是確認幀或采集到的數(shù)據(jù)，則將其通過串口發(fā)送給上位機。

3.2.2 路由器

在ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中，路由器是非常重要的節(jié)點設(shè)備，它不僅完成路由的功能，更重要的是，它在數(shù)據(jù)的的傳輸過程中起了“接力棒”的作用，大大地拓展了數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x。路由節(jié)點上電后，先進行硬件電路的初始化，然后搜索是否有ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，如果有則自動加入，然后等待接收數(shù)據(jù)，接收到數(shù)據(jù)后對其進行轉(zhuǎn)發(fā)。路由對于應(yīng)用層來說是完全透明的。Z—Stack提供了比較完善的路由算法，應(yīng)用程序只需將數(shù)據(jù)下發(fā)到協(xié)議棧中，協(xié)議棧會自己負責尋找路徑，通過多跳的方式將數(shù)據(jù)傳送到目的地址。

3.2.3 終端節(jié)點

終端節(jié)點流程圖如圖4所示。終端節(jié)點上電后，先進行硬件電路的初始化，然后搜索是否有ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，如果有則自動加入，然后等待接收無線數(shù)據(jù)，解析接收到的無線數(shù)據(jù)后，向通過485總線連接的STC12LE5204AD單片機發(fā)送相應(yīng)的命令，等待接收單片機采集的數(shù)據(jù)，接收到數(shù)據(jù)后將其發(fā)送給其父節(jié)點。另外，在蔬菜工廠監(jiān)控系統(tǒng)中，利用每個培菜架節(jié)點的串口1連接的串口攝像頭來采集圖像數(shù)據(jù)，利用房間節(jié)點的串口1連接的二氧化碳傳感器來采集二氧化碳濃度，采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)協(xié)調(diào)器發(fā)送到上位機。

3.2.4 節(jié)點之間的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收

在發(fā)送數(shù)據(jù)前需要按照通信協(xié)議中定義的數(shù)據(jù)幀格式來構(gòu)建數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)幀包括起始字節(jié)、幀控制、序列號、目的地址、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)載荷以及校驗和等信息。數(shù)據(jù)幀采用如下的結(jié)構(gòu)體來定義：

對于數(shù)據(jù)幀DataFrame，起始字節(jié)start定義為0x55，保留字節(jié)reserred暫定義為0x00，為以后擴展所用，幀控制域frameControl用于表示數(shù)據(jù)包類型、幀類型以及幀屬性，序列號serialNumber從0x0001開始，每發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，序列號加1，目的地址dstSddr表示發(fā)送數(shù)據(jù)包的目的地址，數(shù)據(jù)長度dataLen表示整個數(shù)據(jù)包的長度，包括數(shù)據(jù)域和其他域，數(shù)據(jù)域data[500]用于存放有效載荷數(shù)據(jù)，校驗和checkSum是將數(shù)據(jù)包除了checkSum外所有字節(jié)的數(shù)據(jù)相加，然后對256x256取余，校驗和用于遠距離通信中保證數(shù)據(jù)的準確性與完整性。

當需要進行節(jié)點之間的數(shù)據(jù)發(fā)送時，可以定義一個事件，在事件處理函數(shù)里實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送。

定義一個事件的方法如下：

#define SEND_DATA_EVENT 0x01;

然后在任務(wù)事件處理函數(shù)中對該事件作出響應(yīng)，可以使用如下代碼實現(xiàn)：

if(eventsSEND_DATA_EVENT)

{

//在此添加相應(yīng)的數(shù)據(jù)發(fā)送工作即可

returm(events'SEND_DATA_EVENT);

}

數(shù)據(jù)發(fā)送時，只需調(diào)用數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)AF_DataRequest()即可，該函數(shù)會調(diào)用協(xié)議棧里與硬件相關(guān)的函數(shù)最終將數(shù)據(jù)通過天線發(fā)送出去，這里面涉及對射頻模塊的操作，比如打開發(fā)射機、調(diào)整發(fā)射機的發(fā)送功率等，這些協(xié)議棧已經(jīng)實現(xiàn)了，不需要自己去寫代碼實現(xiàn)，只需知道AF_DataRequest()函數(shù)的使用方法即可，發(fā)送數(shù)據(jù)可以使用如下的代碼實現(xiàn)(下面例子是以向協(xié)調(diào)器發(fā)送單播數(shù)據(jù)為例)：

當接收到數(shù)據(jù)后，操作系統(tǒng)會將該數(shù)據(jù)封裝成一個消息，然后放入消息隊列中，每個消息都有自己的消息ID，標識接收到新數(shù)據(jù)的消息的ID是AF_INCOMING_MSG_CMD，在Zig Bee協(xié)議棧中AF_INCOMING_MSG_CMD宏的定義如下：

當路由器接收到協(xié)調(diào)器或終端節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)后，首先使用osal_msg_receive函數(shù)從消息隊列中接收一個消息，然后使用switch-case語句對消息類型進行判斷(判斷消息ID)，如果消息ID是AF_INCOMING_MSG_CMD，調(diào)用處理函數(shù)GenericApp_MessageMSGCB()，在該函數(shù)中，對接收到的數(shù)據(jù)進行處理。

4 STC12LE5204AD單片機控制和數(shù)據(jù)采集模塊

在蔬菜工廠監(jiān)控系統(tǒng)中，采用STC12LE5204AD單片機作為控制和數(shù)據(jù)采集模塊。單片機控制和數(shù)據(jù)采集模塊為一485主從機模型，主機為培菜架上的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點，從機為STC12LE5204AD單片機，主機會依次給STC12LE5204AD單片機發(fā)送控制命令或數(shù)據(jù)采集命令，STC12LE5204AD單片機接收到命令后執(zhí)行相應(yīng)操作并返回數(shù)據(jù)給主機。在培菜架的每層配置一個STC12LE5204AD單片機，負責該層的數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行控制命令。

4.1 STC12LE5204AD單片機

STC12LE5204AD單片機采用增強型8051CPU，片上集成4K字節(jié)用戶應(yīng)用程序空間和256字節(jié)RAM、15個通用I/O口、4個16位定時器、2路PWM、高速A/D轉(zhuǎn)換、通用全雙工異步串行口等。

4.2 STC12LE5204AD單片機模塊

在蔬菜工廠監(jiān)控系統(tǒng)中，利用STC12LE5204AD單片機的P3_5和P3_7兩路8位PWM來控制培菜架LED燈板的白燈和紅燈的亮暗程度。通過P1_3口控制營養(yǎng)液循環(huán)泵的開關(guān)，來控制營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)。通過P1_2口控制電磁閥的開關(guān)，來控制排水系統(tǒng)。通過P1_6口連接的溫濕度傳感器來采集溫濕度。

5 實驗結(jié)果

將協(xié)調(diào)器、路由器、終端節(jié)點和培菜架依次上電，上位機通過串口調(diào)試軟件向協(xié)調(diào)器發(fā)送控制LED燈命令，可以觀察到培菜架上燈板的紅燈和白燈的亮度發(fā)生變化，并且上位機收到一個確認幀“55 00 09 00 01 00 01 04 0C 00 70 00”。上位機通過串口調(diào)試軟件向協(xié)調(diào)器發(fā)送采集溫濕度命令，會收到采集到的溫濕度數(shù)據(jù)“55 00 05 80 01 00 01 04 18 00 01 15 24 02 13 25 03 13 2E 04 12 2F F5 01”，“01 04”表示04號房間的培菜架1，“01 15 24”表示培菜架第一層的溫濕度，“02 13 25表示培菜架第二層的溫濕度。通過串口調(diào)試軟件定時每500ms發(fā)送一次采集溫濕度命令，可以觀察到數(shù)據(jù)傳輸過程中沒有出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，而且采集到的數(shù)據(jù)值準確。此外上位機還能發(fā)送相應(yīng)命令來采集二氧化碳濃度、圖片數(shù)據(jù)和控制二氧化碳發(fā)生器、營養(yǎng)液循環(huán)泵和電磁閥的開關(guān)。

6 結(jié)束語

蔬菜工廠監(jiān)控系統(tǒng)基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，以CC2530單片機和STC12LE5204AD單片機為硬件平臺，基于ZigBee 2007協(xié)議棧，在IAR開發(fā)環(huán)境下進行軟件開發(fā)。實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)具有良好的可靠性和穩(wěn)定性，能夠?qū)崿F(xiàn)對蔬菜生長環(huán)境的實時監(jiān)控，達到了預(yù)期的設(shè)計要求。