基于ZigBee的溫室無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)全解

1、基于ZigBee的溫室無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)全解基于ZigBee的溫室無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)全解4軟件介紹3硬件設(shè)計(jì)21背景及研究現(xiàn)狀系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目目錄錄錄5系統(tǒng)測試一、背景及研究現(xiàn)狀 在現(xiàn)今的社會發(fā)展和國民經(jīng)濟(jì)中信息技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，一個國家和地區(qū)的現(xiàn)代化水平與其信息化水平有著密不可分的聯(lián)系。而21世紀(jì)的農(nóng)業(yè)也將走上農(nóng)業(yè)信息化的道路，大力發(fā)展農(nóng)業(yè)的信息化是必然的趨勢，只有發(fā)展農(nóng)業(yè)科技才是振興農(nóng)業(yè)發(fā)展的必由之路。我國是農(nóng)業(yè)大國，而目前我國的農(nóng)業(yè)信息化水平則相對落后，無論是農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)水平還是整體的經(jīng)營管理水平都亟待提高，發(fā)展農(nóng)業(yè)信息化勢在必行。 我國正在大力發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)，而溫室是其中的一

2、個重要組成部分?，F(xiàn)代溫室是設(shè)施農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)車間，溫室環(huán)境信息的監(jiān)測控制系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)其生產(chǎn)自動化、高效化最為關(guān)鍵的環(huán)節(jié)。研究背景研究背景 很多溫室的測控系統(tǒng)基本都采用有線的布網(wǎng)方式、還有一些則采用人工測量的方法，這些 都會導(dǎo)致系統(tǒng)在現(xiàn)場安裝困難，測量精度差，工作效率偏低，這不僅增加了系統(tǒng)布網(wǎng)的電氣 工程施工費(fèi)用，也導(dǎo)致澆水、施肥和作業(yè)等工作困難。 除此之外，傳統(tǒng)系統(tǒng)中的每 個監(jiān)控點(diǎn)沒有自組織功能和自愈能力，維護(hù)成本高，維護(hù)工作量大，也不利于系統(tǒng)的拓展與升級。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為一種全新的信息獲取技術(shù)和處理技術(shù)。具有節(jié)點(diǎn)規(guī)模大、體積小、成本低、自組網(wǎng)等特點(diǎn)，在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。無線傳感器網(wǎng)

3、絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network, 簡稱簡稱WSN) 是由大量的靜止或移動的傳感器節(jié)點(diǎn)以自組織和多跳的方式構(gòu)建成的無線網(wǎng)絡(luò)，這些節(jié)點(diǎn)協(xié)作地感知、采集、處理和傳輸無線網(wǎng)絡(luò)所覆蓋地理區(qū)域內(nèi)的監(jiān)測信息，并報(bào)告給用戶。隨著嵌入式技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和無線通信技術(shù)的發(fā)展，以及大量的低功耗 、多功能傳感器的出現(xiàn)，使得集信息采集、數(shù)據(jù)處理和無線通信于一身的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測成為可能。 無線局域網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)最基本的通信技術(shù)，是信息無線傳輸?shù)幕A(chǔ) 。當(dāng)前有多種無線局域網(wǎng)組網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的比較成熟 ， 如 WiFi、藍(lán)牙、 Ir D A 和 ZigBee等， 而其中的ZigB

4、ee技術(shù)通信距離較近 、協(xié)議復(fù)雜度低、能夠進(jìn)行自組織、節(jié)點(diǎn)消耗功耗低、 傳輸速率較 低和節(jié)點(diǎn)成本較低，非常適用于溫室無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)的組網(wǎng)協(xié) 議。 國內(nèi)對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域的整體技術(shù)研究已經(jīng)取得了一定的初步成果，但是在將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)管理方面的 研究成果還是相對較少，在這些成果中，只是將一些無線傳輸通信技術(shù)簡單的應(yīng)用于少量的農(nóng)田中。ZigBee中文被譯為“紫蜂” ，名字來源于蜜蜂之間通過抖動翅膀來相互傳 達(dá)信息，是一種新興的短距離低功耗的無線通信技術(shù) ，目前主要應(yīng)用于 傳感控制應(yīng)用 。由 工作組中提出。二、系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本功能要求基本功能要求1、結(jié)合溫室內(nèi)環(huán)境

5、信息和作物生長信息，系統(tǒng)需滿足如下環(huán)境信息測量 項(xiàng)目與范圍，并保證其可靠性 。 2、溫室無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)需要滿足最基本的數(shù)據(jù)測量、發(fā)送 、 接收、儲存。整個過程都是通過無線通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。并且數(shù)據(jù)具 有實(shí)時性。 3、監(jiān)測系統(tǒng)鋪設(shè)需簡潔方便，省時省力，并且鋪設(shè)者不需要過高的專業(yè)技術(shù)要求。溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)經(jīng)過一段時間的研究與完善后，可 以進(jìn)行批量生產(chǎn)，廣泛投入到溫室環(huán)境的實(shí)時監(jiān)測中。4、拓展性強(qiáng)，可隨時根據(jù)需要加減節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。 5、可長時間使用在溫室內(nèi)，防水防潮，無需頻繁進(jìn)行調(diào)試和更換電源。 6、盡量降低系統(tǒng)的成本。在設(shè)計(jì)的過程中，要盡量降低系統(tǒng)的成本，以利 于該系統(tǒng)的普及，便于在更多溫

6、室中應(yīng)用。在滿足需求的情況下 減少復(fù)雜和昂貴部分的設(shè)計(jì)。 7、數(shù)據(jù)接收的客戶端是用戶與本系統(tǒng)的人機(jī)交互部分。整個界面簡潔明了， 沒有過于復(fù)雜的操作，并且能將數(shù)據(jù)直觀簡單的呈現(xiàn)給客戶 。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成 從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定義中，我們可以得知，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)感知 和采集部分，是需要大量的接收和發(fā)送信息的設(shè)備搭載著傳感器分布在被 測區(qū)域內(nèi)。 而數(shù)據(jù)經(jīng)過短距離無線通信設(shè)備進(jìn)行傳輸之后，需要一種可以 進(jìn)行遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)備 ，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的數(shù)據(jù)中心，最終在數(shù)據(jù) 中心對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。以上這一系列的設(shè)備構(gòu)成了整 個無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 。 ZigBee 技術(shù)是基于IEEE

7、802.15. 4無線標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的通信技術(shù)，IEEE 802 .15.4 無線網(wǎng)絡(luò)中有兩種設(shè)備類型 ：全功能設(shè)備和部分功能設(shè)備，全 功能設(shè)備可以執(zhí)行IEEE 802.15. 4 標(biāo)準(zhǔn)中描述的所有功能，并且可以用作 網(wǎng)絡(luò)中的任何角色；部分功能設(shè)備只有部分功能。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備主要分為三種：協(xié)調(diào)器(Coordinator)、路由器(Router)、終端節(jié)點(diǎn)(End Device).協(xié)調(diào)器是一個IEEE 802. 15. 4的全功能設(shè)備，一般一個ZigBee 網(wǎng)絡(luò)總是由一個協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)所創(chuàng)建，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)的建立和維護(hù)。整個網(wǎng)絡(luò)只有一個協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)可能需要較長的活躍時間，因

8、此，它通常連接到一個穩(wěn)壓電源而非電池。 路由器充當(dāng)IEEE 802.15.4 的全功能設(shè)備。允許其他節(jié)點(diǎn)或設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)， 多跳路由和協(xié)助終端設(shè)備的通訊是路由器的主要功能。主要負(fù)責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的路由。 傳感器節(jié)點(diǎn)(終端節(jié)點(diǎn))不需要維持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) ，傳感器節(jié)點(diǎn)可以隨意的加 入或者退出網(wǎng)絡(luò)，在無需工作時它可以進(jìn)行睡眠， 在工作的時候可以進(jìn) 行喚醒，因此它可以使用電池進(jìn)行供電。 通常，傳感器節(jié)點(diǎn)對存儲空間 需求比較小。主要負(fù)責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的采集。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 每一個設(shè)備都只能和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通信網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)各節(jié)點(diǎn)通過傳輸線互聯(lián)連接起來，并且每一個節(jié)點(diǎn)至少與其他兩個節(jié)點(diǎn)相連網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

9、具有較高的可靠性，但其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)起來費(fèi)用較高，不易管理和維護(hù)。樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)樹型結(jié)構(gòu)是分級的集中控制式網(wǎng)絡(luò)，與星型相比，它的通信線路總長度短，節(jié)點(diǎn)易于擴(kuò)充，尋找路徑比較方便，但除了葉節(jié)點(diǎn)及其相連的線路外，任一節(jié)點(diǎn)或其相連的線路故障都會使系統(tǒng)受到影響。由于溫室內(nèi)較為空曠，無需避開障礙物，要求結(jié)構(gòu)簡單，選擇星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作為網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ，在網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置7個傳感器節(jié)點(diǎn)以滿足測量要求，設(shè)置1個協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與之進(jìn)行無線通訊并接受數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)由傳感 器節(jié)點(diǎn)測量，實(shí)時發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，而協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)則將這些數(shù)據(jù)由 GPRS模塊，通過internet 由數(shù)據(jù)中心接收， 最終數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)中心進(jìn)行 處理。 整個系統(tǒng)由

10、4部分組成，分別為傳感器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn) ，GPRS模塊 與數(shù)據(jù)中心。 三、硬件設(shè)計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu) 傳感器節(jié)點(diǎn)在硬件結(jié)構(gòu)上分為三個部分，分別為數(shù)據(jù)處理發(fā)送模塊、傳感 器模塊與電源模塊 數(shù)據(jù)處理發(fā)送模塊 數(shù)據(jù)處理發(fā)送模塊是基于ZigBee 技術(shù)的溫室無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)的 核心，包括了處理器和無線發(fā)射器。主要功能是控制傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)測量，接收數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的處理 ，最后將數(shù)據(jù)發(fā)送。 本系統(tǒng)中選取了美國德州電子儀器 (TI )型號為 CC2530的芯片作為處理發(fā)送模塊， CC2530是CC2430 芯片的升級版。CC2530 芯片是用于、ZigBee 和RF4C

11、E的片上系統(tǒng) 。它能夠用很 低的成本建立功能和規(guī)模強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集模塊 主要功能是實(shí)現(xiàn)對各種環(huán)境參數(shù)的精確測量(1)空氣、土壤溫濕度傳感器 選取型號為 SHT11型傳感器為系統(tǒng)的空氣溫濕度傳感器。 溫度量程為- 40- 123.8 ，分辨率為 0.01，測量精度為0.4。 濕度量程為 0- 100%RH ,分辨 率為 0.03%RH，測量精度為 3%RH。由于土壤中水分較大，并且腐蝕性強(qiáng)，在SHT11傳感器外部添加銅燒結(jié)網(wǎng) ， 銅燒結(jié)網(wǎng)的防護(hù)加強(qiáng)了探頭的耐溫、耐壓、耐損能力，適用于農(nóng)業(yè)溫室大棚 花卉 、 苗圃、草坪等需要檢測 土壤溫濕度環(huán)境的場所使用。 (2)水溫傳感器選取DS18B2

12、0 溫度傳感器為水溫傳感器。DS18B20 是數(shù)字溫度傳感器， 擁有獨(dú)特的單線接口方式，DS18B20 在與 CC2530 芯片連接時僅需要連 接一條口線即可實(shí)現(xiàn) CC2530 與DS18B20 的雙向通訊。DS18B20 型溫 度傳感器測溫范圍為55+125，誤差0.5 ，滿足測量要求。并且 DS18B20型溫度傳感器的成本很低，便于普遍使用。 (3)光照度傳感器 選取型號為BH1750FVI 的16位高精度光照度傳感器為系統(tǒng)測量光照度傳感器。具有以下特點(diǎn)： 支持I2C總線接口直接輸出數(shù)字信號對應(yīng)廣泛的輸入光范圍(1-65535lx)無需其它外圍部件受紅外線影響小光源依賴性強(qiáng)(白熾燈、熒光燈

13、、日光燈、)最小誤差變動在20%通過降低功率功能，實(shí)現(xiàn)低電流化.(4)二氧化碳傳感器選取固體電解質(zhì)傳感器mg811為測量二氧化碳傳感器 1）模擬量輸出電壓02V，濃度越低輸出電壓越高； 2）對二氧化碳具有很高的靈敏度和良好的選擇性 ； 3）具有長 期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性 ； 4）快速的響應(yīng)恢復(fù)特性； 5）陶瓷探頭可以插拔設(shè)計(jì),方便更換，隔熱散熱效果好； 6）帶溫度補(bǔ)償輸出 (5)PH值傳感器(6)EC值傳感器 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu) 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的主要功能是接收由傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的環(huán)境信息，并且將接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)由RS232串口通信實(shí)時傳送給GPRS模塊。整個協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)自行供電

14、，只與GPRS 模塊接線。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)包括 3個模塊，即串口模塊、數(shù)據(jù)處 理接收模塊和電源管理模塊。 GPRS模塊模塊 系統(tǒng)應(yīng)用 ZigBee 技術(shù)的無線傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線采集發(fā)送，而GPRS 模塊則是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸。選用無線數(shù)據(jù)終端F2103 GPRS IP MODEM 作為系統(tǒng)的GPRS傳輸模塊。特點(diǎn)：1）采用低功耗高性能的嵌入式處理器，可高速處理協(xié)議和大量數(shù)據(jù)。 2）支持根據(jù)域名和 IP 地址訪問中心 。 3）支持串口軟件升級和遠(yuǎn)程維護(hù)。 4）多種工作模式選擇，使用方便、靈活。 5）軟硬件看門狗設(shè)計(jì)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定。 6）同時支持RS232/RS485接口。 7）支持5V35V

15、寬電壓供電。 8）抗干擾設(shè)計(jì)，適合電磁環(huán)境惡劣的應(yīng)用需求。 9）方便的系統(tǒng)配置和維護(hù)接口。 協(xié)調(diào)器串口數(shù)據(jù) (GPRS) 模塊IP MODEM串口 IP MODEM TCP/IP協(xié)議 棧對數(shù)據(jù)進(jìn)行TCP/IP 封裝 發(fā)送到無線網(wǎng)絡(luò)無線網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到 INTERNET INTERNET 發(fā)數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)中心 。 四、軟件介紹ZigBee 協(xié)議棧協(xié)議棧 ZigBee協(xié)議棧的工作機(jī)制協(xié)議棧的工作機(jī)制 在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，采用了TI 公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的 CC2530 芯片作為節(jié)點(diǎn)的數(shù) 據(jù)處理發(fā)送模塊的主要芯片，而TI 公司在推出芯片的同時也向用戶提供 了相應(yīng)的ZigBee協(xié)議棧 Z- Stack。協(xié)議棧是通過調(diào)度相應(yīng)層的任務(wù)(即事件處理函數(shù))來進(jìn)行處理。這樣,協(xié)議棧就會按照時間的順序進(jìn)行有條不紊的運(yùn)行。傳感器節(jié)點(diǎn)程序傳感器節(jié)點(diǎn)程序SHT11測量溫濕度程序流程圖協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的主要功能是接收由傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的環(huán)境信息，并且將接 收到的數(shù)據(jù)經(jīng)由RS-232 串口通信實(shí)時傳送給GPRS 模塊。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn) 的程序設(shè)計(jì)分為 2 個部分，分別為數(shù)據(jù)的接收程序與串口輸出程序。 上位機(jī)