基于ZigBee網(wǎng)絡(luò )的蔬菜工廠(chǎng)監控系統

隨著(zhù)農業(yè)規模的不斷擴大、自動(dòng)化程度的不斷提高，國內外興起了對農作物生長(cháng)過(guò)程實(shí)施遠程監控的研究，其中無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的快速發(fā)展為實(shí)現實(shí)時(shí)監控農作物生長(cháng)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、低數據速率等特點(diǎn)，廣泛應用于工業(yè)控制、智能家居、商業(yè)樓宇以及農業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域。本文基于ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)，實(shí)現了一套基于ZigBee網(wǎng)絡(luò )的蔬菜工廠(chǎng)監控系統。

1 ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感技術(shù)

ZigBee是一種標準，該標準定義了短距離、低數據傳輸速率無(wú)線(xiàn)通信所需要的一系列通信協(xié)議。ZigBee協(xié)議標準采用分層結構，每一層為上層提供一系列特殊的服務(wù)：數據實(shí)體提供數據傳輸服務(wù);管理實(shí)體提供所有其他的服務(wù)，所有的服務(wù)實(shí)體都通過(guò)服務(wù)接入點(diǎn)為上層提供接口，每個(gè)服務(wù)接入點(diǎn)都支持一定數量的服務(wù)原語(yǔ)來(lái)實(shí)現所需的功能。Zig Bee協(xié)議分為兩個(gè)部分，IEEE802.15.4定義了物理層和媒體訪(fǎng)問(wèn)控制層，ZigBee聯(lián)盟在此基礎上定義了網(wǎng)絡(luò )層和應用層架構，在應用層內提供了應用支持子層和ZigBee設備對象。ZigBee協(xié)議棧將各個(gè)層定義的協(xié)議都集合在一起，以函數的形式實(shí)現，并給用戶(hù)提供一些應用層API，供用戶(hù)調用。

2 蔬菜工廠(chǎng)監控系統整體控制框架

蔬菜工廠(chǎng)監控系統整體控制框架如圖1所示，由主控機、房間節點(diǎn)監控單元、培菜架節點(diǎn)監控單元3部分組成。在蔬菜工廠(chǎng)里有多個(gè)房間，每個(gè)房間里配置了一個(gè)房間節點(diǎn)監控單元，每個(gè)房間里有多個(gè)培菜架，每個(gè)培菜架上配置了一個(gè)培菜架節點(diǎn)監控單元，每個(gè)培菜架分為4層。

主控機的功能：1)作為服務(wù)器，接收各房間節點(diǎn)和培菜架節點(diǎn)的數據并存儲，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )瀏覽器實(shí)現蔬菜工廠(chǎng)的整體監控;2)在獲得相應權限后，給相關(guān)的房間節點(diǎn)和培菜架節點(diǎn)發(fā)送控制命令或數據采集命令。

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

培菜架節點(diǎn)監控單元的功能：1)接收到主控機的數據采集命令后，采集本培萊架的溫度、濕度和圖像數據，并將數據發(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(yíng)養液循環(huán)泵和電磁閥的開(kāi)關(guān)等。

蔬菜工廠(chǎng)監控系統采用如圖2所示的人機交互界面，該交互界面采用網(wǎng)頁(yè)瀏覽器實(shí)現，用戶(hù)可以登錄該瀏覽器來(lái)實(shí)現對蔬菜的生長(cháng)環(huán)境及生長(cháng)狀況的實(shí)時(shí)監控。

3 無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò )模塊

蔬菜工廠(chǎng)監控系統的無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò )模塊如圖3所示，在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中，配置了一個(gè)協(xié)調器，一個(gè)路由器和多個(gè)終端節點(diǎn)。協(xié)調器通過(guò)RS232連接上位機，與其進(jìn)行通信，路由器用于無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )數據的路由轉發(fā)，終端節點(diǎn)用于各房間和培菜架的數據和命令的收發(fā)。

3.1 CC2530單片機

CC2530單片機是一款完全兼容8051內核，同時(shí)支持IEEE 802.15.4協(xié)議的無(wú)線(xiàn)射頻單片機，我們采用CC2530單片機來(lái)搭建無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )。

3.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò )中的設備

ZigBee網(wǎng)絡(luò )中的設備分為3種：1)協(xié)調器，主要負責無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的建立與維護;2)路由器，主要負責無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )數據的路由轉發(fā);3)終端節點(diǎn)，主要負責無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )數據的采集。

ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中的三種設備類(lèi)型是由ZigBee協(xié)議棧不同的編譯選項來(lái)選擇的，它們的硬件部分其實(shí)都是一樣的，就是協(xié)調器多了一個(gè)串口，用于和上位機之間的通信。

3.2.1 協(xié)調器

協(xié)調器流程圖如圖4所示，協(xié)調器上電后，會(huì )按照編譯時(shí)給定的參數，選擇合適的信道、合適的網(wǎng)絡(luò )號，建立ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )。然后，等待路由節點(diǎn)和終端節點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò )后，上位機通過(guò)串口給協(xié)調器發(fā)送命令，協(xié)調器將接收到的命令發(fā)送給路由節點(diǎn)和終端節點(diǎn)后，等待和接收返回的數據，判斷返回數據的類(lèi)型并執行相應的操作，如果返回的是地址回復幀，則更新地址列表，如果返回的是確認幀或采集到的數據，則將其通過(guò)串口發(fā)送給上位機。

3.2.2 路由器

在ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中，路由器是非常重要的節點(diǎn)設備，它不僅完成路由的功能，更重要的是，它在數據的的傳輸過(guò)程中起了“接力棒”的作用，大大地拓展了數據傳輸的距離。路由節點(diǎn)上電后，先進(jìn)行硬件電路的初始化，然后搜索是否有ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，如果有則自動(dòng)加入，然后等待接收數據，接收到數據后對其進(jìn)行轉發(fā)。路由對于應用層來(lái)說(shuō)是完全透明的。Z—Stack提供了比較完善的路由算法，應用程序只需將數據下發(fā)到協(xié)議棧中，協(xié)議棧會(huì )自己負責尋找路徑，通過(guò)多跳的方式將數據傳送到目的地址。

3.2.3 終端節點(diǎn)

終端節點(diǎn)流程圖如圖4所示。終端節點(diǎn)上電后，先進(jìn)行硬件電路的初始化，然后搜索是否有ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，如果有則自動(dòng)加入，然后等待接收無(wú)線(xiàn)數據，解析接收到的無(wú)線(xiàn)數據后，向通過(guò)485總線(xiàn)連接的STC12LE5204AD單片機發(fā)送相應的命令，等待接收單片機采集的數據，接收到數據后將其發(fā)送給其父節點(diǎn)。另外，在蔬菜工廠(chǎng)監控系統中，利用每個(gè)培菜架節點(diǎn)的串口1連接的串口攝像頭來(lái)采集圖像數據，利用房間節點(diǎn)的串口1連接的二氧化碳傳感器來(lái)采集二氧化碳濃度，采集到的數據經(jīng)協(xié)調器發(fā)送到上位機。

3.2.4 節點(diǎn)之間的數據發(fā)送與接收

在發(fā)送數據前需要按照通信協(xié)議中定義的數據幀格式來(lái)構建數據幀，數據幀包括起始字節、幀控制、序列號、目的地址、數據長(cháng)度、數據載荷以及校驗和等信息。數據幀采用如下的結構體來(lái)定義：

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

當需要進(jìn)行節點(diǎn)之間的數據發(fā)送時(shí)，可以定義一個(gè)事件，在事件處理函數里實(shí)現數據的發(fā)送。

定義一個(gè)事件的方法如下：

#define SEND_DATA_EVENT 0x01;

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

if(eventsSEND_DATA_EVENT)

{

//在此添加相應的數據發(fā)送工作即可

returm(events'SEND_DATA_EVENT);

}

數據發(fā)送時(shí)，只需調用數據發(fā)送函數AF_DataRequest()即可，該函數會(huì )調用協(xié)議棧里與硬件相關(guān)的函數最終將數據通過(guò)天線(xiàn)發(fā)送出去，這里面涉及對射頻模塊的操作，比如打開(kāi)發(fā)射機、調整發(fā)射機的發(fā)送功率等，這些協(xié)議棧已經(jīng)實(shí)現了，不需要自己去寫(xiě)代碼實(shí)現，只需知道AF_DataRequest()函數的使用方法即可，發(fā)送數據可以使用如下的代碼實(shí)現(下面例子是以向協(xié)調器發(fā)送單播數據為例)：

當接收到數據后，操作系統會(huì )將該數據封裝成一個(gè)消息，然后放入消息隊列中，每個(gè)消息都有自己的消息ID，標識接收到新數據的消息的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)調器或終端節點(diǎn)發(fā)送來(lái)的數據后，首先使用osal_msg_receive函數從消息隊列中接收一個(gè)消息，然后使用switch-case語(yǔ)句對消息類(lèi)型進(jìn)行判斷(判斷消息ID)，如果消息ID是AF_INCOMING_MSG_CMD，調用處理函數GenericApp_MessageMSGCB()，在該函數中，對接收到的數據進(jìn)行處理。

4 STC12LE5204AD單片機控制和數據采集模塊

在蔬菜工廠(chǎng)監控系統中，采用STC12LE5204AD單片機作為控制和數據采集模塊。單片機控制和數據采集模塊為一485主從機模型，主機為培菜架上的ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的終端節點(diǎn)，從機為STC12LE5204AD單片機，主機會(huì )依次給STC12LE5204AD單片機發(fā)送控制命令或數據采集命令，STC12LE5204AD單片機接收到命令后執行相應操作并返回數據給主機。在培菜架的每層配置一個(gè)STC12LE5204AD單片機，負責該層的數據采集和執行控制命令。

4.1 STC12LE5204AD單片機

STC12LE5204AD單片機采用增強型8051CPU，片上集成4K字節用戶(hù)應用程序空間和256字節RAM、15個(gè)通用I/O口、4個(gè)16位定時(shí)器、2路PWM、高速A/D轉換、通用全雙工異步串行口等。

4.2 STC12LE5204AD單片機模塊

在蔬菜工廠(chǎng)監控系統中，利用STC12LE5204AD單片機的P3_5和P3_7兩路8位PWM來(lái)控制培菜架LED燈板的白燈和紅燈的亮暗程度。通過(guò)P1_3口控制營(yíng)養液循環(huán)泵的開(kāi)關(guān)，來(lái)控制營(yíng)養液循環(huán)系統。通過(guò)P1_2口控制電磁閥的開(kāi)關(guān)，來(lái)控制排水系統。通過(guò)P1_6口連接的溫濕度傳感器來(lái)采集溫濕度。

5 實(shí)驗結果

將協(xié)調器、路由器、終端節點(diǎn)和培菜架依次上電，上位機通過(guò)串口調試軟件向協(xié)調器發(fā)送控制LED燈命令，可以觀(guān)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(gè)確認幀“55 00 09 00 01 00 01 04 0C 00 70 00”。上位機通過(guò)串口調試軟件向協(xié)調器發(fā)送采集溫濕度命令，會(huì )收到采集到的溫濕度數據“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(guò)串口調試軟件定時(shí)每500ms發(fā)送一次采集溫濕度命令，可以觀(guān)察到數據傳輸過(guò)程中沒(méi)有出現丟包現象，而且采集到的數據值準確。此外上位機還能發(fā)送相應命令來(lái)采集二氧化碳濃度、圖片數據和控制二氧化碳發(fā)生器、營(yíng)養液循環(huán)泵和電磁閥的開(kāi)關(guān)。

6 結束語(yǔ)

蔬菜工廠(chǎng)監控系統基于ZigBee無(wú)線(xiàn)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(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行軟件開(kāi)發(fā)。實(shí)驗結果表明該系統具有良好的可靠性和穩定性，能夠實(shí)現對蔬菜生長(cháng)環(huán)境的實(shí)時(shí)監控，達到了預期的設計要求。