| 标题 | 基于ZigBee技术的桑园环境监控系统 |
| 范文 | 翁连娟 蔡冲 陈锡爱 姜建中 摘要：桑树在食用、生态、药用等方面都有很高的价值，为能使桑树达到高产高质，必须要精确地检测和综合地调控桑树生长环境。设计一套基于ZigBee技术的环境监控系统，以CC2530作为主控制芯片完成桑园环境信息的采集、处理和无线传输，传输到PC机上后通过上位机来显示实时信息并完成数据的存储。该系统以IAR Embedded Workbench作为开发平台编写ZigBee无线自组网、信息收集、信息传输和信息处理的C程序，并且通过模糊控制策略，自行开启或关闭灌溉系统和光补偿系统。结果表明，该系统功能完善、功耗低、性能稳定，可以较好地改善桑园的环境。 关键词：ZigBee;桑园环境;CC2530;监控系统;模糊控制 中图分类号： S126;TP277.2? 文献标志码： A? 文章编号：1002-1302（2019）03-0198-05 我国是世界上种桑养蚕最早的国家，桑树的栽培已有 7 000 多年的历史，桑树品种繁多，品质优良，全身都具有很好的功效，被誉为“树种之王”[1]。桑树不仅是家蚕的主要饲料，还有巨大的生态功能[2]。控制环境因子能够有效提高桑树光合效率，确保获得更大的经济利益。影响光合作用的环境因子主要有光照度、土壤水分等[3]。 随着科学技术、信息技术、网络技术的发展，现代通信技术已经在各个领域得到极为广泛的应用[4]，但是传统网络存在许多的局限性，许多特殊环境下网络难以覆盖，而无线通信技术正好解决了这一难题。目前无线传感器网络协议主要有无线局域网、超宽带通信、蓝牙、红外线数据通信及ZigBee技术等[5]。ZigBee技术的无线传感网以其低成本、低功耗以及良好的自组网特性和网络管理功能，被广泛应用于军事、智能家居、远程监控以及远程工业控制等领域[6]。 近年来，设施农业已经逐渐渗透到传统农业中，其在大棚温室中的应用已经成熟，但针对于桑园的设施农业却很少有研究。桑农思想观念落后、桑园种植规模小、对设施农业的宣传引导不够等因素制约了桑园设施化农业的发展。在这一背景下，设计一种基于ZigBee技术的桑园环境监控系统。该系统充分利用ZigBee的优点并结合桑树生长的特性，能够较好地将桑园环境控制在适合桑树生长的环境内。 1 环境监控系统整体设计 本系统由数据采集、数据传输、数据处理和环境控制4个模块组成。该系统的核心处理器选用的是CC2530，数据采集模块中的传感器选用的是DHT11、5506光敏电阻和土壤湿度检测器。ZigBee网络包含协调器（（zigbee coordinator，简称ZC）、路由器（zigbee router，简称ZR）、终端（zigbee endpoint，简称ZE）3种设备类型。协调器是整个设备的启动和控制网络。協调器存储关于网络的信息，包括作为认证中心和作为安全密钥的贮藏所。路由器可以扩展网络覆盖面，在障碍周围动态路由，并且提供备份路由以防护网络拥挤和设备失败。终端设备有发送或接收1个信息的作用，但是不执行任何路由操作，它们必须被连接到1个协调器或者1个路由器，终端设备不支持子设备。本系统设有3个终端节点和1个协调器，协调器同时收集3个终端节点采集到的环境信息，整理好以后通过串口传到电脑上。ZigBee作为一种无线网络技术，有距离短、功耗低、数据传输速率低的特点，它可以形成星型、树型、网状等3种zigbee网络。本系统选取最为简单的星型拓扑形式来作为该系统的网络结构，即终端设备和协调器之间进行直接通讯。数据处理模块主要包括数据显示、数据存储。环境控制模块主要是桑园灌溉系统和光补偿系统（图1）。 2 系统硬件设计 2.1 主控制模块 本系统选用CC2530作为核心处理器，CC2530是TI公司在2.4 GHz频段推出的第2代支持IEEE 802.15.4和RF4CE的片上系统[7]。该芯片的工作频率范围是2 400～2 483.6 MHz，支持数据传输到250 kb/s，其内部集成51控制器、射频收发器，具有低功耗、节点设计简单、功能强等特点[8]。CC2530有16个信道可供选择，完美支持z-stack 2007Pro协议栈，具有多种模式选择，完全符合该系统需求。 2.2 传感器的选择 2.2.1 温湿度传感器 本系统选用一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器DHT11。DHT11传感器包括1个电阻式感湿元件和1个NTC测温元件，并与1个高性能8位单片机相连接。因此，该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高、体积超小、功耗极低[9]、信号传输距离可达20 m以上等优点，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。 2.2.2 光敏电阻 本系统选用的光敏电阻为5506光敏电阻。该电阻是一种由半导体材料制成的电阻，其导电率随着光照度的变化而变化（光线强阻值变弱，光线弱阻值变强）。5506光敏电阻具有反应速度快、体积小、灵敏度高、可靠性好等特点，被广泛应用于各种光控设备中[10]。 2.2.3 LM393 本系统选用以LM393电压比较器做成的湿度检测器来测量土壤湿度。该检测器表面采用镀镍处理，有加宽的感应面积，可以提高导电性能，防止接触土壤容易生锈的问题，延长使用寿命。该检测器结构简单、使用寿命长、灵敏度高，很适合用于本系统中。湿度检测器的内部结构如图2所示。 2.3 ZigBee协调器节点的硬件设计 协调器主要负责启动和配置网络，这些完成后相当于路由器，协助网络内的终端节点和PC机相互通信。为方便起见，本系统直接采用PC机对协调器进行供电。协调器和终端节点在硬件上基本相同，只是协调器不需要传感器节点和继电器等电路，而终端节点大多时候都会有这些电路模块。协调器硬件结构如图3所示。 2.4 ZigBee终端节点的硬件设计 ZigBee技术是一种具有低功耗、低成本、安全可靠、时延短、自动组网能力强等特点的无线通信技术[11]。本系統终端节点由电源模块、串口电路、CC2530芯片、天线、仿真模块、键盘模块、环境控制模块组成，其主要作用是获得桑园中的各种环境信息。环境信息由上述3种传感器获得，并通过ZigBee无线网络将有效信息发送到协调器中。在终端节点中光敏电阻、温湿度传感器、土壤湿度检测器与CC2530主控芯片的硬件接口分别为P0.5、P0.7、P0.6。另外，ZigBee终端上还连有液晶显示屏，用于显示实时的环境信息。本设计使用OLED12864液晶显示屏，该显示屏制造工艺简单、成本低、能耗低、低温特性好、显示屏幕更大，而且该显示屏可以自身发光，有利于使用者在夜间观察，很适合用于本系统中。此外，在本系统中，每个终端节点均带有一套环境控制装置，当终端节点接收到协调器发出的开启环境控制装置的命令时，开启灌溉装置或光补偿装置。 3 系统软件设计 系统软件设计包括ZigBee网络中终端设备与协调器设备的软件设计、上位机监控软件的设计2个部分。本系统软件是基于TI公司的Z-Stack协议栈开发的。Z-Stack实质上就是一套ZigBee系统程序，是TI公司为自己的开发板量身定做的，提供了符合ZigBee2007协议栈体系结构所要求每层操作相关的各种事件处理函数和1个名为操作系统抽象层OSAL的协议栈调度程序[12]。ZigBee终端和协调器共同的协议栈相同，不同的地方通过#ifdef来选择编译。Z-Stack的main（）函数做2件事：（1）系统初始化;（2）开始执行轮转查询式操作系统。Main（）函数在一开始关闭所有中断，然后进行一系列的硬件初始化，之后调用osal_init_system（）函数对操作系统进行初始化。在osal_init_system（）函数中最重要的是任务初始化函数osalInitTasks（），在该函数中又进行一系列的任务初始化，最后进行用户创建的任务初始化SampleAPP_Init（taskID）。在一系列的初始化完成以后，main（）函数最后调用osal_start_system（）函数执行操作系统，并不再返回。如下程序为main（）函数的程序。 int main（void） { osal_int_disable（INTS_ALL）;//关闭所有中断 HAL_BOARD_INIT（）;//初始化系统时钟 zmain_vdd_check（）;//检查芯片电压是否正常 .......//一系列的硬件初始化 osal_init_system（）;//操作系统初始化 osal_int_enable（INTS_ALL）;//使能全部中断 InitBoard（OB_READY）;//最终板载初始化 zmain_dev_info（）;//显示设备信息 #ifdef LCD_SUPPORTED zmain_lcd_init（）; #endif #ifdef WDT_IN_PM1 WatchDogEnable（WDTIMX）; #endif osal_start_system（）; //正式开始执行操作系统，进入后不再返回 return 0; } 3.1 ZigBee协调器节点的软件设计 协调器节点是ZigBee网络的第1个开始的设备，或者是1个ZigBee网络的启动或建立设备。协调器工作的主要流程结构如图4所示。上电之后，首先进行CC2530和协议栈的初始化，然后协调器节点会尝试建立网络，并指定该网络的ID号。建立网络的2个主要步骤是网络初始化和节点加入网络[13]。 网络初始化首先要确定网络协调器，协调器节点通过调用NLME_NetworkFormationRequest（）函数请求组建1个新网络并允许自己成为该网络的协调器，若该节点没有加入到其他网络中并且具有协调器功能，则进行下一步信道扫描工作，扫描1个合适的信道并为新网络配置网络参数，然后网络层管理实体通过MLME_START.request原语通知MAC层启动并运行新网络，至此，网络初始化基本完成。 1个节点加入网络有2种方法：（1）通过使用MAC层关联进程加入网络;（2）通过与先前指定父节点连接而加入网络。本系统的终端节点是通过使用MAC层关联进程加入网络的。首先，终端节点通过NLME_NETWORK_DISCOVERY.request原语发起加入网络的进程，网络层接收到这个请求后进行信道扫描来搜索周围是否存在协调器，若周围有协调器的存在，网络层管理实体发送1个MLME_ASSOCIATE.request原语到MAC层，地址参数设置为该协调器的地址，尝试加入网络。协调器通过MLME_ASSOCIATE.indication原语通知网络层管理实体1个节点正尝试加入网络，如果协调器的地址资源足够，它就会同意该节点加入网络并给该节点分配1个16位的短地址，至此终端节点和协调器连接成功并可以相互通信（图4）。 3.2 ZigBee终端节点的软件设计 本系统的终端节点包括数据采集、环境控制等2个模块，环境控制模块又包括灌溉模块、光补偿模块等2个部分。终端节点对桑园温度、湿度、光照度信息实时采集，若是采集到的数据格式正确，终端节点则把数据打包传送给协调器，协调器处理完数据后产生相应的命令发回给终端节点。为方便采集环境信息的实时查看，每个终端节点都配有OLED显示屏，上面显示实时的环境信息和网络的连接状态。 土壤湿度处于50%～60%时，桑树叶片净光合速率高于其他的湿度范围，且光量子通量密度在500～2 000 μmol/（m2·s）范围内，桑树叶片净光合速率维持在较高值，且没有光抑制现象。影响桑树净光合速率的主导因子由土壤湿度过渡到光照度，土壤湿度的临界值为51.17%[3]。桑园光补偿过程：在指定时间区域内，桑园光量子通量密度低于600 μmol/（m2·s）时，开启光补偿装置，光量子通量密度高于1 000 μmol/（m2·s）时，光补偿装置关闭。由于桑树吸收水分的根系主要分布在地表以下20～40 cm深处，地表灌溉水需要经过较长时间才能渗透到桑树吸收水分根系的主要分布区，导致灌溉系统产生一定的时滞，所以停止灌溉时不能用简单的阈值分析来控制灌溉系统。为解决桑园控制环境具有大惯性、非线性和时延且很难建立精确的数学模型的特点[14]，本设计采用模糊控制的原理作为灌溉系统的理论基础。 该模糊控制器为双输入单输出的模糊控制器，其输入变量为土壤水分的误差e和误差变化率ec，输出变量为灌溉时间长度u。模糊控制系统的操作流程是先将输入变量模糊化，在此将输入变量e模糊化结果记为E，将ec模糊化结果记为EC。接着根据E、EC及模糊控制规则R，按模糊推理合成规则计算控制量，再通过清晰化算法将输出量反模糊，得到精确的控制量u，根据控制量u来判定电磁阀和水泵的开闭时间。模糊控制系统框如图5所示。 3.3 上位机软件设计 本设计以Visual studio 2013软件作为上位机软件的开发平台。该上位机软件可以实时显示每个节点的温度、湿度、光照度，并将环境信息以曲线图的形式显示出来，所有采集到的环境信息均能存储到Access中。此外，上位机还可以显示灌溉系统或光补偿系统的开启时长，并且上位机有按钮，可以直接在上位机上操作，进行环境控制系统的开启与关闭。 上位机软件采用定时器的方式来读取串口数据，设定timer4的定时器间隔为100 ms，即每100 ms调用1次定时器。在定时器函数中读取并处理串口数据，使环境数据显示到相应的textbox空间当中。上位机程序流程如图6所示。 4 测试结果 测试3个终端节点和1个协调器的桑园环境监控系统，该系统的协调器直接用数据线连接在PC机上，终端节点均匀地分散在桑园中。在给终端上电之前先给协调器上电，上电后协调器D3是长亮的，终端上电后D1闪烁，入网成功后D3常亮，入网成功后按下终端S1键开始上传数据。打开上位机，将波特率改成与协调器程序相对应的波特率并打开串口，设置上位机更新数据的速率，可以监测到桑园的环境信息，图7为上位机接收到的1号终端数据生成的温湿度曲线。 5 结论 本研究设计1种基于ZigBee技术的桑园环境监控系统，充分利用ZigBee无线技术的低功耗、低复杂度、可靠性高等优点，结合桑树生长特性，成功实现对桑园土壤水分和光照度 的控制。现场实际测试结果表明，本系统能很好地采集桑园的温度、湿度、光照度等环境信息，并将其上传到上位机中，以便用户实时查看。根据采集到的环境信息，CC2530芯片通过模糊控制的理论基础进行分析后，系统能很好地控制灌溉系统和光补偿系统，使桑树能够处于适合于其生长的环境当中。 参考文献： [1]王钰婷，李瑞雪，夏家凤，等. 桑树的经济价值及其在生态保护中的应用[J]. 中国市场，2017（11）：239-240. [2]吴海平，周金钱. 蚕桑产业的生态价值[J]. 蚕桑通报，2015，46（1）：1-4. [3]耿 悦，杨重法，王 颖. 桑树光合速率对土壤水分和光照强度的响应[J]. 热带生物学报，2015，6（4）：403-407. [4]程 坤，朱 勇，赵劍楠，等. 基于PIC单片机的无线数据传输系统设计[J]. 无线电通信技术，2016，42（5）：35-37. [5]余向阳. 无线传感器网络研究综述[J]. 单片机与嵌入式系统应用，2008（8）：8-12. [6]邓 然，朱 勇，詹 念，等. 基于ZigBee技术的温湿度数据采集系统设计[J]. 无线电通信技术，2017，43（3）：81-84. [7]余 欢，王运圣，徐识溥，等. 基于ZigBee技术的葡萄温室环境数据采集系统研究[J]. 上海农业学报，2016，32（1）：72-75. [8]章伟聪，俞新武，李忠成. 基于CC2530及ZigBee协议栈设计无线网络传感器节点[J]. 计算机系统应用，2011，20（7）：184-187，120. [9]徐文文. 基于STM32的无线网络数据采集系统设计及应用[J]. 机电信息，2015（33）：130-131. [10]何乾伟，张 钰，赵 莹. 光敏电阻频率特性测定实验及分析[J]. 科技创新与应用，2015（24）：183. [11]胡培金，江 挺，赵燕东. 基于zigbee无线网络的土壤墒情监控系统[J]. 农业工程学报，2011，27（4）：230-234. [12]李建勇，李 洋，刘雪梅. 基于ZigBee的粮库环境监控系统设计[J]. 电子技术应用，2016，42（1）：65-67，71. [13]郝晓萌. 基于ZigBee的无线粮情监测系统中路由协议的研究[D]. 北京：北京邮电大学，2009. [14]郭正琴，王一鸣，杨卫中，等. 基于模糊控制的智能灌溉控制系统[J]. 农机化研究，2006（12）：103-105，108. |
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