0、 引言
近年来,温室大棚栽培已经在全国得到了很好的推广,而大棚内环境参数( 包括温湿度、、二氧化碳、光照、土壤水分等等) 的实时监控则对作物的生长起到至关重要的作用。传统的温室大棚环境数据是以人工方式采集的,数据的准确定和实时性均难以保证;基于 RS485 总线的有线监测技术则需要布设大量的传输线路,并且对设备进行集中供电,在经济型和灵活性方面都存在一些问题,限制了大棚农业的发展。
ZigBee 技术是一种无线通讯传输体系,其以占用系统资源少、能耗低、网络的大小可以任意扩展以及无线信号覆盖范围广等特点在不少领域得到比较广泛的应用。为此,利用 ZigBee 技术,结合农业温室大棚对于环境监控的需求,以 ZigBee + GPRS 方案( CC2530 单片机+MC55i 模块) 设计并实现了温室环境参数的实时监测系统,从硬件和软件两方面完成了监控系统设计。
1、 ZigBee 体系概述
ZigBee 是一种无线通信技术,但并非是一套全新的协议标准。ZigBee 的协议组成如图 1 所示。其物理层与媒体接入层均沿用了 IEEE802. 15. 4 的标准,并对这套标准进行了补充与扩展; 而 ZigBee 的网络层、安全层及 API 则是 ZigBee 联盟发布的。ZigBee支持各类网络基本拓扑模式,因此用户完全可以结合实际情况进行网络结构的设计。ZigBee 传输距离远、功耗低、具有很好的自愈能力,因此十分适合于远程环境的监控。
2、 温室环境监控系统的整体设计
以河北农业大学农场基地温室作为系统设计和实现环境,基于 ZigBee 体系的温室大棚环境监测系统的整体结构如图 2 所示。
图 2 中,系统的整体构成包括底层网络与网络节点,节点类型主要包括:
1) 各类采集单元。采集所在区域之内各类环境数据并传输至路由器。
2) 路由器。汇聚采集节点的数据并实现数据的有效复用与融合,将数据逐层转发。
3) 协调器。对温室监控网络进行设置与管理,以串口链路与上位机交互,对环境参数进行收集,并发送来自上位机的监测指令等。
每一个温室大棚以路由器为中心节点,以各类采集单元( 温湿度、二氧化碳、土壤温度等采集器) 为子节点形成一个星型网; 所有的路由器数据由协调器进行汇总,经由 GPRS 网络以串口链路传输至上位机,实现数据的实时存储和分析,并结合具体的分析结果为温室自动加温、加湿或者调整遮光挡板等。
这种设计模式整合了 GPRS 与 ZigBee,兼具完善的网络性能与较好的速率( 128kbit/s) 。GPRS 支持对监控节点的 ZigBee 单元按需唤醒,因此能耗显著降低,可以通过因特网实现远程监控。
3、 温室环境监控系统的硬件设计
3. 1 协调器模块的设计
协调器模块处于监测指令和监测数据的传递中心,因此数据处理的工作量很大,是耗能较多的节点,也在网络中起到枢纽的关键作用。图 3 所示为协调器节点功能模块基本组成框图。
由图 3 可知,协调器模块以 CC2530 单片机驱动,该单片机所需电压是 4. 3V,故由电压转换单元将来自电源的电压值由 5V 转换为 4. 3V。以 MAX232 芯片进行电平变换,实现单片机和远端上位机之间的信息传输。单片机以 AT 指令,通过 MC55i 单元实现远程数据传输。显示单元和指示灯则显示节点的在线和离线状态并显示网络当前的连接状态。
3. 2 路由器模块的设计
路由器模块处于协调器模块和监测单元之间,在各个监测点的数据汇总部件。由于所有监测节点的数据均通过路由器进行上传,因此路由器数据处理的工作量也比较大,耗能也较多。图 4 所示为协调器节点功能模块基本组成框图。
由图 4 可知,路由器模块也是以 CC2530 单片机驱动,并由电压转换单元将电源的电压值转换为4. 3V。在硬件结构上,路由器模块和协调器模块基本相似,只是没有后者的 MC55i 远程数据传输单元。路由器模块由于涉及到较多的数据处理,因此配置可靠性较高的固定电源。
3. 3 各类采集单元的设计
温室大棚的环境采集单元可以分为传感器部分和采集数据处理部分: 前者对温室大棚的环境数据进行采集并进行数据的初步转换和处理; 后者负责与网络层的路由器进行交互,包括数据的传输、指令的接收和翻译等。图 5 所示为采集单元节点功能模块基本组成框图。
由图 5 可知,采集器模块也是由 CC2530 单片机驱动。在硬件结构上,采集器模块和协调器、路由器模块的整体框架相似,只是没有协调器的 MC55i 远程数据传输单元,并增加了用以采集环境参数的各类传感器和信号变换单元。由于环境参数采集耗能非常小,因此只需以普通的“干电池”进行供电。本文所实现的系统配置两块 5 号电池,通过指示灯显示节点的在线和离线状态。节点采集的数据一方面进行远程传输,另一方面则是存储在节点本身自带的外存模块当中。
温室大棚所需的环境采集数据主要包括空气温湿度实时数据、土壤温湿度实时数据、光照强度实时数据及二氧化碳实时数据等。这些数据种类各异,因此传感器的选择非常重要。
1) 空气温湿度传感器的选择。温室大棚内空气温湿度传感器要求体积小、功耗低,并能够防水( 因为温室中部署了喷淋系统) ,所以经过比较和论证,最终选择了瑞士 SensirionAG 的产品,型号为 SHT11。该传感器功耗很低,以电容性敏感元件进行温度测试,以能隙材料敏感元件进行湿度测试,并对测试数据通过14 位宽度的模拟数字转换器进行转换输出。
2) 光照传感器的选择。温室大棚内光照传感器同样要求能够防水并且功耗低、适应较为复杂的环境( 喷淋以及施肥、药物的沾染等) 。因此,经过比较和论证,选择的是 Hamamatsu 的产品,型号为 S1087。该传感器功耗很低,通过光电二极管进行光强测量,外在结构坚固,并具备较强的光敏性。
3) 二氧化碳传感器的选择。经过比较和论证,二氧化碳传感器选择的是韩国产品,型号为 S100H。该传感器功耗很低,以红外感应的方式进行测量。该模块支持多种模式的接口标准,体积小、质量轻,测试精度高达 30×10-6,完全能够满足温室大棚的二氧化碳测量精度需求。
4 ) 土壤温湿度传感器的选择。 选择国产的SHT10 产品,该单元外部以铜网保护,具备耐水、耐压的能力,温湿度测量精度极高,可达±4. 5% RH,功耗小,适合埋于温室土壤中。
3. 4 ZigBee 通信模块设计
这里主要阐述 CC2530 模块和 CC2591 模块的连接方式。由于 CC2530 单片机已经将来自各个传感器的采集数据进行了 AD 变换,再通过 CC2591 传输至协调单元。在 CC2591 模块之中已经预置了 RF 功能,因此不必增设其他的匹配部件。二者的连接如图 6所示。
经过调试,分别设置 L1为 2. 2nH,L2为 3nH,C21为 6. 8pF,C22为 1pF,C23为 2. 2pF,C14为 2. 2pF,C15为2. 2pF,C23为0. 1pF,R1为56kΩ,R2为43 kΩ,R3为43kΩ。
4、 温室环境监控系统的软件设计
系统软件开发环境为 IAR Embedded Workbench8051。
4. 1 协调器模块软件的设计
在协调器的应用层配置 ProcessEven 函数,图 7 所示为协调器软件流程设计。
由图 7 可知,在协调器加电启动之后,首先进入初始化阶段,对模块中的所有单元进行启动; 初始化完成之后,以系统预先设置的默认信道建立新的网络,同时进入系统实时监测状态,并周期性地轮询所有端口信号; 如果探查到存在新的终端模块或者路由器设备时,则将其作为一个新的节点,为其配置 16bit的地址; 然后将来自新节点的数据传输给上位机。
在具体的软件实现中: 第 1 步,协调器从内部的EPROM 里获取该节点的设备类型,同时调用 Write-Configuration,将设备属性配置为 Coordinator,同时将设备启动方式配置为加电时自动启动; 第 2 步,初始化完成后,协调器调用 ENTRY_EVENT 函数,同时激活ZigBee 无线通讯规约,构建新的网络; 第 3 步,建网之后,调用 StartConfirm 函数检测网络的状态,确定网络构建成功。
4. 2 路由器模块软件的设计
图 8 所示为路由器软件流程设计。
路由器模块加电之前,首先从内置的 EPROM 里将其设备属性设置为 DEVICETYPE_ Router,并配置为“加电后自动启动”; 随后进入节点模块初始化状态,对模块中的所有单元进行启动; 初始化完成之后,激活 Discovery Request( ) 进程,寻找所连接的协调器模块; 查找成功之后,则触发 JoinRequest( ) 进程,向协调器模块发送申请入网信号; 获得允许入网的确认信息并被配置 16bit 的地址后,开始进入系统实时监测状态,并周期性地轮询所有端口信号; 如果探查到存在新的终端模块设备入网请求时,则将其作为一个新的节点,并更新已有路由,采用 Cluster-Tree 算法进行路由寻址; 同时,路由器开始转发所有子节点传输来的数据。
4. 3 采集单元模块软件的设计
在采集单元的应用层配置 ProcessEven 函数,图 9所示为协调器软件流程设计。
采集单元模块加点之后,会对模块中的所有单元进行启动,完成初始化之后便会搜寻网络信号,找到后会触发 StartRequest( ) 函数申请入网; 在得到来自网络中路由器与协调器模块的响应确认之后,调用Measure( ) 函数开始读取探测器的各类温室参数值并发送。
5、 结束语
本研究引入基于 ZigBee 的无线组网方案,完成了对于农业温室大棚的实时环境参数监控。ZigBee 网络成本有限,且扩展十分方便,因此可以结合大棚的布置而做出相应的调整。在原有的系统基础上再添加一些传感单元,便能够实现更多种类参数监控的功能,因此十分适合于农业生产,也推进了精确农业的技术发展,具有比较好的实践意义。
参考文献: [1] 李文仲,段朝玉. ZigBee 无线网络技术[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社,2013. [2] 金纯,罗祖秋,罗凤,等. ZigBee 技术基础及案例分析[M]. 北京: 国防工业出版社,2014.