郭 杰，雷 剛，羅光偉，陳健生，施 蕓

（1. 四川工程職業(yè)技術學院，德陽 618000；2. 清華大學 電子工程系，北京 100084）

0 引言

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，為提高農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)效率和產(chǎn)品品質，需要及時掌握大棚相關信息，國內外研究人員對農(nóng)業(yè)信息化做了大量的研究。Masayuki Hirafuji等人提出了利用無線網(wǎng)絡方式實現(xiàn)田間數(shù)據(jù)采集的方案[1]；中國農(nóng)業(yè)大學精細農(nóng)業(yè)實驗室提出了使用藍牙實現(xiàn)溫室檢測的方法[2]；東北農(nóng)業(yè)大學寒地蔬菜生物學重點實驗室設計了一種可以監(jiān)測溫度的無線傳感器節(jié)點[3]，將Zigbee技術應用到了土壤監(jiān)測中；西北農(nóng)林科技大學采用ARM9處理器和CC2430結合設計了一種Zigbee無線網(wǎng)絡的溫室監(jiān)控系統(tǒng)[4]；南京農(nóng)業(yè)大學將GPRS和移動終端技術應用于無線網(wǎng)絡中，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的移動采集和實時處理[5]。

現(xiàn)階段的研究，主要針對于無線網(wǎng)絡中的節(jié)點以及多個節(jié)點組成的單個Zigbee無線網(wǎng)絡進行分析和處理。隨著我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，必定向更大規(guī)模、更加精細的方向發(fā)展，對此本文提出了一種利用PROFINET（工業(yè)以太網(wǎng)）、Mesh網(wǎng)絡和Zigbee技術的大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結構

1.1 系統(tǒng)需求分析

進行監(jiān)測系統(tǒng)的設計前，需要考慮應用環(huán)境的實際情況，充分考慮系統(tǒng)的有利因素和可能遇到的問題。基于PROFINET和Mesh網(wǎng)絡的大棚監(jiān)測系統(tǒng)具有三個方面的特性：1）大棚面積大范圍廣；2）各區(qū)域間具備以太網(wǎng)絡連接；3）環(huán)境是動態(tài)變換的。

另外室外環(huán)境的不可預知性、各種惡劣自然環(huán)境的存在，對系統(tǒng)的設計和開發(fā)提出了挑戰(zhàn)。

1.2 系統(tǒng)總體結構設計

經(jīng)過系統(tǒng)的應用分析，同時結合國內外同行的設計經(jīng)驗，提出的大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)總體結構如圖1所示。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)整體結構圖

該監(jiān)測系統(tǒng)由監(jiān)控中心、各區(qū)域無線Mesh網(wǎng)絡以及PROFINET（工業(yè)以太網(wǎng)）組成。每個區(qū)域的無線網(wǎng)絡由該區(qū)域的子網(wǎng)關以及各個參量監(jiān)測節(jié)點組成，各節(jié)點將檢測到得溫度、土壤濕度、土壤鹽度、二氧化碳濃度、光照度等參數(shù)通過基于Zigbee技術組建的Mesh網(wǎng)絡傳遞到該區(qū)域的網(wǎng)關節(jié)點上。子網(wǎng)關再通過PROFINET（工業(yè)以太網(wǎng)）總線傳遞到信息監(jiān)控中心，同時在各子網(wǎng)關上利用人機界面將該子區(qū)域的信息顯示出來，每個子網(wǎng)關也可以成為一個獨立的監(jiān)測子系統(tǒng)。

PROFINET是一個符合TCP/IP和IT標準的、為自動化制定的開放的工業(yè)以太網(wǎng)標準，支持TCP/IP標準通訊、實時（RT）通訊、同步實時（IRT）通訊。

PROFINET網(wǎng)絡廣泛應用于工業(yè)自動化控制領域，具有很強的抗干擾性能以及支持不同制造商設備之間的兼容性，適用于較復雜的工作環(huán)境。

在本系統(tǒng)設計中，區(qū)域監(jiān)控中心主機配置西門子工業(yè)以太網(wǎng)CP1616卡，用于PROFINET的鏈接與數(shù)據(jù)采集；安裝工業(yè)組態(tài)軟件WINCC，組態(tài)監(jiān)控畫面，CP1616卡通過PROFINET直接與遠程子網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)交換，在區(qū)域監(jiān)控中心主機上顯示和設定大棚環(huán)境參數(shù)。

基于監(jiān)測大棚的數(shù)量和距離，在PROFINET（工業(yè)以太網(wǎng)）組建過程中配置工業(yè)網(wǎng)絡交換機（SCALANCE X200），減少監(jiān)控中心到個區(qū)域子網(wǎng)絡的布線對數(shù)，也便于擴展。配置交換機的數(shù)量依據(jù)子網(wǎng)絡的數(shù)量而增減，各子網(wǎng)絡通過IP地址及MAC地址進行識別。

1.3 區(qū)域子網(wǎng)絡結構

該區(qū)域子網(wǎng)絡采用基于Zigbee技術的Mesh網(wǎng)絡結構，該網(wǎng)絡無線Mesh網(wǎng)絡是一種典型的多跳網(wǎng)絡模式，具備動態(tài)自組織和自配置功能。網(wǎng)絡中的每一個節(jié)點都具備路由功能，可以進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收。在該網(wǎng)絡中，數(shù)據(jù)傳遞的可靠性和安全性較高，當某節(jié)點需要傳輸數(shù)據(jù)時，只需要將數(shù)據(jù)發(fā)出即可，附近的節(jié)點將對數(shù)據(jù)進行轉發(fā)，直到傳遞到接收位置[6～10]。在大規(guī)模的大棚中，如果使用單跳方式，需要設定一個中心節(jié)點，但由于WLAN發(fā)射功率問題，作用距離一般不超過500米，所以該模式不適應于在大規(guī)模大棚中推廣使用。而使用無線Mesh網(wǎng)絡，由于各節(jié)點都具有數(shù)據(jù)轉發(fā)功能，可以通過節(jié)點間的通信，完成遠距離的數(shù)據(jù)傳輸。Mesh網(wǎng)絡的基本結構如圖2所示。

圖2 子網(wǎng)絡結構圖

PROFINET是一個符合TCP/IP和IT標準的、為自動化制定的開放的工業(yè)以太網(wǎng)標準，支持TCP/IP標準通訊、實時（RT）通訊、同步實時（IRT）通訊。

2 系統(tǒng)設計

2.1 子網(wǎng)關設計

網(wǎng)關采用ARM+Zigbee專用CPU模塊進行設計。ARM實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理分析、圖形圖表顯示以及通過工業(yè)以太網(wǎng)接口與區(qū)域中心相連接；結合Zigbee技術的CC2530實現(xiàn)Mesh網(wǎng)絡的建立、管理等功能，兩個CPU之間通過串口進行數(shù)據(jù)的交換?；窘Y構如圖3所示。

圖3 網(wǎng)關硬件結構圖

在實際應用中，為簡化ARM板的電路設計、提高效率，選用某公司的SmartARM2300工控開發(fā)板為應用平臺。該工控板是基于32位的ARM處理器LPC2378開發(fā)的平臺，在該平臺上包含LCD驅動接口、RS232、RS485、CAN_BUS、SD/MMC、10/100M工業(yè)級以太網(wǎng)接口等開放接口，實際應用中可以根據(jù)需要進行合理的選擇，滿足不同接口方式的需要。Zigbee專用CPU模塊選用TI公司的CC2530芯片進行電路設計，該芯片由TI公司推出，基于 ZigBee/ IEEE 802.15.4 標準的SOC器件。CC2530內部包含低功耗的8051CPU，同時包含一個高性能的射頻收發(fā)器，工作時功耗只有27mA，同時具備低功耗和休眠模式[13]。

2.2 子網(wǎng)關設計

網(wǎng)關的軟件設計包含兩方面的內容，一是ARM工控板的系統(tǒng)程序開發(fā)，二是基于CC2530的Zigbee網(wǎng)關協(xié)議開發(fā)。

2.2.1 ARM系統(tǒng)程序

ARM程序主要包含顯示接口程序、總線數(shù)據(jù)處理、節(jié)點信息接收分析和ARM實時操作系統(tǒng)等幾部分。在該工控板中，已經(jīng)預裝μC/OS-II 正版實時操作系統(tǒng)，在開發(fā)中對于不同的功能模塊，只需要添加任務項目即可。具體程序結構如圖4所示。

圖4 網(wǎng)關軟件流程圖

軟件包含2個部分，一是對ARM進行初始化設定，啟動μC/OS-II實時操作系統(tǒng)，并創(chuàng)建串口、LCD顯示和工業(yè)以太網(wǎng)任務。二是分別通過任務調度的方式實現(xiàn)各個應用程序的處理。

2.2.2 CC2530網(wǎng)關協(xié)調器程序

在本系統(tǒng)中，網(wǎng)關是實現(xiàn)Mesh網(wǎng)絡的關鍵。由于該網(wǎng)絡以Zigbee技術作為基礎，網(wǎng)關需要完成空閑信道的掃描、網(wǎng)絡的初始建立、提供新網(wǎng)絡節(jié)點的地址、路由表的配置和計算、以及網(wǎng)絡管理等工作。在一個Zigbee網(wǎng)絡中，包含APL(應用層)、NWK(網(wǎng)絡層)、MAC(數(shù)據(jù)鏈路層)、PHY(物理層)等結構，各層之間通過服務原語進行數(shù)據(jù)傳遞和反饋。實際應用中，當CC2530完成硬件和操作系統(tǒng)的初始化后，即可使用服務原語進行網(wǎng)絡的創(chuàng)建工作。

基本流程是：APL層向NWK層發(fā)送NLMENETWORK-DISCOVERY.request原語，協(xié)調器開始進行附近網(wǎng)絡狀態(tài)的掃描。網(wǎng)絡層得到NLMENETWORK-DISCOVERY.confirm原語，包含附近的信道使用和網(wǎng)絡狀態(tài)的詳細清單，應用層通過比較信道清單和網(wǎng)絡清單，選擇一個未使用過的信道，并通過NLME-NETWORK-FORMATION.request原語進行網(wǎng)絡的建立。

另外在本應用中，還需要通過串口與ARM進行數(shù)據(jù)的傳遞、控制命令的分析和執(zhí)行等任務。程序流程如圖5所示。

圖5 協(xié)調器程序流程圖

2.3 節(jié)點設計

對于網(wǎng)絡節(jié)點，可以分為兩類。一類是既具備路由功能也具備檢測功能的節(jié)點，可以實現(xiàn)環(huán)境檢測，也可以為其他節(jié)點提供路由功能；另一類是終端節(jié)點，只具備檢測功能和數(shù)據(jù)發(fā)送功能，需要通過路由節(jié)點才能將數(shù)據(jù)傳遞出去。為簡化設計，在實際設計中統(tǒng)一選用CC2530作為節(jié)點的控制器。首先利用該CPU的Zigbee功能實現(xiàn)節(jié)點的無線網(wǎng)絡設計，其次再利用該芯片空余的I/O端口和A/D轉換器，添加溫度、濕度和鹽度的檢測探頭，實現(xiàn)物理量檢測。實際應用中，溫度測量使用DS18B20實現(xiàn)，濕度使用HIS-07電阻式溫度探頭，鹽度測量使用FJA-10型土壤鹽分測試探頭。在使用時，土壤的鹽分變化是很慢的，且在一片土壤中，鹽分差異較小，但溫度和濕度需要實時的檢測，所以在實際應用中，每個節(jié)點上溫度和濕度探頭是必須的，鹽分探頭只是在部分節(jié)點上安裝。

在傳感器與CPU的接口方面，溫度探頭DS18B20采用一線數(shù)字接口方式，只占用CPU的一個I/O端口；濕度和鹽度探頭是模擬量輸出器件，需要設計相應的調整電路，轉換為電壓量后利用CPU內部的A/D通道進行處理，得到對應的數(shù)值。節(jié)點電路結構如圖6所示。

圖6 節(jié)點硬件結構圖

在該系統(tǒng)中，節(jié)點的軟件設計主要關注三個內容，一是外圍傳感器的接口程序設計，二是Zigbee網(wǎng)絡接入與路由的程序設計，三是節(jié)點的低功耗處理，盡量延長節(jié)點的工作時間。

2.3.1 傳感器接口程序設計

溫度傳感器DS18B20程序設計主要包含以下三個步驟：首先進行初始化，其次進行序列號的讀取操作，然后啟動溫度的轉換過程，進行溫度數(shù)據(jù)的讀取。濕度和鹽度探頭輸出的電壓信號使用CC2530的A/D通道進行轉換，其中濕度使用A/D通道3，鹽度使用A/D通道4，同時利用TI公司提供的ZStack協(xié)議棧中的HalAdcRead()函數(shù)，實現(xiàn)A/D的軟件設計。相應程序流程圖如圖7所示。

2.3.2 Zigbee節(jié)點網(wǎng)絡接入程序設計

圖7 節(jié)點軟件流程圖

節(jié)點的網(wǎng)絡接入流程：首先通過APL層發(fā)送NLME-NETWORK-DISCOVERY.request原語，其中包含信道參數(shù)、掃描持續(xù)時間等信息；其次NWK層接收到該原語后，向MAC層發(fā)送MLMESCAN.request原語，MAC層進行主動掃描。當MAC層在掃描過程中得到有效的信標幀時，使用MLME-BEACON-NOTIFY.indication原語向NWK層回復。相關的數(shù)據(jù)包含該掃描得到的網(wǎng)絡ZigBee版本號、堆棧結構、網(wǎng)標識符（PANId）、邏輯信道和是否允許連接的信息。節(jié)點的網(wǎng)絡層對這些信息進行匹配驗證，如不匹配，則忽略該信標；反之，節(jié)點從接收到的信標中，將相關的信息復制到自己的鄰居表中。此時即可通過發(fā)送NLME-JOIN.request原語進行網(wǎng)絡的連接。

2.3.3 Zigbee節(jié)點的節(jié)能設計

在節(jié)點的設計中采用兩節(jié)18650鋰電池（單節(jié)容量2200mAh）進行供電，CC2530內核采用1.8V供電，傳感器與外部接口采用3.3V供電。在程序設計中，可以通過CC2530的PCON和SLEEPCMD兩個寄存器，工作于5種不同的工作模式，即當需要進行測量和數(shù)據(jù)傳輸時，啟用正常工作模式，否則進入睡眠模式。實際應用中，溫度、濕度和鹽度的變換差異較大。在這三者中溫度的變化相對較快，采用每隔5分鐘檢測一次，而濕度則可以每隔一個小時檢測一次，而鹽度的變化則更慢，每天檢測一次即可。

3 試驗測試

通過網(wǎng)關和節(jié)點的硬件和軟件分析，進行了系統(tǒng)的軟件和硬件設計和調試。網(wǎng)關和節(jié)點結構如圖8所示。

圖8 網(wǎng)關和節(jié)點

3.1.1 節(jié)點的功率測試

為檢驗節(jié)點的電源消耗情況，對節(jié)點的耗電量進行了測試。測試中，使用10歐姆的電阻串聯(lián)在電源中，測得電阻電壓波形如圖9所示。

圖9 節(jié)點功耗測試圖

從圖9中，可以得知當進行數(shù)據(jù)傳輸時，10歐姆電阻上出現(xiàn)峰值電壓200mV，其余時間電壓基本恒定為20mV～30mV之間。即節(jié)點在數(shù)據(jù)傳輸時，消耗電流為20mA左右，靜態(tài)時消耗電流為1mA ～1.5mA。測試表明該節(jié)點的節(jié)能設計是有效的。

3.1.2 一個子網(wǎng)中的通信性能測試

各無線節(jié)點在進行數(shù)據(jù)傳輸中，存在路徑損耗，為檢驗一個子網(wǎng)絡中的各節(jié)點的布局情況，進行試驗。首先，在空曠環(huán)境中測試節(jié)點與子網(wǎng)關之間的通信距離（模塊的發(fā)射功率為0dBm，接收靈敏度為-92dBm），經(jīng)測試有效距離為75米～85米之間；其次在生長有辣椒作物（平均高度60厘米）的田間，有效距離降低為50～55米之間；另外如果加高天線高度，有效距離可以得到提高。對此，在進行無線網(wǎng)絡節(jié)點的布置中，應該注意三個問題。一是在網(wǎng)絡中，必須保證每個節(jié)點周圍50米范圍以內至少具有一個路由功能的節(jié)點，安全考慮保持兩個更可靠；二是在作物高度較高的環(huán)境中，可以通過選配高度較高的天線，減小有效距離的損失；三是可以通過增加模塊的發(fā)射功率增加距離，但是對節(jié)點的有效工作時間會產(chǎn)生影響。

4 結論

通過系統(tǒng)分析、系統(tǒng)設計和實際驗證表明，在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中使用無線網(wǎng)絡技術與工業(yè)以太網(wǎng)結合的方式，可以提供一種成本相對經(jīng)濟的解決方案。該方案具備以下特點：

1）采用工業(yè)以太網(wǎng)結合無線Mesh網(wǎng)絡的模式，為大面積的大棚監(jiān)測提供了可行的解決方案；

2）網(wǎng)關采用ARM工控板+CC2530的設計構架，簡化了系統(tǒng)設計，降低了系統(tǒng)的開發(fā)難度，可行性較強；

3）節(jié)點采用一片CC2530完成網(wǎng)絡接入、路由和傳感器檢測，簡化了節(jié)點設計，采用低功耗設計，提高了電池的正常工作時間；

4）不同的大棚檢測環(huán)境，對于無線模塊的發(fā)送功率、天線高低、布置的密度需要進行適當?shù)恼{整。

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