趙 悅， 程 躍， 張宏坤， 車 健

(成都大學(xué) 工業(yè)制造學(xué)院，四川 成都 610106)

0 引 言

隨著傳感器技術(shù)以及低功耗無(wú)線通信技術(shù)的大力發(fā)展和應(yīng)用，低功耗的傳感器節(jié)點(diǎn)共同組成無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用也越來(lái)越廣。這些低功耗傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)節(jié)點(diǎn)間的相互協(xié)作，將其監(jiān)測(cè)的多種環(huán)境信息收集并以無(wú)線方式發(fā)送出去。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與各種集成的外部傳感器協(xié)作，完成環(huán)境信息監(jiān)測(cè)。極大地?cái)U(kuò)寬了人們獲取信息的能力，具有廣闊的應(yīng)用前景。

傳統(tǒng)的溫室大棚的環(huán)境信息獲取都是靠人工實(shí)地檢測(cè)，或通過(guò)有線的方式，但這些方式在不同程度上都無(wú)法滿足現(xiàn)代溫室大棚智能化的要求。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以對(duì)溫室大棚的環(huán)境信息實(shí)現(xiàn)快速、實(shí)時(shí)，低成本的獲取。同時(shí)在后期的管理和維護(hù)上也有著極大的便利。溫度，濕度，光照度對(duì)作物的生長(zhǎng)至關(guān)重要，在溫室大棚中，培育高產(chǎn)的作物，環(huán)境信息監(jiān)測(cè)變得必不可少，傳統(tǒng)的上述環(huán)境信息采集都或多或少的需要人實(shí)地查看，隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的興起，可以通過(guò)將溫度，濕度，光照度等信息加載到傳感器網(wǎng)絡(luò)上，實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的溫室大棚智能環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)[1]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

在實(shí)際溫室大棚中，溫度，濕度和光照度對(duì)作物的生長(zhǎng)起著決定性作用，在傳統(tǒng)溫室大棚中采用人工讀取儀表值或目測(cè)大棚中上述環(huán)境變量信息，由人工帶來(lái)的量化誤差和經(jīng)驗(yàn)性不具有推廣價(jià)值，采用較為先進(jìn)的傳感器技術(shù)可以相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)量化大棚中整個(gè)作物環(huán)境狀況。同時(shí)輔以ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以真正實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)，提高了效率，節(jié)約了成本！

同時(shí)對(duì)一個(gè)完整的大棚測(cè)控系統(tǒng)，在控制方面主要涉及到人為調(diào)節(jié)大棚中的作物生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)，典型的控制機(jī)構(gòu)有卷簾，滴灌，以及其他的一些開關(guān)量控制設(shè)備。對(duì)于現(xiàn)有的大棚控制系統(tǒng)，采用電子元器件模擬控制系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。整個(gè)系統(tǒng)分為上位機(jī)和下位機(jī)部分，下位機(jī)部分主要是對(duì)上位機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析同時(shí)完成上位機(jī)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制命令，并反饋環(huán)境信息到上位機(jī)，下位機(jī)對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用開環(huán)控制[2-4]。

2 下位機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

下位機(jī)主要是由ZigBee網(wǎng)絡(luò)，傳感器，簡(jiǎn)單控制模擬組成。溫濕度、光照度信息通過(guò)傳感器變換成數(shù)字信號(hào)通過(guò)ZigBee節(jié)點(diǎn)加上自身描述信息發(fā)送到上位機(jī)，自身描述信息包括該節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址和節(jié)點(diǎn)類型?？刂撇糠植捎弥绷麟姍C(jī)，步進(jìn)電機(jī)，繼電器，LED燈模擬大棚中的控制系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。同時(shí)網(wǎng)路中任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以接收到上位機(jī)的有效控制數(shù)據(jù)，完成相應(yīng)的動(dòng)作。

整個(gè)下位機(jī)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

下位機(jī)中節(jié)點(diǎn)分為協(xié)調(diào)器，傳感路由節(jié)點(diǎn)，傳感非路由節(jié)點(diǎn)，傳感終端節(jié)點(diǎn)，控制終端節(jié)點(diǎn)五大類，分類標(biāo)準(zhǔn)主要是考慮節(jié)點(diǎn)的功能需求，和Zigbee協(xié)議中節(jié)點(diǎn)的定義基本相同。

該設(shè)計(jì)框圖是滿足整個(gè)設(shè)計(jì)需求的最小系統(tǒng)，在系統(tǒng)需要更大的覆蓋區(qū)域，可以在網(wǎng)絡(luò)中添加路由節(jié)點(diǎn)(Router)。需要獲取更多的環(huán)境信息可以在傳感終端節(jié)點(diǎn)添加更多傳感器。

3 硬件設(shè)計(jì)

無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)芯片采用TI的CC2530芯片，該芯片對(duì)TI的Z-Stack協(xié)議棧能夠提供很好的硬件平臺(tái)。溫濕度傳感器選用的是DHT11,測(cè)量范圍20%～90%RH，0～50 ℃，其中濕度(相對(duì)濕度)精度為±5%RH，溫度精度±2 ℃。在實(shí)際應(yīng)用中可以選擇整體參數(shù)更優(yōu)的DHT22。光照度傳感器BH1750測(cè)量范圍1～65535lx。主控MCU選用TI的MSP430F5529，該MCU為RISC 16架構(gòu)。擁有128KB Flash 8KB SRAM。

圖1 下位機(jī)設(shè)計(jì)框圖

傳感終端節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)包括CC2530外圍電路設(shè)計(jì)，串口電路設(shè)計(jì)，以及傳感器接口電路設(shè)計(jì)。DHT11為單總線協(xié)議芯片?？傮w框架如圖2、3所示。

圖2 硬件設(shè)計(jì)框架圖

圖3 硬件設(shè)計(jì)圖

控制終端節(jié)點(diǎn)主要包括電源、CC2530核心板接口、電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、按鍵、LED、繼電器。在設(shè)計(jì)方案中，ULN2003A驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)占用4個(gè)驅(qū)動(dòng)口，剩下的3個(gè)口驅(qū)動(dòng)直插式LED燈。PL2303用于CC2530和PC通訊，主要可以用過(guò)PC上的串口助手查看CC2530串口輸出信息，而MSP430F5529則不能通過(guò)PL2303和PC通訊，但留有IO口可以在需要的外接[5-7]。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案采用IR2104+MOSFET組成H橋，可以完成調(diào)速，調(diào)向。驅(qū)動(dòng)電流可以達(dá)到3 A。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案選用的達(dá)林頓晶體管陣列ULN2003A,對(duì)于單通道的驅(qū)動(dòng)電流可以達(dá)到500 mA。對(duì)于小型4相5線性步進(jìn)電機(jī)完全適用。繼電器驅(qū)動(dòng)采用NPN三極管驅(qū)動(dòng)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

Zigbee協(xié)議棧采用TI的Z-Stack協(xié)議棧，版本為2.5.1.協(xié)議棧中有很多例程，本系統(tǒng)基于Z-Stack協(xié)議棧中SampleAPP工程開發(fā)。考慮整個(gè)協(xié)議棧的初始化狀態(tài)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在復(fù)位后其網(wǎng)絡(luò)地址都是從父節(jié)點(diǎn)分配得到，設(shè)計(jì)時(shí)加上編譯選項(xiàng)，可以防止每次節(jié)點(diǎn)復(fù)位后網(wǎng)絡(luò)地址改變。同時(shí)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的MAC地址不隨網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)而改變，故每個(gè)節(jié)點(diǎn)在復(fù)位后都會(huì)發(fā)送自己的網(wǎng)絡(luò)地址、MAC地址到上位機(jī)。同時(shí)每個(gè)節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)到上位機(jī)時(shí)都會(huì)在數(shù)據(jù)幀中嵌入自己的網(wǎng)絡(luò)地址[8-11]。

考慮節(jié)點(diǎn)可控制，則節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)之間通訊數(shù)據(jù)含義眾多，故在應(yīng)用層添加自定義數(shù)據(jù)通信協(xié)議，如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)通信協(xié)議

數(shù)據(jù)校驗(yàn)采用的異或校驗(yàn)，提高數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性的同時(shí)減少了MCU的負(fù)擔(dān)。自定義數(shù)據(jù)協(xié)議可以發(fā)送變長(zhǎng)數(shù)據(jù)，同時(shí)便于上位機(jī)數(shù)據(jù)解析以及后期系統(tǒng)功能擴(kuò)展。

幾個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的流程圖如圖4所示。

傳感終端節(jié)點(diǎn)主要是完成溫濕度，光照度信息的采集，每次發(fā)送的數(shù)據(jù)幀中包括節(jié)點(diǎn)類型。傳感終端發(fā)送的數(shù)據(jù)被協(xié)調(diào)器接受，由協(xié)調(diào)器根據(jù)底層協(xié)議獲取數(shù)據(jù)源節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址，將網(wǎng)絡(luò)地址加入數(shù)據(jù)幀中傳給上位機(jī)。

傳感終端節(jié)點(diǎn)同時(shí)還可以通過(guò)協(xié)調(diào)器接受上位機(jī)的命令，包括啟動(dòng)傳輸，停止傳輸，以及對(duì)單個(gè)傳感器數(shù)據(jù)的獲取，以及無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)芯片電壓和溫度的獲取。

圖4 關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的流程圖

控制終端節(jié)點(diǎn)主要是模擬大棚中控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由于無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)芯片引腳不多，且對(duì)于外設(shè)的控制能力較弱，所以外設(shè)采用單獨(dú)的MCU控制。

設(shè)計(jì)的主要思路考慮外設(shè)的底層驅(qū)動(dòng)，以及和無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)芯片之間的數(shù)據(jù)交換。對(duì)于每次收到的上位機(jī)數(shù)據(jù)都會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)意義適用性判別，從而降低了控制MCU的負(fù)擔(dān)，對(duì)于每次收到的控制命令都會(huì)返回當(dāng)前控制外設(shè)的狀態(tài)。

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心，負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的建立與維護(hù)，協(xié)調(diào)器主要是對(duì)上位機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別，由協(xié)調(diào)器確定轉(zhuǎn)發(fā)到具體的節(jié)點(diǎn)，同時(shí)協(xié)調(diào)器還負(fù)責(zé)對(duì)其余節(jié)點(diǎn)發(fā)送給上位機(jī)的數(shù)據(jù)幀添加網(wǎng)絡(luò)地址后轉(zhuǎn)發(fā)給上位機(jī)。其協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)流程圖如圖5所示[12-15]。

圖5 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)流程圖

5 結(jié) 語(yǔ)

利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)無(wú)線傳輸大棚中的環(huán)境信息參數(shù)，同時(shí)上位機(jī)無(wú)線控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，完成了整個(gè)溫室大棚測(cè)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和可移植性都比較好。

在設(shè)計(jì)后期測(cè)試下位機(jī)結(jié)果如下：不同節(jié)點(diǎn)之間的通訊在無(wú)障礙情況下可以達(dá)到150 m，在環(huán)境復(fù)雜的情況下能夠保有10 m的通訊距離，在通訊范圍內(nèi)，通訊延遲控制在100 ms內(nèi)；若在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中添加PA，則單對(duì)單個(gè)節(jié)點(diǎn)通訊距離可以超過(guò)200 m。傳感終端節(jié)點(diǎn)周期性發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)到上位機(jī)，通訊穩(wěn)定，基本上無(wú)掉包情況發(fā)生?？刂平K端節(jié)點(diǎn)外設(shè)驅(qū)動(dòng)穩(wěn)定，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)PWM達(dá)到80%的情況下節(jié)點(diǎn)無(wú)異常。

在后期更靠近大棚實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，整個(gè)環(huán)境信息采集可以多樣化，同時(shí)對(duì)于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)從下位機(jī)開環(huán)控制變?yōu)殚]環(huán)控制，對(duì)于下位機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以針對(duì)大棚具體需求設(shè)計(jì)完整機(jī)械結(jié)構(gòu)。

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