向 磊， 馬建設(shè) ， 劉 鵬， 劉向明

（1.武漢工程大學(xué) 湖北 武漢 430205；2.清華大學(xué) 深圳研究生院，廣東 深圳 518055）

隨著農(nóng)業(yè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大、自動(dòng)化程度的不斷提高，國(guó)內(nèi)外興起了對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)過(guò)程實(shí)施遠(yuǎn)程監(jiān)控的研究，其中無(wú)線通信技術(shù)的快速發(fā)展為實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控農(nóng)作物生長(zhǎng)提供了可能[1]。ZigBee技術(shù)具有高可靠性、低成本、低功耗、高安全性、低數(shù)據(jù)速率等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、智能家居、商業(yè)樓宇以及農(nóng)業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域[2]。本文基于ZigBee無(wú)線傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一套基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的蔬菜工廠監(jiān)控系統(tǒng)。

1 ZigBee無(wú)線傳感技術(shù)

ZigBee是一種標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)定義了短距離、低數(shù)據(jù)傳輸速率無(wú)線通信所需要的一系列通信協(xié)議[3]。ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)采用分層結(jié)構(gòu)，每一層為上層提供一系列特殊的服務(wù)：數(shù)據(jù)實(shí)體提供數(shù)據(jù)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(shù)量的服務(wù)原語(yǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的功能[4]。ZigBee協(xié)議分為兩個(gè)部分，IEEE802.15.4定義了物理層和媒體訪問(wèn)控制層，ZigBee聯(lián)盟在此基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層架構(gòu)，在應(yīng)用層內(nèi)提供了應(yīng)用支持子層和ZigBee設(shè)備對(duì)象[5]。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(shù)的形式實(shí)現(xiàn)，并給用戶提供一些應(yīng)用層API，供用戶調(diào)用。

2 蔬菜工廠監(jiān)控系統(tǒng)整體控制框架

蔬菜工廠監(jiān)控系統(tǒng)整體控制框架如圖1所示，由主控機(jī)、房間節(jié)點(diǎn)監(jiān)控單元、培菜架節(jié)點(diǎn)監(jiān)控單元3部分組成。在蔬菜工廠里有多個(gè)房間，每個(gè)房間里配置了一個(gè)房間節(jié)點(diǎn)監(jiān)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(jié)點(diǎn)監(jiān)控單元，每個(gè)培菜架分為4層。

主控機(jī)的功能：1）作為服務(wù)器，接收各房間節(jié)點(diǎn)和培菜架節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)瀏覽器實(shí)現(xiàn)蔬菜工廠的整體監(jiān)控；2）在獲得相應(yīng)權(quán)限后，給相關(guān)的房間節(jié)點(diǎn)和培菜架節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制命令或數(shù)據(jù)采集命令。

房間節(jié)點(diǎn)監(jiān)控單元（包括整體監(jiān)控單元）的功能：1）房間節(jié)點(diǎn)監(jiān)控單元負(fù)責(zé)每個(gè)房間的空調(diào)控制、二氧化碳濃度采集和電源管理；2）整體監(jiān)控單元負(fù)責(zé)中央空調(diào)控制、二氧化碳發(fā)生器控制以及整個(gè)蔬菜工廠的電源管理。

培菜架節(jié)點(diǎn)監(jiān)控單元的功能：1）接收到主控機(jī)的數(shù)據(jù)采集命令后，采集本培菜架的溫度、濕度和圖像數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送給主控機(jī)；2）接收到主控機(jī)的控制命令后，控制本培菜架的LED燈的亮暗、營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)泵和電磁閥的開(kāi)關(guān)等。

圖1 蔬菜工廠監(jiān)控系統(tǒng)整體控制框架Fig.1 Control framework of the monitoring system of vegetable factory

蔬菜工廠監(jiān)控系統(tǒng)采用如圖2所示的人機(jī)交互界面，該交互界面采用網(wǎng)頁(yè)瀏覽器實(shí)現(xiàn)，用戶可以登錄該瀏覽器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)蔬菜的生長(zhǎng)環(huán)境及生長(zhǎng)狀況的實(shí)時(shí)監(jiān)控。

3 無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)模塊

蔬菜工廠監(jiān)控系統(tǒng)的無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)模塊如圖3所示，在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，配置了一個(gè)協(xié)調(diào)器，一個(gè)路由器和多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器通過(guò)RS232連接上位機(jī)，與其進(jìn)行通信，路由器用于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的路由轉(zhuǎn)發(fā)，終端節(jié)點(diǎn)用于各房間和培菜架的數(shù)據(jù)和命令的收發(fā)。

圖2 人機(jī)交互界面Fig.2 Human-computer interaction interface

圖3 無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)模塊Fig.3 Wireless transmission network module

3.1 CC2530單片機(jī)

CC2530單片機(jī)是一款完全兼容8051內(nèi)核，同時(shí)支持IEEE 802.15.4協(xié)議的無(wú)線射頻單片機(jī)，我們采用CC2530單片機(jī)來(lái)搭建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

3.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備分為3種：1）協(xié)調(diào)器，主要負(fù)責(zé)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的建立與維護(hù)；2）路由器，主要負(fù)責(zé)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的路由轉(zhuǎn)發(fā)；3）終端節(jié)點(diǎn)，主要負(fù)責(zé)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的采集。ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的三種設(shè)備類型是由ZigBee協(xié)議棧不同的編譯選項(xiàng)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(diào)器多了一個(gè)串口，用于和上位機(jī)之間的通信。

3.2.1 協(xié)調(diào)器

協(xié)調(diào)器流程圖如圖4所示，協(xié)調(diào)器上電后，會(huì)按照編譯時(shí)給定的參數(shù)，選擇合適的信道、合適的網(wǎng)絡(luò)號(hào)，建立ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。然后，等待路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后，上位機(jī)通過(guò)串口給協(xié)調(diào)器發(fā)送命令，協(xié)調(diào)器將接收到的命令發(fā)送給路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)后，等待和接收返回的數(shù)據(jù)，判斷返回?cái)?shù)據(jù)的類型并執(zhí)行相應(yīng)的操作，如果返回的是地址回復(fù)幀，則更新地址列表，如果返回的是確認(rèn)幀或采集到的數(shù)據(jù)，則將其通過(guò)串口發(fā)送給上位機(jī)。

3.2.2 路由器

在ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，路由器是非常重要的節(jié)點(diǎn)設(shè)備，它不僅完成路由的功能，更重要的是，它在數(shù)據(jù)的的傳輸過(guò)程中起了“接力棒”的作用，大大地拓展了數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x[6]。路由節(jié)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)線網(wǎng)絡(luò)，如果有則自動(dòng)加入，然后等待接收數(shù)據(jù)，接收到數(shù)據(jù)后對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。路由對(duì)于應(yīng)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(yīng)用程序只需將數(shù)據(jù)下發(fā)到協(xié)議棧中，協(xié)議棧會(huì)自己負(fù)責(zé)尋找路徑，通過(guò)多跳的方式將數(shù)據(jù)傳送到目的地址。

3.2.3 終端節(jié)點(diǎn)

終端節(jié)點(diǎn)流程圖如圖4所示。終端節(jié)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)線網(wǎng)絡(luò)，如果有則自動(dòng)加入，然后等待接收無(wú)線數(shù)據(jù)，解析接收到的無(wú)線數(shù)據(jù)后，向通過(guò)485總線連接的STC12LE5204AD單片機(jī)發(fā)送相應(yīng)的命令，等待接收單片機(jī)采集的數(shù)據(jù)，接收到數(shù)據(jù)后將其發(fā)送給其父節(jié)點(diǎn)。另外，在蔬菜工廠監(jiān)控系統(tǒng)中，利用每個(gè)培菜架節(jié)點(diǎn)的串口1連接的串口攝像頭來(lái)采集圖像數(shù)據(jù)，利用房間節(jié)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(shù)據(jù)經(jīng)協(xié)調(diào)器發(fā)送到上位機(jī)。

圖4 ZigBee設(shè)備流程圖Fig.4 Flow chart of the ZigBee device

3.2.4 節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收

在發(fā)送數(shù)據(jù)前需要按照通信協(xié)議中定義的數(shù)據(jù)幀格式來(lái)構(gòu)建數(shù)據(jù)幀，數(shù)據(jù)幀包括起始字節(jié)、幀控制、序列號(hào)、目的地址、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)載荷以及校驗(yàn)和等信息。數(shù)據(jù)幀采用如下的結(jié)構(gòu)體來(lái)定義：

typedef struct{

uint8 start；

uint8 reserved；

uint16 frameControl；

uint16 serialNumber；

uint16 dstAddr；

uint16 dataLen；

uint8 data[500]；

uint16 checkSum；

}DataFrame；

對(duì)于數(shù)據(jù)幀DataFrame，起始字節(jié)start定義為0x55，保留字節(jié)reserved暫定義為0x00，為以后擴(kuò)展所用，幀控制域frameControl用于表示數(shù)據(jù)包類型、幀類型以及幀屬性，序列號(hào)serialNumber從0x0001開(kāi)始，每發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包，序列號(hào)加1，目的地址dstSddr表示發(fā)送數(shù)據(jù)包的目的地址，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度dataLen表示整個(gè)數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度，包括數(shù)據(jù)域和其他域，數(shù)據(jù)域data[500]用于存放有效載荷數(shù)據(jù)，校驗(yàn)和checkSum是將數(shù)據(jù)包除了checkSum外所有字節(jié)的數(shù)據(jù)相加，然后對(duì)256×256取余，校驗(yàn)和用于遠(yuǎn)距離通信中保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與完整性。

當(dāng)需要進(jìn)行節(jié)點(diǎn)之間的數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，可以定義一個(gè)事件，在事件處理函數(shù)里實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)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(shù)中對(duì)該事件作出響應(yīng)，可以使用如下代碼實(shí)現(xiàn)：

if（events&SEND_DATA_EVENT）

{

//在此添加相應(yīng)的數(shù)據(jù)發(fā)送工作即可

return （events^SEND_DATA_EVENT）；

}

數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)，只需調(diào)用數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)AF_DataRequest（）即可，該函數(shù)會(huì)調(diào)用協(xié)議棧里與硬件相關(guān)的函數(shù)最終將數(shù)據(jù)通過(guò)天線發(fā)送出去，這里面涉及對(duì)射頻模塊的操作，比如打開(kāi)發(fā)射機(jī)、調(diào)整發(fā)射機(jī)的發(fā)送功率等，這些協(xié)議棧已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了，不需要自己去寫代碼實(shí)現(xiàn)，只需知道 AF_DataRequest（）函數(shù)的使用方法即可，發(fā)送數(shù)據(jù)可以使用如下的代碼實(shí)現(xiàn)（下面例子是以向協(xié)調(diào)器發(fā)送單播數(shù)據(jù)為例）：

afAddrType_t my_DstAAddr；

my_DstAddr.addrMode= （afAddrMode_t）Addr16Bit； //發(fā)送模式

my_DstAddr.endPoint=GENERICAPP_ENDPOINT； //目的端口號(hào)

my_DstAddr.addr.shortAddr=0x0000； //目的節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址

AF_DataRequest（ &my_DstAddr， &GenericApp_epDesc，

GENERICAPP_CLUSTERID，//簇號(hào)

11， //發(fā)送數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度

（uint8*）buf， //發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖區(qū)

&GenericApp_TransID， //發(fā)送序列號(hào)

AF_DISCV_ROUTE，

AF_DEFAULT_RADIUS）；

當(dāng)接收到數(shù)據(jù)后，操作系統(tǒng)會(huì)將該數(shù)據(jù)封裝成一個(gè)消息，然后放入消息隊(duì)列中，每個(gè)消息都有自己的消息ID，標(biāo)識(shí)接收到新數(shù)據(jù)的消息的ID是AF_INCOMING_MSG_CMD，在ZigBee協(xié)議棧中AF_INCOMING_MSG_CMD宏的定義如下：

#define AF_INCOMING_MSG_CMD 0x1A

在路由器代碼中有如下代碼段：

MSGpkt= （afIncomingMSGPacket_t*）osal_msg_receive（GenericApp_TaskID）；

while（MSGpkt）

{

switch（MSGpkt->hdr.event）

{

case AF_INCOMING_MSG_CMD:

GenericApp_MessageMSGCB（ MSGpkt）；

break；

……

當(dāng)路由器接收到協(xié)調(diào)器或終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)后，首先使用osal_msg_receive函數(shù)從消息隊(duì)列中接收一個(gè)消息，然后使用switch-case語(yǔ)句對(duì)消息類型進(jìn)行判斷 （判斷消息ID），如果消息ID是AF_INCOMING_MSG_CMD，調(diào)用處理函數(shù) GenericApp_MessageMSGCB（），在該函數(shù)中，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

4 STC12LE5204AD單片機(jī)控制和數(shù)據(jù)采集模塊

在蔬菜工廠監(jiān)控系統(tǒng)中，采用STC12LE5204AD單片機(jī)作為控制和數(shù)據(jù)采集模塊。單片機(jī)控制和數(shù)據(jù)采集模塊為一485主從機(jī)模型，主機(jī)為培菜架上的ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的終端節(jié)點(diǎn)，從機(jī)為STC12LE5204AD單片機(jī)，主機(jī)會(huì)依次給STC12LE5204AD單片機(jī)發(fā)送控制命令或數(shù)據(jù)采集命令，STC12LE5204AD單片機(jī)接收到命令后執(zhí)行相應(yīng)操作并返回?cái)?shù)據(jù)給主機(jī)。在培菜架的每層配置一個(gè)STC12LE5204AD單片機(jī)，負(fù)責(zé)該層的數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行控制命令。

4.1 STC12LE5204AD單片機(jī)

STC12LE5204AD單片機(jī)采用增強(qiáng)型8051CPU，片上集成4K字節(jié)用戶應(yīng)用程序空間和256字節(jié)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(zhuǎn)換、通用全雙工異步串行口等。

4.2 STC12LE5204AD單片機(jī)模塊

在蔬菜工廠監(jiān)控系統(tǒng)中，利用STC12LE5204AD單片機(jī)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(yǎng)液循環(huán)泵的開(kāi)關(guān)，來(lái)控制營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)。通過(guò)P1_2口控制電磁閥的開(kāi)關(guān)，來(lái)控制排水系統(tǒng)。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(yàn)結(jié)果

將協(xié)調(diào)器、路由器、終端節(jié)點(diǎn)和培菜架依次上電，上位機(jī)通過(guò)串口調(diào)試軟件向協(xié)調(diào)器發(fā)送控制LED燈命令，可以觀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(jī)收到一個(gè)確認(rèn)幀 “55 00 09 00 01 00 01 04 0C 00 70 00”。上位機(jī)通過(guò)串口調(diào)試軟件向協(xié)調(diào)器發(fā)送采集溫濕度命令，會(huì)收到采集到的溫濕度數(shù)據(jù) “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(hào)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(diào)試軟件定時(shí)每500ms發(fā)送一次采集溫濕度命令，可以觀察到數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，而且采集到的數(shù)據(jù)值準(zhǔn)確。此外上位機(jī)還能發(fā)送相應(yīng)命令來(lái)采集二氧化碳濃度、圖片數(shù)據(jù)和控制二氧化碳發(fā)生器、營(yíng)養(yǎng)液循環(huán)泵和電磁閥的開(kāi)關(guān)。

6 結(jié)束語(yǔ)

蔬菜工廠監(jiān)控系統(tǒng)基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，以CC2530單片機(jī)和STC12LE5204AD單片機(jī)為硬件平臺(tái)，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(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)具有良好的可靠性和穩(wěn)定性，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)蔬菜生長(zhǎng)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)控，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)要求。

[1]包長(zhǎng)春，石瑞珍，馬玉泉，等.基于ZigBee技術(shù)的農(nóng)業(yè)設(shè)施測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2007，23（8）:160-164.BAO Chang-chun，SHI Rui-zhen，MA Yu-quan，et al.Design and realization of measuring and controlling system based on Zigbee technology in agriculture facilities[J].Transaction of the CSAE，2007，23（8）:160-164.

[2]周怡，凌志浩，吳勤勤.ZigBee無(wú)線通信技術(shù)及其應(yīng)用探討[J].自動(dòng)化儀表，2005，26（6）:5-9.ZHOU Yi，LING Zhi-hao，WU Qin-qin.ZigBee wireless communication technology and investigation on its application[J].Process Automation Instrumentation，2005，26（6）:5-9.

[3]王風(fēng).基于CC2530的ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安:西安電子科技大學(xué)，2012.

[4]王小強(qiáng)，歐陽(yáng)駿，黃寧淋，編著.ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[5]蔡利婷，陳平華，羅彬，等.基于CC2530的ZigBee數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2012，22（11）:197-200.CAI Li-ting，CHEN Ping-hua，LUO Bin，et al.Design of data acquisition system for ZigBee based on chip CC2530[J].Computer Technology and Development，2012，22（11）:197-200.

[6]高守瑋，吳燦陽(yáng)，主編.ZigBee技術(shù)實(shí)踐教程[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2009.