李曉娟,徐君鵬,秦國慶

（河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003）

基于ZigBee的溫室監(jiān)測系統(tǒng)協(xié)調(diào)器節(jié)點設(shè)計

李曉娟,徐君鵬,秦國慶

（河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003）

基于ZigBee協(xié)議設(shè)計了用于溫室環(huán)境監(jiān)測的無線協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點.節(jié)點硬件部分采用無線微控制器JN5139作為核心模塊,加入存儲電路、時鐘電路、LCD液晶顯示電路、按鍵和語音電路；軟件采用C語言編寫.在實驗室搭建模擬運行環(huán)境,結(jié)果表明：系統(tǒng)可以實時、準(zhǔn)確、可靠地完成溫室環(huán)境因子監(jiān)測.

ZigBee；協(xié)調(diào)器節(jié)點；JN5139；監(jiān)測

智能溫室可以為農(nóng)作物提供適宜的生長環(huán)境,對溫室環(huán)境參數(shù)監(jiān)測的實時性、準(zhǔn)確性是衡量溫室智能化高低的重要參數(shù)[1-2].在溫室監(jiān)測系統(tǒng)中,協(xié)調(diào)器節(jié)點設(shè)計是關(guān)鍵一環(huán),協(xié)調(diào)器節(jié)點不但是單個溫室環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的中心,而且是單個溫室與主干網(wǎng)絡(luò)的交互中心,負(fù)責(zé)組建整個溫室監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)并通過串口將信息傳遞到監(jiān)控室.本文基于ZigBee協(xié)議設(shè)計了一種用于溫室環(huán)境監(jiān)測的無線協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點.

1 協(xié)調(diào)器節(jié)點硬件設(shè)計

協(xié)調(diào)器節(jié)點采用英國Jennic公司的無線微控制器JN5139[3]作為硬件核心模塊,同時加入存儲電路、時鐘電路、語音電路、按鍵和LCD液晶顯示電路,其結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 協(xié)調(diào)器節(jié)點結(jié)構(gòu)Fig.1 Block diagram of coordinator node

1.1 控制器選擇

系統(tǒng)構(gòu)建的基于ZigBee協(xié)議的溫室監(jiān)測系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器節(jié)點,選用英國Jennic公司的集CPU內(nèi)核、標(biāo)準(zhǔn)的I/O外圍單元及RF模塊為一體的無線微控制器JN5139,它有3種靈活工作模式（有效處理模式、睡眠模式和深度睡眠模式）和4個模塊供電域,在應(yīng)用時根據(jù)實際情況選取合適的工作模式和控制具體的模塊供電域,在降低功耗的同時延長電池的使用壽命.另外在它內(nèi)部集成32-bit RISC CPU、1.4 GHz IEEE801.15.4全兼容的無線收發(fā)器、192 KB ROM、96 KB RAM及豐富的模擬數(shù)字外圍.

1.2 存儲電路設(shè)計

為了使溫室監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)更加靈活,即不僅能監(jiān)測溫室環(huán)境參數(shù),還能根據(jù)需要調(diào)出溫室內(nèi)任一節(jié)點的監(jiān)測數(shù)據(jù)及工作狀態(tài),在協(xié)調(diào)器點上加入了存儲電路,以便存入各個節(jié)點的MAC地址或網(wǎng)絡(luò)地址等信息.結(jié)合低功耗、與微處理器接口簡單、存儲空間需要、小體積等因素,系統(tǒng)選用ATMEL公司的AT24C64N-10SC-1.7[4].其接口電路如圖2所示.

圖2 AT24C64接口電路Fig.2 The interface circuit of AT24C64

圖2中,把A0、A1、A2接地,表明協(xié)調(diào)器只擴(kuò)展一個同類型的存儲器,WP腳為硬件寫保護(hù)腳,當(dāng)其接高電平時,64 Kbit的前16 Kbit禁止寫操作,從而可以避免一些誤操作,當(dāng)接低電平時,沒有寫保護(hù)功能,當(dāng)懸空時,內(nèi)部默認(rèn)下拉到地.

1.3 時鐘電路設(shè)計

在溫室監(jiān)測系統(tǒng)中,基于時間的溫室環(huán)境因子數(shù)據(jù)報表有利于查找作物的生長規(guī)律,并且利用實時時鐘可以記錄一些故障發(fā)生的時間及無線節(jié)點的失效時間,這對整個溫室環(huán)境因子的準(zhǔn)確監(jiān)測都是不可缺少的,因此協(xié)調(diào)器節(jié)點引入實時時鐘.結(jié)合低供電電壓、低功耗、小體積、接口簡單等因素,選用Philips Semiconductors的基于IIC總線的日歷時鐘芯片PCF8563[5].其接口電路如圖3所示.

圖3 PCF8563接口電路Fig.3 The interface circuit of PCF8563

圖3中,中斷輸出通過DIO11接至JN5139,當(dāng)中斷事件發(fā)生時,JN5139微控制器進(jìn)行相應(yīng)的處理；由于集電極開漏,所以加入10 kΩ的上拉電阻；R16、R17為0 Ω電阻,主要用于調(diào)試方便及測試系統(tǒng)功耗.在電源設(shè)計中,當(dāng)主電源正常時,主電源供電,否則后備鈕扣電池供電以便保存數(shù)據(jù)和維持時鐘的照常走動.

1.4 LCD顯示電路設(shè)計

采用LCD顯示技術(shù)把溫室里的主要監(jiān)測環(huán)境因子顯示出來,可以供用戶實時查詢,并通過按鍵去采取必要措施,從而達(dá)到良好的人機(jī)互動.結(jié)合體積及功耗,監(jiān)測系統(tǒng)中采用V12864-0[6],其為一塊128*64點陣的LCD顯示面板（玻璃）,采用COG技術(shù)將控制（包括顯存）、驅(qū)動器集成在LCM的玻璃上,接口簡單,操作方便,各種MCU均可對其進(jìn)行方便簡單的接口操作.內(nèi)核驅(qū)動控制芯片為EPSON SED1565.其與JN5139無線微控制器的接口電路圖如圖4所示.

圖4 V12864-0接口電路Fig.4 The interface circuit of V12864-0

由圖4可以看出,使用DIO0-DIO7作LCD并行數(shù)據(jù)口,而DIO8、DIO9作控制口,可以根據(jù)光照傳感器的輸出值來判定周圍光照度,從而向V12864-0發(fā)送不同的背光設(shè)置命令以節(jié)省功耗,并且還可以通過控制命令使V12864-0進(jìn)入節(jié)電模式.

1.5 按鍵電路設(shè)計

用戶需要通過按鍵來查詢整個監(jiān)測系統(tǒng)的工作狀態(tài),或通過按鍵輸入節(jié)點的地址,來查詢節(jié)點的相關(guān)信息以及設(shè)置一些必要的系統(tǒng)參數(shù)等.因此按鍵電路的設(shè)計也是必要一環(huán).由于JN5139無線微控制器僅有21個GPIO,為了充分利用JN5139的現(xiàn)有資源,系統(tǒng)的鍵盤設(shè)計采用ADC2及ADC3接口來實現(xiàn).其按鍵接口原理如圖5所示.

圖5 按鍵接口原理Fig.5 The interface circuit of key

1.6 語音電路設(shè)計

用戶常和協(xié)調(diào)器節(jié)點交互,為使協(xié)調(diào)器節(jié)點更加人性化,除了鍵盤、LCD顯示外,引入語音電路,從而可以以聲音的形式來播報溫室環(huán)境因子參數(shù)及報警指示.考慮到系統(tǒng)中實際語音播報時間及性價比,這里選用美國信息存儲器件公司的ISD系列語音芯片ISD4002-120EI[7],它能錄放達(dá)120 s,操作命令可通過串行通信接口（SPI）送入.為了能夠驅(qū)動8 Ω揚聲器工作,本協(xié)調(diào)器選用Freescale Semiconductor公司的MC34119低功耗音頻功率放大器對語音芯片輸出的音頻信號進(jìn)一步放大.

由ISD4002-120EI和MC34119組成的語音電路如圖6所示.

圖6 ISD4002-120EI和MC34119組成的語音電路Fig.6 Sound circuit comprise of ISD4002-120EI and MC34119

在圖6中,為了使語音電路與高頻電路不互相干擾,把模擬電源與數(shù)字電源、模擬地與數(shù)字地利用磁珠進(jìn)行隔離.為節(jié)省功耗,系統(tǒng)在不播放語音時,通過JN5139的IO腳來控制S9011的導(dǎo)通與截止,進(jìn)而控制MC34119在工作與靜音模式的切換.

2 協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件設(shè)計

本系統(tǒng)采用C語言在Jennic CodeBlocks環(huán)境下進(jìn)行編譯和調(diào)試.

協(xié)調(diào)器在網(wǎng)絡(luò)層主要是選擇網(wǎng)絡(luò)所使用的頻率通道,啟動網(wǎng)絡(luò)并將其他節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò),提供安全管理和其他服務(wù).協(xié)調(diào)器成功建立網(wǎng)絡(luò),路由器節(jié)點和傳感器節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò),并且路由器節(jié)點和傳感器節(jié)點發(fā)送自己的MAC地址給協(xié)調(diào)器,協(xié)調(diào)器通過查找存儲器AT24C64中存儲的節(jié)點編號地址對應(yīng)表,來完成路由節(jié)點和傳感器節(jié)點的注冊,并把節(jié)點編號、MAC地址、網(wǎng)絡(luò)地址對應(yīng)起來,重新存入AT24C64.

初始化完成后,應(yīng)用程序把控制權(quán)交給BOS/ZigBee協(xié)議棧,通過設(shè)定定時器的值來定時讀取相關(guān)數(shù)值,并作出相應(yīng)處理.監(jiān)控中心通過UART0發(fā)出命令和數(shù)據(jù),協(xié)議棧根據(jù)命令采取相應(yīng)措施.傳感器節(jié)點及路由節(jié)點通過MSG事務(wù)事件發(fā)送溫室環(huán)境因子監(jiān)測數(shù)據(jù),協(xié)議棧處理后送LCD顯示或通過RS485總線傳輸?shù)奖O(jiān)控中心.其協(xié)調(diào)器功能流程圖如圖7所示.

圖7 協(xié)調(diào)器功能流程Fig.7 The functional flow chart of coordinator

3 系統(tǒng)測試

3.1 實驗環(huán)境

本測試階段在實驗室內(nèi)完成,在模擬過程中采用5個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò),其中2個傳感器節(jié)點,2個路由節(jié)點,1個協(xié)調(diào)器節(jié)點.在實驗過程中,傳感器節(jié)點、路由節(jié)點采集數(shù)據(jù),并且路由節(jié)點負(fù)責(zé)把傳感器節(jié)點采集數(shù)據(jù)傳到協(xié)調(diào)器,最終協(xié)調(diào)器節(jié)點通過串口中斷事件把數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)的超級終端進(jìn)行顯示,以便進(jìn)行初步的實驗結(jié)果驗證.實驗環(huán)境如圖8所示.

圖8 實驗環(huán)境Fig.8 Experiment environment

3.2 網(wǎng)絡(luò)管理功能測試

網(wǎng)絡(luò)管理功能主要包括：協(xié)調(diào)器啟動,傳感器節(jié)點和路由節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò),并完成相應(yīng)注冊；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點損壞時及時報警.其中協(xié)調(diào)器啟動網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)組網(wǎng)圖如9所示.

圖9 系統(tǒng)組網(wǎng)圖Fig.9 System network diagram

從圖9可以看出,協(xié)調(diào)器能夠啟動并成功建立網(wǎng)絡(luò),同時完成路由器節(jié)點和傳感器節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)加入.

3.3 數(shù)據(jù)采集測試

系統(tǒng)成功組網(wǎng)后,通過測試程序來檢測各部分功能.在測試程序中,采用隨機(jī)函數(shù)法來模擬采集溫室數(shù)據(jù),其中斷數(shù)據(jù)傳輸如圖10所示.

圖10 中斷模式下的數(shù)據(jù)采集Fig.10 Data acquisition in interruptive mode

從圖10可以看出,協(xié)調(diào)器節(jié)點采集的溫室數(shù)據(jù)主要包括溫度、濕度、光照度,當(dāng)數(shù)據(jù)超限時,能采取中斷方式立即上報協(xié)調(diào)器,并發(fā)出聲光報警,使用戶可以及時采取相應(yīng)措施,從而提高溫室環(huán)境監(jiān)測的實時性、準(zhǔn)確性.

4 小結(jié)

本文基于ZigBee協(xié)議設(shè)計了一種用于溫室環(huán)境監(jiān)測的無線協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點.完成了硬件電路設(shè)計和程序編寫,實驗表明,該系統(tǒng)采用中斷方式極大地提高了溫室環(huán)境的實時監(jiān)測能力,通過上位機(jī)界面用戶可以方便地監(jiān)測溫室環(huán)境參數(shù),為農(nóng)業(yè)信息化提供依據(jù),應(yīng)用前景廣闊.

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（責(zé)任編輯：盧奇）

Design of coordinator node of greenhouse environmental monitoring system based on ZigBee technology

LI Xiaojuan,XU Junpeng,QIN Guoqing
（Henan Institute of Science and Technology,Xinxiang 453003,China）

A wireless coordinator network node for greenhouse environmental monitoring based on ZigBee technology was designed in this paper.The hardware part adopts the wireless microcontroller JN5139 as the core module,and the storage circuit,the clock circuit,the LCD liquid crystal display circuit,the button and the voice circuit was joined at the same time；the software adopts C language.Finally,building a simulation environment in laboratory, the experimental results showed that greenhouse environmental factors could be real-timely,accurately and reliably monitored though the system.

ZigBee；coordinator node；JN5139；monitoring

TP274

A

1008-7516（2016）04-0067-07

10.3969/j.issn.1008-7516.2016.04.014

2016-04-10

河南科技學(xué)院2016年大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目（2016CX025）

李曉娟（1986―）,女,河南汝州人,碩士,助教.主要從事模式識別與智能控制研究.