魏興 祝詩平 黃華 賀園園

摘要：我國重慶地區(qū)煙草育苗大棚多建在偏遠山區(qū)農(nóng)村，坐落在同一地點的多個大棚相對集中形成大棚群。為了對大棚群里每一個大棚的棚內(nèi)空氣溫濕度、照度、棚外溫度、基質(zhì)溫度以及水池溫度等環(huán)境參數(shù)實現(xiàn)實時監(jiān)測，設(shè)計一套基于ZigBee的煙草育苗大棚群環(huán)境參數(shù)無線監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)以單片機為主控制器完成信息的采集、處理和GPRS遠程無線傳輸，在KELL C51和IAR Embeded Workbench for MCS-51 7.51 A上編寫ZigBee無線自組網(wǎng)、信息數(shù)據(jù)的采集與處理、TCP網(wǎng)絡(luò)通信的C程序，并在LabVIEW 2010環(huán)境下編寫系統(tǒng)上位機人機界面。系統(tǒng)可實現(xiàn)對煙草育苗大棚環(huán)境參數(shù)的采集、處理和無線傳輸，同時系統(tǒng)的上位機人機界面上可顯示、存儲數(shù)據(jù)并發(fā)布數(shù)據(jù)到Internet網(wǎng)絡(luò)上。

關(guān)鍵詞：ZigBee；GPRS；煙草育苗；大棚群；環(huán)境參數(shù)；無線監(jiān)測；LabVIEW；數(shù)據(jù)庫

中圖分類號： TP212.6；S126文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）02-0414-04

收稿日期：2015-01-12

基金項目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項（編號：XDJK2013C107）。

作者簡介：魏興（1989—），男，四川營山人，碩士研究生，主要從事智能檢測與控制研究。E-mail：429249022@qq.com。

通信作者：祝詩平（1969—），男，四川巴中人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事智能檢測與控制研究。E-mail：zspswu@126.com。煙草育苗是煙草栽培過程中一個非常重要的環(huán)節(jié)，培育出健壯、無病、適期、適齡、形體大小適宜的煙苗，在整個煙草種植過程中起很關(guān)鍵的作用[1]。例如，育苗播種后，溫室內(nèi)的溫度須保持在25 ℃左右，濕度應(yīng)保持在50%，這樣的環(huán)境最適宜煙苗發(fā)育生長。因此，在煙苗生長過程中的管理至關(guān)重要，對育苗環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測成了育苗過程中一項必不可少的工作。

隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的日益發(fā)展，近距離局域無線通信技術(shù)日趨成熟。ZigBee技術(shù)作為一種近距離、自組網(wǎng)、低復(fù)雜度、低功耗、低成本的雙向無線通信技術(shù)，多用在區(qū)域內(nèi)實現(xiàn)多點的信息采集[2-3]。ZigBee也通常與GPRS相結(jié)合，從而實現(xiàn)信息的多點采集與遠程無線傳輸，是采集點較集中而監(jiān)測中心很遠的情況下的最佳應(yīng)用組合[4]。

我國重慶地區(qū)的煙草種植基地分散在各縣（市、區(qū)）山村，某一村戶建造管理多個煙草育苗大棚，這些數(shù)量不多且相對集中在同一地點的大棚形成了大棚群。對育苗大棚環(huán)境參數(shù)的測量采用傳統(tǒng)溫度計人工測量方式，費勞費時；后來也有采用基于GPRS技術(shù)進行遠程無線監(jiān)測，但是為了布線方便和節(jié)約成本，針對大棚群的多個大棚，往往只選其中1個大棚進行無線監(jiān)測，以此代表整個大棚群的情況。針對這一情況，本研究將ZigBee與GPRS網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點對所有煙草育苗大棚的環(huán)境參數(shù)進行采集，GPRS將ZigBee網(wǎng)絡(luò)采集的環(huán)境參數(shù)遠程發(fā)送至監(jiān)測中心，從而實現(xiàn)對整個煙草育苗大棚群里所有大棚的環(huán)境參數(shù)進行遠程無線監(jiān)測。

1基于ZigBee的煙草育苗大棚群環(huán)境參數(shù)無線監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計結(jié)構(gòu)為了讓系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對煙草育苗大棚群環(huán)境參數(shù)的遠程無線監(jiān)測，監(jiān)測育苗大棚群里每一個育苗大棚的棚內(nèi)空氣溫濕度、照度、棚外溫度、基質(zhì)溫度以及水池溫度等環(huán)境參數(shù)，能夠給煙草育苗獲得更實時、準確的管理依據(jù)，給煙苗創(chuàng)造一個更適合茁壯成長的環(huán)境，對監(jiān)測系統(tǒng)實行模塊化方案設(shè)計，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該監(jiān)測系統(tǒng)主要由協(xié)調(diào)器主節(jié)點、信息采集終端子節(jié)點和上位機監(jiān)測中心三大模塊組成。信息采集終端子節(jié)點通過區(qū)域內(nèi)的無線網(wǎng)絡(luò)將采集到的信息數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)主節(jié)點，再由GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送至Internet網(wǎng)絡(luò)，從而與上位機監(jiān)測中心實現(xiàn)通信。

2基于ZigBee的煙草育苗大棚群環(huán)境參數(shù)無線監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計在基于ZigBee的煙草育苗大棚群環(huán)境參數(shù)無線監(jiān)測系統(tǒng)的硬件部分上，采用模塊化設(shè)計思想，須要對協(xié)調(diào)器主節(jié)點和信息采集的終端子節(jié)點進行設(shè)計。

為了保證各模塊能長時間穩(wěn)定工作，各模塊均采用易普EP-2不間斷電源供電。EP-2內(nèi)置大容量高品質(zhì)鋰離子電池可邊充電邊用，連續(xù)循環(huán)壽命達1 000次以上。精選進口電芯及IC，具備過充、過放、過流、短路及溫度保護，恒定電壓輸出，電流自適應(yīng)，高達數(shù)十萬小時無故障時間，確保安全穩(wěn)定。使用該電源后，即使在長時間停電的情況下，也不會影響模塊的正常工作。

2.1協(xié)調(diào)器主節(jié)點硬件模塊化設(shè)計

主控單元單片機（MCU）、ZigBee模塊、GPRS模塊三部分共同組成監(jiān)測系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器主節(jié)點。在主節(jié)點模塊，協(xié)調(diào)器MCU匯聚來自無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各子節(jié)點采集到的信息數(shù)據(jù)，主控單元使用串行外設(shè)接口與協(xié)調(diào)器模塊相互連接，將信息數(shù)據(jù)經(jīng)GPRS遠程數(shù)據(jù)發(fā)送模塊發(fā)送至監(jiān)測中心。協(xié)調(diào)器主節(jié)點的硬件系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

主控單元MCU選用STC12C5A60S2單片機，該單片機為單時鐘雙串口，工作電壓為3.3～5.5 V，以防電源抖動，含有60 kB可反復(fù)擦寫10萬次以上的Flash程序存儲器、1 280 B片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器，其指令代碼與傳統(tǒng)的8051完全兼容，運行速度快，比普通的8051快8～12倍，而且具有能耗小、抗擾性能好的優(yōu)點。因此，根據(jù)模塊硬件設(shè)計要求，采用這款性能比較好的單片機作為主控單元的MCU。

協(xié)調(diào)器主節(jié)點與終端子節(jié)點的無線通信采用TI公司的CC2530無線單片機。CC2530含有8051MCU內(nèi)核，擁有高速SPI串行通信端口，滿足國際IEEE802.15.4協(xié)議和Z-Stack協(xié)議棧，適應(yīng)2.4-GHz IEEE 802.15.4 的RF 收發(fā)器[5]。此外，CC2530還具有不同的運行模式，各運行模式之間轉(zhuǎn)換時間短，使得其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)低功耗無線通信，是一款真正的片上系統(tǒng)芯片（SOC）[6]。

主節(jié)點的GPRS模塊采用SIM900a數(shù)據(jù)傳輸模塊，內(nèi)置完善的TCP/IP協(xié)議簇，通過串口通信與主控單元MCU進行通信[7]。模塊能夠?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)自動處理成IP數(shù)據(jù)包，通過GPRS空中接口接入到GPRS網(wǎng)絡(luò)，最后經(jīng)網(wǎng)關(guān)、路由和Internet網(wǎng)絡(luò)到達上位機監(jiān)測中心，實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程無線傳輸[8]。

2.2終端子節(jié)點模塊設(shè)計

無線監(jiān)測系統(tǒng)終端子節(jié)點模塊由單片機系統(tǒng)、棚內(nèi)空氣溫濕度檢測、棚內(nèi)照度檢測、棚外溫度檢測、大棚基質(zhì)溫度檢測以及大棚水池溫度檢測傳感器組成，硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

CC2530模塊實現(xiàn)局域內(nèi)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)自行組建，并實時采集獲取傳感器的信息數(shù)據(jù)，將有效的數(shù)據(jù)經(jīng)ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送回協(xié)調(diào)器再進行后續(xù)處理。

大棚內(nèi)空氣溫濕度檢測采用數(shù)字型傳感器DHT21，單線制串行接口，功耗非常小、響應(yīng)迅速、抗擾性強，傳輸信號距離超過20 m，在90%～100%RH的高濕度環(huán)境中仍然能夠長期確保準確輸出，對于濕度比較高的環(huán)境非常適用。

棚內(nèi)光照檢測選用數(shù)字傳感器GY-30光照模塊，其BH1750FVI芯片內(nèi)置16 bit AD轉(zhuǎn)換器，數(shù)字信號輸出，檢測照度范圍為0～65 535 lx，模塊內(nèi)部包含通信電平轉(zhuǎn)換標準IIC通信協(xié)議，采集到的信息數(shù)據(jù)由CC2530單片機通過IIC總線定時處理。

棚外溫度檢測、大棚基質(zhì)溫度檢測以及大棚水池溫度檢測均采用防水型DS18b20數(shù)字溫度傳感器探頭。數(shù)字溫度傳感器的測量分辨率可通過程序來進行9～12位的設(shè)置，測量的溫度低至-55 ℃左右，高達125 ℃左右，在-10～85 ℃的溫度范圍之內(nèi)測量精度的范圍為±0.5 ℃。傳感器采用單總線接口，與MCU通信只需要1條口線，其探頭的密封使用導(dǎo)熱性能好的膠體，以確保溫度延遲小、靈敏度高、抗擾性能好，對處于較差場合下進行檢測的系統(tǒng)非常適用。

3基于ZigBee的煙草育苗大棚群環(huán)境參數(shù)無線監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計3.1下位機軟件設(shè)計

系統(tǒng)下位機軟件設(shè)計主要包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸兩大部分，以實現(xiàn)ZigBee在區(qū)域內(nèi)自動組網(wǎng)和信息數(shù)據(jù)的無線傳輸。

3.1.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是基于IEEE802.15.4標準與ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議而設(shè)計的無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)[9]。嵌入由IAR Embedded Workbench for MCS.51開發(fā)的Z-Stack協(xié)議棧，能夠?qū)崿F(xiàn)ZigBee的自動組網(wǎng)。

在ZigBee數(shù)據(jù)采集子節(jié)點中，單片機先初始化協(xié)議棧和各傳感器模塊后，再發(fā)出申請加入ZigBee協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)的加入信號，成功加入?yún)^(qū)域內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)后再啟用協(xié)議棧，讀取各個傳感器相應(yīng)的信息數(shù)據(jù)并將信息數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器。無線數(shù)據(jù)采集終端子節(jié)點的主程序流程如圖4所示。

在ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的各個節(jié)點中，協(xié)調(diào)器主節(jié)點中的協(xié)調(diào)器處于最上端的核心位置，負責整個網(wǎng)絡(luò)的組建以及協(xié)調(diào)調(diào)度各個子節(jié)點，其主程序先要對內(nèi)外部設(shè)備進行初始化后，再進行程序的循環(huán)等待終端子節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，然后再處理接收到的信息數(shù)據(jù)。協(xié)調(diào)器主程序流程如圖5所示。

3.1.2GPRS無線傳輸軟件設(shè)計協(xié)調(diào)器主節(jié)點中的主控單元與SIM900a無線數(shù)據(jù)傳輸模塊相互連接和通信是使用串口來實現(xiàn)的。SIM900a無線數(shù)傳模塊內(nèi)置TCP/IP協(xié)議簇，鑒于系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集地點與監(jiān)測中心無線數(shù)傳的實時性和可靠性要求都非常高，雙方要保持隨時連接，所以選用面向連接的TCP傳輸控制協(xié)議作為GPRS的傳輸協(xié)議，以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽亢蜏蚀_[10]。

主控制器單片機通過AT指令驅(qū)動SIM900a模塊登陸上網(wǎng)、建立TCP連接來進行數(shù)據(jù)的遠程無線傳輸。數(shù)據(jù)遠程無線傳輸主程序流程如圖6所示，需要調(diào)用的一些主要函數(shù)如下：

Send_AT_Command（uchar type， uchar *str_at， uchar *str_code）； //寫模塊AT指令

Init_SIM900a（char *ptr1_at，char *ptr1_code） ； //SIM900a模塊初始化

GPRS_Set（char *ptr1_at，char *ptr1_code，char *ptr_tel）； //建立TCP連接，域名方式

GPRS_Data_Trans （uchar *data_str）； //檢驗GPRS網(wǎng)絡(luò)連接并進行數(shù)據(jù)傳輸

GPRS_Send（char *ptr1_at，char *ptr1_code）； // TCP數(shù)據(jù)發(fā)送

strsearch（uchar *ptr2，uchar *ptr1）； //處理字符串，驗證應(yīng)答

3.2上位機監(jiān)測中心軟件設(shè)計

為了能方便、直觀、快捷地了解育苗大棚的實時狀態(tài)，在LabVIEW 2010環(huán)境下編寫1個可視化監(jiān)測平臺來處理下位機系統(tǒng)發(fā)送回來的數(shù)據(jù)，包括實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時顯示、存儲和Internet網(wǎng)絡(luò)發(fā)布，以便于管理人員隨時分析決策[11]。

在接收數(shù)據(jù)過程中，服務(wù)器端調(diào)用TCP偵聽函數(shù)對特定的端口進行偵聽，讀取終端發(fā)送回的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)顯示在界面

上并存入數(shù)據(jù)庫。開啟LabVIEW集成開發(fā)環(huán)境中的LabVIEW Web Server服務(wù)器，配置好需要遠程發(fā)布VI的Internet配置，打開VI前面板窗口，使用LabVIEW 自帶的“Web Publishing Tool”就可將配置好的的VI發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)上去[12]。這樣，無論電腦下有沒有安裝LabWIEW，只須在Web瀏覽器地址按規(guī)定格式輸入URL，就可訪問到在服務(wù)器上運行的VI了[13]。上位機軟件流程如圖7所示。

4基于ZigBee煙草育苗大棚群環(huán)境參數(shù)無線監(jiān)測系統(tǒng)的測試在大棚群現(xiàn)場的4個大棚里各部署1個信息采集終端子節(jié)點，協(xié)調(diào)器主節(jié)點放置在大棚管理室內(nèi)，并設(shè)定各終端子節(jié)點每5 min采集發(fā)送1次數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)進行為期1周的測試，結(jié)果如下：

（1）監(jiān)測中心能夠監(jiān)測到大棚群環(huán)境參數(shù)情況，并存儲歷史數(shù)據(jù)，上位機無線監(jiān)測中心數(shù)據(jù)顯示如圖8所示，節(jié)點數(shù)據(jù)存儲如圖9所示。

（2）在7 d的測試中，系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)丟包率平均為0.53%，說明系統(tǒng)傳輸部分運行正常。網(wǎng)絡(luò)丟包率數(shù)據(jù)統(tǒng)計如表1所示。

測試結(jié)果表明，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，能夠?qū)⒉杉降沫h(huán)境信息實時快速地傳回至監(jiān)測中心，達到預(yù)期的效果。

5結(jié)束語

煙草育苗是烤煙生產(chǎn)的一個非常重要的階段，煙苗生長的好壞直接關(guān)系到煙農(nóng)當年的經(jīng)濟收入水平的高低。對于煙草育苗階段煙苗生長環(huán)境的監(jiān)測與日常管理顯得特別重要。因此，本研究開發(fā)一套基于ZigBee技術(shù)與GPRS技術(shù)相結(jié)合的煙草育苗大棚群環(huán)境參數(shù)遠程無線監(jiān)測系統(tǒng)，對大棚群里每一個大棚的棚內(nèi)空氣溫濕度、照度、棚外溫度、基質(zhì)溫度以及水池溫度等環(huán)境參數(shù)實現(xiàn)實時監(jiān)測。該系統(tǒng)利用ZigBee無線自組網(wǎng)模塊進行自組網(wǎng)，實現(xiàn)局域內(nèi)信息實時采集，并利

用GPRS模塊通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與服務(wù)器建立可靠穩(wěn)定的連接，將各個育苗棚的環(huán)境信息實時快速地傳至監(jiān)測中心。對于環(huán)境參數(shù)信息的監(jiān)測，在采集點相對集中而監(jiān)測中心較遠的情況下均可運用該系統(tǒng)。

參考文獻：

[1]丁萬紅，唐勇，張瑜琨，等. 煙草育苗技術(shù)[J]. 農(nóng)村科技，2014（5）：51-52.

[2]夏伯鍇，楊曉紅. 基于ZigBee技術(shù)的短距離無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)[J]. 硅谷，2012（17）：31，11.

[3]梁萬杰，曹靜，凡燕，等. 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的豬舍環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)學(xué)報，2013，29（6）：1415-1420.

[4]徐亞峰，劉煥強，顧曉峰，等. 基于ZigBee和GPRS的遠程水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2013，41（3）：328-331.

[5]蔣挺，趙成林. 紫蜂技術(shù)及其應(yīng)用[M]. 北京：北京郵電大學(xué)出版社，2006.

[6]湯朝明. 低功耗煤礦無線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 礦業(yè)安全與環(huán)保，2013，40（4）：31-34.

[7]李金雷. 基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境信息智能采集終端研發(fā)[D]. 天津：河北工業(yè)大學(xué)，2012.

[8]賀園園. 基于太陽能的茶園無線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[D]. 重慶：西南大學(xué)，2013.

[9]Chen L J，Sun T，Liang N C. An evaluation study of mobility support in ZigBee networks[J]. Journal of Signal Processing Systems，2010，59（1）：111-122.

[10]Rendon J，Casadevall F，Serarols D，et al. Analysis of snoop TCP protocol in GPRS system[J]. Electronics Letters，2001，37（10）：651-652.

[11]胡仁喜，高海賓. LabVIEW 2010中文版虛擬儀器從入門到精通[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2011.

[12]胡仁喜，王恒海，齊東明. LabVIEW 8.2.1虛擬儀器實例指導(dǎo)教程[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[13]王福祿，房俊龍. 基于LabVIEW平臺的寒地日光溫室群遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J]. 儀器儀表學(xué)報，2010，31（8）：297-301.孟長伊，莊麗娜，楊海天，等. 坡耕地運輸車爬坡性能[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，44（2）：418-420.