符凌峰， 趙春宇， 黃震宇， 高浩天

(上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240)

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基于ZigBee技術(shù)的連棟溫室低功耗環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

符凌峰， 趙春宇， 黃震宇， 高浩天

(上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240)

針對(duì)連棟溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布線困難、監(jiān)測(cè)低效、部署不靈活等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低功耗監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。以CC2530為核心構(gòu)建傳感器節(jié)點(diǎn)，以ZigBee技術(shù)構(gòu)建樹狀無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋整個(gè)溫室范圍，搭配現(xiàn)場(chǎng)PC構(gòu)建現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，24 h監(jiān)測(cè)環(huán)境變化；在傳感器節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行硬件和軟件的低功耗優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低建造和維護(hù)成本，添加時(shí)間同步管理和電源管理，增加系統(tǒng)可靠性。初步試驗(yàn)表明:系統(tǒng)能以較低的功耗(提高96.3 %)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確采集，符合科研和精細(xì)化生產(chǎn)的應(yīng)用要求。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)； ZigBee； 低功耗； 連棟溫室； 環(huán)境監(jiān)測(cè)

0　引　言

在農(nóng)業(yè)溫室的科研工作和精細(xì)化生產(chǎn)中，首要的任務(wù)是實(shí)時(shí)、便捷和精準(zhǔn)的采集現(xiàn)場(chǎng)關(guān)鍵的環(huán)境因素。但在目前國(guó)內(nèi)的科研中，大部分仍采用有線的傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，不僅存在布線困難、移動(dòng)不便等缺點(diǎn)，也增加了科研和生產(chǎn)的建造及維護(hù)成本[1]。

目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(wireless sensor networks,WSNs)在溫室農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科研中的應(yīng)用，做了大量有意義的研究。在理論方面，對(duì)WSNs在溫室群檢測(cè)和控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究和可行性分析，且對(duì)于其數(shù)據(jù)融合和節(jié)能技術(shù)進(jìn)行了分析和優(yōu)化[2,3]。在應(yīng)用技術(shù)方面，應(yīng)用WiFi和藍(lán)牙等無(wú)線通信技術(shù)構(gòu)建溫室的監(jiān)控系統(tǒng)[4,5]，但在功耗和通訊距離上均有所限制。隨著新一代無(wú)線通訊技術(shù)ZigBee技術(shù)的不斷完善和應(yīng)用，這種功耗低、魯棒性好、組網(wǎng)靈活的無(wú)線技術(shù)的引起研究人員的重視，并得到較為廣泛的應(yīng)用[6]。

本文針對(duì)華東型連棟溫室，基于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科研的要求，提出基于ZigBee技術(shù)，搭建低功耗的溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。對(duì)硬件和軟件的功耗進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)和優(yōu)化，同時(shí)通過(guò)優(yōu)化配置傳感供電時(shí)序，動(dòng)態(tài)調(diào)整采集周期，從系統(tǒng)的角度對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，保證溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定和數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確有效。

1　系統(tǒng)架構(gòu)與低功耗設(shè)計(jì)分析

ZigBee是基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率，根據(jù)組網(wǎng)方式可以分為星狀網(wǎng)絡(luò)、樹狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)[7]。

在本系統(tǒng)中，應(yīng)用于溫室的ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由傳感器節(jié)點(diǎn)，路由器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成樹狀網(wǎng)絡(luò)，如圖 1所示無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)具體的數(shù)據(jù)采集任務(wù)，路由器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)中繼和網(wǎng)絡(luò)路由任務(wù)，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)組建，網(wǎng)絡(luò)管理以及與中控PC通信的任務(wù)，中控PC負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)管理，并可以將數(shù)據(jù)公布到Internet上，供遠(yuǎn)程訪問(wèn)。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig 1　System framework

傳感器節(jié)點(diǎn)采用CC2530芯片，最大通信距離為80 m，路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)均添加CC2591 PA功率放大模塊，以增加通信距離至150 m(考慮現(xiàn)場(chǎng)阻擋)，保證溫室群范圍內(nèi)網(wǎng)絡(luò)的完全覆蓋和較低的丟包率[8]。

本文著重討論傳感器節(jié)點(diǎn)的低功耗設(shè)計(jì)，主要在硬件和軟件兩方面進(jìn)行優(yōu)化，并增加必要的系統(tǒng)管理。

硬件部分主要包括核心板模塊，傳感器模塊以及底板，該部分功耗分析如下：1)核心板功耗：CC2530-EB核心板，其休眠功耗主要包括協(xié)議棧休眠功耗以及低頻晶振功耗，工作功耗主要包括協(xié)議棧工作功耗和天線功耗；2)傳感器功耗：選用低功耗的傳感器，程序控制供電時(shí)序，減少功耗；3)底板功耗：其休眠功耗來(lái)自核心板，電源轉(zhuǎn)換芯片，電源切換芯片以及傳感器的漏電流。

軟件部分包括Z-Stack協(xié)議棧與通信，傳感器數(shù)據(jù)采集，該部分功耗分析如下：1)Z-Stack系統(tǒng)功耗：協(xié)議棧支持定時(shí)時(shí)鐘喚醒的PM2休眠模式，軟件設(shè)計(jì)優(yōu)化的首要目的是增加休眠時(shí)間，縮短協(xié)議棧工作時(shí)間；2)傳感器數(shù)據(jù)采集功耗：通過(guò)合理分配采集和供電時(shí)序縮短工作時(shí)間，降低功耗。

2　硬件低功耗設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)硬件采用模塊化的設(shè)計(jì)模式，各模塊首先進(jìn)行獨(dú)立的設(shè)計(jì)和低功耗優(yōu)化，然后組裝成完整功能的節(jié)點(diǎn)，各個(gè)模塊可以方便地插拔和替換，提高整體系統(tǒng)的互換性和可拓展性，傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2　傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)圖Fig 2　Diagram of sensor node hardware design

2.1核心板

核心板由CC2530、外圍電路及天線組成，其休眠功耗主要是協(xié)議棧休眠和天線功耗。實(shí)測(cè)PM2休眠時(shí)核心板功耗為6.8 μA，協(xié)議棧輪詢事件時(shí)，功耗為8.72 mA，在發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)時(shí)，功耗在20 mA左右。

2.2傳感器

傳感器功耗在整體功耗中占據(jù)50 %以上的比例，需要采用功耗低或響應(yīng)時(shí)間短的傳感器。綜合考慮溫室環(huán)境，檢測(cè)精度，量程和功耗等情況，所選傳感器如表1所示。

表1　傳感器選型

空氣溫濕度傳感器SHT15，采用內(nèi)部校準(zhǔn)，串行接口輸出，芯片在傳感器信號(hào)的讀取和電源損耗方面做了優(yōu)化處理，功耗超低，相對(duì)濕度誤差在±2 %RH以內(nèi)，在0～40 ℃范圍內(nèi)，溫度精度在±0.5 ℃以內(nèi)，提供高精度的溫濕度數(shù)據(jù)。

FDY(頻域反射型)土壤溫濕度傳感器MS10，采用介電常數(shù)法測(cè)量土壤的體積含水量，是符合目前國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的方法，直接模擬輸出，穩(wěn)定性好，水分含量在0～53 %時(shí)精度為±3 %，響應(yīng)時(shí)間較短。

光照強(qiáng)度傳感器BH1750FVI，是一款通用低功耗的光強(qiáng)測(cè)量傳感器，功耗低，響應(yīng)速度快，在1～65 klx量程內(nèi)具有1 lx的精度，能自動(dòng)屏蔽50/60 Hz的光噪聲且無(wú)需任何外部器件。

以上選用傳感器均滿足低功耗要求，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)穩(wěn)定且具有良好的線性度，采用模塊化設(shè)計(jì)，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的通信接口或直接采集模擬量，方便替換和局部?jī)?yōu)化升級(jí)。

2.3底板

底板的低功耗設(shè)計(jì)主要在電源供電模塊，電源管理模塊和傳感器供電模塊。

電源供電模塊：采用低功耗的LDO HT7333，將外部3.7 V電池電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的3.3 V(3.201～3.399 V)供電電壓，保證電池的高效利用和電源的穩(wěn)定供應(yīng)。

電源管理模塊：ADC采集高阻值的分壓電路上的分電壓，直接獲取鋰電池的1/3分壓，上傳給PC，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電池電量，防止電池過(guò)度放電損壞，保證節(jié)點(diǎn)正常工作。

傳感器供電管理模塊：給傳感器統(tǒng)一供電3.3 V，根據(jù)各個(gè)傳感器的功耗和響應(yīng)時(shí)間差異，采用程序控制的分時(shí)供電模式。選用限流開關(guān)芯片TPS2067，通過(guò)GPIO口控制使能端，以指定時(shí)序給傳感器供電。TPS2067關(guān)斷電阻達(dá)50 MΩ，空載功耗電流為1.5 μA，自帶短路和高溫保護(hù)功能，有效保護(hù)電路和傳感器安全。

3　軟件低功耗設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

軟件部分功能包括：Z-Stack協(xié)議棧，數(shù)據(jù)采集和傳感器驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)基本功能的同時(shí)，主要從減少工作時(shí)間，合理配比傳感器采集供電時(shí)序2個(gè)方面降低功耗。

3.1縮短協(xié)議棧工作時(shí)間

時(shí)間同步管理：采用可定時(shí)器喚醒的PM2休眠模式，由協(xié)調(diào)器(ZC)周期發(fā)送的休眠指令給出，傳感器節(jié)點(diǎn)接收到命令后開啟定時(shí)休眠，休眠結(jié)束后自動(dòng)開啟采樣并上傳數(shù)據(jù)，隨后進(jìn)入系統(tǒng)輪詢，等待下一個(gè)命令。上位機(jī)控制ZC發(fā)送休眠命令的時(shí)間，可保證傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)的時(shí)間基本同步，誤差在10 ms以內(nèi)，即在上位機(jī)實(shí)現(xiàn)了對(duì)采集動(dòng)作的時(shí)間同步管理，如圖 3所示。智能數(shù)據(jù)采集：根據(jù)數(shù)據(jù)變化的實(shí)際情況和理論規(guī)律，配置不同的采樣周期。以夏季為例，6:00～18:00時(shí)，環(huán)境參數(shù)變化迅速而劇烈，采樣周期設(shè)為10 min，尤其在中午11:00～15:00，容易達(dá)到高溫閾值，采樣周期設(shè)為5 min；在夜間溫度，數(shù)據(jù)變化較小，且不會(huì)達(dá)到低溫閾值，采樣周期設(shè)為30 min。這一功能直接通過(guò)時(shí)間管理機(jī)制實(shí)現(xiàn)，在上位機(jī)動(dòng)態(tài)設(shè)置采樣周期，同步修訂節(jié)點(diǎn)采樣周期[9]。

圖3　傳感器節(jié)點(diǎn)工作與時(shí)間同步管理流程圖Fig 3　Flow chart of work and time synchrony management of sensor node

3.2傳感器數(shù)據(jù)采集與供電時(shí)序優(yōu)化

結(jié)合硬件的傳感器供電管理模塊，分別通過(guò)P1_0和P1_1口實(shí)現(xiàn)對(duì)三種傳感器的分時(shí)供電策略。首先，響應(yīng)時(shí)間短的BH1750FVI和MS10作為一組，通過(guò)P1_0控制EN1和EN2供電1.2 s；然后，響應(yīng)時(shí)間最長(zhǎng)的SHT15作為一組，通過(guò)P1_1控制EN2供電5 s，即完成全部數(shù)據(jù)采集任務(wù)，在總體工作時(shí)間不變的情況下，降低耗電功率。

4　系統(tǒng)低功耗測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試時(shí)間為2015年6月23日，地點(diǎn)為上海交通大學(xué)農(nóng)業(yè)與生物學(xué)院實(shí)驗(yàn)溫室。

系統(tǒng)的工作功耗和休眠功耗，如表2所示。

表2　模塊與節(jié)點(diǎn)功耗測(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)工作穩(wěn)定，采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。設(shè)置采樣周期為10 min，則一個(gè)周期中，傳感器節(jié)點(diǎn)首先休眠590 s，平均休眠電流556 μA，隨機(jī)喚醒10 s進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣和上傳，平均工作電流27.02 mA，采用2 200 mAh鋰電池，放電下限3.3 V，有效放電效率約為60 %，則該電池可連續(xù)使用1 323.9 h，無(wú)低功耗設(shè)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)一直處于工作狀態(tài)，只能使用48.8 h，電池使用效率提高96.3 %，滿足設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的要求。

5　結(jié)　論

本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了一種適用于連棟溫室的低功耗環(huán)境無(wú)線監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，靈活布置多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，搭載3種傳感器對(duì)溫室環(huán)境5種關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。系統(tǒng)論述了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)以及低功耗設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)，綜合考慮精度要求，通過(guò)優(yōu)化傳感器供電時(shí)序和智能調(diào)節(jié)采集周期，在軟件和硬件方面進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)節(jié)能效果顯著，能源使用效率提高96.3 %，適用于溫室的長(zhǎng)期自動(dòng)監(jiān)測(cè)，具有比較好的實(shí)踐意義。

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[2]郭文川,程寒杰,李瑞明,等.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2010(7):181-185.

[3]周益明.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室群監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[D].杭州：浙江大學(xué),2009.

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[6]李莉,劉剛.基于藍(lán)牙技術(shù)的溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2006(10):97-100.

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趙春宇，通訊作者，E—mail：zhaocy@sjtu.edu.cn。

Design of low power consumption environment monitoring system for multi-span greenhouse based on ZigBee*

FU Ling-feng, ZHAO Chun-yu, HUANG Zhen-yu, GAO Hao-tian

(School of Electronic Information and Electrical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)

Aiming at problems in greenhouse monitoring system,such as difficult wiring,inefficient monitoring and inflexible arrangement,design a low power consumption environment monitoring system based on wireless sensor networks(WSNs).This system constructs sensor node using CC2530 as core,builds tree-like WSNs with ZigBee technology to cover all the greenhouses fields,then coordinates a local PC server to build scene auto-monitoring system to monitor environment change continuously in 24 h.In sensor node,low power consumption optimal design of software and hardware are carried out to reduce building and maintenance cost,and time synchrony management and power management are added,increase system reliability.Preliminary experiment shows that,accurate acquisition of data can be realized with lower power consumption (96 % energy reduction ratio),and meet requirement of science research and fine production.

wireless sensor networks (WSNs); ZigBee; low power consumption；multi-pan greenhouse; environment monitoring

2015—11—20

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備與設(shè)施的研發(fā)項(xiàng)目(滬農(nóng)科攻字(2009)第8—1號(hào))

S 237

A

1000—9787(2016)08—0074—03

符凌峰(1989-)，男，安徽懷遠(yuǎn)縣人，碩士研究生，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用方向。

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)08—0074—03