（西南交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，成都610031）

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，作為一個傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國，提高它的經(jīng)濟效益是現(xiàn)階段農(nóng)業(yè)發(fā)展的迫切需求。基于此，發(fā)展智能溫室大棚變得十分有意義。科技的進步使無線傳感網(wǎng)絡(luò)在此領(lǐng)域中具有廣闊的應(yīng)用前景，ZigBee技術(shù)作為無線網(wǎng)絡(luò)中的一種協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，更是以其低功耗、低成本、高可靠性等優(yōu)點[1]而廣泛應(yīng)用于工業(yè)、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域中。在此，采用ZigBee技術(shù)實現(xiàn)下位機與上位機的無線通信，有效地減少了溫室大棚的地理位置[2]、物理路線、復(fù)雜環(huán)境因素的影響，提高了數(shù)據(jù)的傳輸效率[1-2]。該系統(tǒng)采用上位機WinCC友好的人機交互界面，對下位機上傳的數(shù)據(jù)實時監(jiān)控，根據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)處理分析，發(fā)送命令給工控機從而做出相應(yīng)的處理措施。系統(tǒng)的實時性好，用戶操作方便，符合溫室大棚智能管理的需求[3]。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)溫室大棚系統(tǒng)的要求，將該系統(tǒng)劃分為4個模塊[4]，分別為數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、控制模塊，如圖1所示。

圖1 溫室大棚系統(tǒng)整體構(gòu)架Fig.1 Overall framework of the greenhouse system

數(shù)據(jù)采集模塊由多個溫室大棚子系統(tǒng)構(gòu)成，每個子系統(tǒng)由多個ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器以及多個傳感器節(jié)點所組成。傳感器節(jié)點所采集的數(shù)據(jù)以無線的方式傳到ZigBee的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器中，經(jīng)過串口通信將數(shù)據(jù)傳到ARM板上，然后實時地顯示出來，最后經(jīng)過嵌入式網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C，通過上位機對數(shù)據(jù)的監(jiān)控與分析，發(fā)送相應(yīng)的命令給工控機，從而做出相應(yīng)的應(yīng)對措施。

2 數(shù)據(jù)采集模塊的設(shè)計

數(shù)據(jù)采集模塊如圖2所示，各節(jié)點上分別連有溫濕度傳感器、光照傳感器、CO2濃度傳感器、測土壤pH值傳感器，分別采集溫室大棚的溫濕度、光照強度、CO2濃度以及土壤的酸堿性等相關(guān)數(shù)據(jù)[5]，所有分布式節(jié)點的數(shù)據(jù)都匯聚在ZigBee的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器上，最后將這些數(shù)據(jù)通過串口傳到ARM板上。

圖2 數(shù)據(jù)采集模塊構(gòu)架Fig.2 Frame of data acquisition module

在各節(jié)點向網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器傳送數(shù)據(jù)的時候，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器只需要輸入各節(jié)點的MAC地址，將各節(jié)點加入到該協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)上，無需對節(jié)點進行任何配置，節(jié)點上也不需要任何配置接口，連接非常方便。各節(jié)點的數(shù)據(jù)傳送到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器上，再經(jīng)過串口通信傳到ARM板上。

2.1 數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點的設(shè)計

目前，市場上的無線射頻發(fā)送芯片的種類很多[2]，工作頻段從433 MHz，968 MHz到ZigBee的2.4 GHz等有多個頻段。在此采用TI公司推出的CC2530芯片。符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4 GHz射頻發(fā)射器，用來實現(xiàn)ZigBee應(yīng)用的單片RF收發(fā)器。該芯片的工作頻率范圍是2400～2483.6 MHz，支持數(shù)據(jù)傳輸率到250 kb/s，它集成了業(yè)界領(lǐng)先的RF收發(fā)器，增強工業(yè)的8051MCU，可編程FLASH存儲器、8 kB RAM及其它強大功能，具有高度集成、低成本、低功耗、低電壓等特點，能夠進行魯棒的無線通信。因此，采用CC2530芯片可以滿足溫室大棚系統(tǒng)的無線數(shù)據(jù)接收與發(fā)射的要求。將CC2530芯片的P0口設(shè)為優(yōu)先級高的SPI串口，經(jīng)SPI通信接口將各傳感器所采集的信息傳到CC2530的射頻電路上[3，6]，電路結(jié)構(gòu)如圖3、圖4所示。

圖3 DHT11溫濕度傳感器連接結(jié)構(gòu)Fig.3 DHT11 temperature and humidity sensor connection structure

圖4 BH1750光照傳感器連接結(jié)構(gòu)Fig.4 BH1750 light sensor connection structure

另外，pH值傳感器和CO2傳感器與CC2530的連接結(jié)構(gòu)圖與圖3，圖4所示的2個傳感器類似，這里不再贅述。圖4之所以加有1個100 nF的電容，是因為傳感器上電后要保持1 s以越過其不穩(wěn)定的狀態(tài)，在此期間無法發(fā)送任何指令，增加1個電容可以起到去耦濾波的作用。

2.2 數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點程序的設(shè)計

所設(shè)計的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要是溫室大棚系統(tǒng)中傳感器對大棚內(nèi)環(huán)境信息的采集，主要的操作流程如下：對CC2530芯片進行GPIO口、時鐘的初始化；設(shè)置ADC的工作模式、時鐘、采樣周期、觸發(fā)方式、數(shù)據(jù)對齊方式。完成ADC的參數(shù)配置后就可以等待采樣數(shù)據(jù)了。當(dāng)有中斷源觸發(fā)中斷時，就會進入中斷服務(wù)子程序啟動A/D轉(zhuǎn)換，對4個傳感器所連接的通道進行檢測，接收傳感器所采集的數(shù)據(jù)。其程序流程如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)采集節(jié)點程序流程Fig.5 Data acquisition node program flow chart

3 數(shù)據(jù)采集匯聚節(jié)點設(shè)計

底層數(shù)據(jù)采集完畢，數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點開始向ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)。RFD節(jié)點的這個工作過程大致分為3個階段：啟動階段、發(fā)送階段、接收階段。

啟動階段創(chuàng)建一個basicRfcfg_t的數(shù)據(jù)體結(jié)構(gòu)，這個結(jié)構(gòu)體中的參數(shù)包含有節(jié)點的PANID，RF通道等參數(shù)。接著調(diào)用basicRfZint（）的函數(shù)進行協(xié)議的初始化。

發(fā)送階段創(chuàng)建一個buffer，將要傳入的數(shù)據(jù)放入playload中，最多可以放103個字節(jié)；將playload放入buffer中，調(diào)用basicRfsendPacket（u16destAddr，u8*plaiload，u8length）函數(shù)發(fā)送。等待接收端的應(yīng)答，若返回的是SUCCESS，則發(fā)送成功，否則發(fā)送失敗。basicRfsendPacket（）函數(shù)調(diào)用起來十分方便，只需要傳遞3個參數(shù)，即接收端的地址、playload指向發(fā)送緩沖區(qū)的指針以及發(fā)送數(shù)據(jù)長度length，就可以將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

接收階段上層通過檢測函數(shù)basicRfPacketIsReady（），實時檢測是否收到一個數(shù)據(jù)包。如果收到數(shù)據(jù)， 則調(diào)用 basicRfReceive（u8pRxData，u8len，u16*pRssi）將接收的數(shù)據(jù)復(fù)制到buffer中，然后讀取buffer中的數(shù)據(jù)即可，接收端的函數(shù)也只需要配置3個參數(shù)：接受的數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)的長度、指向接受的緩沖區(qū)的指針。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器[7]接收數(shù)據(jù)后，經(jīng)過串口通信將數(shù)據(jù)傳到ARM芯片上，ARM接收到信息后可以實時地顯示出來，并設(shè)置其參數(shù)閾值，當(dāng)超過預(yù)定值，則可以以短信的方式發(fā)給用戶。最后將這些采集完的數(shù)據(jù)打包通過嵌入式網(wǎng)關(guān)發(fā)送給上位機[7]。匯聚節(jié)點程序流程如圖6所示。

圖6 匯聚節(jié)點程序流程Fig.6 Sink node program flow chart

4 上位機軟件的設(shè)計

上位機軟件采用了WinCC組態(tài)軟件。WinCC是一個集成人機界面和監(jiān)控管理的系統(tǒng)，是結(jié)合西門子公司在過程自動化領(lǐng)域中的先進技術(shù)和Microsoft PC軟件技術(shù)的強大功能的產(chǎn)物。它提供了適用于工業(yè)的圖形顯示、消息報警、過程值歸檔以及報表打印等模塊，具有高性能的過程耦合、快速的畫面更新，以及可靠的數(shù)據(jù)管理功能。能夠滿足客戶的復(fù)雜要求。

所采用的組態(tài)軟件WinCC，通過ARM的通信模塊實現(xiàn)連接，自動動態(tài)采集子系統(tǒng)的信號，對監(jiān)控的參數(shù)進行實時報警，實現(xiàn)遠程監(jiān)控[8-9]。針對溫室大棚系統(tǒng)的特點，靈活設(shè)計動畫動態(tài)顯示、流程控制、數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸、工程報表、數(shù)據(jù)與歷史曲線和實時曲線顯示等諸多功能，并能保存歷史數(shù)據(jù)為系統(tǒng)分析使用，系統(tǒng)功能如圖7所示。

圖7 WinCC人機交互界面功能Fig.7 WinCC human-computer interactive interface function

5 結(jié)語

所研究的溫室大棚系統(tǒng)中充分利用了ZigBee無線技術(shù)的低功耗、低成本、高可靠性的優(yōu)點，解決了實際生活中溫室大棚系統(tǒng)布線問題；采用了操作性和交互性良好的上位機軟件WinCC，使得用戶可以方便地隨時查看各個溫室大棚子系統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)信息[8]，WinCC根據(jù)采集到的信息能夠進行實時監(jiān)控[9]，根據(jù)監(jiān)控的信息實時地反饋給工控機，從而能夠保證自動地去調(diào)節(jié)和控制溫室大棚系統(tǒng)，使整個系統(tǒng)真正能夠發(fā)揮其在實際生活中的作用。

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