張葉茂

(1.南寧職業(yè)技術學院機電工程學院，廣西南寧 5300071； 2.電子科技大學繼續(xù)教育學院，四川成都 610054)

隨著現(xiàn)代嵌入式和物聯(lián)網技術的發(fā)展，現(xiàn)代化的大棚蔬菜種植基地對環(huán)境參數(shù)控制的要求越來越智能化和精度化，主要表現(xiàn)在溫濕度、光照度等參數(shù)的智能化控制上。傳統(tǒng)的信息采集系統(tǒng)主要是采用CAN、RS485等有線的傳輸方式，采用的處理平臺一般是8位的處理器(簡稱CPU)，存在布線復雜，響應速度不夠優(yōu)良的缺點；另外，隨著網絡技術的發(fā)展，遠程智能控制的要求也對傳統(tǒng)的只有本地控制功能的系統(tǒng)提出了挑戰(zhàn)。因此，本研究設計了一套基于嵌入式和無線網絡傳輸?shù)沫h(huán)境參數(shù)智能監(jiān)控系統(tǒng)。環(huán)境參數(shù)采集傳感器可以通過基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網協(xié)議(ZigBee)節(jié)點和主控平臺進行無線通信，將實時結果顯示在工控屏或者遠程全球廣域網(web)端，用戶也可以通過web客戶端對環(huán)境現(xiàn)場參數(shù)進行測控，實現(xiàn)遠程實時傳輸。

1 系統(tǒng)總體設計

本系統(tǒng)采用溫濕度傳感器和光照度傳感器對蔬菜基地各區(qū)域現(xiàn)場的溫濕度和光照信息進行采集；區(qū)域終端ZigBee節(jié)點和區(qū)域路由節(jié)點以及中控平臺協(xié)調器進行ZigBee無線組網通信。終端節(jié)點模塊一方面負責采集環(huán)境參數(shù)及解析數(shù)據(jù)，將結果傳輸給中控平臺處理；另一方面須要接收中控平臺發(fā)來的指令，解析后控制現(xiàn)場參數(shù)調節(jié)器。中控平臺一方面將采集的數(shù)據(jù)通過工控觸摸屏進行現(xiàn)場顯示并通過網絡傳輸發(fā)送給遠程的web客戶端，另一方面接收客戶發(fā)送過來的指令信息通過無線網絡發(fā)送指令給各ZigBee節(jié)點。用戶參數(shù)的設定主要通過中控平臺連接的工控觸摸屏，也可以通過遠程web客戶端進行參數(shù)設定。系統(tǒng)總體設計結構見圖1。

2 系統(tǒng)硬件電路設計

系統(tǒng)的硬件模塊主要包括嵌入式最小系統(tǒng)、工控觸摸屏、網關電路、SD數(shù)據(jù)存儲器、CC2530節(jié)點電路、傳感器電路等。系統(tǒng)以STM32F103ZET6、SDRAM、FLASH以及網關電路、工控觸摸屏、鍵盤電路、電源電路、報警電路等構成中控平臺。STM32F103ZET6作為中控端CPU，該處理器基于32位的核(Cortex-M3)架構，外設總線接口豐富，最大可以在72 MHz工作頻率下運行，適用于要求響應速度快、功耗較低的場合。工控觸摸屏采用廣州大彩光電科技有限公司推出的工業(yè)串口屏，該串口屏集薄膜晶體管(簡稱TFT)顯示驅動、圖形用戶界面(GUI)操作及圖片字庫存儲等各種組態(tài)控件于一體，開發(fā)簡單方便。STM32處理器通過串口0與工控屏進行通信，若需要3.3 V的TTL/COMS串口電平通信，可以直接跳過MAX232電平芯片，將串口屏設置為TTL模式。采用基于CC2530F256的ZigBee網絡傳輸方案，負責協(xié)調器、區(qū)域路由節(jié)點及終端節(jié)點無線組網。CC2530F256最小系統(tǒng)擴展存儲器、有機發(fā)光半導體(簡稱OLED)顯示器、傳感器、繼電器、鍵盤電路、蜂鳴器等相關硬件構成終端節(jié)點。終端節(jié)點模塊溫濕度傳感器采用性價比較高的溫濕度傳感器(DHT11)，光照度傳感器采用ISL29003集成光傳感器。

2.1 ZigBee節(jié)點模塊設計

無線傳輸網絡的終端節(jié)點模塊處理器采用美國德州儀器公司的CC2530F256處理器。CC2530F256結合業(yè)界領先的黃金單元ZigBee協(xié)議棧(棧)，它具有極低的總材料成本建立強大的網絡節(jié)點。CC2530F256具有業(yè)界標準的增強型51單片機內核，具有領先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，有8 kb 存儲器(RAM)可編程內存及其他許多強大的功能[1]。CC2530F256具有多種運行模式，超低功耗的模式尤其適合終端節(jié)點系統(tǒng)的要求，各種運行模式切換迅速。以CC2530F256為核心，擴展電源電路、傳感器信號輸入接口，按鍵電路及OLED顯示電路等相關硬件，完成監(jiān)控系統(tǒng)的節(jié)點模塊設計。ZigBee網絡節(jié)點核心板電路原理如圖2所示。

2.2 信號采集電路設計

在大棚蔬菜場所，主要采集和調控光照度、溫度、濕度這3個重要參數(shù)。在這種環(huán)境下，光照度和溫濕度的參數(shù)范圍屬于正常的生產生活環(huán)境值，無須考慮過高或過低的溫度和光照度。一般地，系統(tǒng)的溫度誤差范圍控制在1 ℃，相對濕度控制在3% RH范圍內即可(圖3)。系統(tǒng)溫度和濕度采集的傳感器采用已校準數(shù)字信號輸出的復合傳感器DHT11，該傳感器的主要特點是體積較小、響應快速，具有功耗低和很強的抗干擾性的優(yōu)點。該傳感器分辨率濕度1% RH，溫度1 ℃；量程濕度20%～90% RH，溫度0～50 ℃。采用簡化的單總線和CC2530F256處理器通信，電路中R30為上拉電阻，其作用是為了保證在總線空閑時，總線輸出狀態(tài)為高電平[2]。在大棚蔬菜種植基地，需要較高的光照要求精度，系統(tǒng)采用ISL29003 集成光傳感器，該傳感器能夠采集環(huán)境光照度， 轉換成數(shù)字量之后通過內置標準的集成電路總線(簡稱IIC)接口及整合的模數(shù)轉化(簡稱ADC)接口輸出數(shù)據(jù)信息。該傳感器的整合ADC具有15位分辨率，光照度調節(jié)范圍為 1～100 000 lx 之間。光照度傳感電路如圖4所示。

2.3 以太網模塊設計

以太網模塊是智能化監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，STM32F103ZET6本身不帶有網絡接口，因此須要對其進行硬件單元擴展。該功能模塊使用單芯片快速以太網MAC控制器(簡稱DM9000)以太網芯片和輕量級的IP協(xié)議(簡稱Lwip)TCP/IP協(xié)議棧設計。DM9000是一款集成有通用處理器接口的以太網控制器，其特點是完全集成化、傳輸速度快、性價比高。DM9000協(xié)議層接口對10 MB以下的3、4、5類非屏蔽雙絞線和100 MB以下5類非屏蔽雙絞線完全支持[3]。DM9000有多種型號，有100、48引腳的，本模塊設計選擇的是48引腳的DM9000，型號為DM9000CEP。DM9000的第34腳無中斷輸出時為低電平，當有中斷輸出時，此引腳為高電平有效?？梢酝ㄟ^設置DM9000的20(EECK)引腳來改變INT的有效電平，當EECK拉高以后，INT低電平有效，否則的話INT是高電平有效。電路模塊中的R66為第20腳的上拉電阻，所以本模塊DM9000的INT引腳是低電平有效。

另外，DM9000的第21腳是設置數(shù)據(jù)位寬，模塊的R65為EECS的上拉電阻，因此為8位數(shù)據(jù)寬度。如果去除R65，模塊為16位數(shù)據(jù)寬度。DM9000網絡模塊電路原理如圖5所示。

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)軟件總體設計主要有主控平臺軟件設計、工控觸摸屏軟件設計、ZigBee網絡軟件設計、傳感器采集終端節(jié)點軟件設計、web遠程網絡軟件設計5個部分。

3.1 主控平臺軟件設計

將Ucos_Ⅲ移植到系統(tǒng)之后，建立任務0函數(shù)[Task0()]主要對系統(tǒng)硬件資源和時鐘初始化以及創(chuàng)建其他的任務。任務Task1()主要用于處理工控觸摸屏事件。中控平臺和工控觸摸屏采用串口0(Usart0)通信，通過串口中斷，將接收到的工控屏發(fā)送過來的數(shù)據(jù)存儲在先進先出(FIFO)中。任務Task2()用于外設按鍵信號處理，Task3()用于系統(tǒng)報警信號處理，Task4()用于遠程監(jiān)控信號處理，各任務之間采用靈活的消息隊列及信號量進行資源共享及數(shù)據(jù)傳遞。系統(tǒng)啟動后，Ucos_Ⅲ操作系統(tǒng)和硬件資源開始初始化后，用戶可以通過工控觸摸屏設定蔬菜棚里的溫濕度和光照度等參數(shù)的上下限值、采集數(shù)據(jù)及時間周期等參數(shù)設定，中控端主函數(shù)調用Usart0_send()函數(shù)向協(xié)調器發(fā)送帶設備地址的指令到相關區(qū)域的路由節(jié)點及終端節(jié)點后，終端節(jié)點處理器CC2530F256通過調用溫度控制子函數(shù)Tem_Con()、濕度控制子函數(shù) Hum_Con()及光照度控制子函數(shù)Led_Con()進行參數(shù)設定[4]。當用戶須要查詢參數(shù)指標時，通過工控觸摸屏發(fā)送按鍵查詢指令，協(xié)調器接收到查詢指令后即解析指令的設備地址信息，通過ZigBee網絡發(fā)送到對應的區(qū)域路由節(jié)點，準確發(fā)送到相應的終端節(jié)點。終端節(jié)點的處理器CC2530F256模塊通過采集傳感器的實時數(shù)據(jù)進行濾波及正確性分析，打包通過ZigBee網絡發(fā)送到中控平臺，并在工控屏上顯示出來。中控臺整體軟件設計流程如圖6所示。

3.2 基于工控觸摸屏的軟件設計

利用VisualTFT軟件進行工控觸摸屏人機界面設計時，須要預先裁剪好美工圖片，并進行合適的排版及控件的布局。串口屏處理器會對TFT工程的所有控件、圖片及畫面各分配1個唯一的ID號，當STM32處理器串口0接收到設備上傳的ID值，就可以判斷當前的按鈕值，并發(fā)送相應的指令更新畫面顯示或者通過串口1發(fā)送指令給協(xié)調器節(jié)點，無線發(fā)給終端節(jié)點控制電機、繼電器等。另外可以將采集的信息通過文本和圖片進行顯示，還可以通過指令實現(xiàn)曲線顯示和數(shù)據(jù)存儲功能[5]。

3.3 無線網絡組網設計

ZigBee網絡拓撲結構主要有網型網絡結構和星形網絡結構。不同的應用領域應采用不同的網絡拓撲結構，ZigBee節(jié)點可以根據(jù)配置文件設置成協(xié)調器、路由節(jié)點及終端節(jié)點，采用不同的網絡拓撲結構對節(jié)點的配置也不一樣[6]。系統(tǒng)采用TI公司的Z-Stack協(xié)議棧進行無線組網，實現(xiàn)網絡節(jié)點的無線通信。每個區(qū)域可以包括很多個終端節(jié)點，執(zhí)行具體的任務如信息采集等，并與協(xié)調器或者路由節(jié)點關聯(lián)，每個區(qū)域分別設置路由節(jié)點，為ZigBee網絡通信提供中繼和路由。設備類型是由Z-Stack的不同編譯選項來選擇的，系統(tǒng)上電后，ZigBee協(xié)調器首先進行初始化工作，初始化完成后協(xié)調器調用Z_Stack協(xié)議棧中的ZDApp_NetworkInit函數(shù)進行網絡的建立及其初始化工作，組網成功后，終端節(jié)點將采集的數(shù)據(jù)通過afStatus_t AF_DataRequest()發(fā)送數(shù)據(jù)給路由節(jié)點，當星型網絡組建成功之后，終端節(jié)點將采集得到的實時數(shù)據(jù)通過函數(shù)AF_DataRequest()發(fā)送到協(xié)調器，終端節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)經判斷后通過USART0發(fā)送到STM32F103ZET6進行顯示；同時，協(xié)調器將STM32F103ZET6給它的控制信號通過廣播的形式發(fā)送到各個終端，終端將控制信號作判斷后執(zhí)行控制。無線網絡組網件設計流程如圖7所示。

3.4 傳感器終端節(jié)點軟件設計

傳感器終端節(jié)點上電以后，終端節(jié)點開始進行ZigBee組網，與路由節(jié)點組網成功后，CC2530F256單片機開始初始化內部資源，包括IO口、串口、定時器、總線等的初始化。處理器啟動定時器0和定時器1，定時器0主要負責定時1 s的環(huán)境參數(shù)周期采樣中斷，定時器1負責網絡異常時間監(jiān)測。終端節(jié)點每隔1 s對溫濕度傳感器和光照度傳感器進行參數(shù)采集，一方面將采集的結果經軟件濾波和數(shù)據(jù)長度分析判斷之后，在終端節(jié)點模塊的OLED屏上顯示出來；另一方面， 系統(tǒng)將采集的參數(shù)信息打包發(fā)給區(qū)域路由節(jié)點，路由節(jié)點發(fā)送給協(xié)調器之后，主控CPU發(fā)出應答信號。在接收到主控器件發(fā)送過來的數(shù)據(jù)之前，終端節(jié)點工作在自控模式，當協(xié)調器通過ZigBee網絡發(fā)送指令給終端節(jié)點時，終端節(jié)點進行數(shù)據(jù)采集的同時，還須根據(jù)接收到的ZigBee中斷數(shù)據(jù)進行處理，此時終端節(jié)點工作在主控模式。終端節(jié)點在主控模式下，若網絡穩(wěn)定性異常，將報警數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調器，而協(xié)調器超過30 s未發(fā)送控制指令，則終端節(jié)點恢復到自控模式進行預設定的異常處理[7]。傳感器終端節(jié)點軟件設計流程如圖8所示。

3.5 基于Lwip的遠程設計

Lwip是輕量級的IP協(xié)議，系統(tǒng)首先須要將Lwip移植到STM32F103ZET6上，并修改cc.h、lwipopts.h、sys_arch.h、dm9000.c、ethernetif.c、lwip_comm.c等6個頭文件，DM9000ReadReg()和DM9000_WriteReg這2個函數(shù)為讀寫DM9000內部寄存器的函數(shù)， DM9000_PHY_ReadReg ()和

DM9000_PHY_WriteReg()為讀寫DM9000內部PHY寄存器的函數(shù)。DM9000_SendPacket()函數(shù)為數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)，將指定的pbuf結構體的數(shù)據(jù)通過DM9000發(fā)送到網絡中，Lwip中用pbuf結構體來表示數(shù)據(jù)包[8]。在發(fā)送數(shù)據(jù)包之前，須要先關閉DM9000的中斷，等發(fā)送完成以后再打開中斷。發(fā)送數(shù)據(jù)時可以按下面的步驟進行：首先向發(fā)送靜態(tài)隨機存取存儲器(簡稱TX_SRAM)中寫入要發(fā)送的數(shù)據(jù)，然后向寄存器TXPLL和TXPLE寫入要發(fā)送的數(shù)據(jù)的長度，最后將TCR寄存器的bit0置1，啟動發(fā)送即可。

4 結論與討論

基于ZigBee無線傳感網絡和嵌入式的大棚蔬菜環(huán)境參數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)已經通過試驗場所的測試，系統(tǒng)操作簡單方便，數(shù)據(jù)采集精度較高，信號傳輸穩(wěn)定可靠。既可以通過工控觸摸屏進行溫濕度和光照度參數(shù)的采集和設定，也可以通過web網遠程進行傳感器數(shù)據(jù)采集和參數(shù)設定。該系統(tǒng)可以廣泛應用在現(xiàn)代農業(yè)大棚蔬菜基地等場合，有很好的性價比和可操作性。

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