摘  要： 針對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中遠(yuǎn)程分布式溫室環(huán)境監(jiān)測的需求,，設(shè)計了一種遠(yuǎn)程分布式溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)構(gòu)成包括基于CC2530的傳感網(wǎng)絡(luò),、數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn),、主控節(jié)點(diǎn)及上位監(jiān)控機(jī)。開發(fā)了監(jiān)測過程的通信協(xié)議,；實(shí)現(xiàn)了對多點(diǎn)環(huán)境參數(shù)的遠(yuǎn)程無線實(shí)時采集,、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)狀況的監(jiān)測和可視化上位機(jī)監(jiān)控。運(yùn)行結(jié)果表明,，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠,，功能完備，操作簡便,，人機(jī)界面友好,，較好地滿足了遠(yuǎn)程分布式溫室環(huán)境監(jiān)測的需求。

　　關(guān)鍵詞： 環(huán)境參數(shù),；無線監(jiān)測,；ZigBee；CC2530,；可視化

0 引言

　　適宜的環(huán)境可以促進(jìn)動植物的生長,，提高產(chǎn)量。為了得到更好的經(jīng)濟(jì)效益,，溫室環(huán)境參數(shù)的監(jiān)測是十分重要的?，F(xiàn)代化農(nóng)業(yè)大規(guī)模生產(chǎn)對遠(yuǎn)程分布式溫室環(huán)境監(jiān)測提出了新的要求,，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)測系統(tǒng)通常采用有線方式組成網(wǎng)絡(luò),，資金投入大,，維護(hù)困難，受環(huán)境限制,，可移動性差[1],。無線傳感網(wǎng)絡(luò)具有拓展靈活、移動性強(qiáng),、成本低,、自組織、動態(tài)拓?fù)鋄2-3]等優(yōu)點(diǎn),，使它在遠(yuǎn)程分布式測控應(yīng)用中具有明顯的優(yōu)勢,。

　　ZigBee作為一種新型的無線通信技術(shù)，由于功耗低,、成本低,、擴(kuò)展方便、易于維護(hù),、移動性強(qiáng)[4-8],，使它在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中占有重要地位。本文采用新一代SoC芯片CC2530構(gòu)建無線傳感網(wǎng)絡(luò),，設(shè)計了一種遠(yuǎn)程分布式溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng),，開發(fā)了監(jiān)測過程的通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了對多點(diǎn)環(huán)境參數(shù)的遠(yuǎn)程無線實(shí)時采集,、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)狀況的監(jiān)測和可視化上位機(jī)監(jiān)控,，更好地滿足了遠(yuǎn)程溫室環(huán)境監(jiān)測的需要。

1 總體方案設(shè)計

　　1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　本系統(tǒng)基于CC2530構(gòu)建傳感網(wǎng)絡(luò),，設(shè)計了數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn),、主控節(jié)點(diǎn)及上位監(jiān)控機(jī)，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,。

　　主控節(jié)點(diǎn)與上位監(jiān)控機(jī)通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,，實(shí)現(xiàn)了對各采集節(jié)點(diǎn)的控制與管理。數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)主要配合主控節(jié)點(diǎn)完成對本地環(huán)境參數(shù)的采集,。

　　1.2 系統(tǒng)功能

　　在溫室環(huán)境監(jiān)測中,，用戶有時需要實(shí)時地監(jiān)測溫室環(huán)境參數(shù)，所以需要實(shí)時地采集環(huán)境參數(shù),。在對環(huán)境要求不高的情況下,，出于能耗的考慮，用戶可以停止對環(huán)境參數(shù)的實(shí)時采集,，進(jìn)行手動單次采集,。為確保網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)穩(wěn)定工作,，需要監(jiān)測每個節(jié)點(diǎn)的工作電壓。在遇到網(wǎng)絡(luò)故障時,，要能及時檢測出不能正常工作的節(jié)點(diǎn),。對于以上要求，本文的設(shè)計目標(biāo)如下：

　?。?）主控節(jié)點(diǎn)能周期性地采集到各采集節(jié)點(diǎn)所處地區(qū)的環(huán)境參數(shù),，并能把數(shù)據(jù)正確地傳給上位監(jiān)控機(jī)；

　?。?）在不需要周期性實(shí)時采集時,，主控節(jié)點(diǎn)能通過手工單次采集命令進(jìn)行手工單次采集；

　?。?）為了易于網(wǎng)絡(luò)故障的排查,，主控節(jié)點(diǎn)必須承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)檢測的任務(wù)，時刻監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是否正常工作,；

　?。?）形象的上位監(jiān)控機(jī)顯示界面。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計

　　2.1 主控節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計

　?。?）周期性采集控制：上位監(jiān)控機(jī)通過串口給主控節(jié)點(diǎn)一個定時周期采集命令,，主控節(jié)點(diǎn)接收到命令后先判斷周期命令是否正確，若正確,，則主控節(jié)點(diǎn)通過osal_start_timerEx（）系統(tǒng)函數(shù)給主控節(jié)點(diǎn)添加周期性定時事件,。若不正確，則拋棄這次接收到的命令,。

　?。?）手動單次采集控制：上位監(jiān)控機(jī)通過串口給主控節(jié)點(diǎn)一個手動采集命令，主控節(jié)點(diǎn)檢查命令是否正確,，若正確,，則主控節(jié)點(diǎn)通過AF_DataRequest（）系統(tǒng)函數(shù)向終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送單次采集命令。主控節(jié)點(diǎn)等待接收各終端節(jié)點(diǎn)采集到的環(huán)境參數(shù)信息,，并把環(huán)境參數(shù)信息寫進(jìn)串口,。

　　（3）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)監(jiān)測：主控節(jié)點(diǎn)上電后會周期性地廣播測試消息,，并等待接收終端節(jié)點(diǎn)回發(fā)的狀態(tài)信息,。對接收到的狀態(tài)信息進(jìn)行相應(yīng)處理，并把處理后的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息寫進(jìn)串口,。

　　2.2 終端節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計

　?。?）周期性環(huán)境參數(shù)采集：終端節(jié)點(diǎn)接收到主控節(jié)點(diǎn)的周期性采集命令后，采集本地的環(huán)境參數(shù)信息,，并把采集到的環(huán)境參數(shù)信息回發(fā)給主控節(jié)點(diǎn),。在周期性采集事件中涉及對模擬傳感器和數(shù)字傳感器的采集,。

　　①模擬傳感器數(shù)據(jù)采集：環(huán)境的光照,、濕度參數(shù)信息通過模擬傳感器采集,。本文考慮到成本和精度，使用了CC2530自帶的AD轉(zhuǎn)換功能,。CC2530有7 bit,、9 bit、10 bit和11 bit分辨率可選,。本文選用了9 bit分辨率。

　?、跀?shù)字傳感器數(shù)據(jù)采集：環(huán)境的溫度參數(shù)通過數(shù)字單總線型溫度傳感器DS18B20采集,。該傳感器完成了模擬到數(shù)據(jù)量的轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化的結(jié)果是12 bit的,。轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量結(jié)果保存在DS18B20內(nèi)部存儲器中,。轉(zhuǎn)換的結(jié)果第一位是符號位，后11位為數(shù)據(jù)位,。如果第一位符號位為1,，表明實(shí)測溫度低于零度。

　?。?）手動單次環(huán)境參數(shù)采集：終端節(jié)點(diǎn)接收到主控節(jié)點(diǎn)的手動單次采集消息后,，采集一次環(huán)境參數(shù)信息，并把環(huán)境參數(shù)信息回發(fā)給主控節(jié)點(diǎn),。

　?。?）網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測：終端節(jié)點(diǎn)接收到主控節(jié)點(diǎn)的檢測信息后，回發(fā)各自的狀態(tài)信息,。該狀態(tài)信息包含各節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài),。

　　周期性采集、手動單次采集,、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測的流程圖如圖2所示,。

　　2.3 上位監(jiān)控機(jī)設(shè)計

　　上位監(jiān)控機(jī)的所有功能都是基于對串口數(shù)據(jù)的操作。針對串口數(shù)據(jù)操作,，本文使用了CSerialPort.c和CSerialPort.h兩個文件,。這兩個文件中定義了許多對串口處理的函數(shù)，用戶只要把它們添加進(jìn)工程,，并做相應(yīng)配置就能調(diào)用其中對串口處理的函數(shù),，實(shí)現(xiàn)對串口的操作。

　?。?）參數(shù)提取模塊：參數(shù)提取模塊主要由界面初始化模塊,、打開和關(guān)閉串口模塊,、接收單個字節(jié)模塊等組成。界面初始化模塊主要完成添加捕獲到的串口號,、波特率,、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn),、停止位等界面初始化信息,。打開和關(guān)閉串口模塊主要完成關(guān)閉已經(jīng)打開的串口并根據(jù)捕獲到的串口號、波特率,、數(shù)據(jù)位,、校驗(yàn)、停止位信息初始化串口,。接收單個字節(jié)模塊主要完成接收下位機(jī)傳過來的數(shù)據(jù),。

　　（2）實(shí)時環(huán)境參數(shù)曲線繪制模塊：實(shí)時環(huán)境參數(shù)曲線繪制模塊主要由繪制溫室溫度參數(shù)模塊,、繪制溫室亮度參數(shù)模塊,、繪制溫室濕度參數(shù)模塊、重繪界面模塊等組成,。繪制溫室溫度參數(shù)曲線模塊首先繪制時間軸,、溫度值軸、相應(yīng)位置的刻度值,，然后根據(jù)參數(shù)提取模塊提取到的溫室溫度值,，繪制出溫室溫度的實(shí)時曲線圖。亮度,、濕度參數(shù)曲線的繪制與溫度參數(shù)曲線的繪制類似,。重繪界面模塊，當(dāng)輸出一次信息時,，需要重繪界面,，以防止上次界面對本次輸出的影響。

　?。?）溫室狀態(tài)監(jiān)測顯示模塊：溫室狀態(tài)監(jiān)測顯示模塊主要由繪制虛擬測量計模塊,、顯示接收當(dāng)前環(huán)境參數(shù)的時間模塊等組成。繪制虛擬測量計模塊繪制出溫度計,、濕度計,、亮度計，把參數(shù)提取模塊提取到的環(huán)境參數(shù)在對應(yīng)的度量機(jī)上顯示出來,。顯示接收當(dāng)前環(huán)境參數(shù)的時間模塊,，在參數(shù)提取模塊提取到一個完整的數(shù)據(jù)包后，提取一次筆記本的系統(tǒng)時間，并把它顯示出來,。

　?。?）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)顯示模塊主要由判斷節(jié)點(diǎn)正常工作模塊、節(jié)點(diǎn)地址顯示模塊,、節(jié)點(diǎn)工作電壓顯示模塊等組成,。該模塊主要是分析主控節(jié)點(diǎn)送上來的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，并能根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況信息分析節(jié)點(diǎn)是否正常工作,，畫出節(jié)點(diǎn)狀態(tài)圖,。

　　整個系統(tǒng)的工作流程圖如圖3所示。

3 實(shí)際運(yùn)行效果

　　當(dāng)上位監(jiān)控機(jī)給主控節(jié)點(diǎn)一個定時采集周期,，監(jiān)控機(jī)上就能定時顯示出各節(jié)點(diǎn)所處環(huán)境的參數(shù)信息,，運(yùn)行結(jié)果如圖4所示。

　　根據(jù)提取到的環(huán)境參數(shù)信息,，畫出環(huán)境參數(shù)的實(shí)時曲線,。點(diǎn)擊打開圖4中的第二個屬性對話框，顯示環(huán)境參數(shù)的實(shí)時曲線,，效果如圖5所示。

　　監(jiān)控機(jī)可以把提取到的環(huán)境參數(shù)信息轉(zhuǎn)換到相應(yīng)測量計上的輸出,。點(diǎn)擊打開第三個屬性頁,，形象地顯示各節(jié)點(diǎn)環(huán)境參數(shù)信息，效果圖如圖6所示,。

　　監(jiān)控機(jī)可以顯示網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息,，運(yùn)行效果圖如圖7所示。

　　人為地關(guān)閉第4個節(jié)點(diǎn),，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)圖上的第4個節(jié)點(diǎn)顏色變灰,。由此看出主控節(jié)點(diǎn)可以檢測網(wǎng)絡(luò)故障。

4 結(jié)論

　　將ZigBee無線通信技術(shù)應(yīng)用于遠(yuǎn)程分布式溫室環(huán)境監(jiān)測,，有利于提高環(huán)境參數(shù)監(jiān)測的效率,，降低現(xiàn)有監(jiān)測系統(tǒng)的成本。大量實(shí)驗(yàn)測試表明,，該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)傳輸快,、誤碼率低、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn),，稍加改動就可以應(yīng)用于其他監(jiān)測系統(tǒng),，具有一定的市場價值。

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