孔曉紅等

摘要：設(shè)計(jì)了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能溫室監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)硬件由CC2530作為控制模塊，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸，并帶有現(xiàn)場顯示和上位機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展方便，具有節(jié)點(diǎn)自組網(wǎng)功能，系統(tǒng)運(yùn)行中能夠動態(tài)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)信息，實(shí)現(xiàn)智能控制，達(dá)到綠色節(jié)能?；赯igBee協(xié)議設(shè)計(jì)用戶應(yīng)用程序，采用VB語言編寫監(jiān)控系統(tǒng)的上位機(jī)界面，使用戶快捷方便地監(jiān)測被控對象并調(diào)整控制參數(shù)。應(yīng)用于溫室控制，能夠極大地提高自動化和信息化水平，改善溫室監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性以及實(shí)時(shí)性。

關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；溫室；上位機(jī)；監(jiān)控

中圖分類號：S625.2；TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2015）17-4294-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.17.049

傳統(tǒng)的自動監(jiān)控系統(tǒng)多采用有線方式，數(shù)據(jù)采集后經(jīng)過處理由固定線路上傳，這種方式不便于系統(tǒng)組建，要求固定電源和網(wǎng)絡(luò)。近年來隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)解決了上述矛盾，ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有省電、可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大、安全、工作頻段靈活等優(yōu)點(diǎn)[1，2]。該網(wǎng)絡(luò)能夠極大地提高監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，降低管理成本，而且系統(tǒng)容易組建，便于擴(kuò)展，尤其適用于無人區(qū)或人工不便監(jiān)控的領(lǐng)域[3-5]。

本設(shè)計(jì)采用基于ZigBee協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)由終端設(shè)備、路由器、協(xié)調(diào)器三部分組成。終端設(shè)備是帶有傳感器的采集節(jié)點(diǎn)，把采集到的數(shù)據(jù)信息以特定的數(shù)據(jù)格式打包后，經(jīng)過路由器，通過無線的方式發(fā)送到指定的接收裝置——協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器將各種監(jiān)控信息傳送到上位機(jī)，然后在上位機(jī)中對信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析、顯示等，達(dá)到對被控對象實(shí)時(shí)監(jiān)控的目的，同時(shí)能節(jié)省大量成本，其網(wǎng)絡(luò)組建、擴(kuò)充方便。

1 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)具有信息采集、數(shù)據(jù)處理、自組網(wǎng)無線通信等功能，采集到的數(shù)據(jù)信息通過無線方式發(fā)送到指定的協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器接收到數(shù)據(jù)信息后，校驗(yàn)有效的數(shù)據(jù)格式、有效信息通過串口傳送到上位機(jī)。本設(shè)計(jì)基于VB設(shè)計(jì)界面以便了解當(dāng)前監(jiān)控對象狀況。系統(tǒng)硬件主要由CC2530無線模塊、液晶顯示電路和串口轉(zhuǎn)換電路組成。

1.1 串口轉(zhuǎn)換電路

串口轉(zhuǎn)換電路如圖1所示，可將USB 接口轉(zhuǎn)換為UART串口，該電路采用FT232實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換功能，協(xié)調(diào)器通過串口與上位機(jī)進(jìn)行通信。

1.2 顯示電路

顯示電路采用的是LCD12864點(diǎn)陣液晶顯示模塊，電路如圖2所示，為了節(jié)省主控芯片I/O口， 采用了74HC595移位寄存器，可以將串行輸入的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為8位并行輸出的數(shù)據(jù)。

1.3 無線傳感節(jié)點(diǎn)

傳感器節(jié)點(diǎn)電路如圖3所示，由CC2530主控芯片、射頻天線RF、晶振電路、復(fù)位電路和工作指示電路等組成。由于數(shù)據(jù)無線發(fā)送中對晶振的穩(wěn)定性有較高的要求，所以CC2530外接了32 MHz和32.768 kHz兩種頻率的晶振電路，電路的兩個(gè)LED分別指示入網(wǎng)狀態(tài)和數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)基于Z-STACK協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)應(yīng)用，該協(xié)議棧的OSAL是一個(gè)循環(huán)查詢式的操作系統(tǒng)，采用任務(wù)管理機(jī)制，在系統(tǒng)中優(yōu)先級較高任務(wù)總是先執(zhí)行，優(yōu)先級高的任務(wù)中的事件都具有最高的執(zhí)行權(quán)限，保證高優(yōu)先級任務(wù)的所有觸發(fā)事件得到及時(shí)的處理[6-8]。為了實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)功能，在應(yīng)用層編寫相關(guān)代碼，配置相關(guān)的端口、短地址，注冊相應(yīng)的事件，根據(jù)需要在應(yīng)用層設(shè)計(jì)任務(wù)事件處理函數(shù)。

2.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序

協(xié)調(diào)器不僅是網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建者，而且是采集節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸、處理中心，協(xié)調(diào)器工作流程如圖4所示，首先創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)，再判斷網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建是否成功。網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)建成功后如果有節(jié)點(diǎn)申請加入，則批準(zhǔn)。然后判斷有沒有接收到數(shù)據(jù)信息并調(diào)用數(shù)據(jù)處理函數(shù)，對數(shù)據(jù)的有效性進(jìn)行驗(yàn)證，并從接收的信息中按照特定的數(shù)據(jù)格式還原出數(shù)據(jù)。另一個(gè)任務(wù)就是將接收的數(shù)據(jù)信息在LCD12864顯示并且還要通過串口傳給上位機(jī)。

2.2 采集節(jié)點(diǎn)程序

無線傳感器采集節(jié)點(diǎn)按照一定的規(guī)律分布在監(jiān)測環(huán)境中，工作流程圖如圖5所示，節(jié)點(diǎn)首先是搜索網(wǎng)絡(luò)、發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，發(fā)起入網(wǎng)請求并獲得入網(wǎng)的許可之后，就調(diào)用數(shù)據(jù)采集發(fā)送函數(shù)，該函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)周期性的采集發(fā)送、定義數(shù)據(jù)格式，在接收端必須按照相應(yīng)的規(guī)則才能解析出信息。此外，傳感器網(wǎng)絡(luò)采集節(jié)點(diǎn)還具有檢測協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是否在線的功能，當(dāng)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)因故障不能工作，傳感器節(jié)點(diǎn)將停止周期性的采集發(fā)送，這樣減小了不必要的電量消耗。

2.3 路由節(jié)點(diǎn)程序

路由節(jié)點(diǎn)主要功能是實(shí)現(xiàn)消息的中轉(zhuǎn)作用，解決數(shù)據(jù)傳輸距離問題。路由節(jié)點(diǎn)的工作流程如圖6所示，和采集節(jié)點(diǎn)的流程類似，剛開始搜索網(wǎng)絡(luò)，搜索到網(wǎng)絡(luò)后發(fā)送入網(wǎng)請求，加入網(wǎng)絡(luò)。采集節(jié)點(diǎn)有路由請求時(shí)，路由節(jié)點(diǎn)自動根據(jù)鄰接表的信息選擇路徑最短（跳數(shù)最少）的路由到目標(biāo)地址。

2.4 上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

上位機(jī)的顯示界面如圖7所示，顯示環(huán)境溫度參數(shù)，其他參數(shù)同樣。上位機(jī)界面采用VB語言開發(fā)，通過串口接收協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的消息，解析出有效信息和用來區(qū)分不同設(shè)備的地址信息（IEEE地址），在上位機(jī)上用直觀的折線圖形式反映出監(jiān)控參數(shù)的變化情況。另外還可以將節(jié)點(diǎn)采集信息保存在txt文本文件中，記錄數(shù)據(jù)包含當(dāng)前的時(shí)間、節(jié)點(diǎn)地址信息、數(shù)據(jù)信息以及變化趨勢等。此外系統(tǒng)還可以設(shè)置上限的數(shù)據(jù)和下限的數(shù)據(jù)，當(dāng)溫度超過或低于設(shè)定的域值，折線圖會用醒目的顏色告知用戶，在記錄txt文本中也同樣會記錄該溫度變化趨勢的相應(yīng)提醒。

3 小結(jié)

本設(shè)計(jì)基于CC2530芯片設(shè)計(jì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)溫室監(jiān)控系統(tǒng)，該芯片支持TI公司推出的ZigBee2007協(xié)議，在組網(wǎng)方面具有更優(yōu)越的性能和更高的穩(wěn)定性，數(shù)據(jù)具有更好的可靠性和實(shí)時(shí)性。通過串口，檢測信息傳送到用戶的監(jiān)控電腦中。用戶界面操作簡單、直觀，用戶可以從上位機(jī)方便查看被監(jiān)測信息，該系統(tǒng)具有較好的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1] 金海紅.基于Zigbee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)及其通信的研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，6（5）36-40.

[2] 瞿 雷，劉盛德，胡咸斌.ZigBee技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[3] 王 瑋，樊則賓.基于CC2430的無線溫度檢測終端的設(shè)計(jì)[J].電子工程師，2007，12（5）：78-80.

[4] 呂治安.ZigBee網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用開發(fā)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[5] 劉 青，宋立軍.ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)研究[J].電腦開發(fā)與應(yīng)用，2008，21（6）：44-45，48.

[6] 耿 萌，于宏毅，張效義.ZigBee路由協(xié)議分析與性能評估[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2007，43（26）：116-120.

[7] 金 純，羅祖秋，羅 鳳，等.ZigBee技術(shù)基礎(chǔ)及案例分析[M].北京：國防工業(yè)出版社，2008.

[8] 孫利民，李建中，陳 渝.無線傳感網(wǎng)絡(luò)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005.