基于ZigBee網(wǎng)絡的蔬菜工廠監(jiān)控系統(tǒng)
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隨著農(nóng)業(yè)規(guī)模的不斷擴大、自動化程度的不斷提高,國內(nèi)外興起了對農(nóng)作物生長過程實施遠程監(jiān)控的研究,其中無線通信技術的快速發(fā)展為實現(xiàn)實時監(jiān)控農(nóng)作物生長提供了可能。ZigBee技術具有高可靠性、低成本、低功耗、高安全性、低數(shù)據(jù)速率等特點,廣泛應用于工業(yè)控制、智能家居、商業(yè)樓宇以及農(nóng)業(yè)自動化等領域。本文基于ZigBee無線傳感技術,實現(xiàn)了一套基于ZigBee網(wǎng)絡的蔬菜工廠監(jiān)控系統(tǒng)。
1 ZigBee無線傳感技術
ZigBee是一種標準,該標準定義了短距離、低數(shù)據(jù)傳輸速率無線通信所需要的一系列通信協(xié)議。ZigBee協(xié)議標準采用分層結(jié)構(gòu),每一層為上層提供一系列特殊的服務:數(shù)據(jù)實體提供數(shù)據(jù)傳輸服務;管理實體提供所有其他的服務,所有的服務實體都通過服務接入點為上層提供接口,每個服務接入點都支持一定數(shù)量的服務原語來實現(xiàn)所需的功能。Zig Bee協(xié)議分為兩個部分,IEEE802.15.4定義了物理層和媒體訪問控制層,ZigBee聯(lián)盟在此基礎上定義了網(wǎng)絡層和應用層架構(gòu),在應用層內(nèi)提供了應用支持子層和ZigBee設備對象。ZigBee協(xié)議棧將各個層定義的協(xié)議都集合在一起,以函數(shù)的形式實現(xiàn),并給用戶提供一些應用層API,供用戶調(diào)用。
2 蔬菜工廠監(jiān)控系統(tǒng)整體控制框架
蔬菜工廠監(jiān)控系統(tǒng)整體控制框架如圖1所示,由主控機、房間節(jié)點監(jiān)控單元、培菜架節(jié)點監(jiān)控單元3部分組成。在蔬菜工廠里有多個房間,每個房間里配置了一個房間節(jié)點監(jiān)控單元,每個房間里有多個培菜架,每個培菜架上配置了一個培菜架節(jié)點監(jiān)控單元,每個培菜架分為4層。
主控機的功能:1)作為服務器,接收各房間節(jié)點和培菜架節(jié)點的數(shù)據(jù)并存儲,通過網(wǎng)絡瀏覽器實現(xiàn)蔬菜工廠的整體監(jiān)控;2)在獲得相應權限后,給相關的房間節(jié)點和培菜架節(jié)點發(fā)送控制命令或數(shù)據(jù)采集命令。
房間節(jié)點監(jiān)控單元(包括整體監(jiān)控單元)的功能:1)房間節(jié)點監(jiān)控單元負責每個房間的空調(diào)控制、二氧化碳濃度采集和電源管理;2)整體監(jiān)控單元負責中央空調(diào)控制、二氧化碳發(fā)生器控制以及整個蔬菜工廠的電源管理。
培菜架節(jié)點監(jiān)控單元的功能:1)接收到主控機的數(shù)據(jù)采集命令后,采集本培萊架的溫度、濕度和圖像數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)發(fā)送給主控機;2)接收到主控機的控制命令后,控制本培菜架的LED燈的亮暗、營養(yǎng)液循環(huán)泵和電磁閥的開關等。
蔬菜工廠監(jiān)控系統(tǒng)采用如圖2所示的人機交互界面,該交互界面采用網(wǎng)頁瀏覽器實現(xiàn),用戶可以登錄該瀏覽器來實現(xiàn)對蔬菜的生長環(huán)境及生長狀況的實時監(jiān)控。
3 無線傳輸網(wǎng)絡模塊
蔬菜工廠監(jiān)控系統(tǒng)的無線傳輸網(wǎng)絡模塊如圖3所示,在無線網(wǎng)絡中,配置了一個協(xié)調(diào)器,一個路由器和多個終端節(jié)點。協(xié)調(diào)器通過RS232連接上位機,與其進行通信,路由器用于無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的路由轉(zhuǎn)發(fā),終端節(jié)點用于各房間和培菜架的數(shù)據(jù)和命令的收發(fā)。
3.1 CC2530單片機
CC2530單片機是一款完全兼容8051內(nèi)核,同時支持IEEE 802.15.4協(xié)議的無線射頻單片機,我們采用CC2530單片機來搭建無線傳感器網(wǎng)絡。
3.2 ZigBee網(wǎng)絡中的設備
ZigBee網(wǎng)絡中的設備分為3種:1)協(xié)調(diào)器,主要負責無線網(wǎng)絡的建立與維護;2)路由器,主要負責無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的路由轉(zhuǎn)發(fā);3)終端節(jié)點,主要負責無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的采集。
ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡中的三種設備類型是由ZigBee協(xié)議棧不同的編譯選項來選擇的,它們的硬件部分其實都是一樣的,就是協(xié)調(diào)器多了一個串口,用于和上位機之間的通信。
3.2.1 協(xié)調(diào)器
協(xié)調(diào)器流程圖如圖4所示,協(xié)調(diào)器上電后,會按照編譯時給定的參數(shù),選擇合適的信道、合適的網(wǎng)絡號,建立ZigBee無線網(wǎng)絡。然后,等待路由節(jié)點和終端節(jié)點加入網(wǎng)絡后,上位機通過串口給協(xié)調(diào)器發(fā)送命令,協(xié)調(diào)器將接收到的命令發(fā)送給路由節(jié)點和終端節(jié)點后,等待和接收返回的數(shù)據(jù),判斷返回數(shù)據(jù)的類型并執(zhí)行相應的操作,如果返回的是地址回復幀,則更新地址列表,如果返回的是確認幀或采集到的數(shù)據(jù),則將其通過串口發(fā)送給上位機。
3.2.2 路由器
在ZigBee無線網(wǎng)絡中,路由器是非常重要的節(jié)點設備,它不僅完成路由的功能,更重要的是,它在數(shù)據(jù)的的傳輸過程中起了“接力棒”的作用,大大地拓展了數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x。路由節(jié)點上電后,先進行硬件電路的初始化,然后搜索是否有ZigBee無線網(wǎng)絡,如果有則自動加入,然后等待接收數(shù)據(jù),接收到數(shù)據(jù)后對其進行轉(zhuǎn)發(fā)。路由對于應用層來說是完全透明的。Z—Stack提供了比較完善的路由算法,應用程序只需將數(shù)據(jù)下發(fā)到協(xié)議棧中,協(xié)議棧會自己負責尋找路徑,通過多跳的方式將數(shù)據(jù)傳送到目的地址。
3.2.3 終端節(jié)點
終端節(jié)點流程圖如圖4所示。終端節(jié)點上電后,先進行硬件電路的初始化,然后搜索是否有ZigBee無線網(wǎng)絡,如果有則自動加入,然后等待接收無線數(shù)據(jù),解析接收到的無線數(shù)據(jù)后,向通過485總線連接的STC12LE5204AD單片機發(fā)送相應的命令,等待接收單片機采集的數(shù)據(jù),接收到數(shù)據(jù)后將其發(fā)送給其父節(jié)點。另外,在蔬菜工廠監(jiān)控系統(tǒng)中,利用每個培菜架節(jié)點的串口1連接的串口攝像頭來采集圖像數(shù)據(jù),利用房間節(jié)點的串口1連接的二氧化碳傳感器來采集二氧化碳濃度,采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)協(xié)調(diào)器發(fā)送到上位機。
3.2.4 節(jié)點之間的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收
在發(fā)送數(shù)據(jù)前需要按照通信協(xié)議中定義的數(shù)據(jù)幀格式來構(gòu)建數(shù)據(jù)幀,數(shù)據(jù)幀包括起始字節(jié)、幀控制、序列號、目的地址、數(shù)據(jù)長度、數(shù)據(jù)載荷以及校驗和等信息。數(shù)據(jù)幀采用如下的結(jié)構(gòu)體來定義:
對于數(shù)據(jù)幀DataFrame,起始字節(jié)start定義為0x55,保留字節(jié)reserred暫定義為0x00,為以后擴展所用,幀控制域frameControl用于表示數(shù)據(jù)包類型、幀類型以及幀屬性,序列號serialNumber從0x0001開始,每發(fā)送一個數(shù)據(jù)包,序列號加1,目的地址dstSddr表示發(fā)送數(shù)據(jù)包的目的地址,數(shù)據(jù)長度dataLen表示整個數(shù)據(jù)包的長度,包括數(shù)據(jù)域和其他域,數(shù)據(jù)域data[500]用于存放有效載荷數(shù)據(jù),校驗和checkSum是將數(shù)據(jù)包除了checkSum外所有字節(jié)的數(shù)據(jù)相加,然后對256x256取余,校驗和用于遠距離通信中保證數(shù)據(jù)的準確性與完整性。
當需要進行節(jié)點之間的數(shù)據(jù)發(fā)送時,可以定義一個事件,在事件處理函數(shù)里實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送。
定義一個事件的方法如下:
#define SEND_DATA_EVENT 0x01;
然后在任務事件處理函數(shù)中對該事件作出響應,可以使用如下代碼實現(xiàn):
if(events&SEND_DATA_EVENT)
{
//在此添加相應的數(shù)據(jù)發(fā)送工作即可
returm(events'SEND_DATA_EVENT);
}
數(shù)據(jù)發(fā)送時,只需調(diào)用數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)AF_DataRequest()即可,該函數(shù)會調(diào)用協(xié)議棧里與硬件相關的函數(shù)最終將數(shù)據(jù)通過天線發(fā)送出去,這里面涉及對射頻模塊的操作,比如打開發(fā)射機、調(diào)整發(fā)射機的發(fā)送功率等,這些協(xié)議棧已經(jīng)實現(xiàn)了,不需要自己去寫代碼實現(xiàn),只需知道AF_DataRequest()函數(shù)的使用方法即可,發(fā)送數(shù)據(jù)可以使用如下的代碼實現(xiàn)(下面例子是以向協(xié)調(diào)器發(fā)送單播數(shù)據(jù)為例):
當接收到數(shù)據(jù)后,操作系統(tǒng)會將該數(shù)據(jù)封裝成一個消息,然后放入消息隊列中,每個消息都有自己的消息ID,標識接收到新數(shù)據(jù)的消息的ID是AF_INCOMING_MSG_CMD,在Zig Bee協(xié)議棧中AF_INCOMING_MSG_CMD宏的定義如下:
當路由器接收到協(xié)調(diào)器或終端節(jié)點發(fā)送來的數(shù)據(jù)后,首先使用osal_msg_receive函數(shù)從消息隊列中接收一個消息,然后使用switch-case語句對消息類型進行判斷(判斷消息ID),如果消息ID是AF_INCOMING_MSG_CMD,調(diào)用處理函數(shù)GenericApp_MessageMSGCB(),在該函數(shù)中,對接收到的數(shù)據(jù)進行處理。
4 STC12LE5204AD單片機控制和數(shù)據(jù)采集模塊
在蔬菜工廠監(jiān)控系統(tǒng)中,采用STC12LE5204AD單片機作為控制和數(shù)據(jù)采集模塊。單片機控制和數(shù)據(jù)采集模塊為一485主從機模型,主機為培菜架上的ZigBee無線網(wǎng)絡的終端節(jié)點,從機為STC12LE5204AD單片機,主機會依次給STC12LE5204AD單片機發(fā)送控制命令或數(shù)據(jù)采集命令,STC12LE5204AD單片機接收到命令后執(zhí)行相應操作并返回數(shù)據(jù)給主機。在培菜架的每層配置一個STC12LE5204AD單片機,負責該層的數(shù)據(jù)采集和執(zhí)行控制命令。
4.1 STC12LE5204AD單片機
STC12LE5204AD單片機采用增強型8051CPU,片上集成4K字節(jié)用戶應用程序空間和256字節(jié)RAM、15個通用I/O口、4個16位定時器、2路PWM、高速A/D轉(zhuǎn)換、通用全雙工異步串行口等。
4.2 STC12LE5204AD單片機模塊
在蔬菜工廠監(jiān)控系統(tǒng)中,利用STC12LE5204AD單片機的P3_5和P3_7兩路8位PWM來控制培菜架LED燈板的白燈和紅燈的亮暗程度。通過P1_3口控制營養(yǎng)液循環(huán)泵的開關,來控制營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)。通過P1_2口控制電磁閥的開關,來控制排水系統(tǒng)。通過P1_6口連接的溫濕度傳感器來采集溫濕度。
5 實驗結(jié)果
將協(xié)調(diào)器、路由器、終端節(jié)點和培菜架依次上電,上位機通過串口調(diào)試軟件向協(xié)調(diào)器發(fā)送控制LED燈命令,可以觀察到培菜架上燈板的紅燈和白燈的亮度發(fā)生變化,并且上位機收到一個確認幀“55 00 09 00 01 00 01 04 0C 00 70 00”。上位機通過串口調(diào)試軟件向協(xié)調(diào)器發(fā)送采集溫濕度命令,會收到采集到的溫濕度數(shù)據(jù)“55 00 05 80 01 00 01 04 18 00 01 15 24 02 13 25 03 13 2E 04 12 2F F5 01”,“01 04”表示04號房間的培菜架1,“01 15 24”表示培菜架第一層的溫濕度,“02 13 25"表示培菜架第二層的溫濕度。通過串口調(diào)試軟件定時每500ms發(fā)送一次采集溫濕度命令,可以觀察到數(shù)據(jù)傳輸過程中沒有出現(xiàn)丟包現(xiàn)象,而且采集到的數(shù)據(jù)值準確。此外上位機還能發(fā)送相應命令來采集二氧化碳濃度、圖片數(shù)據(jù)和控制二氧化碳發(fā)生器、營養(yǎng)液循環(huán)泵和電磁閥的開關。
6 結(jié)束語
蔬菜工廠監(jiān)控系統(tǒng)基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡,以CC2530單片機和STC12LE5204AD單片機為硬件平臺,基于ZigBee 2007協(xié)議棧,在IAR開發(fā)環(huán)境下進行軟件開發(fā)。實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)具有良好的可靠性和穩(wěn)定性,能夠?qū)崿F(xiàn)對蔬菜生長環(huán)境的實時監(jiān)控,達到了預期的設計要求。