基于ZigBee的大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計

引言

大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)實時地對大棚的溫度、濕度等環(huán)境因素進行檢測，減少了種植人員的工作量；及時地對不利環(huán)境進行報警，減少了因為人工疏忽而造成的農作物減產的情況；記錄大棚各個時段的環(huán)境數(shù)據(jù)，方便農民對農作物的生長情況作出更全面的了解，方便農民控制大棚環(huán)境，使之利于農作物的生長。對大棚溫室的控制與管理是農業(yè)自動化生產的重要領域。目前，絕大多數(shù)的溫室控制系統(tǒng)的信號傳播方式都是有線傳輸，大量的布線不可避免。有線傳輸布線復雜，布線成本高，大棚內的環(huán)境溫濕度都比較高，使得系統(tǒng)的抗干擾性和可靠性降低，后期的維護難度比較大。而采用無線傳輸方式可以有效地解決以上問題。

本文設計的大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，使用單片機和溫濕度傳感器組成數(shù)據(jù)采集節(jié)點，采用無線射頻CC2530(ZigBee)技術進行數(shù)據(jù)傳輸，上位機開發(fā)則采用VisualBasic.NET和Access數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，將無線節(jié)點所采集到的溫濕度信息實時地顯示到系統(tǒng)界面，從而達到對溫度監(jiān)測的目的。

1ZigBee技術簡介

ZigBee是一種便宜的、低功耗的近距離無線組網(wǎng)通信技術，它有可能運用于幾乎所有行業(yè)的低速率、短距離的無線通信，近些年多應用于智能家居、工業(yè)應用、智能交通、智能建筑和醫(yī)院應用等。ZigBee的顯著特點就是低速率、低功耗、低成本、自配置和靈活的網(wǎng)絡拓撲結構。由于ZigBee技術的傳輸速率低，傳輸數(shù)據(jù)量很小，因此信號的收發(fā)時間短；而在非工作模式中，ZigBee節(jié)點又處于休眠狀態(tài)，所以ZigBee節(jié)點非常省電。由于ZigBee協(xié)議棧相對于其他無線傳輸技術要簡單得多，降低了對控制器的要求，因此可以采用8位單片機和規(guī)模很小的存儲器，很大程度上減小了系統(tǒng)開發(fā)的成本。在可通信的距離內，ZigBee通過網(wǎng)絡協(xié)調器自動建立網(wǎng)絡,采用CSMA-CA方式進行信道接入；節(jié)點設備可以隨意地加入和退出，是一種自組織、自配置的組網(wǎng)方式。ZigBee有多重網(wǎng)絡拓撲結構，可以根據(jù)不同的需求使用相應的拓撲結構,具有較強的靈活性。

2系統(tǒng)結構設計

本系統(tǒng)由終端節(jié)點、協(xié)調器（也稱為ZigBee網(wǎng)關）和數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)組成。終端節(jié)點對溫濕度實時采集，經(jīng)過C51單片機處理后上傳到ZigBee無線網(wǎng)絡。其中，每個ZigBee模塊還具有中繼功能，以免因距離過遠無法傳輸。數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)采用VB.NET開發(fā)人機界面。如圖1所示，ZigBee模塊負責收集大棚溫度數(shù)據(jù)、濕度數(shù)據(jù)并進行無線發(fā)送，避免了布線的麻煩，與其配套的上位機軟件是一個擁有良好界面的數(shù)據(jù)監(jiān)控和存儲中心。下位機主要完成數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送,上位機完成數(shù)據(jù)的分析和存儲。本系統(tǒng)中ZigBee終端節(jié)點上裝有溫濕度傳感器，負責采集大棚溫濕度數(shù)據(jù)，而ZigBee模塊負責通過無線網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)信息，ZigBee網(wǎng)關節(jié)點負責收集終端節(jié)點的信息并通過RS232傳輸給上位機，上位機系統(tǒng)需要實現(xiàn)溫濕度數(shù)據(jù)的實時顯示以及數(shù)據(jù)的存儲、查詢、刪除等功能。

3 系統(tǒng)硬件結構組成

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)硬件裝置由終端節(jié)點和協(xié)調器兩大部分組成，系統(tǒng)結構圖如圖2所示。通常一套裝置只有一個協(xié)調器,其主要包括微控制器、射頻收發(fā)單元、無線節(jié)點和電源模塊以及接口單元。在系統(tǒng)的硬件選擇上，主要從溫濕度的精確度、檢測范圍和經(jīng)濟適用度方面進行考慮。筆者主要采用集成的溫濕度傳感器以及CC2530作為ZigBee模塊。

本系統(tǒng)下位機終端節(jié)點包括溫濕度傳感器、單片機和ZigBee模塊。將終端節(jié)點按用戶要求放置到大棚中，溫濕度傳感器將大棚環(huán)境信息收集上來，通過IIC總線將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊TC12LE5204AD單片機進行數(shù)據(jù)處理。因為STC12LE5204AD沒有IIC接口，所以本系統(tǒng)采用IO接口進行模擬叫單片機將處理過的數(shù)據(jù)信息傳輸給ZigBee模塊，該模塊將數(shù)據(jù)在無線網(wǎng)絡中按照ZigBee網(wǎng)絡協(xié)議傳輸?shù)阶鳛閆igBee網(wǎng)關的協(xié)調器，再通過RS232串口傳輸?shù)缴衔粰C，進行數(shù)據(jù)處理等操作。當終端節(jié)點距離協(xié)調器過遠，無法將信息直接傳送到協(xié)調器時，可以自主地轉送到其他終端節(jié)點進行數(shù)據(jù)中繼，進而傳輸?shù)絽f(xié)調器中。

4系統(tǒng)軟件設計

計算機上位機監(jiān)測軟件在MicrosoftVisualStudio2008環(huán)境下開發(fā)，系統(tǒng)將下位機收集到的溫濕度信息交給Access數(shù)據(jù)庫進行標準化管理。種植者可以通過計算機監(jiān)測軟件查詢大棚環(huán)境歷史信息，通過監(jiān)測界面監(jiān)測到大棚溫濕度的實時變化，能夠設置大棚環(huán)境的報警閾值和下位機匹配的硬件參數(shù)等。

4.1數(shù)據(jù)接收模塊

為了使下位機采集到的數(shù)據(jù)可以傳輸?shù)缴衔粰C，需要編寫串口通信程序進行串口通信。在MicrosoftVisualStudio2008中編寫串口通信程序，一般都使用MicrosoftCommunicationControK簡稱MSComm）的通信控件，只要通過對此控件的屬性和事件進行相應編程操作，就可以輕松地實現(xiàn)串口通信。但是，VisualStudio.Net沒有將此控件加入控件庫，所以人們采用了其他方法在VisualStudio.Net來編寫串口通信程序，本系統(tǒng)利用SerialPort類進行串口編程。本系統(tǒng)需要實現(xiàn)下位機參數(shù)可以靈活匹配的功能，可以通過編寫相應程序得以實現(xiàn)。

設計時，應首先打開串口連接；判斷下位機參數(shù)是否已正確選擇，下位機參數(shù)有五個，都需要進行判斷；之后便可與下位機參數(shù)進行匹配，設置串口參數(shù)；再建立串口通信事件；最后接收數(shù)據(jù)信息。下面是其部分代碼：

PrivateSubSerialPort1_DataReceived（ByValsenderAsSystem.Object，ByValeAsSystem.IO.Ports.SerialDataReceivedEventArgs）HandlesSerialPort1.DataReceived

'引入SerialPort類，接收數(shù)據(jù)HOneData（第一個節(jié)點的濕度）等三組六個數(shù)據(jù)

DimbyteToReadAsInt16=SerialPort1.BytesToRead（）

IfbyteToRead=21Then

Dimch(byteToRead)AsByte

DimbytesReadAsInt16=0

bytesRead=SerialPort1.Read(ch,0,byteToRead)'用來存放接收到的數(shù)據(jù)

Ifch(0)=170Andch(1)=85Then'判斷讀取下位機數(shù)據(jù)的長度是否為有效的

HOneData=CLng("&H"&Hex(ch(2)&ch(3)))/10'十六進制轉成十進制(前面的)，并且小數(shù)點向左進一位(除以10)

圖3所示是其數(shù)據(jù)接收模塊流程圖。

4.2數(shù)據(jù)處理模塊

環(huán)境數(shù)據(jù)信息從下位機通過RS232串口傳輸?shù)缴衔粰C系統(tǒng)，需要進行分析、轉換等操作。數(shù)據(jù)按照規(guī)定的幀格式傳輸,每幀包含3個數(shù)據(jù)，分別為節(jié)點編號、溫度數(shù)據(jù)、濕度數(shù)據(jù),均以十六進制形式表示。上位機接收到數(shù)據(jù)后，分離其中的數(shù)據(jù)位，依次取出節(jié)點編號、溫度數(shù)據(jù)、濕度數(shù)據(jù)中的值，進行十六進制數(shù)據(jù)轉換成十進制數(shù)據(jù)的操作后，保存到數(shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)處理模塊的流程圖如圖4所示。下面是其部分代碼：

ImportsSystem.Data.OleDb'弓|用access控件

PublicLHGconnAsNewOleDb.OleDbConnection(

"provider=microsoft.jet.oledb.4.0；"&"datasource="&

My.Application.Info.DirectoryPath&"\NewData.mdb；")'打

開數(shù)據(jù)庫，路徑為相對路徑

Try

IfLHGconn.State<>ConnectionState.ClosedThenLHGconn.Close()

LHGconn.Open()

CallRAlarm()'數(shù)據(jù)庫連接，錯誤則報警

4.3數(shù)據(jù)顯示模塊

數(shù)據(jù)顯示模塊是整個監(jiān)測系統(tǒng)中最重要的模塊，需要將接收到的下位機數(shù)據(jù)以實時波動曲線的形式展示給種植者，該模塊使用.NETFramweork構架中提供的GDI+類庫進行繪圖。系統(tǒng)界面中設計兩個坐標軸，分別用來顯示溫度數(shù)據(jù)和濕度數(shù)據(jù)。系統(tǒng)獲取從下位機接收到的數(shù)據(jù)在坐標軸中進行繪圖，獲取到的十六進制數(shù)據(jù)信息通過分析處理轉化為十進制數(shù)據(jù),再通過數(shù)學計算，確定該數(shù)據(jù)信息在坐標軸上的坐標值。將相鄰兩個坐標點用畫線的方法連接起來，則形成了實時顯示的曲線。使用Bitmap類，用來封裝GDI+位圖，此位圖由圖形圖像及其屬性的像素數(shù)據(jù)組成。Bitmap是用于處理由像素數(shù)據(jù)定義的圖像的對象，相當于定義畫布。使用Graphics對象所提供的Graphics.FromImage方法從指定的Image創(chuàng)建新的Graphics,相當于定義了一個畫筆，使用picturebox控件來顯示所繪制的圖形和圖像。

5結語

基于ZigBee的大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)的是溫度和濕度數(shù)據(jù)的無線檢測，具有數(shù)據(jù)傳輸可靠、組網(wǎng)簡單靈活、設備成本低等特點。本系統(tǒng)能夠實時采集環(huán)境數(shù)據(jù)，將大棚環(huán)境信息及時地傳遞給用戶，用戶可以及時地掌握大棚環(huán)境，從而對環(huán)境進行調節(jié)與控制，避免因為人為疏忽造成的農作物減產等不良影響，符合農業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的需求，具有一定的應用價值。

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