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、主控節(jié)點及上位監(jiān)控機(jī)。開發(fā)了監(jiān)測過程的通信協(xié)議；實現(xiàn)了對多點環(huán)境參數(shù)的遠(yuǎn)程無線實時采集、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點狀況的監(jiān)測和可視化上位機(jī)監(jiān)控。運行結(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，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，實現(xiàn)了對多點環(huán)境參數(shù)的遠(yuǎn)程無線實時采集、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點狀況的監(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、主控節(jié)點及上位監(jiān)控機(jī)，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　主控節(jié)點與上位監(jiān)控機(jī)通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)了對各采集節(jié)點的控制與管理。數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點主要配合主控節(jié)點完成對本地環(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，用戶有時需要實時地監(jiān)測溫室環(huán)境參數(shù)，所以需要實時地采集環(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)的實時采集，進(jìn)行手動單次采集。為確保網(wǎng)絡(luò)節(jié)點穩(wěn)定工作，需要監(jiān)測每個節(jié)點的工作電壓。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。對于以上要求，本文的設(shè)計目標(biāo)如下：

　?。?）主控節(jié)點能周期性地采集到各采集節(jié)點所處地區(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)；

　　（2）在不需要周期性實時采集時，主控節(jié)點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)點一個定時周期采集命令，主控節(jié)點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)點通過osal_start_timerEx（）系統(tǒng)函數(shù)給主控節(jié)點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)點一個手動采集命令，主控節(jié)點檢查命令是否正確，若正確，則主控節(jié)點通過AF_DataRequest（）系統(tǒng)函數(shù)向終端節(jié)點發(fā)送單次采集命令。主控節(jié)點等待接收各終端節(jié)點采集到的環(huán)境參數(shù)信息，并把環(huán)境參數(shù)信息寫進(jìn)串口。

　?。?）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點監(jiān)測：主控節(jié)點上電后會周期性地廣播測試消息，并等待接收終端節(jié)點回發(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)點軟件設(shè)計

　?。?）周期性環(huán)境參數(shù)采集：終端節(jié)點接收到主控節(jié)點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。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。

　?、倌M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，表明實測溫度低于零度。

　　（2）手動單次環(huán)境參數(shù)采集：終端節(jié)點接收到主控節(jié)點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。

　?。?）網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)監(jiān)測：終端節(jié)點接收到主控節(jié)點的檢測信息后，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)，實現(xiàn)對串口的操作。

　　（1）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、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、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)。

　?。?）實時環(huán)境參數(shù)曲線繪制模塊：實時環(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)點狀態(tài)顯示模塊主要由判斷節(jié)點正常工作模塊、節(jié)點地址顯示模塊、節(jié)點工作電壓顯示模塊等組成。該模塊主要是分析主控節(jié)點送上來的網(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)點是否正常工作，畫出節(jié)點狀態(tài)圖。

　　整個系統(tǒng)的工作流程圖如圖3所示。

3 實際運行效果

　　當(dāng)上位監(jiān)控機(jī)給主控節(jié)點一個定時采集周期，監(jiān)控機(jī)上就能定時顯示出各節(jié)點所處環(huán)境的參數(shù)信息，運行結(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)的實時曲線。點擊打開圖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。點擊打開第三個屬性頁，形象地顯示各節(jié)點環(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，運行效果圖如圖7所示。

　　人為地關(guān)閉第4個節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)圖上的第4個節(jié)點顏色變灰。由此看出主控節(jié)點可以檢測網(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。大量實驗測試表明，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，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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