cookieOptions = {...}; ‧ 基於 ZigBee 網路的蔬菜工廠監控系統 - 3S Market「全球智慧科技應用」市場資訊網

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2016年7月6日 星期三

來源:武漢工程大學  作者:向 磊,馬建設,劉 鵬,劉向明


隨著農業規模的不斷擴大、自動化程度的不斷提高,全球市場上興起了對農作物生長過程,實施遠端監控的研究,其中無線通信技術的快速發展,為實現實時監控農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、低數據速率等特點,廣泛應用於工業控制、智慧家居、商業建築,以及農業自動化等領域。本文基於ZigBee無線傳感技術,實現了一套基於ZigBee網路的蔬菜工廠監控系統。

1 ZigBee無線傳感技術
ZigBee是一種標準,該標準定義了短距離、低數據傳輸速率,無線通信所需要的一系列通信協議。ZigBee協議標準採用分層結構,每一層為上層提供一系列特殊的服務:數據實體提供數據傳輸服務;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量的服務原語,來實現所需的功能。

Zig Bee協議分為兩個部分,IEEE802.15.4定義了實體層和媒體存取控制層,ZigBee聯盟在此基礎上,定義了網路層和應用層架構,在應用層內提供了應用支持子層和ZigBee設備對象。ZigBee協議棧將各個層定義的協議都集合在一起,以函數的形式實現,並給用戶提供一些應用層API,供用戶調用。

蔬菜工廠監控系統整體控制框架


蔬菜工廠監控系統整體控制框架如圖1所示,由主控機、房間節點監控單元、培菜架節點監控單元3部分組成。在蔬菜工廠裡有多個房間,每個房間裡配置了一個房間節點監控單元,每個房間裡有多個培菜架,每個培菜架上配置了一個培菜架節點監控單元,每個培菜架分為4層。

   基于ZigBee网络的蔬菜工厂监控系统



主控機的功能:1)作為伺服器,接收各房間節點,和培菜架節點的數據並儲存,通過網路瀏覽器實現蔬菜工廠的整體監控;2)在獲得相應權限後,給相關的房間節點,和培菜架節點,發送控制命令或數據採集命令。

房間節點監控單元(包括整體監控單元)的功能:1)房間節點監控單元,負責每個房間的空調控制、二氧化碳濃度採集和電源管理;2)整體監控單元負責中央空調控制、二氧化碳發生器控制,以及整個蔬菜工廠的電源管理。
  

培菜架節點監控單元的功能:1)接收到主控機的數據採集命令後,採集本培菜架的溫度、濕度和圖像數據,並將數據發送給主控機;2)接收到主控機的控制命令後,控制本培菜架的LED燈的亮暗、營養液循環泵和電磁閥的開關等。

   基于ZigBee网络的蔬菜工厂监控系统

蔬菜工廠監控系統,採用如圖2所示的人機交互介面,該交互介面採用網頁瀏覽器實現,用戶可以登錄該瀏覽器,來實現對蔬菜的生長環境,及生長狀況的實時監控。

無線傳輸網路模組


蔬菜工廠監控系統的無線傳輸網路模組如圖3所示,在無線網路中,配置了一個協調器,一個路由器和多個終端節點。協調器通過RS232連接上位機,與其進行通信,路由器用於無線網路數據的路由轉發,終端節點用於各房間,和培菜架的數據和命令的收發。

   基于ZigBee网络的蔬菜工厂监控系统
  
3.1 CC2530單片機
CC2530單片機是一款完全兼容8051內核,同時支持IEEE 802.15.4協議的無線射頻單片機,我們採用CC2530單片機,來搭建無線傳感器網路。

3.2 ZigBee網路中的設備
ZigBee網路中的設備分為3種:1)協調器,主要負責無線網路的建立與維護;2)路由器,主要負責無線網路數據的路由轉發;3)終端節點,主要負責無線網路數據的採集。

ZigBee無線傳感器網路中的三種設備類型,是由ZigBee協議棧不同的編譯選項來選擇的,它們的硬體部分其實都是一樣的,就是協調器多了一個串口,用於和上位機之間的通信。

3.2.1 協調器


協調器流程圖如圖4所示,協調器上電後,會按照編譯時給定的參數,選擇合適的頻道、合適的網路號,建立ZigBee無線網路。然後,等待路由節點和終端節點加入網路後,上位機通過串口給協調器發送命令,協調器將接收到的命令,發送給路由節點和終端節點後,等待和接收返回的數據,判斷返回數據的類型,並執行相應的操作,如果返回的是地址回覆幀,則更新地址列表,如果返回的是確認幀或採集到的數據,則將其通過串口發送給上位機。

   基于ZigBee网络的蔬菜工厂监控系统
3.2.2 路由器
ZigBee無線網路中,路由器是非常重要的節點設備,它不僅完成路由的功能,更重要的是,它在數據的的傳輸過程中起了「接力棒」的作用,大大地拓展了數據傳輸的距離。

路由節點上電後,先進行硬體電路的初始化,然後搜索是否有ZigBee無線網路,如果有則自動加入,然後等待接收數據,接收到數據後對其進行轉發。

路由對於應用層來說,是完全透明的。Z—Stack提供了比較完善的路由算法,應用程序只需將數據下發到協議棧中,協議棧會自己負責尋找路徑,通過多跳的方式,將數據傳送到目的地址。

3.2.3 終端節點
終端節點流程圖如圖4所示。終端節點上電後,先進行硬體電路的初始化,然後搜索是否有ZigBee無線網路,如果有則自動加入,然後等待接收無線數據,解析接收到的無線數據後,向通過485總線連接的STC12LE5204AD單片機,發送相應的命令,等待接收單片機採集的數據,接收到數據後,將其發送給其父節點。

另外,在蔬菜工廠監控系統中,利用每個培菜架節點的串口1,連接的串口攝影機來採集圖像數據,利用房間節點的串口1,連接的二氧化碳傳感器來採集二氧化碳濃度,採集到的數據經協調器發送到上位機。

3.2.4 節點之間的數據發送與接收


在發送數據前需要按照通信協議中,定義的數據幀格式,來構建數據幀,數據幀包括起始字節、幀控制、序列號、目的地址、數據長度、數據載荷以及校驗和等訊息。數據幀採用如下的結構體來定義:

   基于ZigBee网络的蔬菜工厂监控系统
   基于ZigBee网络的蔬菜工厂监控系统
  
對於數據幀DataFrame,起始字節start定義為0x55,保留字節reserred暫定義為0x00,為以後擴展所用,幀控制域frameControl用於表示數據包類型、幀類型以及幀屬性,序列號serialNumber0x0001開始,每發送一個數據包,序列號加1,目的地址dstSddr表示發送數據包的目的地址,數據長度dataLen表示整個數據包的長度,包括數據域和其他域,數據域data[500]用於存放有效載荷數據,校驗和checkSum是將數據包,除了checkSum外所有字節的數據相加,然後對256x256取餘,校驗和用於遠距離通信中保證數據的準確性與完整性。

當需要進行節點之間的數據發送時,可以定義一個事件,在事件處理函數裡,實現數據的發送。
定義一個事件的方法如下:

  #define SEND_DATA_EVENT 0x01;

然後在任務事件處理函數中對該事件作出響應,可以使用如下代碼實現:

  if(events&SEND_DATA_EVENT)
  {//在此添加相應的數據發送工作即
可,returm(events'SEND_DATA_EVENT);}



數據發送時,只需調用數據發送函數AF_DataRequest()即可,該函數會調用協議棧裡,與硬體相關的函數,最終將數據通過天線發送出去,這裡面涉及對射頻模塊的操作,比如打開發射機、調整發射機的發送功率等,這些協議棧已經實現了,不需要自己去寫代碼實現,只需知道AF_DataRequest()函數的使用方法即可,發送數據可以使用如下的代碼實現(下面例子是以向協調器發送單播數據為例)
   基于ZigBee网络的蔬菜工厂监控系统

當接收到數據後,操作系統會將該數據封裝成一個消息,然後放入消息隊列中,每個消息都有自己的消息ID,標識接收到新數據的消息的IDAF_INCOMING_MSG_CMD,在Zig Bee協議棧中AF_INCOMING_MSG_CMD宏的定義如下:

   基于ZigBee网络的蔬菜工厂监控系统

當路由器接收到協調器,或終端節點發送來的數據後,首先使用osal_msg_receive函數,從消息隊列中接收一個消息,然後使用switch-case語句,對消息類型進行判斷(判斷消息ID),如果消息IDAF_INCOMING_MSG_CMD,調用處理函數GenericApp_MessageMSGCB(),在該函數中,對接收到的數據進行處理。

4 STC12LE5204AD單片機控制和數據採集模組
在蔬菜工廠監控系統中,採用STC12LE5204AD單片機作為控制和數據採集模組。單片機控制和數據採集模組為一485主從機模型,主機為培菜架上的ZigBee無線網路的終端節點,從機為STC12LE5204AD單片機,主機會依次給STC12LE5204AD單片機發送控制命令或數據採集命令,STC12LE5204AD單片機接收到命令後,執行相應操作,並返回數據給主機。

在培菜架的每層配置一個STC12LE5204AD單片機,負責該層的數據採集和執行控制命令。

4.1 STC12LE5204AD單片機
STC12LE5204AD單片機採用增強型8051CPU,片上整合4K字節用戶應用程序空間和256字節RAM15個通用I/O口、416位定時器、2PWM、高速A/D轉換、通用全雙工異步串行口等。

4.2 STC12LE5204AD單片機模組
在蔬菜工廠監控系統中,利用STC12LE5204AD單片機的P3_5,和P3_7兩路8PWM,來控制培菜架LED燈板的白燈和紅燈的亮暗程度。通過P1_3口控制營養液循環泵的開關,來控制營養液循環系統。通過P1_2口控制電磁閥的開關,來控制排水系統。通過P1_6口連接的溫濕度傳感器,來採集溫濕度。

實驗結果
將協調器、路由器、終端節點和培菜架依次上電,上位機通過串口調試軟體,向協調器發送控制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生變化,並且上位機收到一個確認幀「55 00 09 00 01 00 01 04 0C 00 70 00」。上位機通過串口調試軟體向協調器發送採集溫濕度命令,會收到採集到的溫濕度數據「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。


通過串口調試軟體,定時每500ms發送一次採集溫濕度命令,可以觀察到數據傳輸過程中,沒有出現丟包現象,而且採集到的數據值準確。此外上位機還能發送相應命令來採集二氧化碳濃度、圖片數據和控制二氧化碳發生器、營養液循環泵和電磁閥的開關。


結語

蔬菜工廠監控系統基於ZigBee無線傳感器網路,以CC2530單片機和STC12LE5204AD單片機為硬體平台,基於ZigBee 2007協議棧,在IAR開發環境下進行軟體開發。實驗結果表明該系統具有良好的可靠性和穩定性,能夠實現對蔬菜生長環境的實時監控,達到了預期的設計要求。

                                                                                                                                                                                                                            



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