3S Market「全球智慧科技應用」市場資訊網: ‧ 基於 ZigBee 網路的蔬菜工廠監控系統

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。

2 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。

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。

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。

3 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。

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。

3.2.2 路由器

在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：

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serialNumber從0x0001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)：

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ID是AF_INCOMING_MSG_CMD，在Zig Bee協議棧中AF_INCOMING_MSG_CMD宏的定義如下：

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ID是AF_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RAM、15個通用I/O口、4個16位定時器、2路PWM、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。

5 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。