ZigBee无线传感网络光照度监控系统设计

0 引言

随着农业科技的快速发展。农业信息获取是农业信息化建设的重要组成部分。其中的信息采集和控制技术是不可缺少的重要环节。除了温湿度数据采集之外，农作物生长需要进行光合作用。因此调节适宜的光照度对于提高农作物产量和品质起着至关重要作用田。然而传统的光照度监控系统采用人工监测和控制。具有施工成本高、不易扩展，同时有线传输面临布线复杂，维护升级困难等。随着ZigBee无线数传传感网络通信技术的快速发展。本文提出一种基于Windows CE平台和ZigBee无线模块传感网络技术对农作物的光照度进行实时监控的设计方案。通过基于ZigBee协议的CC2530单片机和光照度传感器及执行节点结合。可以实现光照度的自动监测和控制功能。

1 系统总体设计和工作流程

1．1    总体设计

为了提高传统农业种植环境监控系统的灵活性和可扩展性，使光照度监控系统更加模块化。在本系统设计中采用ZigBee无线模块通信方式。系统中的网关模块配置Windows CE嵌入式操作系统。改变以往网关附加进程较多、响应慢的问题。此外，系统网关附带Window图形管理界面。一方面为用户提供更直观地光照度数据信息和光照设备的工作状态。另一方面可以通过触摸屏控制和调节所处环境的光照度。系统采用开环控制方式进行控制，系统分为光照度数据采集、嵌入式网关数据处理和光照度控制三大部分。依次完成ZigBee无线数据采集、处理和光照度调节。系统总体结构见图1。

图1 光照度监控系统架构组成

1．2系统工作流程

首先由ZigBee无线数传协调器建立通信网络，然后ZigBee无线数传传感器节点和ZigBee执行节点分别加入该通信网络，这样就可以方便ZigBee协调器和ZigBee传感器节点及ZigBee执行节点之间的数据通信。完成光照度数据的采集、处理和调节，以实现光照度自动监控。

1．2．1光照度ZigBee无线数据采集部分

ZigBee传感器节点在加入ZigBee网络成功之后。周期性的通过ADC方式采集光照度传感器数据，该数据即反映了光照度。然后进行数据分析处理。处理的方法是将采集的数据和设定的阀值进行大小比较。若这个数据大于阀值f光照度偏暗)则向协调器无线发送开灯命令。否则发送关灯命令。

1．2．2嵌入式网关数据处理部分

ZigBee协调器节点可以接收来自ZigBee传感器节点和ZigBee执行节点发送的数据信息。根据接收的数据判断是光照度传感器ZigBee无线数传节点发送的命令字还是ZigBee执行节点发送的控制状态。

    若是前者。则直接转发命令字到执行节点：若是后者。则将执行器节点的地址保存下来，以便ZigBee协调器节点向ZigBee执行节点发送控制命令时用。

1．2．3光照度控制部分

ZigBee数传模块执行节点在加入ZigBee无线数传网络成功之后。循环周期性的向ZigBee协调器节点发送自己的控制状态。在整个系统中只有协调器节点会向ZigBee执行节点发送数据。当协调器节点有控制命令发送到执行节点时。执行节点接收并执行该命令，以便完成开灯和关灯操作。

2 系统的硬件设计

2．1 嵌入式网关模块硬件设计本系统中，硬件设计主要有嵌入式网关模块、光照度数据采集模块和光照度控制模块设计。嵌入式网关硬件结构如图2所示。

图2 嵌入式网关硬件结构示意图

网关模块处理器核心采用ARMll76JZF-S内核的$3C6410。它是一款三星公司推出的一个16／32位RISC微处理器。MMU支持WinCE、Linux、Android等操作系统。为移动设备和3G通信提供低功耗、性能高的应用处理器解决方案[31。

    利用S3C6410的RS232连接协调器ZigBee无线模块。协调器ZigBee无线模块采用德州仪器公司的CC2530芯片。CC2530已经在内部固化了ZigBee协议栈的物理层和MAC层。它不仅结合了领先的RF收发器的优良性能。而且能够以很低的材料成本建立强大的网络节点。CC2530具有不同的运行模式，使得它能够适应超低功耗要求的系统。本系统CC2530只需配置简单的外围设备就可以组成协调器的收发模块。更好地提供了一个真正的片上系统解决方案。

    存储模块采用K9F1216UOA(128MB)和K4Sf64MBl分别作为系统的Nand Flash和SDRAM。LCD显示模块选用四线电阻式触摸屏接口，可以直接连接四线电阻触摸屏。

2．2光照度ZigBee无线模块硬件设计

光照度ZigBee无线数据采集模块包括ZigBee数传模块传感节点和光敏传感器。ZigBee数传模块传感节点和后面的ZigBee执行节点也是选用德州仪器公司的CC2530芯片。光敏传感器使用光敏电阻搭载ZigBee智能传感器底板。用于光的测量、控制及光电转换。当光照度增强时，光敏电阻的阻值会减小。经过电路转换将阻值变化转换为电压变化。最后通过MD把电压变化转换为数字量来反映光照度的改变。电路图如图3所示，图中J18与CC2530单片机的PO口相连。C30为滤波电容。R21为分压电阻。

图3 光照度传感器模块电路图

2．3光照度控制模块硬件设计

光照度控制模块包括ZigBee模块执行节点和控制模组。控制模组主要有6个5V继电器，两个双层USB口及控制电路三部分组成。它主要实现对开关量的控制及对USB接口供电的电器设备控制。

ZigBee无线模块执行节点接收来自Windows CE嵌入式网关ZigBee协调器节点发送的指令。然后控制这六个继电器的一个端口的通断以实现一个光照设备的开和关操作。光照度控制模块工作方式如图4所示。

图4 光照度控制模块工作图

3 系统的软件设计

3．1 Windows CE嵌入式网关平台构建嵌入式网关采用ARMll硬件平台。通过指定的BSP包定制编译其上运行的Windows CE操作系统。然后根据具体硬件运行环境生成并导出SDK。这样通过VS。NET开发的软件系统能够成功运行在WindowsCE平台上同。如图5所示Windows CE系统开发流程。

图5 Windows CE系统开发流程

3．2 Windows CE嵌入式网关平台主程序流程设计ZigBee传感器节点和ZigBee执行节点分别将光照传感器数据信息和光照设备的亮灭状态信息无线发送至ZigBee协调器节点，再由zigBee协调器节点通过RS232接口传输至Windows CE嵌入式网关的主程序进行解析处理，显示在Windows CE界面系统上。

嵌入式网关主程序流程如图6所示。

图6 嵌入式网关主程序流程图

3．3光照度ZigBee无线数据采集模块程序流程设计

光照度传感器节点循环周期性采集光照度传感器数据，将采集得到数据和阀值进行大小比较。根据比较的结果得出控制命令，然后发送到协调器节点。若数据大于阀值(光照度偏暗)则向协调器无线发送命令字“1(开灯)”，否则向协调器无线发送命令字“O(灭灯)”，并将发送的命令字前加上一个字节长度的的编号，通过编号可以让协调器分辨是哪个节点发送的数据。光照度数据采集模块程序流程如图7所示。

图7 光照度数据采集模块程序流程图

3．4 ZigBee协调器节点程序流程设计

协调器节点接收无线数据，根据接收到的第一个字节编号判断是哪个节点发送过来的数据。若是光照度传感器节点发送的数据则转发控制命令到ZigBee执行节点；若是ZigBee无线模块执行节点发送过来的数据则分析出其地址并保存，留作向执行节点发送控制命令时使用。协调器节点程序流程如图8所示。

图8 协调器节点程序流程图

3．5 ZigBee执行节点程序流程设计

ZigBee无线模块执行节点循环周期性的向协调器节点发送数据。该数据是执行节点当前的控制状态。另外，当协调器节点有数据发送到ZigBee执行节点时。执行节点直接根据接收到的命令字是0还是1改变自己的控制状态。当接收到的是1则开灯。接收到的是0则关灯。从而完成光照度的调节控制。执行节点程序流程如图9所示。

图9 执行节点程序流程图

4 测试实验与分析

为了保证测控系统的正常可靠工作。对本系统进行运行试验。实验选择在太仓农业科技园的蔬菜种植房内。实验所处的室内光照度为1800。2000Lux。实验目的。一方面验证无线网络的光照度数据采集以及数据传输能力。另一方面验证设计的节点能否在复杂的环境下正常工作。经测试。系统数据传输准确可靠，数据丢失率为0，测量误差不超过3％。这说明传感器节点及执行节点在复杂环境里的监测和控制的数据较为精准。可以正常工作。

5 结束语

本文提出了一种基于ZigBee无线模块的农业种植环境中的光照度监测与自动控制解决方案。设计了以WindoWs CE嵌人式平台作为网关模块。结合CC2530芯片为无线通信节点硬件结构。完成了嵌入式网关、光照度ZigBee无线数据采集和光照度控制的软硬设计。运行试验表明：基于ZigBee无线通信技术的光照度测控系统具有可靠性高、抗干扰性好、组网灵活等特点。能够实现复杂环境下的光照度数据采集及自动控制。从而在有效保证农作物健康成长的前提下提高产量和增加收益。本系统只是实现了对环境光照度的监控，如果更换数据采集节点的传感器和执行节点控制的设备。则该监控系统可以应用于不同的场合，具有广泛的应用前景。

来自 “ ITPUB博客 ” ，链接：http://blog.itpub.net//viewspace-/，如需转载，请注明出处，否则将追究法律责任。