基于ARM9与ZigBee的温室大棚无线环境监控系统的设计

黄鑫　刘洁

摘要：分析了目前温室监控系统的背景并结合现状制定出了一种用于温室环境中的智能无线监控系统的设计方法。系统将ARM9与ZigBee结合，利用其低功耗低传输率的优点进行环境参数的传输，并在此基础上，添加了视频采集模块，采用WIFI技术进行无线传输，克服了ZigBee网络速率无法传输高质量视频的局限性。

关键词：ARM9；ZigBee；WiFi；视频监控

中图分类号：TP301 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）26-6207-03

Abstract： Analyzed the current background of the Greenhouse Monitoring System.Then combined with the status worked out a method for designing a greenhouse environment intelligent wireless monitoring system.The system combines ARM9 and ZigBee，taking advantage of its low power consumption and low transmission rate for transmission of environmental parameters， and based on this， add the video capture module， using WIFI wireless transmission technology.This design overcomes the limitations of the rate that can not transmit high quality video.

Key words： ARM9； ZigBee； WiFi； Video monitoring

温室大棚是通过人工控制农作物种植环境中温度、湿度等参数，模拟农业生产自然环境的一种设施.湿度、温度等温室环境的参数对作物的生长环境具有很重要的影响，因此对温室环境的参数测量及信息的准确获取变得尤为重要。随着我国农业技术的不断发展，温室环境监控技术作为农业研究技术之一，也逐渐发展起来。目前温室环境监控系统大多采用有线通信方式进行监控，但有线监控系统布线复杂，不能任意增加节点，维护困难，受大棚规模以及所处环境等多方面因素限制。正因如此，针对于大棚的无线监控系统逐渐成为近几年人们研究的课题。其中研究最多的是基于ZigBee的无线参数传输。

本设计延用ZigBee技术，在充分利用节点数据采集低功耗优势的同时，本设计添加了WIFI技术，突破了原始的8位单片机模式，改用32位ARM处理器为主芯片，结合WIFI技术进行实时视频传输，弥补了ZigBee网络传输速度无法传输高质量视频的缺点。我们将无线传感器网络技术应用到温室环境监控中，完成了对温室环境数据采集的实时监控、传输和处理等功能，实现了温室环境远程无线监控和与农业专家系统无缝连接的要求。使系统可以实时准确采集农作物在不同时期的生长状态以及环境参数。

1 相关技术

ZigBee 技术 （也称之为 802. 15. 4 标准） 具有低复杂度、低功耗、低成本等优点，但是其数据传输速率较低，在承载数据流量较小的业务中应用比较广泛。而WiFi （Wireless Fidelity ，也称之为 802. 11 标准）具有高速的数据传输速率（最高可达54Mbps）且可用于远距离传输，但是其较复杂，功耗高，成本高[1]，目前在无线局域网中得到了较为广泛的应用，十分便于接入Internet。

所以基于ZigBee无线传感器网络，低成本、有低功耗、可快速部署、无人值守等优点，非常适合应用于温室大棚环境监测系统中。但是ZigBee 技术通常传输的数据量较小，因为它是一种低速率的无线传输技术，而在大棚环境监测系统中，除了监测温湿度、光照度之外，还需要采集和传输视频信息。因此ZigBee 技术很难单独完成以上任务，所以我们考虑加上WiFi 技术。综上，为了满足大棚环境监测系统的具体需求条件，我们将ZigBee 技术和 WiFi 技术相结合，构建了一个基于ZigBee和WiFi相结合的温室环境监测系统。

2 系统设计原理

温室环境智能传感系统硬件结构（如图1所示）由数据采集模块、转发模块、上位机显示模块组成。针对于温室环境工作要求，本系统需采集包括温湿度、光照以及必要的视频信息。考虑到温湿度以及光照信息需长期采集且占用内存小，本设计采用CC2430为主控芯片，以ZigBee为技术支撑向远距离上位机传输所需信息。但由于ZigBee技术主要适用于功耗低且传输速率不高的信息传输，故视频信息的传输我们用WIFI来实现。我们通过摄像头采集视频信息发送给TQ2440进行处理后，通过WIFI技术发送给路由器并最终通过远程上位机接收高清视频信息。

本系统采用太阳能电池板供电，当不需要视频监控时，CC2430主控芯片通过继电器控制ARM开发板，关闭摄像头视频采集和WiFi无线网卡来节省电能。

2.1 CC2430主控部分

CC2430采用的是无线龙ZigBee传感器网络系统C51RF-WSN，该系统主要有PC机、传感器节点、网关、路由节点四个组成部分[2]。

1） PC机：即无线龙ZigBee无线监控软件，它可以接收网关数据并发送相关指令，实现可视化人机界面，从而方便使用者的操作和观察。

2） 网关：用于完成通过上位机发送的指令的发送及接收传感器节点或者路由节点的数据，并且将接收到的数据发送到上位机。

3） 路由节点：当网关和所有传感器节点不能通信的时候，路由节点则作为中介使网关和传感器节点能够通信，从而实现路由通信的功能。

4） 传感器节点：实现对数据的采集，其中包括温湿度、光照强度等数据。

2.2 TQ2440开发板

TQ2440开发板采用三星公司的S3C2440AL处理器为硬件系统核心，其主频为400MHz最高可达到533MHz。根据其内部电路工作方式等，选择12MHz的晶振。系统中板载64MB的SDRAM，时钟频率可达100MHz，32位数据总线。利用USB口可外接摄像头和无线网卡。摄像头采集到的视频信息经过TQ2440编码压缩，通过无线网卡发送数据。

2.3 CC2430与2440连接部分

由于2440开发板以及所带摄像头和无线网卡的功耗较大，太阳能电池板不能保证能为其长期供电，根据农作物生长现状，视频信号并不需要持续采集，当不需要采集时，可利用CC2430来关闭ARM开发板电源。硬件连接图如图2：

3 软件平台设计

系统整体流程图如图3，系统启动后，ZigBee网络会自动组网，上位机通过连接ZigBee网关可查看传感器节点采集的温湿度、光照强度等信息，当需要视频采集时候，通过上位机给CC2430发送命令，使其打开ARM电源，ARM开发板启动后，自动连接WiFi网络并启动摄像头，从而采集视频信息发送给上位机显示。

3.1 CC2430环境监测程序

CC2430采用51单片机编程，程序分为ZigBee普通节点与ZigBee汇聚节点两部分。所有节点使用相同信道进行通信，在上电启动后会自组织形成ZigBee网络，普通节点即可作为终端节点采集信息，又可作为路由节点转发数据，在普通节点程序中，通过控制多种传感器采集环境信息，以多跳方式发送给汇聚节点。在汇聚节点程序中，需要接受该信道下各个节点发送过来的数据，发送给上位机进行显示。

3.2 ARM开发板环境搭建、系统移植、BOA服务器移植

鉴于Linux系统是层次结构并且内核源码完全开放，可移植性强，支持广泛的硬件平台，并且包含整套的编译、调试等开发工具、图形接口、强大的网络支持功能以及丰富的应用程序，本方案采用Linux作为操作系统。移植主要包括内核配置、对相应的体系结构代码进行修改、连接脚本、加载文件系统、无线网卡驱动及摄像头驱动移植[3]。将上述内容编译出镜像文件然后烧写到ARM开发板的 flash 中，即完成了Linux开发平台搭建。

然后下载编译BOA服务器并移植到开发板上，在 Linux 系统中使用 CGI 技术来实现动态页面的显示。CGI 技术提供了 Web 服务器一个执行外部程序的通道，这种服务器技术可以使得浏览器和服务器之间具有交互性[4]。CGI 的工作过程如图4所示，客户端通过 Web 浏览器向 Web 服务器发送请求；Web 服务器收到该请求后，启动 CGI 程序并发送浏览器请求；CGI 程序将处理后的结果输出到 Web 服务器，并由 Web 服务器将输出结果发送到客户端的浏览器进行显示。

4 系统测试

在上位机打开无线龙开发套件配套监控软件，可显示整个网络的拓扑结构，可选择相应的节点查看环境信息，需要查看某个节点的视频信息时，向该节点发送命令控制其继电器打开ARM开发板电源，在浏览器中输入改开发板IP地址，便可显示远程摄像头发送来的视频图像。

5 结束语

文中研究并实现了一种将ZigBee网络与WiFi网络结合的温室环境监测设计方案，通过二者的结合，即可长期采集温湿度、光照强度等环境信息，又可在需要时打开摄像头查看高清视频信息，可与远程农业专家的无缝连接，具有较高的应用价值。

参考文献：

[1] 王建国，郭宝亿.基于ZigBee和WiFi相结合的楼宇监测系统[J].西安电子工业大学学报，2008（5）.

[2] 李文仲，段朝玉.ZigBee2007/PRO协议栈实验与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009.

[3] （加拿大）亚荷毛尔.构建嵌入式LINUX系统[M]. 2版.北京：中国电力出版社，2011.

[4] 宋丽娟，董小国.基于μclinux下boa的cgi技术实现[J].现代电子技术，2009（18）.