智能远程温室监控系统设计

孔晓红等

摘要：设计了一种基于无线传感器网络的智能温室监控系统，该系统硬件由CC2530作为控制模块，实现数据无线传输，并带有现场显示和上位机远程监控功能。网络扩展方便，具有节点自组网功能，系统运行中能够动态监测网络信息，实现智能控制，达到绿色节能。基于ZigBee协议设计用户应用程序，采用VB语言编写监控系统的上位机界面，使用户快捷方便地监测被控对象并调整控制参数。应用于温室控制，能够极大地提高自动化和信息化水平，改善温室监控系统的可靠性以及实时性。

关键词：无线传感器网络；温室；上位机；监控

中图分类号：S625.2；TP391.9 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2015）17-4294-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.17.049

传统的自动监控系统多采用有线方式，数据采集后经过处理由固定线路上传，这种方式不便于系统组建，要求固定电源和网络。近年来随着无线通信技术的发展，无线传感器网络解决了上述矛盾，ZigBee无线传感器网络具有省电、可靠、网络容量大、安全、工作频段灵活等优点[1，2]。该网络能够极大地提高监控系统的实时性，降低管理成本，而且系统容易组建，便于扩展，尤其适用于无人区或人工不便监控的领域[3-5]。

本设计采用基于ZigBee协议的网络结构，系统由终端设备、路由器、协调器三部分组成。终端设备是带有传感器的采集节点，把采集到的数据信息以特定的数据格式打包后，经过路由器，通过无线的方式发送到指定的接收装置——协调器。协调器将各种监控信息传送到上位机，然后在上位机中对信息进行统计、分析、显示等，达到对被控对象实时监控的目的，同时能节省大量成本，其网络组建、扩充方便。

1 系统软硬件设计

系统采用TI公司生产的CC2530芯片构建无线网络节点，节点具有信息采集、数据处理、自组网无线通信等功能，采集到的数据信息通过无线方式发送到指定的协调器。协调器接收到数据信息后，校验有效的数据格式、有效信息通过串口传送到上位机。本设计基于VB设计界面以便了解当前监控对象状况。系统硬件主要由CC2530无线模块、液晶显示电路和串口转换电路组成。

1.1 串口转换电路

串口转换电路如图1所示，可将USB 接口转换为UART串口，该电路采用FT232实现转换功能，协调器通过串口与上位机进行通信。

1.2 显示电路

显示电路采用的是LCD12864点阵液晶显示模块，电路如图2所示，为了节省主控芯片I/O口， 采用了74HC595移位寄存器，可以将串行输入的数据转换为8位并行输出的数据。

1.3 无线传感节点

传感器节点电路如图3所示，由CC2530主控芯片、射频天线RF、晶振电路、复位电路和工作指示电路等组成。由于数据无线发送中对晶振的稳定性有较高的要求，所以CC2530外接了32 MHz和32.768 kHz两种频率的晶振电路，电路的两个LED分别指示入网状态和数据传输状态。

2 系统的软件设计

本设计基于Z-STACK协议栈实现应用，该协议栈的OSAL是一个循环查询式的操作系统，采用任务管理机制，在系统中优先级较高任务总是先执行，优先级高的任务中的事件都具有最高的执行权限，保证高优先级任务的所有触发事件得到及时的处理[6-8]。为了实现本设计功能，在应用层编写相关代码，配置相关的端口、短地址，注册相应的事件，根据需要在应用层设计任务事件处理函数。

2.1 协调器节点程序

协调器不仅是网络的创建者，而且是采集节点数据传输、处理中心，协调器工作流程如图4所示，首先创建网络，再判断网络创建是否成功。网络创建成功后如果有节点申请加入，则批准。然后判断有没有接收到数据信息并调用数据处理函数，对数据的有效性进行验证，并从接收的信息中按照特定的数据格式还原出数据。另一个任务就是将接收的数据信息在LCD12864显示并且还要通过串口传给上位机。

2.2 采集节点程序

无线传感器采集节点按照一定的规律分布在监测环境中，工作流程图如图5所示，节点首先是搜索网络、发现网络，发起入网请求并获得入网的许可之后，就调用数据采集发送函数，该函数可以实现周期性的采集发送、定义数据格式，在接收端必须按照相应的规则才能解析出信息。此外，传感器网络采集节点还具有检测协调器节点是否在线的功能，当协调器节点因故障不能工作，传感器节点将停止周期性的采集发送，这样减小了不必要的电量消耗。

2.3 路由节点程序

路由节点主要功能是实现消息的中转作用，解决数据传输距离问题。路由节点的工作流程如图6所示，和采集节点的流程类似，刚开始搜索网络，搜索到网络后发送入网请求，加入网络。采集节点有路由请求时，路由节点自动根据邻接表的信息选择路径最短（跳数最少）的路由到目标地址。

2.4 上位机界面设计

上位机的显示界面如图7所示，显示环境温度参数，其他参数同样。上位机界面采用VB语言开发，通过串口接收协调器节点的消息，解析出有效信息和用来区分不同设备的地址信息（IEEE地址），在上位机上用直观的折线图形式反映出监控参数的变化情况。另外还可以将节点采集信息保存在txt文本文件中，记录数据包含当前的时间、节点地址信息、数据信息以及变化趋势等。此外系统还可以设置上限的数据和下限的数据，当温度超过或低于设定的域值，折线图会用醒目的颜色告知用户，在记录txt文本中也同样会记录该温度变化趋势的相应提醒。

3 小结

本设计基于CC2530芯片设计无线传感网络温室监控系统，该芯片支持TI公司推出的ZigBee2007协议，在组网方面具有更优越的性能和更高的稳定性，数据具有更好的可靠性和实时性。通过串口，检测信息传送到用户的监控电脑中。用户界面操作简单、直观，用户可以从上位机方便查看被监测信息，该系统具有较好的实用价值。

参考文献：

[1] 金海红.基于Zigbee的无线传感器网络节点的设计及其通信的研究[J].合肥工业大学学报，2007，6（5）36-40.

[2] 瞿 雷，刘盛德，胡咸斌.ZigBee技术及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[3] 王 玮，樊则宾.基于CC2430的无线温度检测终端的设计[J].电子工程师，2007，12（5）：78-80.

[4] 吕治安.ZigBee网络原理与应用开发[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[5] 刘 青，宋立军.ZigBee无线传感器网络组网研究[J].电脑开发与应用，2008，21（6）：44-45，48.

[6] 耿 萌，于宏毅，张效义.ZigBee路由协议分析与性能评估[J].计算机工程与应用，2007，43（26）：116-120.

[7] 金 纯，罗祖秋，罗 凤，等.ZigBee技术基础及案例分析[M].北京：国防工业出版社，2008.

[8] 孙利民，李建中，陈 渝.无线传感网络[M].北京：清华大学出版社，2005.