基于ZigBee 与GPRS 的做青间温湿度监测系统的设计

阮 星，吴清寿 ，李 桃

（1. 武夷学院 数学与计算机学院，福建 武夷山354300；2. 认知计算与智能信息处理福建省高校重点实验室，福建 武夷山354300）

做青是形成武夷岩茶香气和品质的关键工序，温度和湿度是影响做青环境的主要因素。在传统的做青间中，对温度和湿度的监测主要采用人工监测，在做青间中使用温湿度计，通过人工读取数据并记录，效率低下且精度不足。

利用ZigBee 技术进行的无线传感器组网，具有结构简单、组网灵活、易于移动等优点，网络节点之间的通信距离在满足一定条件下，可达几百米甚至几公里［1］。GPRS 技术是面向移动电话用户的一种无线传输业务，采用分组交换技术，具有稳定性强、可靠性高的特点。

为此，本文选用ZigBee 技术与GPRS 技术相结合的方案，设计一个用于武夷岩茶做青间的监测系统，利用该系统可以对做青间的温度和湿度数据进行实时监控与记录，并可以预先设置报警阈值，在温度或湿度超出范围时提醒做茶师，从而节约人工，提高工作效率。

1 系统结构与工作流程

1.1 系统结构

该监测系统由运行在服务器上的MONITOR、网关节点以及无线传感节点3 个部分构成构成，系统结构如图1 所示。

1.2 系统工作流程

图1 无线远程监测系统结构

无线传感节点通过外接温湿度传感器，用以采集岩茶做青间的温湿度数据，利用Zigbee 网络将实时数据传送至网关节点。网关节点对数据做初步的过滤与处理，以GPRS 数据包的方式发送至服务器，同时也可接收服务器发送至网关节点的命令，用户即可通过PC 机或手机终端实时查看数据。

2 系统硬件设计

2.1 温湿度采集节点设计

温湿度采集节点运行的嵌入式软件主要完成温湿度数据采集、数据预处理以及发送传输等功能，属于RFD（Reduce-function Device）节点［2］。经过选型，最终采用MKW01Z128（以下简称KW01）作为无线传感节点的控制芯片，该款芯片是飞思卡尔于2013 年推出的一款无线射频芯片，基于ARM Cortex-M0+内核，内核时钟频率高达48 MHz，功耗低至40 μA/MHz，具备128 kB Flash 和16 kB SRAM［3］，工作频率范围宽广，能覆盖ISM 的多个频段［4］。此外，KW01 还内置了丰富的通信接口，如A/D 转换接口、GPIO 接口以及SPI 接口等，以便外接不同类型的传感器。选用该芯片后，系统的采集节点具有较强的可扩展性。

2.2 传感器模块设计

2.2.1 温度传感器模块设计

温度传感器有多种选择，根据实际应用需求，本文选择了DS18B20 温度传感器，其输出的是数字信号，具有体积小、精度高的特点，测温范围为-55～125 ℃，温度数据位可配置为9、10、11、12 位，固有测温误差1 ℃。且为单线接口方式，即只需要一条接口线便可与KW01 任一GPIO 口实现通信，支持多点测温，无需外部元件，可用数据总线供电，电压范围为3.0～5.5 V。

2.2.2 湿度传感器模块设计

在岩茶的做青过程中，湿度是至关重要的数据，因此对湿度传感器的要求也格外苛刻，经过多方对比，最终选择了HUMIREL 公司的HM1500LF。它是由湿敏电容制成的防护棒式湿度探头，该传感器可实现线性输出，直接与微控制器相连，且能抵抗各种腐蚀性气体物质。5 V 恒压供电，测量范围为0%～100% RH，精度±3% RH。

2.3 网关节点设计

作为网关节点一般需要处理多个传感节点传输的数据，因此，需选择性能更为强劲的MCU，本设计选用MK64FN1M0VLL12（以下简称K64）作为系统网关节点的主控。K64 由飞思卡尔公司于2013 年推出，主要面向以太网、物联网以及工业控制等领域，具备256 kB SRAM、1 MB Flash 以及66 个I/O 接口［5］，并且包含串口、SPI、I2C 以及以太网等多种通信接口［6］。

在网关的主控MCU 上运行飞思卡尔的 嵌入式实时操作系统MQX-Lite，该操作系统是MQX（Message Queue eXecutive）的轻量化版本，专门针对资源有限的MCU 而开发，目前仅支持M0+/M4 内核，具有内核精简、低资源需求以及高执行效率等特点［7］。

2.4 GPRS 模块设计

GPRS 模块用于实现网关节点与远程服务器之间的通信。GPRS 模块采用SIMCOM 公司的SIM900A 模块，其采用了功能强大的ARM926EJ-S 通信芯片。它是一个双频GSM/GPRS 模块，工作在EGSM900 MHz 和DSC1 800 MHz 频段，支持GPRS 多时隙Class 10/Class8 以及多种GPRS 编码格式（CS-1、CS-2、CS-3 和CS-4），SIM900 具有性能稳定、外形紧凑以及性价比高等特点。应用表明该模块能够满足系统的工作要求［8］。

3 系统软件设计

3.1 Monitor

上位机监控系统软件Monitor 为B/S 结构，基于TCP/IP 协议Socket 的通信架构，采用C# 语言编写，运行于服务器之上，用于侦听Socket 请求并建立特定的连接，将传感节点上传的数据存入云端服务器的数据库中［9］。用户可利用浏览器获取做青间的实时温湿度数据，并且可以通过浏览器对温湿度的阈值做设置。Monitor 的角色定位于服务器数据监测与网关节点的接口，借助于异步Socket 机制，能够直接同网关的GPRS 模块建立通信。用户通过可配置Monitor，让采集节点实现特定的功能，从而大大降低用户二次开发的难度。图2 为Monitor 工作流程。

图2 Monitor 工作流程

3.2 数据帧设计

按照系统工作流程，数据帧可分为两种类型，一种是网关节点转发服务器数据帧，另一种是网关节点接收温湿度采集节点的数据帧。表1 为网关节点转发服务器数据帧格式，表2 为采集节点回送网关节点数据帧格式。

如果需针对采集节点进行操作，可以对子命令字段赋值，以表示对采集节点的一系列操作，本系统对部分操作作出规定，并留有一定的扩展空间，具体的操作可以根据需求自行定义。表3 给出了部分已定义的子命令。

数据帧的设计追求简洁的同时需要具备较为丰富的功能，使得在系统投入使用时既能实现数据采集的目的，又能够减少不必要的流量开销，从而起到节约流量资费的作用。

表1 网关节点转发服务器数据帧格式

表2 采集节点回送网关节点数据帧格式

表3 子命令的取值与操作

4 应用

本系统已成功地应用于武夷山某小型茶厂的做青间，实现对做青间的温湿度数据采集，实际运行结果如图3 所示。运行情况表明，本系统结构合理，操作简单，通信稳定性较高，可以为武夷岩茶做青提供数据分析支撑，并能提高做青的效率，节约人力资源。

图3 系统运行

5 小结

本文依据系统设计的原则，设计出无线远程监测系统的整体框架和各部分的功能介绍，并针对无线远程监测系统的实际需求，遵循嵌入式构件的设计原则，对系统进行了软、硬件的详细设计，实现了网关节点、数据采集节点以及Monitor 的功能。同时介绍了数据采集节点和网关节点之间无线通信的数据帧格式。本系统已成功地应用于武夷山某小型茶厂，收到了很好的效果。

在该系统成功应用的基础上，可推广应用于相似的无线远程监测场景，考虑到武夷山中小型茶厂数量众多，该系统有一定的推广和应用前景。在今后的深入研究中，计划进一步提高网络通信的稳定性，为满足多种终端的应用需求，可以将系统做成小程序形式。