隨著農業(yè)規(guī)模的不斷擴大、自動化程度的不斷提高，國內外興起了對農作物生長過程實施遠程監(jiān)控的研究，其中無線通信技術的快速發(fā)展為實現(xiàn)實時監(jiān)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，廣泛應用于工業(yè)控制、智能家居、商業(yè)樓宇以及農業(yè)自動化等領域。本文基于ZigBee無線傳感技術，實現(xiàn)了一套基于ZigBee網絡的蔬菜工廠監(jiān)控系統(tǒng)。

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(xié)議。ZigBee協(xié)議標準采用分層結構，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(xiàn)所需的功能。Zig Bee協(xié)議分為兩個部分，IEEE802.15.4定義了物理層和媒體訪問控制層，ZigBee聯(lián)盟在此基礎上定義了網絡層和應用層架構，在應用層內提供了應用支持子層和ZigBee設備對象。ZigBee協(xié)議棧將各個層定義的協(xié)議都集合在一起，以函數的形式實現(xiàn)，并給用戶提供一些應用層API，供用戶調用。

2 蔬菜工廠監(jiān)控系統(tǒng)整體控制框架

蔬菜工廠監(jiān)控系統(tǒng)整體控制框架如圖1所示，由主控機、房間節(jié)點監(jiān)控單元、培菜架節(jié)點監(jiān)控單元3部分組成。在蔬菜工廠里有多個房間，每個房間里配置了一個房間節(jié)點監(jiān)控單元，每個房間里有多個培菜架，每個培菜架上配置了一個培菜架節(jié)點監(jiān)控單元，每個培菜架分為4層。

主控機的功能：1)作為服務器，接收各房間節(jié)點和培菜架節(jié)點的數據并存儲，通過網絡瀏覽器實現(xiàn)蔬菜工廠的整體監(jiān)控;2)在獲得相應權限后，給相關的房間節(jié)點和培菜架節(jié)點發(fā)送控制命令或數據采集命令。

房間節(jié)點監(jiān)控單元(包括整體監(jiān)控單元)的功能：1)房間節(jié)點監(jiān)控單元負責每個房間的空調控制、二氧化碳濃度采集和電源管理;2)整體監(jiān)控單元負責中央空調控制、二氧化碳發(fā)生器控制以及整個蔬菜工廠的電源管理。

培菜架節(jié)點監(jiān)控單元的功能：1)接收到主控機的數據采集命令后，采集本培萊架的溫度、濕度和圖像數據，并將數據發(fā)送給主控機;2)接收到主控機的控制命令后，控制本培菜架的LED燈的亮暗、營養(yǎng)液循環(huán)泵和電磁閥的開關等。

蔬菜工廠監(jiān)控系統(tǒng)采用如圖2所示的人機交互界面，該交互界面采用網頁瀏覽器實現(xiàn)，用戶可以登錄該瀏覽器來實現(xiàn)對蔬菜的生長環(huán)境及生長狀況的實時監(jiān)控。

3 無線傳輸網絡模塊

蔬菜工廠監(jiān)控系統(tǒng)的無線傳輸網絡模塊如圖3所示，在無線網絡中，配置了一個協(xié)調器，一個路由器和多個終端節(jié)點。協(xié)調器通過RS232連接上位機，與其進行通信，路由器用于無線網絡數據的路由轉發(fā)，終端節(jié)點用于各房間和培菜架的數據和命令的收發(fā)。

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(xié)議的無線射頻單片機，我們采用CC2530單片機來搭建無線傳感器網絡。

3.2 ZigBee網絡中的設備

ZigBee網絡中的設備分為3種：1)協(xié)調器，主要負責無線網絡的建立與維護;2)路由器，主要負責無線網絡數據的路由轉發(fā);3)終端節(jié)點，主要負責無線網絡數據的采集。

ZigBee無線傳感器網絡中的三種設備類型是由ZigBee協(xié)議棧不同的編譯選項來選擇的，它們的硬件部分其實都是一樣的，就是協(xié)調器多了一個串口，用于和上位機之間的通信。

3.2.1 協(xié)調器

協(xié)調器流程圖如圖4所示，協(xié)調器上電后，會按照編譯時給定的參數，選擇合適的信道、合適的網絡號，建立ZigBee無線網絡。然后，等待路由節(jié)點和終端節(jié)點加入網絡后，上位機通過串口給協(xié)調器發(fā)送命令，協(xié)調器將接收到的命令發(fā)送給路由節(jié)點和終端節(jié)點后，等待和接收返回的數據，判斷返回數據的類型并執(zhí)行相應的操作，如果返回的是地址回復幀，則更新地址列表，如果返回的是確認幀或采集到的數據，則將其通過串口發(fā)送給上位機。

3.2.2 路由器

在ZigBee無線網絡中，路由器是非常重要的節(jié)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(jié)點上電后，先進行硬件電路的初始化，然后搜索是否有ZigBee無線網絡，如果有則自動加入，然后等待接收數據，接收到數據后對其進行轉發(fā)。路由對于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(fā)到協(xié)議棧中，協(xié)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(jié)點

終端節(jié)點流程圖如圖4所示。終端節(jié)點上電后，先進行硬件電路的初始化，然后搜索是否有ZigBee無線網絡，如果有則自動加入，然后等待接收無線數據，解析接收到的無線數據后，向通過485總線連接的STC12LE5204AD單片機發(fā)送相應的命令，等待接收單片機采集的數據，接收到數據后將其發(fā)送給其父節(jié)點。另外，在蔬菜工廠監(jiān)控系統(tǒng)中，利用每個培菜架節(jié)點的串口1連接的串口攝像頭來采集圖像數據，利用房間節(jié)點的串口1連接的二氧化碳傳感器來采集二氧化碳濃度，采集到的數據經協(xié)調器發(fā)送到上位機。

3.2.4 節(jié)點之間的數據發(fā)送與接收

在發(fā)送數據前需要按照通信協(xié)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(jié)、幀控制、序列號、目的地址、數據長度、數據載荷以及校驗和等信息。數據幀采用如下的結構體來定義：

對于數據幀DataFrame，起始字節(jié)start定義為0x55，保留字節(jié)reserred暫定義為0x00，為以后擴展所用，幀控制域frameControl用于表示數據包類型、幀類型以及幀屬性，序列號serialNumber從0x0001開始，每發(fā)送一個數據包，序列號加1，目的地址dstSddr表示發(fā)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]用于存放有效載荷數據，校驗和checkSum是將數據包除了checkSum外所有字節(jié)的數據相加，然后對256x256取余，校驗和用于遠距離通信中保證數據的準確性與完整性。

當需要進行節(jié)點之間的數據發(fā)送時，可以定義一個事件，在事件處理函數里實現(xiàn)數據的發(fā)送。

定義一個事件的方法如下：

#define SEND_DATA_EVENT 0x01;

然后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(xiàn)：

if(events&SEND_DATA_EVENT)

{

//在此添加相應的數據發(fā)送工作即可

returm(events'SEND_DATA_EVENT);

}

數據發(fā)送時，只需調用數據發(fā)送函數AF_DataRequest()即可，該函數會調用協(xié)議棧里與硬件相關的函數最終將數據通過天線發(fā)送出去，這里面涉及對射頻模塊的操作，比如打開發(fā)射機、調整發(fā)射機的發(fā)送功率等，這些協(xié)議棧已經實現(xiàn)了，不需要自己去寫代碼實現(xiàn)，只需知道AF_DataRequest()函數的使用方法即可，發(fā)送數據可以使用如下的代碼實現(xiàn)(下面例子是以向協(xié)調器發(fā)送單播數據為例)：

當接收到數據后，操作系統(tǒng)會將該數據封裝成一個消息，然后放入消息隊列中，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(xié)議棧中AF_INCOMING_MSG_CMD宏的定義如下：

當路由器接收到協(xié)調器或終端節(jié)點發(fā)送來的數據后，首先使用osal_msg_receive函數從消息隊列中接收一個消息，然后使用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單片機控制和數據采集模塊

在蔬菜工廠監(jiān)控系統(tǒng)中，采用STC12LE5204AD單片機作為控制和數據采集模塊。單片機控制和數據采集模塊為一485主從機模型，主機為培菜架上的ZigBee無線網絡的終端節(jié)點，從機為STC12LE5204AD單片機，主機會依次給STC12LE5204AD單片機發(fā)送控制命令或數據采集命令，STC12LE5204AD單片機接收到命令后執(zhí)行相應操作并返回數據給主機。在培菜架的每層配置一個STC12LE5204AD單片機，負責該層的數據采集和執(zhí)行控制命令。

4.1 STC12LE5204AD單片機

STC12LE5204AD單片機采用增強型8051CPU，片上集成4K字節(jié)用戶應用程序空間和256字節(jié)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單片機模塊

在蔬菜工廠監(jiān)控系統(tǒng)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(yǎng)液循環(huán)泵的開關，來控制營養(yǎng)液循環(huán)系統(tǒng)。通過P1_2口控制電磁閥的開關，來控制排水系統(tǒng)。通過P1_6口連接的溫濕度傳感器來采集溫濕度。

5 實驗結果

將協(xié)調器、路由器、終端節(jié)點和培菜架依次上電，上位機通過串口調試軟件向協(xié)調器發(fā)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(fā)生變化，并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件向協(xié)調器發(fā)送采集溫濕度命令，會收到采集到的溫濕度數據“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。通過串口調試軟件定時每500ms發(fā)送一次采集溫濕度命令，可以觀察到數據傳輸過程中沒有出現(xiàn)丟包現(xiàn)象，而且采集到的數據值準確。此外上位機還能發(fā)送相應命令來采集二氧化碳濃度、圖片數據和控制二氧化碳發(fā)生器、營養(yǎng)液循環(huán)泵和電磁閥的開關。

6 結束語

蔬菜工廠監(jiān)控系統(tǒng)基于ZigBee無線傳感器網絡，以CC2530單片機和STC12LE5204AD單片機為硬件平臺，基于ZigBee 2007協(xié)議棧，在IAR開發(fā)環(huán)境下進行軟件開發(fā)。實驗結果表明該系統(tǒng)具有良好的可靠性和穩(wěn)定性，能夠實現(xiàn)對蔬菜生長環(huán)境的實時監(jiān)控，達到了預期的設計要求。