基于无线Mesh网络的智慧农业大棚监控系统

摘 要： 针对目前农业大棚生产的实际情况，提出一种基于无线Mesh网络智慧农业大棚控制系统。系统采用TI公司的CC2530芯片作为无线ZigBee节点，组成无线Mesh网络，该网络具有自组网、信息监听、等待、低功耗、多节点、数据透传、自找空闲透传路径等特点。系统使用多组低压继电器控制大棚的通风窗、遮光帘、保温帘、滴灌、补光器。控制系统可以进行算法设计，参数设计及手动和自动切换。系统通过人机界面设置的参数，算法及各种状态，主控器将其储存在自身的E2PROM中。主控制器通过数据比较与算法计算，通过无线网络透传给路由器，控制通风窗、遮光帘、保温帘、滴灌、补光器，实现农业大棚现代化的数字化管理功能。

关键词： ZigBee；€ Mesh网络； 数字化大棚； 环境量传感器； 工业触摸屏

中图分类号： TN915?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）16?0071?04

Abstract：Aiming at the actual situation of agricultural greenhouse production， a kind of intelligent agricultural greenhouse control system based on wireless Mesh network is proposed in this paper. CC2530 chip of TI company is adopted in the system as the ZigBee wireless node to form the wireless mesh network. The network has the characteristics of self?oฉrganized network， information monitoring， waiting， low?power consumption， multi?node， data transmission and asking for leisure transmission path. The multiple sets of low?voltage relays are used to control ventilation window， curtain， blanket， drop irrigation， fill?in light of greenhouse. The control system can carry on the algorithm design， parameter design and manual and automatic switch. The parameters， algorithm and various state set through man?machine interface are stored in the E2PROM of the system by the main controller， and are sent to the router through a wireless network according to data comparison and arithmetic calculation to control the ventilation window， shade curtain， heat preservation curtain， drip irrigation and fill?in light， so as to realize the deigital management function of agricultural greenhouse modernization.

Keywords： ZigBee； Mesh network； digital greenhouse； environmental quantity sensor； industrial touch screen

0 引 言

菜农因其简陋的大棚设施，必须每天花足够多的时间给农作物通风、灌溉、施肥、导致收入利润低下。因此设计安全、可靠、科学的数字化农业大棚很有必要。随着现代无线传感器网络技术的发展，将无线Mesh网络技术，自动控制技术、传感器技术与农业生产实际相结合，将大大地提升农业生产的效率与质量。本文将信息技术与当前农业有机的结合，更好地解决农业生产中的一些实际问题[1?2]。

1 系统总体设计方案

系统采用工业触摸屏作为人机界面，显示各环境量、各执行器的开关状态以及系统的设置参数和算法。工业触摸屏通过Modbus协议与控制器单片机通信。ZigBee的各个节点控制器采集土壤温湿度、室内温湿度、室内光照、室外光照、室内CO2和室外CO2等环境量通过无线Mesh网络进行透传。进行算法计算和设定值比较，输出执行器的输出值给路由器，通过路由器的控制器控制各执行器的状态。

当系统与网络处于异常时，还可以通过手动方式切除控制系统的控制，通过手动的人工方式处理各执行器的状态。系统结构图如图1所示。

2 系统硬件设计

本系统的硬件电路较多，而且很多电路涉及无线射频电路，因此硬件的稳定和抗干扰等性能是本系统设计的一大难题。由于系统电路比较复杂，而且许多元器件的成本都比较高，采用模块化组装的形式，构建系统的硬件电路，方便将来不会因某个模块损坏就废弃，只需更换该模块即可。硬件电路中很多元器件都是贴片封装，因此系统的所有电路都采用PCB制版，方便焊接和将来的大规模生产。

2.1 电源电路设计

稳定的电源电路是系统正常工作的基础。本系统的电源主要有三种：触摸屏电源24 V，ZigBee，MSP430，STC15W4K48S4单片机与若干传感器电源3～3.3 V；继电器电源5 V。系统采用开关电源给系统提供DC 24 V和5 V电压。开关电源的输入为AC 220 V，通过变压器降压，二极管组成整流桥进行整流，并联多种阻值的电容滤波，最后使用稳压芯片生成相应的电压如图2所示。 环境量采集节点的电源由两节干电池直接供电，供电电压为3 V，因此没有再稳压，只是在MSP430和ZigBee的电源输入端添加两个电容，辅助提供模块发射瞬间的瞬变电流的作用。

2.2 ZigBee模块电路设计

ZigBee模块主要由CC2530和CC2591两个芯片构成。模块引出了CC2530芯片的所有I/O口。该模块设计成串口透传形式，其与下位机通信采用Modbus协议。当要发送数据时，只需要唤醒ZigBee，发送目的地址加数据即可。ZigBee电路在原理上与TI公司给的一样，但是需要注意在PCB板布局上，电容应该尽量靠近芯片引脚，而且通信走线尽量短且粗。复位线尽量不与其他走线并行，周围尽量设计为地平面以起到屏蔽效果，复位线尽量短，全长尽量不超过50 mm，复位线上挂接元器件应尽量少，避免额外的干扰[3]。

2.3 环境量传感器采集电路设计

本系统的传感器大都是数字信号传感器，采用的通信格式为Modbus和I2C，所设计的线路和处理上要满足该通信格式的要求。串口和I2C通信所引出的线都不宜太长，而且都要求通信电缆要有外屏蔽线，防止外部环境对信号的干扰。

BH1750FVI是一种用于I2C通信的光照强度数字集成芯片。本模块的ADDR引脚接地，采取高分率测量模式。I2C的两个引脚都加一个10 kΩ的上拉电阻，加大引脚的驱动能力。电源端加一个104的独石电容，为芯片滤波[4?5]如图3所示。

空气温湿度传感器选用SHT10芯片，为了数据的稳定性传输，需要在电源与地端接100 nF的电容，数据端接10 kΩ的上拉电阻。导线需要用有屏蔽干扰功能的电缆。

CO2模块采用非色散红外（NDIR）原理对空气中的CO2进行探测，该模块为串口通信。电路原理图较为简单，该模块有四个引脚，其中两个串口引脚RX与TX端交叉连接到MSP430的串口1（P36与P37）。在PCB布局连线时，尽量让连线短，有助于系统的稳定性。

3 系统软件与测试

3.1 工业触摸屏软件设计

SuKon触摸屏采用的编程软件是HMI（Human Machine Interface），通过Modbus协议、CAN总线协议与控制器进行数据和控制信号的交互。

MSP430首先对自身进行初始化，选择频率输入方式、定时器初始化、串口初始化，其次对ZigBee进行初始化，各个传感器初始化。当定时器的时间溢出时，退出低功耗模式，便开始采集传感器数据，唤醒ZigBee的终端设备，通过串口将数据透传给终端设备。最后和终端设备一起进入低功耗模式，等待定时器的再次溢出[7]。

3.2 ZigBee软件设计

ZigBee联盟为ZigBee协议栈2007定义了2个规范：ZigBee与ZigBee PRO。ZigBee设备只要遵循该规范即可[8?9]。用户如果改变规范，形成自己特定的网络，那么ID号为0。该协议的规范ID（STACK_PROFILE_ID）在nwk_globals.h头文件中有定义。

ZigBee设备的地址在整个协议栈开发中是很重要的，为保证设备地址的惟一性，协议栈通过分布式寻址分配网络地❤址。

R=1，Cskip（d）=1+C*（L-d-1）；

R≠1，Cskip（d）=（1+C-R-C*R^（L-d-1））/（1-R）；

父设备的第n个子路由设备的短地址分配为：

n=1，Achild=Aparen+（n-1）*Cskip（d）+1；

n>1，Achild=Aparen+（n-1）*Cskip（d）；

父设备的第n个子终端设备的短地址分配为：

Achild=Aparen✯+R*Cskip（d）+n；

用户在做具体的项目开发时，只能通过调用API接口进行设计，无法知道ZigBee协议栈实现的具体细节。ZigBee的协议栈由main（）函数开始执行，而该函数只做两件事情：系统初始化；执行轮转查询式操作系统。其中系统初始化如图4所示。

协议栈的每一层设计了事件处理函数，处理当层相关的事件，这些事件处理函数其实就是协议栈每一层相对应的任务。通过调度协议栈的任务进行处理，那么协议栈便会以时间为顺序，有条不紊的运行程序[10?11]。

3.3 系统测试

设计完系统的硬件原理图后，便开始PCB制版与焊接，主控制板的硬件实物如图5所示，板子的面积为9.7 cm×9.7 cm，板子的最大高度为2 cm，板子引出了单片机另外三个串口，方便未来扩展。所有多余的I/O口都用接线端子引出，ZigBee模块另接一个50 Ω的天线。板子里有两个贴片的LED：一个为电源指示灯，另一个为ZigBee组网状态指示灯。板子四脚留有过孔，方便安装与固定。

节点采集板如图6所示，底板面积为6 cm×7 cm，高度2 cm。由于底板不留MSP430的仿真下载口，所以MSP430另作小板，下完程序再插接上。底板留出了四组传感器接口和16个I/O口，四角留有过孔。留有一个跳帽和LED，LED可以观察到终端设备是否连接上网络，当不需要LED指示组网情况时，可拔掉跳帽，节省功耗。PCB引脚连线的线宽都为0.5 cm，底板Top Layer大面积铺地，增加了系统的抗干扰能力。

系统的采集节点每一分钟采集一次数据，将数据发送给路由器，路由器再转发给协调器。其余时间，采集板上的ZigBee，MSP430和传感器都进入休眠状态。路由器、继电器板、主控制器与触摸屏长时间处于供电工作状态。主控制器将节点采集的数据上传给触摸屏，并通过手动切换控制继电器，所有一切设备都能正常工作，如图7所示。

3.3.1 系统稳定性测试 测试设备：30个环境量采集板，每个板挂接2个温湿度传感器、1个光照传感器；5个继电器板；1个主控制器和1个触摸屏。

测试分布：随机分布在1.5 km的范围内。

测试结果：所有设备都正常工作，30个温湿度传感器同一时刻采集的温度最大值与最小值的差为0.5 ℃；湿度最大值与最小值的差为1%RH；30个光照传感器采集的最大值与最小值差为4 lux。

3.3.2 采集板功耗测试

本系统的关键是在采集板用普通两节1号干电池供电工作半年以上。普通的一号干电池含电量为2 500 mA・h，但电池会有自放电现象，假设干电池在半年的时间里自放电达自身电量的30%，那么可用电量为1 750 mA・h。终端设备每分钟工作时间为1 s，休眠状态电流为20 μA，工作状态电流为20 mA。平均电流为353 μA，工作半年需要1 524 mA・h。因此两节普通1号干电池供电可达半年以上。

3.3.3 系统性能评估

本系统经过多天的测试，性能如下：组成的网络，系统没出现过调网现象。每个节点在空旷场地的非视距传播距离为1.3 km。终端设备进入休眠，在3 V供电的电流为20 μA。终端设备在唤醒后工作电流（3 V供电）为20 mA（包括三个传感器）。系统的无线数据丢失率低于0.01%。

4 结 语

本文以ZigBee，MSP430，STC15W4K48S4为控制核心，配套相关传感器，并设计制作了人机界面。本系统将无线传感器网络应用到农业生产中，对农业大棚的环境参数进行实时在线监测，同时通过无线网络对相关的执行器进行控制，实现农业大棚生产的自动化、智能化，提高生产效率和质量，节省了人力。系统设计并制作了实物样机，经过实验和测试，系统工作稳定，性能良好，达到了实际应用的效果。

参考文献

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