基于ZigBee技术的农业设施测控系统的设计

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第!"卷第#期

!$$%年#月

农业工程学报&’()*(+,-.)*./,012345

6.78!"9.8#

4:;8!$$%

基于<技术的农业设施测控系统的设计-;=11

包长春>石瑞珍>马玉泉>刘荣昌>伦翠芬>王庆祝>刘士光

河北科技师范学院机械电子系>秦皇岛$?@@$$AB

摘

要C为了提高农业设施群的自动化和信息化水平>研究了国内外农业设施测控系统的结构特点>以有线通信与无线通

信相结合的方法>构建了结构相对灵活D价格相对便宜的农业设施测控网络系统E介绍了承载<技术的真正片上系统-;=11

优点和应用准则>重点阐述了基于无线网络通信技术<的农业设施测控系统?BFF无线单片机2!A"$的特征D3.22-;=11的设计与实现方法以及运行效果E

关键词C<技术G农业设施G测控系统G有线通信G无线通信G无线单片机2!A"$-;=112

II

中图分类号C&!%A8JG#%"8!H&H

文献标识码C4文章编号CK$$!L@#KM?!$$%B#L$K@$L$J

包长春>石瑞珍>马玉泉>等8基于<技术的农业设施测控系统的设计N农业工程学报>P8!$$%>!"?#BCK@$QK@A8-;=11O>3>T(U:>18W=(.20();+0:)0-R:-S01)V:(),(71*-;)()X’1(7-S(,-.)./Y1(*:’-);()X+.),’.77-);*Z*,1Y[(*1X.)NP8&>!$$%>!"?#BCK@$QK@A8?<-;=11,1+0).7.;Z-)(;’-+:7,:’(7/(+-7-,-1*O’()*(+,-.)*./,012345-)20-)1*1\-,05);7-*0B([*,’(+,

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术N的出现>为农业设施远程测控系统从示范到实用的

^引

言

研究搭建了一个不可多得的技术平台E

农业设施主要包括温室大棚D粮库D养鱼暖室及畜以温室大棚的测控系统为例>国内现有的禽养殖舍等>

大多数系统是从国外引进的>这些系统一是价格昂贵>二是存在_水土不服‘的问题E国内在温室的自动控制与智能化方面进行了有价值的研究>但研究的系统体系结构不合理>软件功能比较弱>可靠性不高>系统组态不灵

KP

活>不能适应温室自动化控制的要求NE随着农业设施

无线通信技术的系统结构与特点d<-;=11

%P

包含c的<技术是近年$!8KJ8A标准N555#-;=11来才兴起的无线网络通信技术E!$$A年底才由<-;=11

联盟发布了K尚未进入大规模商业化生产8$版本规范>

它已经成为无线通信网络技术的又一个和应用E但是>

研究热点>预计不久>基于<技术的产品会得到迅-;=11

速普及应用E

技术主要特点d8d<-;=11

KB低功耗E!节J号干电池可支持K个节点工作@

#P

甚至更长>这是<的突出优势Ne!A个月>E-;=11不到蓝牙技术的!B低成本E通过大幅简化协议?NMP

而且<免协议专利费EKbK$B>-;=11

的响应速度较快>一般从睡眠转"B短时延E<-;=11蓝牙需要"节点连接入工作状态只需KJY*?eK$*B>

进入网络只需"进一步节省了电能E$Y*>可采用星状D片状和网状网络结AB高容量E<-;=11构>由一个主节点管理若干子节点>最多一个主节点可管理!同时主节点还可由上一层网络节点JA个子节点G管理>最多可组成@J$$$个节点的大网EJB免执照频段E采用直接序列扩频在工业科学医疗?频段E!8Aac3TBfS

正是这些组网灵活D低成本D低功耗等全新的特点>使<无线传感器-;=11技术非常适合在无线数据传输D网络等方面的应用>特别是在分散的农业设施群?它们的组成每年甚至每个季节都常常发生变化B以及在边远

规模的逐渐扩大D自动化程度不断提高>国内外兴起了

!QJP

对农业设施远程测控系统的研究N其中无线通信技>

术的快速发展为快速D连续D远程采集设施农业环境信出现了许多采用无线公共网络息提供了可能E近年来>

和无线传感器网络等无线通讯方式进行农D林D牧业的远程监控的范例E其中>如基于aH3数据采集为核心的

!P农业信息采集系统N基于aDHR3农业设施环境数字化

AP

监控系统D农田信息远程采集系统N以及将HW4b

baH3ac3等无线公共网络技术应用于农业设施的研

JP

究>且有较为成熟的技术和产品NE这些无线通信技术的优势是传输速度快D信息量大D运行可靠D可远距离传输>但它们共同的缺点就是通信费用高>很难将其推广应用于农业设施的检测与控制系统E<这种崭新-;=11的D专注于低功耗D低成本D低复杂度的无线网络通信技

收稿日期C!$$%L$AL!J修订日期C!$$%L$%L!$

基金项目C河北省科学技术厅资助重点攻关项目?$K!!$KA$BW作者简介C包长春?男>河北省丰润县人>副教授>研究方KM@"QB>向C检测与控制技术E秦皇岛

万方数据　

河北科技师范学院机械电子系>

$@@$$AE5C]K@"8Y(-7[(.+0();+0:)+.Y

第B期技术的农业设施测控系统的设计包长春等?基于&’()**

=F=

山区和沿海滩涂的农业设施群的环境参数的采集应用中具有明显的优势!因为低成本的运行是在这些区域推广技术的关键"

#$%承载&/00无线单’()**技术的片上系统+,-.

片机.%123..4’56-7公司推出的承载&’()**技术的片上系统

=;>

是高度整合的系+/89:;是一种无线单片机<!,-...

统级射频收发器".89:;的主要特点如下?.将&=/专门的设计!;8$=C$9的技术’()**@AAAB

标准所需的高频部分电路全部集成到了电路内部"使B8/采用特殊设计!;C=微处理器和高频线路

间!实现完美的配合!将高速B或;C=微处理器D:8+E)闪存DBJ=9位F9D=8B/BE)E)E,GHI多种外围电路D的HK计数器和.9个定时K898;无线芯片L转换器D.等全部设计成一只非常小的芯片+9B脚!MNNOMNN

==>

真正实现了单片大小/并且内置P看门狗Q定时器<!!

大量购买的价格是8片"9/价格低!J9美元K

无线单片机.高度集成以89:;以它的丰富资源D.及低价格特别适合农业设施的单点多参数采集!以它强大的无线通讯功能和无线网络协议栈为构建实用的农业设施通信网络传感器节点奠定了硬D软件基础"

图=.芯片结构框图89:;.&’()**

$=,89:;&R’(STU6SUTVWX’V(TVN-Y64’5..’()**

机的无线化D微型化"芯片的结构框图如图=所示"

包括纠错!防:/无线通讯中需要的大量软件处理!止空气中包装碰撞!;8$=C$9标准通讯协议处@AAAB理!网络路由!多种网络拓扑等等!都可以象P搭积木Q一轻易放入无线单片机内部存储器中去!因为.样!89:;.这样的新一代无线单片机具有较大的存储空间"

技术的农业设施测控系统设计%基于&’()**

%$#系统的硬件设计

包括;8$=C$9标准支持多种网络拓扑结构!@AAAB具有层次发散链式结构D主从工作模式的测控系统的结

=8>

根据农业设施测控系统的特点!所设计的具有层构<!

次发散链式结构的系统框图如图8所示"

图8基于&技术的农业设施测控系统框图’()**

$8,R’(STU6SUTVWX’V(TVN-YS4*N*VZUT’7(V7X6-7ST-WW’7(Z[ZS*N\VZ*X-7&’()**S*647-W-([’7V(T’6UWSUTVWYV6’W’S’*Z

工控机完成命令的发送D数据的接收D综合分析处理D显示和报警"

协调器=协调器8;;;D;;;]]协调器7;;;处在工

控机外围的第一层!以有线通信的方式与工控机通信!一般一个区域设置一个中枢节点!它们中的每一个节点既是通信网络中的一个节点!根据需要还可以是一个传感器节点!既负责接收命令并向下传输!又负责将其下位机上传的数据与自身的数据捆绑在一起以一定的格式存储在自身的存储空间再以约定的方式上传给工控!万方数据　

机"以下各层协调器的工作原理及其功能都是一样的

根据需要还可用作传感器节点"00既负责上传下达!

处在末梢的传感器节点其功能单一!只负责采集数据并上传"网络的大与小D层次的多与少可以视具体情况而定"这种结构层次清晰!易于扩展和编写软件!也以接力的方式解决了网络系统的最外层长距离与主控机通信的问题"

8$=$=网络节点硬件结构由于承载&/00无线,-.’()**技术的片上系统+单片机.功能强大!使得无论是处89:;的资源丰富D.

于协调器位置的网络节点!还是处于网络末梢的传感器

=N>

农业工程学报

>BBC年

节点!其硬件结构都非常简单"可靠"实用#带有采集数据功能的协调器节点的结构框图如图$所示#它除了采集数据并上传外!还能把报警信息%包括参数及位置&在液晶显示器%和发光二极管%显示出来#&&’()’*)

=>O

据传感器的性质和信号变化范围进行合理的设计M#

这是保证检测精度的又一关键所在#节点结构可根据需要灵活配置外围器件!对于只传输数据的中继节点!则无需放置传感器和显示部分W对于处于网络末梢的传感器节点!则只连接传感器而无需报警部分#

>.=.>工控机与(>F$B芯片的连接方法(

=$O

但工控机内一般都有X!H>$>串行标准接口M/其所传送的距离不超过=而在农业设施测控系统E7!

中!主控室与各设施之间通信距离一般是较远的!所以本系统为工控机设计一个X从而HFKE串行通信卡!/图$网络节点的结构框图+,-.$/0123021456,4-14789:;0:86;<

为了降低成本"提高检测精度和可靠性!在硬件设计中!对传感器"变送器都做了精心设计与处理#=&土壤含水率传感器的研制#土壤水分的测量是

一个比较困难的课题!多年来人们对它进行了广泛的研究和探讨!目前还没有一种被普遍认可的标准测量方法!现在使用的方法各有其优缺点#该系统采用的是电阻法!即根据土壤电导率随其含水率多少而异!用两根平行的被绝缘质隔离的长形不锈钢电极作为土壤含水率传感器#随着温度的不同要做相应的软件修正!被检测的土质不同!计算系数也不同!从而保证了该系统土壤水分检测的通用性和测量准确性#

>&土壤含水率传感器的选择#对于湿度的测量!直接的湿度测量传感器存在寿命短!价格高!信号调理电路复杂等缺点#在本系统中采用由热敏电阻温度传感器构成的干湿球湿度测量传感器!克服了上述缺点#并且只要保证温度检测的高精度!就能保证高精度的湿度检测#它与微处理器软件运算相结合!完成了湿度的检测任务#其转换关系为

58-?@A=B.CDECFG%=HI=JI&HE.B>KBB58-%IJI=

&L=.EBFCEG=BHFGM=H=BHK.>DND%IJI=H=&

OLB.F>KC$G=BH$M=BF.NCDEE%=HI=

JI&H=OL

B.CKN=F

%=&?A?@HPQ%RHR@&%>&SA?J?@G=

BBT%$&

式中

I=UU水的三相点温度%I=A>C$.NV&W

IUU绝对温度%IA>C$.=ELR&W?@UU水平液面饱

和水气压W?UU空气的水气压WPUU干湿表系数!

取http://wendang.chazidian.comG=BHFWQUU大气压强WRUU干球温度W

R@UU湿球温度WS

UU相对湿度#由此可万　以方数据看出!只要检测出对应干球和湿球的温度!就可完全确定所测区域内的空气湿度#变送器要根

实现由X/H>$>串行接口标准到X/HFKE串行接口标准的转换#X/

HFKE串行标准所传送的距离长达=>BB7#工控机通过X/HFKE串行通信卡完成与((>F$B芯片之间的命令和数据传送!就可以实现工控机对整个系统进行监测"控制与报警!其连接框图如图F所示#在发送和接收端都进行协议转换后!X/HFKE协议对数据传送来说是相对透明的!所以依然可以使用Y(机中的X/

H>$>进行远距离的数据传送和控制#图F工控机与((>F$B芯片的通讯结构框图+,-.F/0123021456,4-1478938772:,340,8:Z;0[;;:

,:62<01\38:0185Y(4:63],^((

>F$B_._系统软件设计

实现网络的标准化和管理越来越复杂的无线网络!需要有大量的软件代码来实现!所以‘***KB>.=E.F标准和a,-b;;网络实现的代码!

都是由国际标准组织和a,-b;;联盟这样的机构协助组织完成的#有了a,-c

b;;协议栈%ac/de(V&作为a,-b;;技术的核心软件!作为开发KB>.=E.FJa,-b;;技术必须的关键软件和平

台!用户只要按照‘***KB>.=E.F标准进行一系列的初始化和高层调用就完成了用户应用程序的设计#由于((>F$B这样的新一代无线单片机具有较大的存储空间!以((>F$Bc+=>K%内含=>Kfb闪存存储器&为例!如果将‘***KB>.=E.F的协议软件放进去!大约只需要=JF存储空间!将完整a,-b;;无线网络协议栈放入进去!也只需要=J>空间!还有足够空间存储用户应用程序#协议簇和应用固件常驻芯片内存来保证

整个a,-b;;

模块紧凑且高效M=FO#系统硬件的层次发散链式结构决定了软件系统由

网络节点的运行程序和工控机的运行程序组成#

第R期包长春等M基于C技术的农业设施测控系统的设计DAEFF

#3J

!"!"#网络节点的程序设计

尽管处于不同层次$不同位置$起不同作用的节点结构可根据需要灵活配置%由此导致应用程序有所不但是它们的相同点&&由软件设置成绝大部分时间同%

比如()处于节能的休眠时间%是节能的根本所在%只’*

比如#接受下层数据包有很小的约定的时间段’+,)*网络末梢节点除外*数据计算与处理$显’$-./转换$

如果需要的话*将自身的与下层传来的数据示与报警’$

#(1

按约定格式传向上一层节点02!"!"!工控机的程序设计

同的无线通信网络技术适用场合$环境各异2C这DAEFF种崭新的无线网络通信技术的出现%为农业设施远程测控系统从示范走向实用的研究搭建了一个不可多得的技术平台2但是成本低$功耗低$稳定可靠$具有低复杂度的有线通信和无线通信相结合的农业设施测控系统%要真正达到标准化$商品化还有一段路程要走2

参0

考

文

献1

李迎霞%马承伟等"中国温室环境控制硬件系统研0#1杜尚丰%

究进展0农业工程学报%1"!++I’#*M8N#!"L工控机以组态软件0#31

作为控制软件2组态软件是

利用系统软件提供的平台%通过快捷$简单$形象的组态工作%即可实现符合监控要求的软件功能2

装有组态王的工控机把处在外围第一层协调器#+++$协调器!+++4$

协调器5+++看作是外部设备%在开发过程中%

根据6设备配置向导7的提示%一步步完成连接过程2在运行期间%组态王通过驱动程序和外围第一层协调器实现了数据.

命令的交换%从而也就实现了工控机与其外围各层仪表的数据.命令的交换

0#81

2

9提高系统运行的可靠性

尽管本系统一般运行于非工业环境的工业设施群中%但实践证明%干扰仍然存在%主要有雷电$空中电磁波$电源污染等2因此%采取有效的抗干扰措施是必须的%除了在硬件方面采取诸如净化电源$信号屏蔽$合理接地以及光电隔离之外%在软件设计中%采用了数字滤波和时间监视器’:;<=>?@A

*技术2B系统应用的初步效果

本文提出了一种新的基于CDAEFF

技术的农业设施测控系统的设计方案2同时%通过如前所述的硬$软件抗干扰措施以及校验$重发’如果校验发现错误*%使得系统具有较高的可靠性%系统先前的技术指标0#!1

继续得

以保持2

利用CDAEFF技术实现了农业设施中主要参数’如土壤湿度$温度$空气湿度$土壤含盐量等*检测与控制系统的内部无线自组网%虽然目前还处于研发阶段%但它的各项优势已经突显出来%如初期建设周期短$投资小$易于升级$易于重组%尤其资源丰富$功能强大的承载CDAEFF技术的片上系统’G@H*

&无线单片机HH

!IJ+的问世%可以灵活便捷地组成适应不同规模$不同情况$不同要求的农业设施测控系统%并且所构建的系统成本低$功耗低$稳定可靠$具有低复杂度2

K结

论

万　

方数据有线通信和无线通信都有各自的优势和局限性%不

0!1孟志军"

赵春江%王秀%等"基于OPG的的农田多源信息

采集系统的研究与开发0L

1"农业工程学报%!++J%#Q’I*M#JN#R"

0J1S=TD5D@5LS%UVW5FWGE%XDYYFW)LZ%F<;Y"XDWFYF))

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%!++I%R#’J*M!+#N!#!"0I1句荣辉%沈佐锐"基于短信息的温室生态健康呼叫系统0L

1"农业工程学报%!++I%!+’J*M!!3N!3R"0(1吴文波%张书慧%李雪飞%等"基于P/-.OPG.O\G的精确

农业空间信息采集方法及其数据应用0L1"吉林大学学报’工学版*%!++(%J(’J*MIRN(!"

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1"单片机与嵌入系统应用%!++3’#*M#!N#I"0##1刘士光%

王建%包长春%等"温室大棚多功能测控仪的智

能化自校方法0L1"农业工程学报%!+++%’J*M#+!N#+I"0#!1刘士光%马继伟%石瑞珍%等"农业设施测控系统的研制0L

1"农业工程学报%!++I%!+’3*M!I!N!I("0#J1齐文新%

周学文"分布式智能型温室计算机控制系统的一种设计与实现0L1"农业工程学报%!++I%!+’#*M!I3N!IQ"0#I1UWV5A^TDF5fAV[F5%H>V5A^a:;5TD,%O@@d^LV\>,"

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凌志浩%吴勤勤&无线通信技术及其应用探%’()*++

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万方数据