基于ZigBee网络的温室环境远程监控系统设计与应用_图文

158

第25卷第7期 2009年 7月

农业工程学报
Transactions of the CSAE

、,01.25

No.7

Jul.2009

基于ZigBee网络的温室环境远程监控系统设计与应用
韩华峰1,一,杜克明1,一,孙忠富1,蜮,赵伟1,一,陈冉1,一,梁聚宝1,2
(1.中困农业科学院农业环境与可持续发展研究所,北京100081; 2.农业部农、Ik环境与气候变化重点开放实验室,北京100081) 摘要:针对温窜环境数据信息监控特点,本文进行了基于ZigBee协议的传感器节点技术的开发,并在此基础上组成现 场监控无线传感器网络,通过嘲络汇聚节点与无线移动网络(GPRS/CDMA)和INTERNET的无缝连接,实现数据远程 传输至指定数据库服务器。无线传感器嘲络组建采用星型拓扑结构,通过软件设置往需求时唤醒ZigBee网络节点,使监 控设备具有组网灵活、拆移便捷等优点。通过在实际生产过程中应用表明,该系统上作性能稳定,在数据采集和传输等 方面均达到了设计要求,尤其是有效简化了现场设备安装与拆移等过程,使之更适合各类农业现场数据监控的需要。 关键词:远程监控,数据采集,无线传感器网络,温室环境,ZigBee doi:10.3969/j.issn.1002—6819.2009.07.029 中图分类号:S126 文献标识码:A 文章编号:1002—6819(2009)一7—0158~06

韩华峰,杜克明,孙忠富,等.基q:ZigBeelS]络的温室环境远程监控系统设计与应用[J].农业工程学报,2009,25(7):
158—163.
Hart Huafeng,Du Keming,Sun Zhongfu,et a1.Design and application of ZigBee based telemonitoring environment data

system for greenhouse

acquisition[J].Transactions ofthe CSAE,2009,25(7):158—163.(in Chinese

with English abstract)

0引



农业现场数据信息的及时获取是进行现代化精准管 理的重要基础,如何快速、有效地获取农业现场各类数 据成为目前信息农业研究的重要领域。农业具有对象多 样、地域广阔、偏僻分散、远离都市社区、通信条件落 后等特点,凶此在很多情况下,农业数据信息的获取更 加闲难。要解决这个问题,其根本的途径就是能实现数 据信息的自动获取,以及数据的远程传输与交换。网络 技术、无线通信技术的迅速发展,为农业数据信息监控 提供了发展机遇,特别是随着GPRS/CDMA无线移动网 络技术的发展与成熟,为农业解决“最后一公里”的信 息传输提供了有效的途径。目前基于GPRS/CDMA远程 数据信息传输技术已在一些相关领域有不少典型应用案 例【l弓J,近些年来在农业领域也陆续开展了一些研究与应 用卜7。。但是,多数成果侧重r数据远程传输的技术研究, 而在监控现场仍采用有线的连接方式实现传感器与数据 采集模块的通信,其明显的缺陷是现场安装与布线连接 繁琐、设备移动性差、组网复杂、成本较高,甚至在有 些场合难以实现。 随着无线通信技术的不断发展,近年来出现了面向
收稿口期:2008—12-05
(2006AAl02218)

低成本设备无线组网要求的ZigBee技术,它是一种近距 离、低成本、低功耗、低数据速率的双向无线传输技术, 主要适用于自动控制、远程控制共至家用设备联网的需 要,也成为近年来数字农业研究中的热点之一【8J11。但总 体上仍然处丁二探索和发展阶段,特别是在农业上的应用 研究和实用技术产品仍鲜有报道。针对数据信息获取技 术发展的需要,本研究在前期已有研究的基础上提出了 一种基于ZigBee网络的远程脏控系统集成解决方案,旨 在实现农业环境数据采集“最后一百米”距离的无线传 输。在本项研究的早期设计方案中,现场数据采集器是 通过RS--485总线实现每个传感器的连接,采集数据通 过GPRs/CDMA和INTERNET,传输到远程数据监控中 心卜51。显而易见,采用上述解决方案虽然手要解决了数 据远程传输技术问题,但需要安装大量传感器和终端设 备时,或监测范围比较大的情况下,现场布线和设备安 装搬移都面临很大凼难。新的解决方案主要是针对早期 方案存在的不足,通过ZigBee网络技术实现传感器节点 与数据汇集中心节点的无线通信,并可以充当路由进行 信息交换,更加符合农业监测过程中对多测点、多要素、 移动性、便捷性等方面的要求,在农业环境监控中具有 十分广阔的应用前景。


修订日期:2009-07-01

系统结构原理与设计

基金项目:国家科技支撑计划(2006BAD04808),“863”数字农业课题 作者简介:韩华峰。男,山东省聊城人,研究方向:计算机与网络。北京中 国农业科学院农业环境与可持续发展研究所,100081。 Email:huafeng}l卸@gmail.corn ※通信作者:孙忠富,男,研究员,博士生导师,研究方向:环境控制与信 息技术。北京中国农业科学院农业环境与1叮持续发展研究所,100081。 Email:SUNZF@263.net

为了达到对农业现场进行远程诊断与管理的目的, 系统必须具备数据自动采集、远程传输、存储管理、网 络发布、分析处理等功能。从逻辑结构上将系统划分为 三大子系统:安装在现场的数据采集与远程传输子系统、 服务器端数据接收与存储子系统、基于WEB的数据管理 与应用子系统。总体结构如图l所示。

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韩华峰等:基于zigaee网络的温室环境远程监控系统设计与应用

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图1基于ZigBee的远程监控系统结构示意图
Fig.1 Structural

diagram ofZigBee based telemonitoring system

数据采集与远程传输子系统是由从节点、主节点和
带有GPRS Modem的ARM+LINUX核心模块组成。从

进行通信。从节点采用简化功能设备RFD(Reduced
Function

Device)称为从设备,可以与丰节点进行通讯。

节点用于采集现场数据,并通过ZigBee无线通信技术将 其发送到丰节点,再由丰节点传输给ARM+LINUX模块, 最终通过GPRS网络和INTERNET对接,将数据发送至 远程数据临控中心。 服务器端数据接收与存储子系统,由MS SQL Server 数据库服务器平台和运行在数据库服务器上的数据接收 存储程序组成。该部分负责侦听指定端口,判断并识别 数据采集终端发出的TCP Socket连接请求,如属于合法
数据则存入数据库。

迭I系统采用的传感器数量少,通信距离较近,网络组建 采用星型拓扑结构算法相对简单,又可以在很大程度上 满足农业监控的需求。另外,由于RFD内部电路比FFD 简单,只有很少或没有消耗能量的内存,因此也更利于 节约能耗[12-16j。 目前,每个传感器网络节点可以提供4个模拟通道, 也就是说能够同时连接4个模拟传感器,也可以根据需 要设计成更多的通道。每个传感器节点(从节点)的4 个模拟通道根据实际应用可以连接小同类型的传感器。 把采集数据通过ZigBee网络定时发送到主设备(汇聚节 点),并通过无线GPRS网络和INTERNET对接发送到远 程数据管理中心。主设备与传感器节点之间通过ZigBee 协议进行无线通信,大大提高了系统的移动性、灵活性。 传感器连接方式如图2所示。

基于Web的数据管理与应用子系统,是运行在Web 服务器上的一套网络应用程序。该系统采用ASP.NET动 态网页技术,通过Visual Studio.net 2003开发工具和C拌 等混合语言设计开发而成。因采用B/S模式设计,用,『’ 只要通过客户端浏览器即可访问此Web应用程序。授权 用户登录访问时自动读取SQL Sewer数据库的相关数 据,实现数据的实时显示、历史查询、数据下载和数据 分析等综合功能。

2系统关键技术设计与实现
2.1

≤×:)
.....”…+。’’’’-一.

基于ZigBee无线传感器网络节点硬件设计 无线传感器网络由多个传感器网络节点构成,本系

统传感器网络节点的核心板采用JN5139芯片,YN5139

芯片是一种低功耗、低成本的无线微控制器,适用于 IEEE802.15.4协议和ZigBee软件应用。芯片集成了~个 32一bit RISC处理器,可充分兼容2.4GHz IEEE802.15.4收 发器,另外还提供了192 kb只读存储器(ROM),随机
存储器(RAM)的空间可在8~96 kb的范围内选择,所

裔奄)
●卜_—一从节点o——一传感器
图2终端数据采集发送模块体系结构图
Fig.2 Structure ofterminal data acquisition and s∞dmg

糯节点厶\

。’‘?....……....,

提供的模拟量和数字外围设备接口可以允分满足各种数 据采集的需要。 无线传感器网络采用星型拓扑结构设计。其中主节 点采用的物理设备为全功能设备FFD(Full Function Device)称为主设备,在奉网络中起到汇聚节点的作用。 它承担网络协调者的功能,可与网络中任何类型的设备

module

2.2

ARM+LINUX嵌入式模块设计 基于ARM+LINUX嵌入式模块其硬件结构划分为2

个部分:ARM处理器及其扩展接口,以及GPRS Modem。 ARM控制器及接口电路是本模块的核心,是保证这部分

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能够正常工作的基本核心电路。ARM芯片选用了Atmel 公司的AT9IRM9200微处理器,控制管理软件采用Linux 嵌入式系统。Linux作为一种优秀的开源操作系统,其本 身具有稳定、高效、多仟务、支持多种体系结构和大量 硬件设备等优良特性,而且具有完善的网络通信、文件 管理机制和优秀的开发工具链,通过软硬件集成构成了 一个功能强大的ARM+LINUX系统开发平台【5J。其原理 框图如图3所示。

通过GPRS完成数据发送分为两步:拨号上网和基 于socket的网络通信。拨号上网其实质是实现PPP连接
(Point to Point Protocol
over

Ethernet.基于以太网的点对

点协议连接),PPP连接建立后则表明可以通过GPRS上 网了,接下来可以通过套接字(socket)实现与服务器的 通信。PPP是TCP/IP的扩展,它可以通过串行接口传输 TCP/IP数据包。使用流套接字实现网络中不同主机间的 通信属于典型的服务器/客户机模型(Server/Client),即 客户端向服务器发送服务请求,服务器根据该请求提供 相应的服务(见图6)。

L竺竺些兰竺J

侦听是否存尢网络 读传感器位

图3
Fig.3

ARM控制器及接口电路系统框图

坚椭正甍竺:矗

Diagram ofARM controller and interface circuit

图3中GPRS Modem是实现数据无线传输的关键部 分,本系统采用的是Siemens新一代低功耗双频 GSM/GPRS模块MC39i(兼容MC35i)。MC39i模块主 要由GSM基带控制器、射频模块、存储器、供电模块、 40脚的零插力连接器(zIF)、500天线连接器6部分构 成。基带处理器是MC39i的核心,主要处理GSM终端 的语音、数据信号,并涵盖了蜂窝射频设备中所有的模 拟和数字功能。MC39i通过ZIF连接SIM卡支架和电源, 并实现指令、数据、语音信号及控制信号的双向传输。 2.3传感器网络管理软件设计 传感器网络管理软件主要分3个部分:RFD数据的 采集和传送模块,主节点数据接收和发送模块、 ARM+LINUX嵌入式系统控制管理模块。考虑到程序的 开发周期和可读性,RFD与FFD之间的通信采用了专用 的开发工具jennic套件,可以方便构建zigBee网络平台, 有效降低了开发的难度和成本,同时增加了系统的稳定 性。系统代码采用C语言开发,C语言不仅有利于软件 代码的可读性,适合于编写规模比较大,结构比较复杂 的程序,而且由于其兼备汇编语言的大多数功能,也能 满足对硬件功能的调用和控制,大大缩短了开发周期。 因此,编程时多数代码均使用C语言。 本系统设计中,每个传感器的电压值由2个字节构 成并按照先低后高排列,这样可以满足数据的测量范围。 把采集到的电压值以数据包的形式发送到汇聚节点。每 个从节点的数据发送到汇聚节点的具体格式如下:
包头
lbyte

忐,-gDu
请 Fig.4

\/



≮功%
发送给l:设备l

入叫络l●—一
?


壁婴一入叫竺兰:,二魂 —\—/


善N

图4从设备控制程序设计流程图
Flowchart

diagram of subsidiary device control

图5主设备程序设计流程图
Fig.5
Server

Flowchart diagram ofhost device control

从话点ID
lbyte

传感器1
2bytes

传感器4
2bytes

包尾
lbyte

(先低后高)

(先低后高)

实现数据传输的程序流程如图4所示。 主设备在完成网络连接以及加入管理之后,就接收 来自各个节点的数据,并将数据通过串口发送到 ARM+LINUX嵌入式模块,数据经过处理后通过GPRS 发送到远程控制中心。程序流程图如图5所示。

图6流套接字通信示意图
Fig.6

Diagram of stream socket communication

在服务器端运行的数据接收程序采用VC++开发工 具设计,由于其效率高、功能强大、灵活高效,是目前

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Windows平台上的主要开发工具之一。该程序采用B/S (Brower/Server)体系结构,主要功能是侦听socket请求 并建立网络连接,并将接收到的数据存储到指定lP地址 的服务器数据库中,用户可以通过客户端浏览器(Brower) 实现数据的浏览和下载、提取和更新等操作【4。51。 3系统实际应用效果 首先,在实验室内按系统的组成部分进行分步骤软 硬件开发和测试,并以此为基础进行集成组装;其次, 当综合性能指标达到设计要求时,安装到实际生产场地 进行测试和应用。目前本系统在天津的宝坻、静海、宁 河、北京等地温室安装并运行,系统总体性能达到了预 期设计目标,尤其是在简化设备安装布线,提高系统移 动性和便捷性等方面效果十分显著。根据传感器配置数 量,系统安装了3~4个从节点和一个主节点,所安装的 传感器类型包括空气温度和湿度、土壤温度和水分、C02

浓度、太阳总辐射、作物光合有效辐射等。用户只要通 过网络浏览器(如IE、Firefox和Opera等), 就能实现 数据的浏览和分析,尤其可通过数据库远程调用和在线 图表分析功能,各种环境因子的变化和趋势一目了然呈 现在管理者面前(如图7、图8所示)。应用者无论身在 何处,只要通过联网计算机均可随时了解温室内各种环 境凶子的时间变化与空间分布,从而能够对温室内各种 环境要素的科学管理提供第一手数据资料。还可以结合 作物生长发育阶段和需求,对环境质量和适宜程度进行 诊断分析,尤其是可以结合专家管理经验和栽培知识, 对现场管理和控制提供远程咨询和信息服务,真正实现 远程诊断与管理。另外,还可以通过远程监控数据分析, 对第一线管理者的管理调控技术方法进行跟踪和监控, 通过发现问题、总结经验,帮助用户建立科学管理模式、 抛弃错误理念,对提高作物生产过程的精准化管理均可 发挥重要的作用。

图7在线查看浏览数据网页
Fig.7 On-line viewing data web page by browser

图8在线分析数据变化曲线图
Fig.8

On—line

analyzing data graph by browser

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2009盆

4结论和讨论 本文简要介绍了基于ZigBee协议远程监控系统实现 的基本原理、系统开发主要流程、以及应用检验效果。 利用无线传感器网络的分布式特点,大幅度提高了系统 在移动性、便捷性、组网灵活性等方面的综合功能,在 农业领域的应用会有很好的发展前景。 通过研究和应用也表明,无线通信与有线通信相比带 来许多优点的同时,也应注意其在信号抗干扰、抗屏蔽、 抗衰减性等方面存在的先天不足。基于ZigBee的网络系统 使用的是一种低功耗近距离的通信技术,因信号相对较弱, 因此在系统设计时,要允分考虑到在环境复杂、障碍物较 多时网络节点之间的有效通信距离等问题。为尽可能避免 因通信造成的数据丢失,在软件设计上应增加传感器节点 的采集频率,并延长向汇聚节点传输数据的周期,以此减 少数据丢包率。当有很强外界T.扰的情况下,信息传输错 误会时有发生,这时可以通过数据融合技术,如增加采集 频次,滤掉最大值和最小值求取其平均等方法,降低误码 发生率。 本系统在平坦开阔地进行试验时发现,主节点与各 从节点之间距离在100 ITI以内时信息交换没有问题,但 在温室内节点间距超过50 m后,信号中断现象时有发生, 这是因为温室内部遮挡物(如作物、其他设备等)的密 度、无线收发天线摆放位置均会有一定的影响。对于无 线通信系统来说,来自外部干扰是不可避免的,只是程 度大小不同而已,所以系统安装时要考虑周边其他电磁 信号的干扰冈素,并尽量减少或排除T扰的影响。本系 统提供了内置电池和220 V两种供电方式,前者固然符 合传感器网络设计的基本理念,但是考虑到农业中常用 的一些传感器(如C02、太阳辐射等)自身功耗较大, 如频繁更换电池反而带来了许多不便,基于这个原因, 使用220V供电系统仍不失为一种经济实用的选择。
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Chinese with English

Design and application of ZigBee based telemonitoring system for


Rreennouse

envlronment







-?-

nata acaniSitiOn

Han Huafen91,一,Du

Kemin91,2,Sun

Zhongful,2※,Zhao Weil,一,Chen Ranl,一,Liang Juba01,2
100081,China;

(1.InstituteofEnvironmentandSustainableDevelopmentinAgriculture,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Beijing 2.TheKeyLabforAgro-environmentandClimateChange,MinistryofAgriculture,Beifin9100081,China)
Abstract:Focused development of
on

the data and information monitoring of greenhouse environment,in this paper,the design and node technology were introduced,and wireless
sensor as

sensor on

network of field monitoring

was

constructed based

ZigBee protoc01.Through

network

sink node

as

well

integrating wireless mobile

network

(GPRS/CDMA)with INTERNET,field acquired data were transmitted to designated database server.The star-type network topology was adopted for the wireless sensor network which could be awakened up by software settings in the
moving conveniently,flexible networking.The applicable results in the practical production working performance of the system is quite stable and can reach the design in real—time data acquisition and remote transmission.Especially,by effectively simplifying the design of requirements
requirements and had many advantages,such show that the
as

field communication wiring and device different kinds of agricultural sites.

installation,it becomes mote useful and convenient in

data monitoring

in

Key words:remote monitoring,data acquisition,wireless

sensor

networks,greenhouse environment,ZigBee

万   方数据

基于ZigBee网络的温室环境远程监控系统设计与应用
作者: 作者单位: 刊名: 英文刊名: 年,卷(期): 被引用次数: 韩华峰, 杜克明, 孙忠富, 赵伟, 陈冉, 梁聚宝, Han Huafeng, Du Keming, Sun Zhongfu, Zhao Wei, Chen Ran, Liang Jubao 中国农业科学院农业环境与可持续发展研究所,北京,100081;农业部农业环境与气候变化重 点开放实验室,北京,100081 农业工程学报 TRANSACTIONS OF THE CHINESE SOCIETY OF AGRICULTURAL ENGINEERING 2009,25(7) 29次

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