基于ZigBee的低功耗蔬菜大棚远程无线传感测控系统.pdf

第 38 卷第 1 期 中南民族大学学报 ( 自然科学版 ) Vol38 No12019 年 3 月 Journal of South-Central University for Nationalities( NatSciEdition) Mar2019收稿日期 2018-09-30作者简介 雷建云 ( 1972-) ， 男 ， 教授 ， 博士 ， 研究方向 : 大数据与网络空间安全 ， E-mail: leijianyun mailscueceducn基金项目 国家科技支撑计划项目子课题 ( 2015BAD29B01) ; 农业部软科学研究课题 ( D201721) ; 湖北省自然科学基金资助项目 ( 2017CFC886) ; 中央高校基本科研业务费专项资金资助项目 ( CZY18015)基于ZigBee的低功耗蔬菜大棚远程无线传感测控系统雷建云 ， 韩峥嵘 ， 曾繁迪 ， 刘晶 ， 帖军( 中南民族大学 计算机科学学院 ， 武汉 430074)摘 要 针对现有的智能蔬菜大棚造价成本高 ， 设备电池使用寿命短 ， 远程自动化控制程度较低等问题 ， 基于ZigBee 无线传感器网络 ， 对现有的蔬菜大棚进行智能化改造 ， 设计了一套集低功耗数据监测采集 、自动灌溉于一体的远程设备监控系统 系统经过联调测试 ， 终端节点的休眠功耗达到了 A 级别 ， 解决了设备电池使用寿命短的问题 ， 达到了延长设备使用寿命的要求 ; 系统与微信公众号结合实现了远程监控的功能 ， 可以实时查看监测数据 ， 远程控制设备 ， 解决了传统的智能蔬菜大棚远程自动化控制程度低的问题 与传统系统相比实现了超低功耗运行 ， 为蔬菜大棚的可感知智能控制提供了新的技术手段 关键词 智能蔬菜大棚 ; 无线传感器网络 ; 低功耗 ; 微信公众号中图分类号 TP274+5文献标识码 A 文章编号 1672-4321( 2019) 01-0131-07DOI 1012130/znmdzk20190123引用格式 雷建云 ， 韩峥嵘 ， 曾繁迪 ， 等 基于 ZigBee 的低功耗蔬菜大棚远程无线传感测控系统 J 中南民族大学学报 ( 自然科学版 ) ， 2019， 38( 1) : 131-137LEI Jianyun， HAN Zhengrong， ZENG Fandi， et al emote wireless sensor measurement and control system of low powerconsumption vegetable greenhouse based on ZigBee J Journal of South-Central University for Nationalities ( NaturalScience Edition) ， 2019， 38( 1) : 131-137emote wireless sensor measurement and control system of lowpower consumption vegetable greenhouse based on ZigBeeLEI Jianyun， HAN Zhengrong， ZENG Fandi， LIU Jing， TIE Jun( College of Computer Science， South-Central University for Nationalities， Wuhan 430074， China)Abstract Aiming at the problems of high cost of existing intelligent vegetable greenhouses， short battery life ofequipment， and low extent of remote automation control， based on ZigBee wireless sensor network， intelligently transformexisting vegetable greenhouses and design a set of low power consumption remote equipment monitoring system thatconsumes data monitoring and collection and automatic irrigation After the system is tested by joint debugging， the sleeppower consumption of the terminal node reaches the A level， which solves the problem of short battery life of the deviceand meets the requirements for extending the service life of the device The system and the WeChat public number combineto realize the function of remote monitoring WeChat public number can view monitoring data in real time， remote controlequipment， and solve the problem of low degree of remote automation control of traditional intelligent vegetable greenhousesCompared with the traditional system， it achieves ultra-low power operation and provides new technical means for theintelligent control of vegetable greenhousesKeywords smart vegetable greenhouse; wireless sensor network; low power consumption; WeChat official account当前 ， 国内关于环境监测在棉田滴灌 1、蛋鸡舍设施数字化 2、土壤墒情监测 3、钾肥生产原卤井监测 4、废水处理 5、农田信息采集 6和蔬菜大棚智能管控 7等特定产景中的应用已经有了突出的成果 外文文献中也有此方面的研究 8-15: 利用ZigBee 无线传感器网络技术实现温室 、蔬菜大棚等环境的数据监控 在工业生产中 ， 环境监测数据可为系统提供决策支持 ; 在农业生产中 ， 环境监测数据是对农作物进行各项农事活动的参考依据 因此 ， 环境监测对工农业生产日趋重要 在农作物生长环境监测的相关研究中 ， 李玮瑶等人 16根据农业种植智能化的需要 ， 设计了基于ZigBee 技术的蔬菜大棚环境监控 ， 实现了对蔬菜大棚中空气 、土壤 、温湿度 、二氧化碳浓度和光照强度等参数的监测 ， 但该系统存在未做低功耗处理 、远程监控能力差等问题 王军等人 17以解决有线农业蔬菜大棚监控系统维护复杂 、维护成本高等问题为目标 ， 设计了基于 ZigBee 的蔬菜大棚无线监控系统 ，但未实现远程控制 ， 也未对 ZigBee 模块做低功耗处理 也有人以低功耗为目标 ， 设计了大棚温室环境下的超低功耗智能控制系统 ， 但是未实现远程控制 ， 且只实现了部分参数的自动调节功能 18针对以上问题 ， 本文以蔬菜大棚为研究对象 ， 以实现系统低功耗 、高可用 、易扩展为目标 ， 以 ZigBee无线传感器网络为技术手段 ， 实现了基于 ZigBee 的低功耗蔬菜大棚远程无线传感测控系统 1 系统设计在原有的蔬菜大棚中部署各种传感器和电气设备 ， 不仅需要对各模块的参数和性能做整体统筹 ， 还要兼顾各个模块的使用环境和条件 ， 因地制宜地将原有蔬菜大棚改造成低功耗智能感知蔬菜大棚 根据本系统设计目标 ， 将蔬菜大棚分为 3 个模块 ， 一是数据采集模块 ， 完成整个蔬菜大棚的数据采集 、传输和解析等功能 ， 并实现低功耗 ; 二是电气设备模块 ，作为完成电气设备远程控制的基础 ， 此模块通过解析指令 、控制继电器等设备完成远程控制功能 ; 三是微信公众号模块 ， 由微信公众号为用户提供友好的操作界面 19， 此部分主要完成用户信息展示 、采集数据展示以及可视化远程控制功能 11 硬件设计系统数据传输流程如图 1 所示 ， 系统中共有 3种节点 : 终端采集节点 、路由控制节点 、汇聚节点 终端采集节点主要负责数据采集工作 ， 连接低功耗传感器 ( 温湿度传感器 DHT22， 土壤湿度传感器 ， GY-30 光照传感器 20等 ) 路由控制节点连接功耗较高的传感器 ( 二氧化碳浓度传感器 ， 风速风向传感器 ，人体红外探测传感器 21等 ) ， 同时由路由控制节点来控制继电器开关进而达到控制电磁门 、卷帘门 、窗 、风机的目的 汇聚节点通过串行接口与以太网网关模块 W5500、Wi-Fi 模块 ( ESP8266) 或 4G/GSM模块相连 ， 并将数据打包后传输至网关模块 系统中网关模块完成对 ZigBee 协议数据进行转换 ， 并将数据通过网络传输到服务器端 ， 为保证数据有效传输和安全性 ， 数据将通过 TCP 协议发送至服务器端 22图 1 系统数据传输图Fig1 System data transfer diagram根据系统需求以及 Z-stack 协议栈的特点 ， 通过对终端采集节点和路由控制节点进行策略控制 ， 达到低功耗目的 控制策略如下 : 分别定义两个应用层任务 : 采集任务和休眠任务 在采集任务中 ， 终端节点内部定义采集事件 ( 设定节点为电源模式并读取传感器接口数据 ) ， 打包数据并发送给汇聚节点 ， 定时器 T1秒后执行休眠任务 ; 进入休眠任务后 ， 节点执行睡眠事件 ， 此时 ， 节点为电池模式 ， 无线接收机关闭 ， 定时器 T2秒后执行采集任务 ， 其中 T1、T2可以根据采集需要进行设置 为了达到最低休眠功耗 ， 将传感器的电源引脚接在高驱动输出 IO 引脚 ( P1_0 和 P1_1) 上而不是VCC 引脚上 经万用表测量 ， 两个 IO 引脚的最高输出电流可达 20 mA， 满足温湿度传感器负载 ( 其他针脚的最大输出电流均是 4 mA) 与此同时 ， 将未使用的 IO 引脚设置为输入上拉 ， 防止浮空引脚 ， 减少电流消耗及不确定状态 231 中南民族大学学报 ( 自然科学版 ) 第 38 卷此外 ， 需要在编译选项中加入 POWE _SAVING 参数 ， 使得节点开启低功耗模式 ， 并修改f8wConfigcfg 配置文件中的常量变量设置为如下值 :-DPOLL_ATE=0 / /default 1000-DQUEUED_POLL_ATE=0 / /default 100-DESPONSE_POLL_ATE=0 / /default 100经过上述设置后 ， 使得 ZigBee 终端节点能在低功耗模式下完成数据采集功能 在 ZigBee 路由节点实现对设备的自动化控制 ，多路继电器是电气设备控制的核心 ， 它与 ZigBee 路由节点的 IO 口连接 ， 通过 IO 口的高低电平变化来控制多路继电器触点的通断 ， 达到控制电气设备开启和关闭的目的 LED 灯带和发热线给农作物补光升温 ， 布线简单快捷 、经济环保 风机调节大棚的二氧化碳浓度 ， 当大棚内的二氧化碳浓度过高时 ， 给农作物补充氧气 水箱 、增压泵 、电磁阀和喷嘴构成了灌溉硬件模块 ， 与土壤湿度传感器联动 当检测到土壤湿度低于一定的阀值时 ， 电磁阀开启 ， 水流从喷嘴处喷出进行灌溉 整个过程无需另外架设管道 ， 非常适于现有蔬菜大棚的改造 ， 灌溉硬件模块与 ZigBee网络直接组成一套低成本小型自动灌溉系统 ， 系统部署如图 2 所示 图 2 系统部署图Fig2 System deployment diagram为节省成本 ， 本系统中所有大棚构成一个局域网 ， 每个大棚中的汇聚节点与网络模块直接进行数据传输 ， 并通过轮询的方式实现远程反向控制功能 12 软件设计( 1) ZigBee 开发环境系统中 ZigBee 节点的业务逻辑代码均在 IAEmbedded Workbench 开发环境中使用 C 语言开发完成 ， ZigBee 节点间的通信协议采用基于 Z-Stack-CC2530-251a 版本协议栈 ( 2) 网关模块驱动开发分别采用 W5500 以太网模块 、ESP8266 WIFI模块 、SIM7600CE 4G 模块 ， 使本身无法接入互联网的 ZigBee 网络可以使用 3 种方式与远程服务器通信 CC2530 使用对应的 SPI 接口或 UAT 接口与网关模块对接 ， 在 Z-Stack 协议栈中移植相关的设备驱动即可完成 ZigBee 协议到互联网协议之间的转换 ( 3) 服务器中间件实现服务器中间件承担了远程手机终端设备与蔬菜大棚现场设备双方数据交互的桥梁作用 ， 同时也是系统智能化自动化控制功能中至为关键的一环 服务器端运行 Python 中间件的业务流程图如图 3所示 图 3 服务器中间件数据传输图Fig3 Server middleware business flow chart( 4) 数据库设计本系统中使用的数据库版本为 MySQL55， 分别创建用户信息表 、数据采集结果表 ， 分别用于验证用户身份和采集数据实时展示 ( 5) 微信平台开发云服务器端使用 ThinkPHP5023 核心版框架 ，通过调用微信公众号接口实现自动回复 、自定义菜单 、消息推送等功能 使用 PHP、ECharts 等技术实现前端展示页面 ， 通过调用 Python 语言编写的后端接口 ， 实现实时展示采集的环境数据和远程控制等相关功能 2 系统实现21 硬件实现系统中 ZigBee 通信硬件模块使用德州仪器公331第 1 期 雷建云 ， 等 : 基于 ZigBee 的低功耗蔬菜大棚远程无线传感测控系统司的 CC2530 增强型 51 内核单片机 ， 与信号放大芯片 FX2401C 组成的 ZigBee 射频模块的最小系统原理图如图 4 所示 图 4 CC2530+FX2401C 组成的 ZigBee 射频模块电路Fig4 CC2530+FX2401C composed ZigBee F module circuit schematicZigBee 终端节点 、路由节点 、汇聚节点 ( 协调器 ) 所采用的射频模块电路均相同 ， 只在业务逻辑代码上有所区别 终端节点在低功耗模式下运行 ， 所有模块均可以在锂电池的工作电压下正常运行 路由节点与 8路继电器连接 ， 汇聚节点与网关模块连接并进行数据传输 各节点硬件接线实物图如图 5 所示 图 5 各节点接线实物图Fig5 Physical map of each node wiring22 软件实现( 1) 环境数据采集与远程控制用户打开手机上的微信公众号即可实时查看蔬菜大棚内的实时环境数据及变化趋势 ， 并通过界面上的开关按钮远程控制风机 、水泵等可控制设备 ， 如图 6( a) ， 图 6( b) 所示 ( 2) 自动灌溉当土壤湿度传感器监测到土壤湿度低于某一个阀值时 ， 水泵开启 ， 自动进行灌溉直至土壤湿度达到某一个值 ， 以保证土壤湿度在某一个恒定的值 ， 保证农作物生长的最佳湿度环境 ( 3) 消息推送根据硬件设备的操作 ， 会给用户推送不同消息 ，如自动灌溉 ， 自动换气 ， 自动检测是否有人靠近 ， 以达到实时消息推送的功能 ， 如图 6( c) 所示 431 中南民族大学学报 ( 自然科学版 ) 第 38 卷图 6 微信公众号界面图Fig6 WeChat public number interface map3 实验及结果分析ZigBee 常用芯片 CC2530 的 4 种功耗模式如表 1 所示 :表 1 CC2530 的 4 种功耗模式Tab1 Four power consumption modes of the CC2530供电模式 高频振荡器 低频振荡器 数字核心模块 参考电流全功能模式 16 或 32 MHz 晶振 32768 kHz 晶振 ON 30 mAPM1 无 32768 kHz 晶振 ON 200 APM2 无 32768 kHz 晶振 OFF 1 APM3 无 无 OFF 04 A对比表 1 中各工作模式 ZigBee 节点参考电流 ，CC2530 在 PM2 和 PM3 模式下功耗较低 ， 因此 ， 节点进入休眠状态时 ， 优先选择 PM2 或 PM3 模式 由于节点进入 PM3 模式时 ， 会关闭所有低频振荡器 ，此时无法使用定时器产生中断 ， 在没有给予外部中断或重新上电复位的情况下 ， 无法自主唤醒 ， 会导致节点一直处于低功耗模式而无法执行应用层任务 因此 ， 尽管 PM3 模式的电流相对于 PM2 模式略低 ，但本文选择 PM2 模式休眠 在本文第 2 部分搭建的系统中 ， 使用万用表测得以下数据 :( 1) 路由节点在带功率放大模块的全功能模式下 ， 测得平均电流 Iactive为 34 mA; PM2 低功耗模式下 ， 测得平均电流 Isleep为 15 A; 唤醒时关闭接收机只发送数据测得的平均工作电流 Isend为 16 mA( 2) 设定路由节点休眠时低功耗模式的工作周期 tsleep为 3 s， 全功能模式时间 tactive为 50 ms， 唤醒时关闭接收机只发送数据的工作时间 tsend为 5 s( 3) 使用 2 节 5 号电池给路由节点供电 ， 单节 5号电池的容量为 1200 mAh， 路由节点的工作电压 U为 33 V在等待唤醒指令时 ， 路由节点的能量损耗为 :Wactive+ Wsleep= Utactive0Iactivedt + Utsleep0Isleepdt，( 1)接收到外部唤醒指令后 ， 发送数据包的过程中 ， 路由节点的能量损耗为 :Wsend= Utsend0Isenddt， ( 2)路由节点在未采用休眠唤醒策略时的能量损耗为 :Wnormal= Utnormal0Iactivedt， ( 3)其中 tnormal为总的工作时长 ， 因此 ， 本系统中路由节点的总能耗计算公式为 :Wtotal= Wactive+ Wsleep+ Wsend=Utactive0Iactivedt + Utsleep0Isleepdt + Utsend0Isenddt， ( 4)节点工作时长 ttotal计算公式为 :531第 1 期 雷建云 ， 等 : 基于 ZigBee 的低功耗蔬菜大棚远程无线传感测控系统ttotal=NbatteryWbatteryWtotalT， ( 5)其中 Nbattery， Wbatiery分别表示使用的电池数量以及每节电池电量 ， T 表示数据采集的时间间隔 根据公式 ( 1) ( 5) 及测量到的数据可计算出在使用 2 节 5 号电池下 ， 路由节点在不使用低功耗休眠唤醒策略以及在不同数据采集间隔下的路由节点的理论工作时长 ， 结果如表 2 所示 表 2 路由节点在不同数据采集间隔下的工作时长Tab2 Working time of routing nodes under differentdata collection intervals采集间隔 理论工作时长 /d不使用低功耗休眠唤醒策略 3每隔 1/6 h 唤醒一次 ， 持续工作 1min 27每隔 05 h 唤醒一次 ， 持续工作 1min 61每隔 1h 唤醒一次 ， 持续工作 1min 90每隔 24h 唤醒一次 ， 持续工作 1min 171由表 2 可知 ， 在不同数据采集间隔下节点的工作时长随着采集时间间隔的增加而增加 ， 而当节点不使用低功耗唤醒策略时 ， 节点理论工作时长仅为3d， 因此 ， 比传统的未使用低功耗休眠唤醒策略有更高的使用价值 ， 可以有效延长节点使用寿命 4 结语本文实现了 ZigBee 无线传感器网络与微信公众平台在蔬菜大棚中的应用 借助智能物联网系统实现对蔬菜大棚内设备的自动控制 ， 在设定的环境参数内自动作业 ， 大幅提高了对环境条件的精准控制 ， 同时也减少了对人的依赖 ， 减轻了技术压力 23本文主要从以下几个方面突出了该智能监测控制系统的实用性与创新性 ( 1) 低成本 、低功耗终端节点采用电池供电 ， 进行环境数据采集 ， 减少了传统数据采集的各种电线 、网线布线过程 ， 并使用低功耗算法大大降低了耗能 ， 经测试与计算 ， 单节电池大约可以使用一年以上而无需更换 现有的智能农业大棚造价动辄 100 元 /m2以上 ， 而使用本文中的初期方案已经可以实现环境数据采集与自动灌溉等基本功能 ， 整体成本约在几百元内 ， 后期扩展其他的功能模块所需的开销也只是其他智能大棚成本的 1/10不到 因此非常适用于预算比较有限的农业生产地区 ;( 2) 操作简单 、可靠性高针对多数农业从业人员的知识素养特点 ， 简化了设备操作难度 ， 系统界面亲和力高 ， 同时用户在微信平台上使用本系统增强了用户粘性 系统具有硬件冗余 ， 可根据实际部署施工的难度 ， 有选择性地通过以太网 、Wi-Fi、4G/GSM 三种方式接入互联网 ， 在条件苛刻的山区可以使用太阳能风能配合蓄电池给硬件模块供电 ， 使得系统在极端环境下也能正常运行 ;( 3) 扩展能力强系统提供了丰富的软硬件接口 ， 扩展能力强 ， 低功耗采集模块得到的环境数据参考价值高 ， 为以后进行农产品追溯 、平台推广提供了丰富的数据基础 参 考 文 献 1 薛涛 ， 杜岳峰 ， 田纪云 ， 等 基于 ZigBee 技术的棉田滴灌监测与控制系统 J 农业机械学报 ， 2016， 47( S1) :261-266 2 孟超英 ， 王佳 ， 陈红茜 ， 等 基于分布式对象的蛋鸡舍设施养殖数字化智能监测系统 J 农业机械学报 ， 2017，48( 10) : 292-299 3 王宗省 ， 苏金娣 ， 宋炳辉 基于土壤墒情的联栋大棚智能灌溉系统的设计 J 节水灌溉 ， 2017( 10) : 96-99 4 张小栓 ， 刘贺 ， 崔衍 ， 等 钾肥生产原卤井无线传感器网络监 测 系 统 J 农 业 工 程 学 报 ， 2017， 33 ( S1) :199-205 5 田微 ， 蒋毕 ， 毛腾跃 ， 等 微生物废水处理产甲烷的自动控制系统 J 中南民族大学学报 ( 自然科学版 ) ，2018， 37( 2) : 90-93 6 谭会君 ， 潘霞 基于嵌入式电子信息的农田信息采集系统开发 J 农机化研究 ， 2019， 41( 4) : 238-241 7 李兴泽 ， 王福平 基于物联网的农业大棚智能管控系统 J 江苏农业科学 ， 2018， 46( 1) : 181-183 8 LIU L， JIANG WDesign of vegetable greenhouse monitoringsystem based on ZigBee and GPS C / /IEEE2018 4thInternational Conference on Control， Automation andobotics Auckland: IEEE， 2018: 336-339 9 LUO Q， QIN L， LI X， et al The implementation ofwireless sensor and control system in greenhouse basedon ZigBee C / /IEEE35th Chinese Control ConferenceChengdu: IEEE， 2016: 8474-8478 10 TSAI C F， HUNG K C Campus greenhouse monitoringwith a simple ZigBee-based sensor network C / /IEEEInternational Conference on Advanced Materials forScience and Engineering Tainan: IEEE， 2016:305-308 11 LIU X， ZHANG T， LI B， et alWireless measurementand control system of environmental parameters ingreenhouse based on ZigBee technology C / /IEEE631 中南民族大学学报 ( 自然科学版 ) 第 38 卷2018 37th Chinese Control Conference Wuhan: IEEE，2018: 7268-7273 12 WANG X， HAN S， CAO N， et al emote monitorsystem design of Edible Fungus greenhouse basing onZigBee C / /IEEE 2017 IEEE InternationalConference on Computational Science and Engineeringand Embedded and Ubiquitous Computing Guangzhou:IEEE， 2017: 328-331 13 XING X， SONG J， LIN L， et al Development ofintelligent information monitoring system in greenhousebased on wireless sensor network C / /IEEE 2017 4thInternational Conference on Information Science andControl Engineering Changsha: IEEE， 2017: 970-974 14 LIU Y， BI C The design of greenhouse monitoringsystem based on ZigBee WSNs C / /IEEE 2017 IEEEInternational Conference on Computational Science andEngineering and Embedded and Ubiquitous ComputingGuangzhou: IEEE， 2017: 430-433 15 CHEN F， QIN L， LI X， et alDesign and implementation ofZigBee wireless sensor and control network system ingreenhouse C / /IEEE 2017 36th Chinese ControlConference Dalian: IEEE， 2017: 8982-8986 16 李玮瑶 ， 王建玺 ， 王巍 基于 ZigBee 的蔬菜大棚环境监控系统设计 J 现代电子技术 ， 2015， 38( 12) :51-54 17 王军 ， 孙健程 ， 曾静 基于 ZigBee 的蔬菜大棚无线监控系统设计 J 计算机工程与设计 ， 2013， 34( 3) :1126-1131 18 魏纯 ， 刘红艳 温室超低功耗无线传感器智控系统设计 基于 MSP430 和 ZigBee J 农 机 化 研 究 ，2017， 39( 1) : 207-211 19 毛威 ， 来智勇 ， 耿楠 基于 WSN 的温室智能灌溉系统软件设计 J 现代电子技术 ， 2017， 40 ( 16) : 5-9 20 冯荣华 ， 王强 ， 叶大鹏 基于 ZigBee 技术的蔬菜大棚分布式多点监控系统 J 福建师范大学学报 ( 自然科学版 ) ， 2016， 32( 5) : 24-27 21 唐英姿 ， 蒋峰 远程无线高精度温室大棚环境监控系统设计 J 江苏农业科学 ， 2017， 45( 15) : 217-222 22 李勇峰 ， 闫星位 ， 黄娟 ， 等 基于 Android 的藏汉双语大棚远程监控系统的设计与实现 J 电视技术 ， 2017，41( Z4) : 198-202 23 龚尚福 ， 潘虹 智能温室大棚监控系统的研究与设计 J 现代电子技术 ， 2017， 40( 19) : 119-122( 责任编辑 曹 东 )731第 1 期 雷建云 ， 等 : 基于 ZigBee 的低功耗蔬菜大棚远程无线传感测控系统