摘  要： 针对现代农业生产中远程分布式温室环境监测的需求，设计了一种远程分布式温室环境监测系统。系统构成包括基于CC2530的传感网络、数据采集节点、主控节点及上位监控机。开发了监测过程的通信协议；实现了对多点环境参数的远程无线实时采集、网络节点状况的监测和可视化上位机监控。运行结果表明，该系统工作稳定可靠，功能完备，操作简便，人机界面友好，较好地满足了远程分布式温室环境监测的需求。

　　关键词： 环境参数；无线监测；ZigBee；CC2530；可视化

0 引言

　　适宜的环境可以促进动植物的生长，提高产量。为了得到更好的经济效益，温室环境参数的监测是十分重要的。现代化农业大规模生产对远程分布式温室环境监测提出了新的要求，传统的网络化监测系统通常采用有线方式组成网络，资金投入大，维护困难，受环境限制，可移动性差[1]。无线传感网络具有拓展灵活、移动性强、成本低、自组织、动态拓扑[2-3]等优点，使它在远程分布式测控应用中具有明显的优势。

　　ZigBee作为一种新型的无线通信技术，由于功耗低、成本低、扩展方便、易于维护、移动性强[4-8]，使它在无线传感网络中占有重要地位。本文采用新一代SoC芯片CC2530构建无线传感网络，设计了一种远程分布式温室环境监测系统，开发了监测过程的通信协议，实现了对多点环境参数的远程无线实时采集、网络节点状况的监测和可视化上位机监控，更好地满足了远程温室环境监测的需要。

1 总体方案设计

　　1.1 系统结构

　　本系统基于CC2530构建传感网络，设计了数据采集终端节点、主控节点及上位监控机，整个系统结构如图1所示。

　　主控节点与上位监控机通过串口进行数据交换，实现了对各采集节点的控制与管理。数据采集终端节点主要配合主控节点完成对本地环境参数的采集。

　　1.2 系统功能

　　在温室环境监测中，用户有时需要实时地监测温室环境参数，所以需要实时地采集环境参数。在对环境要求不高的情况下，出于能耗的考虑，用户可以停止对环境参数的实时采集，进行手动单次采集。为确保网络节点稳定工作，需要监测每个节点的工作电压。在遇到网络故障时，要能及时检测出不能正常工作的节点。对于以上要求，本文的设计目标如下：

　　（1）主控节点能周期性地采集到各采集节点所处地区的环境参数，并能把数据正确地传给上位监控机；

　　（2）在不需要周期性实时采集时，主控节点能通过手工单次采集命令进行手工单次采集；

　　（3）为了易于网络故障的排查，主控节点必须承担网络检测的任务，时刻监测网络节点是否正常工作；

　　（4）形象的上位监控机显示界面。

2 软件系统设计

　　2.1 主控节点软件设计

　　（1）周期性采集控制：上位监控机通过串口给主控节点一个定时周期采集命令，主控节点接收到命令后先判断周期命令是否正确，若正确，则主控节点通过osal_start_timerEx（）系统函数给主控节点添加周期性定时事件。若不正确，则抛弃这次接收到的命令。

　　（2）手动单次采集控制：上位监控机通过串口给主控节点一个手动采集命令，主控节点检查命令是否正确，若正确，则主控节点通过AF_DataRequest（）系统函数向终端节点发送单次采集命令。主控节点等待接收各终端节点采集到的环境参数信息，并把环境参数信息写进串口。

　　（3）网络节点监测：主控节点上电后会周期性地广播测试消息，并等待接收终端节点回发的状态信息。对接收到的状态信息进行相应处理，并把处理后的网络状态信息写进串口。

　　2.2 终端节点软件设计

　　（1）周期性环境参数采集：终端节点接收到主控节点的周期性采集命令后，采集本地的环境参数信息，并把采集到的环境参数信息回发给主控节点。在周期性采集事件中涉及对模拟传感器和数字传感器的采集。

　　①模拟传感器数据采集：环境的光照、湿度参数信息通过模拟传感器采集。本文考虑到成本和精度，使用了CC2530自带的AD转换功能。CC2530有7 bit、9 bit、10 bit和11 bit分辨率可选。本文选用了9 bit分辨率。

　　②数字传感器数据采集：环境的温度参数通过数字单总线型温度传感器DS18B20采集。该传感器完成了模拟到数据量的转化，转化的结果是12 bit的。转换后的数字量结果保存在DS18B20内部存储器中。转换的结果第一位是符号位，后11位为数据位。如果第一位符号位为1，表明实测温度低于零度。

　　（2）手动单次环境参数采集：终端节点接收到主控节点的手动单次采集消息后，采集一次环境参数信息，并把环境参数信息回发给主控节点。

　　（3）网络状态监测：终端节点接收到主控节点的检测信息后，回发各自的状态信息。该状态信息包含各节点的工作状态。

　　周期性采集、手动单次采集、网络状态监测的流程图如图2所示。

　　2.3 上位监控机设计

　　上位监控机的所有功能都是基于对串口数据的操作。针对串口数据操作，本文使用了CSerialPort.c和CSerialPort.h两个文件。这两个文件中定义了许多对串口处理的函数，用户只要把它们添加进工程，并做相应配置就能调用其中对串口处理的函数，实现对串口的操作。

　　（1）参数提取模块：参数提取模块主要由界面初始化模块、打开和关闭串口模块、接收单个字节模块等组成。界面初始化模块主要完成添加捕获到的串口号、波特率、数据位、校验、停止位等界面初始化信息。打开和关闭串口模块主要完成关闭已经打开的串口并根据捕获到的串口号、波特率、数据位、校验、停止位信息初始化串口。接收单个字节模块主要完成接收下位机传过来的数据。

　　（2）实时环境参数曲线绘制模块：实时环境参数曲线绘制模块主要由绘制温室温度参数模块、绘制温室亮度参数模块、绘制温室湿度参数模块、重绘界面模块等组成。绘制温室温度参数曲线模块首先绘制时间轴、温度值轴、相应位置的刻度值，然后根据参数提取模块提取到的温室温度值，绘制出温室温度的实时曲线图。亮度、湿度参数曲线的绘制与温度参数曲线的绘制类似。重绘界面模块，当输出一次信息时，需要重绘界面，以防止上次界面对本次输出的影响。

　　（3）温室状态监测显示模块：温室状态监测显示模块主要由绘制虚拟测量计模块、显示接收当前环境参数的时间模块等组成。绘制虚拟测量计模块绘制出温度计、湿度计、亮度计，把参数提取模块提取到的环境参数在对应的度量机上显示出来。显示接收当前环境参数的时间模块，在参数提取模块提取到一个完整的数据包后，提取一次笔记本的系统时间，并把它显示出来。

　　（4）网络节点状态显示模块主要由判断节点正常工作模块、节点地址显示模块、节点工作电压显示模块等组成。该模块主要是分析主控节点送上来的网络状态信息，并能根据网络状况信息分析节点是否正常工作，画出节点状态图。

　　整个系统的工作流程图如图3所示。

3 实际运行效果

　　当上位监控机给主控节点一个定时采集周期，监控机上就能定时显示出各节点所处环境的参数信息，运行结果如图4所示。

　　根据提取到的环境参数信息，画出环境参数的实时曲线。点击打开图4中的第二个属性对话框，显示环境参数的实时曲线，效果如图5所示。

　　监控机可以把提取到的环境参数信息转换到相应测量计上的输出。点击打开第三个属性页，形象地显示各节点环境参数信息，效果图如图6所示。

　　监控机可以显示网络状态信息，运行效果图如图7所示。

　　人为地关闭第4个节点，网络状态图上的第4个节点颜色变灰。由此看出主控节点可以检测网络故障。

4 结论

　　将ZigBee无线通信技术应用于远程分布式温室环境监测，有利于提高环境参数监测的效率，降低现有监测系统的成本。大量实验测试表明，该系统具有数据传输快、误码率低、稳定可靠等特点，稍加改动就可以应用于其他监测系统，具有一定的市场价值。

　　参考文献

　　[1] 杨顺，刘士敏.基于ZigBee-WSN的啤酒发酵过程监测系统[J].计算机工程与设计，2013，34（12）：4410-4414.

　　[2] 马祖长，孙怡宁，梅涛.无线传感网络综述[J].通信学报，2004，25（4）：114-124.

　　[3] 汪明伟，汪烈军，谢卫民.无线传感器网络访问控制的研究进展[J].计算机应用研究，2013，30（10）：2896-2902.

　　[4] HAN D M， LIM J H. Smart home energy management system using IEEE 802.15.4 and ZigBee[J]. IEEE Transactions on Consumer Electronics，2010， 56（3）：1403-1410.

　　[5] 吴京晶，吴伯农.基于ZigBee的冷弯型钢在线监测系统[J].自动化仪表，2013，34（12）：28-35.

　　[6] 李彬，李业德，程海涛.低功耗无线测温系统设计[J].山东理工大学学报，2008，23（2）：141-142.

　　[7] 李文仲，段朝玉.ZigBee无线网络技术入门与实战[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

　　[8] 李文仲，段朝玉.ZigBee2006无线网络与无线定位实战[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.