李曉娟,徐君鵬,秦國(guó)慶

（河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003）

基于ZigBee的溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

李曉娟,徐君鵬,秦國(guó)慶

（河南科技學(xué)院,河南新鄉(xiāng)453003）

基于ZigBee協(xié)議設(shè)計(jì)了用于溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)的無線協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn).節(jié)點(diǎn)硬件部分采用無線微控制器JN5139作為核心模塊,加入存儲(chǔ)電路、時(shí)鐘電路、LCD液晶顯示電路、按鍵和語(yǔ)音電路；軟件采用C語(yǔ)言編寫.在實(shí)驗(yàn)室搭建模擬運(yùn)行環(huán)境,結(jié)果表明：系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、可靠地完成溫室環(huán)境因子監(jiān)測(cè).

ZigBee；協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)；JN5139；監(jiān)測(cè)

智能溫室可以為農(nóng)作物提供適宜的生長(zhǎng)環(huán)境,對(duì)溫室環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性是衡量溫室智能化高低的重要參數(shù)[1-2].在溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是關(guān)鍵一環(huán),協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)不但是單個(gè)溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的中心,而且是單個(gè)溫室與主干網(wǎng)絡(luò)的交互中心,負(fù)責(zé)組建整個(gè)溫室監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)并通過串口將信息傳遞到監(jiān)控室.本文基于ZigBee協(xié)議設(shè)計(jì)了一種用于溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)的無線協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn).

1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)采用英國(guó)Jennic公司的無線微控制器JN5139[3]作為硬件核心模塊,同時(shí)加入存儲(chǔ)電路、時(shí)鐘電路、語(yǔ)音電路、按鍵和LCD液晶顯示電路,其結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)Fig.1 Block diagram of coordinator node

1.1 控制器選擇

系統(tǒng)構(gòu)建的基于ZigBee協(xié)議的溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn),選用英國(guó)Jennic公司的集CPU內(nèi)核、標(biāo)準(zhǔn)的I/O外圍單元及RF模塊為一體的無線微控制器JN5139,它有3種靈活工作模式（有效處理模式、睡眠模式和深度睡眠模式）和4個(gè)模塊供電域,在應(yīng)用時(shí)根據(jù)實(shí)際情況選取合適的工作模式和控制具體的模塊供電域,在降低功耗的同時(shí)延長(zhǎng)電池的使用壽命.另外在它內(nèi)部集成32-bit RISC CPU、1.4 GHz IEEE801.15.4全兼容的無線收發(fā)器、192 KB ROM、96 KB RAM及豐富的模擬數(shù)字外圍.

1.2 存儲(chǔ)電路設(shè)計(jì)

為了使溫室監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)更加靈活,即不僅能監(jiān)測(cè)溫室環(huán)境參數(shù),還能根據(jù)需要調(diào)出溫室內(nèi)任一節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及工作狀態(tài),在協(xié)調(diào)器點(diǎn)上加入了存儲(chǔ)電路,以便存入各個(gè)節(jié)點(diǎn)的MAC地址或網(wǎng)絡(luò)地址等信息.結(jié)合低功耗、與微處理器接口簡(jiǎn)單、存儲(chǔ)空間需要、小體積等因素,系統(tǒng)選用ATMEL公司的AT24C64N-10SC-1.7[4].其接口電路如圖2所示.

圖2 AT24C64接口電路Fig.2 The interface circuit of AT24C64

圖2中,把A0、A1、A2接地,表明協(xié)調(diào)器只擴(kuò)展一個(gè)同類型的存儲(chǔ)器,WP腳為硬件寫保護(hù)腳,當(dāng)其接高電平時(shí),64 Kbit的前16 Kbit禁止寫操作,從而可以避免一些誤操作,當(dāng)接低電平時(shí),沒有寫保護(hù)功能,當(dāng)懸空時(shí),內(nèi)部默認(rèn)下拉到地.

1.3 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)

在溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中,基于時(shí)間的溫室環(huán)境因子數(shù)據(jù)報(bào)表有利于查找作物的生長(zhǎng)規(guī)律,并且利用實(shí)時(shí)時(shí)鐘可以記錄一些故障發(fā)生的時(shí)間及無線節(jié)點(diǎn)的失效時(shí)間,這對(duì)整個(gè)溫室環(huán)境因子的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)都是不可缺少的,因此協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)引入實(shí)時(shí)時(shí)鐘.結(jié)合低供電電壓、低功耗、小體積、接口簡(jiǎn)單等因素,選用Philips Semiconductors的基于IIC總線的日歷時(shí)鐘芯片PCF8563[5].其接口電路如圖3所示.

圖3 PCF8563接口電路Fig.3 The interface circuit of PCF8563

圖3中,中斷輸出通過DIO11接至JN5139,當(dāng)中斷事件發(fā)生時(shí),JN5139微控制器進(jìn)行相應(yīng)的處理；由于集電極開漏,所以加入10 kΩ的上拉電阻；R16、R17為0 Ω電阻,主要用于調(diào)試方便及測(cè)試系統(tǒng)功耗.在電源設(shè)計(jì)中,當(dāng)主電源正常時(shí),主電源供電,否則后備鈕扣電池供電以便保存數(shù)據(jù)和維持時(shí)鐘的照常走動(dòng).

1.4 LCD顯示電路設(shè)計(jì)

采用LCD顯示技術(shù)把溫室里的主要監(jiān)測(cè)環(huán)境因子顯示出來,可以供用戶實(shí)時(shí)查詢,并通過按鍵去采取必要措施,從而達(dá)到良好的人機(jī)互動(dòng).結(jié)合體積及功耗,監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中采用V12864-0[6],其為一塊128*64點(diǎn)陣的LCD顯示面板（玻璃）,采用COG技術(shù)將控制（包括顯存）、驅(qū)動(dòng)器集成在LCM的玻璃上,接口簡(jiǎn)單,操作方便,各種MCU均可對(duì)其進(jìn)行方便簡(jiǎn)單的接口操作.內(nèi)核驅(qū)動(dòng)控制芯片為EPSON SED1565.其與JN5139無線微控制器的接口電路圖如圖4所示.

圖4 V12864-0接口電路Fig.4 The interface circuit of V12864-0

由圖4可以看出,使用DIO0-DIO7作LCD并行數(shù)據(jù)口,而DIO8、DIO9作控制口,可以根據(jù)光照傳感器的輸出值來判定周圍光照度,從而向V12864-0發(fā)送不同的背光設(shè)置命令以節(jié)省功耗,并且還可以通過控制命令使V12864-0進(jìn)入節(jié)電模式.

1.5 按鍵電路設(shè)計(jì)

用戶需要通過按鍵來查詢整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作狀態(tài),或通過按鍵輸入節(jié)點(diǎn)的地址,來查詢節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息以及設(shè)置一些必要的系統(tǒng)參數(shù)等.因此按鍵電路的設(shè)計(jì)也是必要一環(huán).由于JN5139無線微控制器僅有21個(gè)GPIO,為了充分利用JN5139的現(xiàn)有資源,系統(tǒng)的鍵盤設(shè)計(jì)采用ADC2及ADC3接口來實(shí)現(xiàn).其按鍵接口原理如圖5所示.

圖5 按鍵接口原理Fig.5 The interface circuit of key

1.6 語(yǔ)音電路設(shè)計(jì)

用戶常和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)交互,為使協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)更加人性化,除了鍵盤、LCD顯示外,引入語(yǔ)音電路,從而可以以聲音的形式來播報(bào)溫室環(huán)境因子參數(shù)及報(bào)警指示.考慮到系統(tǒng)中實(shí)際語(yǔ)音播報(bào)時(shí)間及性價(jià)比,這里選用美國(guó)信息存儲(chǔ)器件公司的ISD系列語(yǔ)音芯片ISD4002-120EI[7],它能錄放達(dá)120 s,操作命令可通過串行通信接口（SPI）送入.為了能夠驅(qū)動(dòng)8 Ω揚(yáng)聲器工作,本協(xié)調(diào)器選用Freescale Semiconductor公司的MC34119低功耗音頻功率放大器對(duì)語(yǔ)音芯片輸出的音頻信號(hào)進(jìn)一步放大.

由ISD4002-120EI和MC34119組成的語(yǔ)音電路如圖6所示.

圖6 ISD4002-120EI和MC34119組成的語(yǔ)音電路Fig.6 Sound circuit comprise of ISD4002-120EI and MC34119

在圖6中,為了使語(yǔ)音電路與高頻電路不互相干擾,把模擬電源與數(shù)字電源、模擬地與數(shù)字地利用磁珠進(jìn)行隔離.為節(jié)省功耗,系統(tǒng)在不播放語(yǔ)音時(shí),通過JN5139的IO腳來控制S9011的導(dǎo)通與截止,進(jìn)而控制MC34119在工作與靜音模式的切換.

2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用C語(yǔ)言在Jennic CodeBlocks環(huán)境下進(jìn)行編譯和調(diào)試.

協(xié)調(diào)器在網(wǎng)絡(luò)層主要是選擇網(wǎng)絡(luò)所使用的頻率通道,啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)并將其他節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò),提供安全管理和其他服務(wù).協(xié)調(diào)器成功建立網(wǎng)絡(luò),路由器節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò),并且路由器節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送自己的MAC地址給協(xié)調(diào)器,協(xié)調(diào)器通過查找存儲(chǔ)器AT24C64中存儲(chǔ)的節(jié)點(diǎn)編號(hào)地址對(duì)應(yīng)表,來完成路由節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)的注冊(cè),并把節(jié)點(diǎn)編號(hào)、MAC地址、網(wǎng)絡(luò)地址對(duì)應(yīng)起來,重新存入AT24C64.

初始化完成后,應(yīng)用程序把控制權(quán)交給BOS/ZigBee協(xié)議棧,通過設(shè)定定時(shí)器的值來定時(shí)讀取相關(guān)數(shù)值,并作出相應(yīng)處理.監(jiān)控中心通過UART0發(fā)出命令和數(shù)據(jù),協(xié)議棧根據(jù)命令采取相應(yīng)措施.傳感器節(jié)點(diǎn)及路由節(jié)點(diǎn)通過MSG事務(wù)事件發(fā)送溫室環(huán)境因子監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),協(xié)議棧處理后送LCD顯示或通過RS485總線傳輸?shù)奖O(jiān)控中心.其協(xié)調(diào)器功能流程圖如圖7所示.

圖7 協(xié)調(diào)器功能流程Fig.7 The functional flow chart of coordinator

3 系統(tǒng)測(cè)試

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

本測(cè)試階段在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)完成,在模擬過程中采用5個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò),其中2個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn),2個(gè)路由節(jié)點(diǎn),1個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn).在實(shí)驗(yàn)過程中,傳感器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù),并且路由節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)把傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)傳到協(xié)調(diào)器,最終協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過串口中斷事件把數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)的超級(jí)終端進(jìn)行顯示,以便進(jìn)行初步的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證.實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖8所示.

圖8 實(shí)驗(yàn)環(huán)境Fig.8 Experiment environment

3.2 網(wǎng)絡(luò)管理功能測(cè)試

網(wǎng)絡(luò)管理功能主要包括：協(xié)調(diào)器啟動(dòng),傳感器節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò),并完成相應(yīng)注冊(cè)；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)損壞時(shí)及時(shí)報(bào)警.其中協(xié)調(diào)器啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)組網(wǎng)圖如9所示.

圖9 系統(tǒng)組網(wǎng)圖Fig.9 System network diagram

從圖9可以看出,協(xié)調(diào)器能夠啟動(dòng)并成功建立網(wǎng)絡(luò),同時(shí)完成路由器節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)加入.

3.3 數(shù)據(jù)采集測(cè)試

系統(tǒng)成功組網(wǎng)后,通過測(cè)試程序來檢測(cè)各部分功能.在測(cè)試程序中,采用隨機(jī)函數(shù)法來模擬采集溫室數(shù)據(jù),其中斷數(shù)據(jù)傳輸如圖10所示.

圖10 中斷模式下的數(shù)據(jù)采集Fig.10 Data acquisition in interruptive mode

從圖10可以看出,協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)采集的溫室數(shù)據(jù)主要包括溫度、濕度、光照度,當(dāng)數(shù)據(jù)超限時(shí),能采取中斷方式立即上報(bào)協(xié)調(diào)器,并發(fā)出聲光報(bào)警,使用戶可以及時(shí)采取相應(yīng)措施,從而提高溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性.

4 小結(jié)

本文基于ZigBee協(xié)議設(shè)計(jì)了一種用于溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)的無線協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn).完成了硬件電路設(shè)計(jì)和程序編寫,實(shí)驗(yàn)表明,該系統(tǒng)采用中斷方式極大地提高了溫室環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)能力,通過上位機(jī)界面用戶可以方便地監(jiān)測(cè)溫室環(huán)境參數(shù),為農(nóng)業(yè)信息化提供依據(jù),應(yīng)用前景廣闊.

[1]孔曉紅,秦國(guó)慶,張強(qiáng).智能遠(yuǎn)程溫室監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].湖北農(nóng)業(yè)科學(xué),2015,54（17）：4294-4296.

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（責(zé)任編輯：盧奇）

Design of coordinator node of greenhouse environmental monitoring system based on ZigBee technology

LI Xiaojuan,XU Junpeng,QIN Guoqing
（Henan Institute of Science and Technology,Xinxiang 453003,China）

A wireless coordinator network node for greenhouse environmental monitoring based on ZigBee technology was designed in this paper.The hardware part adopts the wireless microcontroller JN5139 as the core module,and the storage circuit,the clock circuit,the LCD liquid crystal display circuit,the button and the voice circuit was joined at the same time；the software adopts C language.Finally,building a simulation environment in laboratory, the experimental results showed that greenhouse environmental factors could be real-timely,accurately and reliably monitored though the system.

ZigBee；coordinator node；JN5139；monitoring

TP274

A

1008-7516（2016）04-0067-07

10.3969/j.issn.1008-7516.2016.04.014

2016-04-10

河南科技學(xué)院2016年大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目（2016CX025）

李曉娟（1986―）,女,河南汝州人,碩士,助教.主要從事模式識(shí)別與智能控制研究.