CN101140695A - 基于ZigBee无线传感器网络的温室环境监控*** - Google Patents

基于ZigBee无线传感器网络的温室环境监控*** Download PDF

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杨祥龙
王立人
郭希山
程文锋
王淑珍
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Abstract

本发明公开了一种基于ZigBee无线传感器网络的温室环境监控***。***分为整个温室群和单个温室内两个层次，单个温室内基于ZigBee星形网络的监控网和整个温室群基于ZigBee网状结构的监控网，***包括可任意布置的无线传感器节点(1)、用于驱动温室内执行机构的无线执行器驱动节点(2)；用于管理本地温室内的无线节点并兼具中继功能的温室无线路由节点(3)、用于收集温室群的环境数据以实现对所有温室管理的温室无线中央控制器(4)。本发明的优点在于：将ZigBee无线传感器网络技术应用到大型温室群管理中，构建了一种低成本、自组网、自恢复的无线温室环境监控网络代替传统的有线方式，方便了温室的管理和维护。

Description

基于ZigBee无线传感器网络的温室环境监控***
技术领域
本发明涉及一种基于ZigBee无线传感器网络的温室环境监控***。
背景技术
无线传感器网络集传感器技术、微机电***技术、嵌入式计算技术、无线通信技术和分布式信息处理技术于一体，因其广阔的应用前景而成为当今世界上备受关注的、多学科高度交叉的的热点研究领域。国外很早便将无线传感器技术引入到农业生产包括温室管理中。Morais等(1996)在葡萄牙运用无线数据采集网络采集温室内外的气候参数，通过在温室内外安装若干个太阳能数据采集站(SPWAS)监测温室内外的气候参数，SPWAS和基站之间通过射频建立连接。Serdio等(1998，2001)研制了一套用于温室管理的分布式数据采集和控制***，每个温室内，使用无线电频率433.92MHz的无线网络连接传感器至本地控制器。Mizunuma等(2003年)在农田和温室中运用WLAN监测作物生长进行监测并对生产***实施远程控制。
我国对无线传感器技术的研究起步较晚，在农业上尤其是温室中的应用不多。柳桂国和应义斌(2003)报道了采用蓝牙技术的温室测控***，***通过传感器网络采集环境数据冰传送至中央控制***。罗惠谦等(2006)研制了一种无线传感器，用于检测温室内环境参数。
由此可见，无线传感器技术应用于温室管理是一种趋势，但是，上述几种应用还是存在不足，并非真正意义上无线传感器网络，无法实现自组织，或者具有成本高能耗高等问题。ZigBee无线传感器网络技术将改变这一状况。ZigBee是一组基于IEEE802.15.4的无线通信协议，它是一种短距离、低功耗协议，因此非常适用于小型电子设备的无线控制指令传输。其典型的传输数据类型有周期性数据(如传感器)，间歇性数据(如照明控制)等。
目前，ZigBee联盟预测的主要应用领域包括工业自动化、智能楼宇、消费和家用自动化以及医用设备控制和农业自动化等方面。当前国内外对ZigBee技术的研究应用也集中在这几个方面，但是尽管如此，将ZigBee技术用于温室环境监控的研究和实现尚未见报道。
发明内容
本发明的目的在于通过与其他无线技术的比较，提出一种更适合温室环境监控的基于ZigBee无线传感器网络的温室环境监控***，构建一套低成本、自组织、低功耗的大型温室无线传感器监控网络，避免传统有线方式采集点布置困难、***成本高、安装维护难度大的缺点。
基于ZigBee无线传感器网络的温室环境监控***中的无线监控网络分为整个温室群和单个温室内两个层次，单个温室内基于ZigBee星形拓扑结构的星形监控网和整个温室群基于ZigBee网状拓扑结构的监控网，无线监控网络包括无线传感器节点、无线执行器驱动节点、温室无线路由节点、温室无线中央控制器。在单温室内，温室无线路由节点为本地温室内的控制器，温室无线路由节点与温室内无线传感器节点和无线执行器驱动节点组成星形网络，无线传感器节点和无线执行器驱动节点自由加入或退出无线监控网络；多个温室无线路由节点与温室无线中央控制器形成网状网络，每个温室无线路由节点为ZigBee网状网络中的路由节点，当某单个温室离温室无线中央控制器太远超出ZigBee的通信距离时，可逐级通过其他温室无线路由节点与温室无线中央控制器通信，或者当某条网路中断时自动通过其他温室无线路由节点与温室无线中央控制器通信，温室无线路由节点自由加入和退出无线监控网络，实现整个无线监控网络的自组织和自恢复。
所述的无线传感器节点的内部模块连接关系为：JN5121微处理器分别与M25P10存储器、RS232收发器、变压器、数字传感器相连接，变压器与天线相连接。无线执行器驱动节点的内部模块连接关系为：JN5121微处理器分别与M25P10存储器、RS232收发器、变压器、光耦相连接，变压器与天线相连接，光耦与固态继电器相连接。温室无线路由节点的内部模块连接关系为：JN5121微处理器分别与M25P10存储器、液晶显示器、RS232收发器、变压器、按键和LED指示灯相连接，变压器与天线相连接。温室无线中央控制器的内部模块连接关系为：JN5121微处理器分别与M25P10存储器、RS232收发器、变压器相连接，变压器与天线相连接，RS232收发器与PC机相连接。
本发明的优点在于：借助ZigBee技术自组网、低成本、自组织、低功耗的特点，构建了一种适合温室使用的无线监控网络，避免了传统电缆布线时采集点布置困难、***成本高、安装维护难度大的缺点，***配置简单，安装灵活，使用方便。
附图说明
图1为基于ZigBee无线传感器网络的温室环境监控***示意图
图2为本发明的无线传感器节点硬件结构图
图3为本发明的无线执行器驱动节点硬件结构图
图4为本发明的温室无线路由节点硬件结构图
图5为本发明的温室无线中央控制器***结构图
图6为本发明的温室无线中央控制器软件流程图
图7为本发明的温室无线路由节点软件流程图
图8为本发明的无线传感器节点软件流程图
图9为本发明的无线执行器驱动节点软件流程图
具体实施方式
如图1所述，基于ZigBee无线传感器网络的温室环境监控***中的无线监控网络分为整个温室群和单个温室两个层次，单个温室内基于ZigBee星形拓扑结构的星形监控网和整个温室群基于ZigBee网状拓扑结构的监控网，无线监控网络包括无线传感器节点1、无线执行器驱动节点2、温室无线路由节点3、温室无线中央控制器4，在单温室内，温室无线路由节点3与温室内无线传感器节点1和无线执行器驱动节点2组成星形网络，无线传感器节点1和无线执行器驱动节点2自由加入或退出无线监控网络，温室无线路由节点3为本地温室内的控制器，接收温室内无线传感器节点采集的数据并在其液晶显示器上实时显示，同时将数据经过打包处理发送给温室无线中央控制器；用户可在温室无线路由节点上控制本地温室内的执行机构，也可通过温室无线中央控制器发送控制命令至温室无线路由节点来控制某温室内的执行机构。多个温室无线路由节点与温室无线中央控制器4形成网状(Mesh)网络，每个温室无线路由节点为ZigBee Mesh网络中的路由节点，当某单个温室离温室无线中央控制器4太远超出ZigBee的通信距离时，可逐级通过其他温室无线路由节点与温室无线中央控制器4通信，或者当某条网路中断时自动通过其他温室无线路由节点与温室无线中央控制器4通信，温室无线路由节点3自由加入和退出无线监控网络，实现整个无线监控网络的自组织和自恢复。
如图2所述，无线传感器节点1的内部模块连接关系为：JN5121微处理器分别与M25P10存储器、RS232收发器、变压器、数字传感器相连接，变压器与天线相连接。JN5121内置一款32位的RISC处理器，配置有2.4GHz频段的IEEE802.15.4标准的无线收发器，可无需外接收发模块而直接通过变压器与天线连接。传感器可选择低功耗的数字式传感器，将采集到的环境参数值输入JN5121微处理器，经处理后无线传输给温室无线路由器。ZigBee无线传感器节点采用两节1.5V碱性7号干电池供电，经过计算，如果采样周期为1分钟则无线传感器节点理论上的使用寿命在5年左右。
如图3所述，无线执行器驱动节点2的内部模块连接关系为：JN5121微处理器分别与M25P10存储器、RS232收发器、变压器、光耦相连接，变压器与天线相连接，光耦与固态继电器相连接。JN5121接收到温室无线路由节点的控制命令后，经分析处理将控制信号通过光耦隔离驱动固态继电器输出端的导通或断开，从而控制温室内执行机构的交流接触器来控制执行机构的工作状态。由于无线执行器驱动节点通常安装在执行机构附件，可以使用执行机构所在的交流电网，因此电源方式采用电池供电和交流电网供电两种模式，供用户选择。
如图4所述，温室无线路由节点3的内部模块连接关系为：JN5121微处理器分别与M25P10存储器、液晶显示器、RS232收发器、变压器、按键和LED指示灯相连接，变压器与天线相连接。温室路由节点通过运行管理软件，采集温室内环境参数并显示在液晶显示器上，并对温室内执行机构进行本地控制，同时节点具备路由中继功能。按键用于操作节点软件和通过无线执行器驱动节点手动控制温室内执行机构，LED指示灯用于指示执行机构的运行状态。根据ZigBee协议应用的具体情况，由于路由节点需要时刻开启路由功能且配置了液晶显示器，相比无线传感器节点能耗高，不适宜长时间采用电池供电，因此温室路由节点采用电网供电和电池供电两种方式，电池供电模式用于停电情况下的应急措施。
如图5所述，温室无线中央控制器4的内部模块连接关系为：JN5121微处理器分别与M25P10存储器、RS232收发器、变压器相连接，变压器与天线相连接，RS232收发器与PC机相连接。温室无线中央控制器在无线模块上电后建立PAN网络，允许温室无线路由节点加入组成ZigBee无线Mesh网络。PC机上的中央管理***软件用于所有节点温室的管理与控制，借助PC机与管理软件功能还可实现高级功能如数据打印、历史曲线等功能。由于温室无线中央控制器中的无线模块与PC机相连，因此与PC机一起实行交流电网供电。
如图6所述，温室无线中央控制器是无线监控网络的发起建立者，其软件实现过程如下：***在软硬件初始化后开始建立新的网络，对各信道进行能量扫描，选择一个空闲信道；找到合适的通道后，为新网络选择一个网络标识符从而建立新的传感器网络，并允许温室无线路由节点加入，此后进入循环处理过程：接收已入网的无线路由节点数据，经数据处理后通过串口发送PC机；在这个循环处理过程中，检测串口是否有PC机上的控制命令，如有则进行控制命令的发送子程序；扫描是否新的无线路由节点加入网络，如有且确认是温室无线路由节点，则允许其加入并分配16位的网络地址。
如图7所述，温室无线路由节点管理本温室内部无线传感器节点和无线执行器驱动节点，作为父节点允许他们加入和退出网络，同时在需要时为其他温室无线路由节点提供中继功能。其软件实现过程如下：温室无线路由节点在初始化后请求温室无线中央控制器加入网络并初始化为ZigBee路由节点，路由节点可以允许终端设备如无线传感器节点和无线执行器驱动节点作为子节点，并接收无线传感器发来的节点数据，送实时显示，此时液晶显示器界面进入该温室内节点网络显示界面，根据界面对应的按键提示，可按“节点”键进入各节点显示界面，如图所示，在无线传感器节点界面下，可按“设定键”设置参数的上下限值用于超限报警；在无线执行器驱动节点界面下，可按相应的“开”、“关”、“停”等按键手动操作执行机构。在这过程中，***扫描按键中断和终端节点加入网络的请求，并将温室所有节点采集的环境参数值经数据处理后发送给温室无线中央控制器。
如图8所述，无线传感器节点软件流程图的实现过程如下：节点经初始化后请求温室无线路由节点加入，请求成功则获得16位网络地址，之后进入循环过程：节点读取传感器值之后经过处理将数据发送给本温室无线路由节点，发送完成后转入睡眠状态，等待下一次执行过程。
如图9所述，无线执行器驱动节点软件流程图的实现过程如下：节点首先进行上电初始化，初始化完成后请求温室无线路由节点加入网络，请求成功则获得16位网络地址，不成功则重新请求；节点加入网络后进入睡眠状态，等待收到控制指令被唤醒，若收到的指令正确，JN5121微处理器执行相应的输出控制，若不正确则请求重发并延时等待，在延时时间内若重新收到控制命令则重复进行判断，若没有收到控制命令则转入睡眠状态，等待下一次收到控制命令被唤醒。

Claims (5)

1.一种基于ZigBee无线传感器网络的温室环境监控***，其特征在于无线监控网络分为整个温室群和单个温室内两个层次，单个温室内基于ZigBee星形拓扑结构的星形监控网和整个温室群基于ZigBee网状拓扑结构的监控网，无线监控网络包括无线传感器节点(1)、无线执行器驱动节点(2)、温室无线路由节点(3)、温室无线中央控制器(4)，在单温室内，温室无线路由节点(3)与温室内无线传感器节点(1)和无线执行器驱动节点(2)组成星形网络，温室无线路由节点(3)为本地温室内的控制器，无线传感器节点(1)和无线执行器驱动节点(2)自由加入或退出无线监控网络，多个温室无线路由节点与温室无线中央控制器(4)形成网状网络，每个温室无线路由节点为ZigBee网状网络中的路由节点，当某单个温室离温室无线中央控制器(4)太远超出ZigBee的通信距离时，可逐级通过其他温室无线路由节点与温室无线中央控制器(4)通信，或者当某条网路中断时自动通过其他温室无线路由节点与温室无线中央控制器(4)通信，温室无线路由节点(3)自由加入和退出无线监控网络，实现整个无线监控网络的自组织和自恢复。
2.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee无线传感器网络的温室环境监控***，其特征在于所述的ZigBee无线传感器节点(1)的内部模块连接关系为：JN5121微处理器分别与M25P10存储器、RS232收发器、变压器、数字传感器相连接，变压器与天线相连接。
3.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee无线传感器网络的温室环境监控***，其特征在于所述的ZigBee无线执行器驱动节点(2)的内部模块连接关系为：JN5121微处理器分别与M25P10存储器、RS232收发器、变压器、光耦相连接，变压器与天线相连接，光耦与固态继电器相连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee无线传感器网络的温室环境监控***，其特征在于所述的温室无线路由节点(3)的内部模块连接关系为：JN5121微处理器分别与M25P10存储器、液晶显示器、RS232收发器、变压器、按键和LED指示灯相连接，变压器与天线相连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee无线传感器网络的温室环境监控***，其特征在于所述的温室无线中央控制器(4)的内部模块连接关系为：JN5121微处理器分别与M25P10存储器、RS232收发器、变压器相连接，变压器与天线相连接，RS232收发器与PC机相连接。
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