基于ZigBee无线传感器网络的温室远程智能监控系统应用研究

摘要——当今监测系统的数据大多通过电缆传输，从而可能会导致很多问题。本文介绍了一种基于ZigBee无线传感器网络（WSN）的远程智能监控系统（RIMS）。在该系统中数据通过ZIGBEE 网状网络被传输到控制中心，且可进行远程遥控。此外，冗余路由器节点被设计用来提高传输的可靠性。

关键词——RIMS；自组织网状网络；WSN；ZIGBEE；温室

I．介绍

为了使作物生长在最佳状态，我们可以根据作物生长的要求和外部的环境影响，通过一定的方法来控制温度、湿度、光照、CO2浓度等环境参数。这个过程可以被定义为温室监测。现今温室的控制与管理已成为农业自动化的一个重要领域。目前，大多数温室监测系统都是通过电缆传输数据，但电缆存在容易腐蚀和难以维护等问题，难以被放置，会导致人力成本和安全事故的增加。为了解决上述问题，避免事故的发生，本文提出了基于ZIGBEE无线传感器网络（WSN）的远程智能监控系统（RIMS）。

如今，大多数传统的温室监测系统通过电缆传输数据。但传感器采集到的真实数据只能在多个模拟数字信号转换前到达上位机，精度误差被大幅扩大，因此到达PC的最终数据将不是初始有效数据。电缆的存在会引发电缆屏障、电缆老化、终端松动等诸多隐患，导致其可靠性降低，使得桥梁施工、电缆布置、配电等施工过程变复杂化。此外，传感器被放置在固定位置，很难进行维护、更换和重复使用。为了解决上述问题，避免上述事故，本文提出了基于ZIGBEE无线传感器网络（WSN）的远程智能监控系统（RIMS）。

在RIMS系统中，数据通过无线网络进行传输，传感器采集的数据只需经过一次模数转换就能到达PC机，因此测量精度较高。没有电缆，所有密封在一层防水涂层中的部件可以在更潮湿的环境中应用，大大提高了其可靠性。相比之下，使用由高性能锂电池供电的无线通信，其安装和施工非常简单，能够降低人力成本。此外，传感器可以非常方便地更换和维护，并且只要在预期的精度范围内，就可以重复使用在不同的项目中。

作为新兴的无线通信技术，ZIGBEE采用扩频技术。其一个频带有16个频道。当有些频道被占用时，为了保证数据的不断传输，调频会被自动实现，从而大幅提高数据传输的可靠性。另外，与蓝牙和WiFi相比，ZigBee具有更短的距离，更低的复杂度，更低的功耗，更低的数据速率，更低的成本等特点，且具有自组织网络，非常适用于自动控制领域中传感器与操作仪器相结合的网络组合。在温室监测系统中应用基于ZIGBEE的无线传感器网络，我们成功实现了对温室参数的检测和控制，有效避免了有线系统带来的问题。

II. RIMS的总体设计

控制室通常同时监督几个环境参数，在此情况下，每个温室的情况，如其电磁环境和到控制室的距离会变得非常复杂，数据传输的可靠性也可能受到影响。考虑到上述因素，本文提出的温室监测系统采用DIGI公司的ZIGBEE无线模块建立了庞大的网状网络，并在其中设置了一些路由节点，大大提高了数据传输的可靠性。 系统结构如图1所示。

图1 ZigBee节点自组织网

该网状网络有ZIGBEE的终端节点组成。如果距离控制室内的接收器（协调器）较远，温室中的节点（终端设备）的数据可以通过其他节点跳到接收机。为了提高数据传输的可靠性，路由节点（路由器）被加在控制室和温室间宽敞的地方作继电器用。为了减少网络流量，避免冲突，设计采用问询方式取代了主动报告。网络中各节点的功能类似，主要包括上位机监控和数据收发单元、下位机数据采集单元、下位机无线收发单元、中继控制单元和下位机数据存储单元。无线数据采集与控制系统的结构如图2。

图2 无线采样控制系统结构

如图2所示，PC机是控制单元，可用于数据控制与存储以及网络调度和决策。上位机有一些无线数据收发模式，可以从终端接收数据，并将决策数据从上位机发送到终端。

数据采集单元集成了温度、湿度、CO2、光和电流环路的芯片和器件。当下位机接收到数据采集命令时，它会收集变量的数据，并通过ZIGBEE终端无线传输单元和网状网络将处理后的数据发送回控制室。它还可以备份数据存储单元中的数据。

当温度或湿度等环境参数变高或变低，需要进行人工控制时，用户可以根据实际需要发送控制指令来控制温室内的继电器开关，实现对环境参数的远程控制。

III. RIMS系统的模块化设计

A．终端设备的硬件设计

ZIGBEE无线收发器通过串口与监控PC机连接。 板上只有一些简单的外部电路，如电源电路，滤波电路和抗干扰电路。本文主要讨论了温室中的终端设备，包括CPU处理芯片、无线传输单元、数据采集单元、继电器控制单元和电源单元。终端设备的硬件结构如图3所示。

在这个系统中，CPU使用C8051Fxxx系列单片机，可以高速处理数据。该芯片具有自己的实时时钟，具有选择AD采样的功能，其引脚可以灵活配置。

无线传输单元使用DIGI公司的ZIGBEE模块，可以自行组织网络。无线传输单元通过串行端口与CPU通信，并通过控制I / O端口驱动ZIGBEE休眠或醒来。所以该部分操作非常简单，可以在极低功耗下运行。

数据采集单元由空气湿度传感器、光强传感器、土壤温度传感器和CO2浓度传感器组成。

图3终端装置硬件结构

通过芯片在整体的八个通道中选择一个通道，可以实现不同通道中的数据采样。

将“0”或“1”格式码发送到与继电器相连的相关I/O口后，继电器的开关将在电源驱动电路转换后被控制。

温室中放置了供电装置，为监控系统供电，去除了低功耗设计。在该系统中，三通道AC-DC模块用于将220V的商用电源转换为 12V，-12V和 5V电源并输出。

B．终端设备的软件设计

由C语言编写的程序被下载到CPU中以操作系统的终端节点。流程图如图4所示。

由于SHT11温度传感器保持工作状态，初始化电源后，只需要更新寄存器中的采样数据。从温度传感器读取样本数据的程序如下所示：

读取土壤温度、CO2浓度和光照强度样本数据的流程图如图5所示。

首先，通过设置RVC420芯片的使能端口和平板选择端口，选择可以对其进行采样的通道。

接着电路需要一定时间变得稳定，故一个延时需要被加在程序中是的电路知道稳定前都不会收集数据。通过向寄存器ADC0CN的AD0BUSY位写“1”来激活单片机的采样功能。程序的短暂延迟将为A / D转换提供时间。转换后有一个中断程序，其中ALCOHOL和ADVIL的值可以被处理并存储在缓冲区中，并等待发送到控制室。读取土壤温度、CO2浓度和光照强度数据的程序几乎相同。读取A / D数据的代码如下：

数据通信采用API模式，即数据在传输过程中按一定的格式组织。本文引用的协议包见表1。协议包的总长度为16字节。分组报头为0xa0（十六进制），链路质量指示符（LQI）的值为0x00（十六进制），地址为两个字节的节点ID号。数据包的总长度受到限制，有效载荷的长度10字节，这意味着有效载荷数据的长度为10。有效载荷携带有效数据，显示10个字节的测量值。最后一个字节是异或校验字节，它表示数据包中所有其他字节的异或结果。

表1 协议格式

在通信过程中，PC机和终端设备的CPU通过ZIGBEE节点相互通信。系统的数据由端口的通信操作发送。下位机将根据上位机的命令发送数据或控制交换机。

串行传输：下位机以一定的协议格式将终端传感器采样的数据发送给ZIGBEE模块。然后数据通过网状网络逐跳发送回控制室。所有数据都以字节发送。发送数据的程序如下所示：

串行接收：上位机通过网状网络利用ZIGBEE节点发送一定格式的数据到下位机 下位机通过串行端口接收来自上位机的数据。下位机在解读之后了解上位机的命令。下位机还可以以字节接收数据。程序如下所示：

继电器控制：当下位机收到上位机的开关操作指令时，下列程序将工作，调整温室环境参数达到最佳状态。

C.上位机软件设计

基于C 语言设计的上位机软件集成了以下各项。

实时监控：通过RS232将终端设备的数据传输到PC，实时信息将以图形形式显示，如果有任何事故发生，界面上将出现相应的报警信号，提醒用户。

监控管理：该功能将允许用户根据情况设置温室中的参数。控制信息将无线传输到终端设备。

历史数据：数据将存储在数据库中以供将来研究。多年的数据可以存储在上位机上。

图表：用户可以根据界面中的曲线获得温室内参数的变化趋势和状态。以2008年7月24日的数据为例，图6至图10分别显示了空气温度、空气湿度、光照强度、CO2浓度和土壤温度的监测值。

在上图中，可以选择任何一天的不同环境参数，并获得相应的值，如最大值和最小值。

IV.结论

将无线ZIGBEE技术引入温室RIMS系统可以监测温室的环境，并提高系统的灵活性。在本文中，我们使用无线网状网络取代电缆置放在环境监测领域，从而避免了各种问题，缩短了系统设置的时间。此外，采用模块化设计使节点的安装和维护更加方便。除无线中央接收机外，系统中的任何节点发生故障时，系统仍可以继续正常工作。中国农业科学院研究所的测试结果表明，该系统具有良好的稳定性和准确性，数据传输的成功率高达95％，数据传输速率要求得到了保证。另外，由于ZigBee模块本身原因和环境的影响，数据不能进行理想的实时采样，有时采样延迟会高达秒级。这一问题将是今后的主要研究方向。

基于单总线和无线通信技术的医用体温监测和警报系统

摘要——体温测量在临床诊治中具有非常重要的意义。传统的人工测量有诸如测量时间长和测量精度低等问题，因此难以自动和准确地测量病人的实时体温。针对这个问题，本文介绍了一种分布式体温检测系统。多个温度传感器DS18B20被连接起来实现对体温信号的采集，单片机AT89C52处理测量到的信号并驱动现场显示和警报设备工作。通过nRF905无线收发设备，系统能够完成信号从工作从站到工作主站的无线传输，并将分布式门诊病人体温集中检测系统的执行结果通过USB适配器PDIUSBD12与上位机连接。实验证明，系统的无线通行性能较好，且温度测量误差小于plusmn;0.1°C，很好地符合了临床医疗的要求。由于系统采用模块化设计，因此可移植入其他应用领域，如温室环境智能监控等。

关键词——温度监测；无线遥控；nRF905；单片机AT89C52；虚拟仪器 LabVIEW

I.介绍

目前，多数医院病人的生理参数采用了定时人工测量的方式。比如，护士每日去病房测量病人的体温，手工记录和绘制体温变化图表，再交由医生分析作为疾病诊断的参考。这一例程不仅浪费了护士的大量人力，且对测量结果的汇总和查询分析都非常繁杂，也不能在病人出现特殊情况时进行及时的反馈，有可能导致治疗时间的延误。通过分析可以看出，这种模式存在较大的局限性，特别是针对传染病患者，监测人员联系很不方便。

故针对这一问题，我们利用传感器技术、单片机技术等设计了一款医用体温监测和报警系统。系统采用了单总线温度传感器DS18B20和湿度传感器HS1101，通过无线通讯和USB通信接口技术设计，弥补了传统系统的缺陷。通过监测室电脑实时测量各病房患者身体子节点的体温，可以提高工作效率，并在节约医疗资源等方面起到积极作用。

II.系统结构和工作原理

分布式医用智能体温监测系统由中心站和多个监测终端构成，包括电源、温度信号采集、射频收发、显示、警报和通信模块等。系统通过AT89C52的核心控制和操作nRF905。工作期间，主机根据需要发送带有地址信息的射频信号。对应地址的终端机接收信号并传送数据给主机，主机分析和处理接收到的数据再上传给PC机。整体的系统结构如图1所示。

图1 系统结构框图

系统完成各病房病人体温的实时监测并处理收集到的数据。计算机采用普通PC机，使用USB适配器PDIUSBD12使上位机有USB接口通信功能。系统采用单片机AT89C52作为监测节点的控制器；上位机通过USB适配器连接工作总站，并实现信息交换。PC机负责整个系统的监测管理。工作总站控制器接受来自上位机的各种操作控制指令和设定参数，各个现场的监测终端数据采集控制器实时采集和显示监测温度值，并控制现场警报开关的状态。上位机也可以通过对接受到数据的分析处理实现显示和报警功能。

III.系统硬件设计

系统硬件主要包括两个部分：现场监测终端工作从站和监测室中央PC机（工作总站和上位机）。工作从站通过LED显示病人的体温，当温度超过限度时实现报警功能，并通过控制nRF905芯片完成通信传输。AT89C52作为中央电脑核心控制器，实现温度处理器的数据接收和控制模式下载，并通过USB适配器PDIUSBD12通信模块完成工作总站与上位机的连接，从而实现各病人体温的显示和超过限定值的警报。

A.温度监测电路

我们选择了DS18B20作为温度传感器，这是美国Dallas公司制造的单总线数字温度传感器。它提供了二进制9位温度信息，可测量温度范围-55°C ~ 125°C，并具有0.0625°C的测量精度。因此，它可以准确地完成任务。DS18B20有三个引脚，分别为VCC，GND和DATA。其中，VCC引脚为电源端口，GND为接地端口，DATA为数据端口，用来发送命令和温度数据。从单片机到DS18B20只需一根信号线和地线。

DS18B20有读写功能，且该温度转换模块的电源由数据线本身提供。温度转换时间更短，最大转换时间仅为750毫秒，并能设置温度警报的上下限制。当温度超过限度值时，报警信号启动。因为系统需要在距离不同的地点设置温度传感器，所以我们采用外部供电方式。

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