基于 Zig Bee 技术的监控系统软件设计

基于物联网技术的农业大棚监控系统软件设计包括无线传感网络中的各个节点的软件程序设计和监测终端的软件程序设计。在整个监控系统[41]中处于物联网感知互动层的无线传感网络负责将大棚内的环境信息采集并传输至网络中的协调器节点。监控系统选择 Zig Bee 无

       基于物联网技术的农业大棚监控系统软件设计包括无线传感网络中的各个节点的软件程序设计和监测终端的软件程序设计。在整个监控系统[41]中处于物联网感知互动层的无线传感网络负责将大棚内的环境信息采集并传输至网络中的协调器节点。监控系统选择 Zig Bee 无线技术并组建 Zig Bee 无线传感网络来做为整个系统的感知部分。 
1.1 系统软件总体设计
       系统的软件设计总体上分为两大部分:监测终端 PC 机监控程序和无线传感网络中的传感器节点程序。传感节点程序包括节点的描述、节点的绑定和数据发送;协调器节点的程序包括节点的描述、节点的绑定、收据接收和串口通信;监测终端 PC 机监控程序是一个可视的人机交互界面程序,包括监测数据的存储显示和转发。 
1.2 网络节点设备软件设计
       监控系统中的无线传感网络各个节点设备采用 Zig Bee 协议栈系统来实现组建网络和管理网络的功能,主要用到了协议栈 Z-Stack,Z-Stack 是基于实时操作,任务轮询机制建立的专用于 Zig Bee 组网的小型系统,也可以看做一个大的程序。其组件中主要包括硬件抽象层、MAC 层、监控测试、操作系统抽象层、服务、Z-Stack协议栈和 MAC 移植层。网络节点的设计主要包括终端节点、路由器节点和协调器节点。
1.3  传感器节点程序设计
       在打开各个节点电源后,首先监测平台的 CC2430 通讯单元新建网络,新建网络成 功则检测周围传感器节点数据,记录加入网络节点的数据,同时建立链接,形成无线网络。各个传感器节点在工作状态下,按照 Zig Bee 协议规则搜索网络,发出请求信号,在收到响应后与监测显示平台的 CC2430 通讯模块建立通信连接,当收到采集数据指令后,传感器节点将采集到的环境参数发送至监测显示平台的 CC2430 通讯模块。通讯模块将数据包通过串口丢给 LPC2103 微处理器,由微处理器调用显示程序进行数据显示,程序流程如图 3-1所示。
1.3.1  温度传感器程序设计
       在测量环境参数时会用到温度传感器与湿度传感器,由于土壤中的各个区域的环境不同也会给传感器的测量带来不同的数据干扰。在节点中集成了温度传感器DS18B20,它是一种操作简单的数字温度传感器,有三个引脚,一个电源引脚,一个数据引脚和一个控制引脚。其主要的控制命令为温度转换、读暂存器、写暂存器和复制暂存器。 温度传感器 DS18B20 的具体工作过程。
       传感器节点微控制器控制 DS18B20 完成温度转换,实现温度转换器工作过程为:首先复位 DS18B20,开始对采集到的数据进行读写操作。如果复位成功处理器发送一条 ROM 指令,最后发送 RAM 指令,最后对 DS18B20 进行预定的操作。复位的主要工作条件是微处理器将数据线置为低电平 500 微秒,DS18B20 在收到收到低电平信号后经过 16-60 左右的停顿后发出 60-240 微秒的存在脉冲,由此确定 DS18B20 复位成功。
1.3.2  传感器节点程序
       由于温度传感器 DS1820 与微处理器间的通行方式是串行数据通行方式,这种通信方式的传输效率较低,对工作过程中的时序操作要求较高,在对 DS1820 进行数据读写操作过程中,读写时序一定要按温度传感器的工作原理进行,这样才能正确读取数据温度。因此在用IAR 开发环境的编程过程中,温度传感器的读写程序一般需要采用 C 语言和汇编相结合的方法进行代码编写。 传感器节点程序中的重要部分就是传感器数据读取程序。
1.4 监测终端程序设计
       在物联网的监测系统中,监测到的数据最终将传输至监测应用终端来实现物联网应用层的实际功能。因此在监测系统中,应用终端具有重要的作用。 基于物联网技术的监测终端系统中监测终端主要负责信息的显示和转发。 
1.4.1  PC 机监控平台软件设计
       PC 机监控平台软件主要包括监控界面的设计和串口通信程序的设计两部分。本设计中采用 VC++6.0 软件中的 MFC 编程来实现界面的合理化设计。串口的正常运作分为两种工作模式:同步数据传输方式和为异步数据传输方式。
1.4.2  嵌入式手持终端程序设计
       嵌入式手持终端中集成了嵌入式微处理器 LPC2103 和微处理器 CC2430,整个嵌入式手持终端的工作过程主要是由微处理器 LPC2103 来完成,监测显示平台中的微处理器负责协调CC2430 通讯模块、显示屏和按键电路的正常工作。嵌入式手持终端程序流程。
       通讯控制程序的工作过程,首先初始化处理器各个引脚功能,调用串口初始化程序,初始化串口,程序进入读取串口状态,将读取到的数据进行处理后转化为 ASCII 码。调用显示函数对数据进行显示。最后,通过嵌入式手持终端程序的写入,实现对接收数据信息的实时显示。
基于 Zig Bee 技术的监控系统软件设计
 
       监控系统通过无线传感网络来完成感知互动层中农业大棚环境信息[46]采集的功能,通过 Zig Bee 无线传输技术设计组建网络,在 IAR 开发环境中对无线传感网络各个节点设备进行程序编写。在数据显示端本设计提出了两种解决方案,一种是采用 PC 机作为不可移动的监测终端,主要通过 Microsoft Visual C++ 6.0 中的 MFC 功能组件开发出监测界面应用程序。
2.1  监测平台测试
       无线传感网络采用星型结构,至少需要一个协调器来新建网络,分别在一个 100 平方米范围的区域放置 4 个传感器节点进行数据传输测试,同时放置一个路由器节点设备,负责信息的转发。四个节点在采集到四种环境参数后,分别对同类传感器信息进行简单的处理,最后输出有效值,包括温度值、节点电压数值和土壤湿度值。
2.2  控制策略
       农业大棚中主要影响作物生长的因素包括温湿度、光照、二氧化碳浓度、通风状态等。目前国内对农业大棚的环境监控主要对温湿度进行控制。通过对大棚内的环境参数控制,可以更为精细地调控作物的生长环境,最大程度的使作物更好的生长。在监控终端加入手动程序,在监测数据的同时可以由管理员人进行手动控制,用以补充自动控制中的不足。大棚内各环境参数对应不同的调控主设备。 
       同时在出现一些突发情况时如突发性的灾害天气造成气温的骤变,而常规的控制短时间内又无法恢复,可以由管理人员通过手动控制界面进行手动控制,以达到及时调整 大棚内环境状况的目的,使系统更灵活。
       调控基本策略: 大棚温度过高时,打开卷帘电机放下黑色纱网遮挡强太阳光,大棚温度过低收起黑色纱网。大棚内湿度过低时,打开浇灌设备进行喷水。大棚内湿度过高(一般这种情况较少发生)可以打开通风设备进行通风,用以降低湿度。
结论
       论文通过对物联网相关技术进行研究设计了一种基于物联网技术的农业大棚监控系统,从系统的设计方案到详细的软硬件设计做了一个全面的分析与介绍。论文通过对物联网技术中的 Zig Bee 无线通讯技术和传感器技术进行分析,应用在农业大棚监控系统的设计中
       本文分析了农业大棚的最早形式温室的发展情况,并讨论了监控系统在农业方面应用的发展情况。对目前的监测系统的特点做了分析,基于成本高和能耗大的特点,提出了应用物联网技术来设计出一种低功耗、低成本和高性能的农业大棚监控系统。在农业大棚环境信息采集方面,采用 Zig Bee 技术构建无线传感网,实现监控系统对大棚环境信息的采集功能。在监测终端的设计方面,在传统 PC 机监控的基础上,依照嵌入式系统的构架,将通讯模块与嵌入式处理器集成在一起,设计了嵌入式可移动监测终端,方便农业大棚管理人员随身携带,随时了解大棚农作物生长环境的参数变化。两种监测终端相结合的方式使系统功能更趋完善。
       最终设计出一种基于物联网技术的农业大棚监控系统,同时对农业大棚内温度分布规律进行了分析,最终实现对农业大棚内温度分布进行一个自动较好的调控。

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