跟着农业规划的不断扩大、主动化程度的不断提高，国内外兴起了对农作物成长进程施行长途监控的研讨，其间无线通讯技能的快速发展为完结实时监控农作物成长供给了或许。ZigBee技能具有高可靠性、低成本、低功耗、高安全性、低数据速率等特色，广泛运用于工业操控、智能家居、商业楼宇以及农业主动化等范畴。本文根据ZigBee无线传感技能，完结了一套根据ZigBee网络的蔬菜工厂监控体系。
1 ZigBee无线传感技能
ZigBee是一种规范，该规范界说了短间隔、低数据传输速率无线通讯所需求的一系列通讯协议。ZigBee协议规范选用分层结构，每一层为上层供给一系列特别的服务：数据实体供给数据传输服务;办理实体供给一切其他的服务，一切的服务实体都经过服务接入点为上层供给接口，每个服务接入点都支撑必定数量的服务原语来完结所需的功用。Zig Bee协议分为两个部分，IEEE802.15.4界说了物理层和媒体访问操控层，ZigBee联盟在此基础上界说了网络层和运用层架构，在运用层内供给了运用支撑子层和ZigBee设备目标。ZigBee协议栈将各个层界说的协议都调集在一起，以函数的办法完结，并给用户供给一些运用层API，供用户调用。
2 蔬菜工厂监控体系全体操控结构
蔬菜工厂监控体系全体操控结构如图1所示，由主控机、房间节点监控单元、培菜架节点监控单元3部分组成。在蔬菜工厂里有多个房间，每个房间里装备了一个房间节点监控单元，每个房间里有多个培菜架，每个培菜架上装备了一个培菜架节点监控单元，每个培菜架分为4层。
主控机的功用：1)作为服务器，接纳各房间节点和培菜架节点的数据并存储，经过网络浏览器完结蔬菜工厂的全体监控;2)在取得相应权限后，给相关的房间节点和培菜架节点发送操控指令或数据收集指令。
房间节点监控单元(包含全体监控单元)的功用：1)房间节点监控单元担任每个房间的空调操控、二氧化碳浓度收集和电源办理;2)全体监控单元担任中央空调操控、二氧化碳发生器操控以及整个蔬菜工厂的电源办理。
培菜架节点监控单元的功用：1)接纳到主控机的数据收集指令后，收集本培莱架的温度、湿度和图画数据，并将数据发送给主控机;2)接纳到主控机的操控指令后，操控本培菜架的LED灯的亮暗、营养液循环泵和电磁阀的开关等。
蔬菜工厂监控体系选用如图2所示的人机交互界面，该交互界面选用网页浏览器完结，用户可以登录该浏览器来完结对蔬菜的成长环境及成长情况的实时监控。
3 无线传输网络模块
蔬菜工厂监控体系的无线传输网络模块如图3所示，在无线网络中，装备了一个和谐器，一个路由器和多个终端节点。和谐器经过RS232衔接上位机，与其进行通讯，路由器用于无线网络数据的路由转发，终端节点用于各房间和培菜架的数据和指令的收发。
3.1 CC2530单片机
CC2530单片机是一款彻底兼容8051内核，一起支撑IEEE 802.15.4协议的无线射频单片机，咱们选用CC2530单片机来树立无线传感器网络。
3.2 ZigBee网络中的设备
ZigBee网络中的设备分为3种：1)和谐器，首要担任无线网络的树立与保护;2)路由器，首要担任无线网络数据的路由转发;3)终端节点，首要担任无线网络数据的收集。
ZigBee无线传感器网络中的三种设备类型是由ZigBee协议栈不同的编译选项来挑选的，它们的硬件部分其实都是相同的，便是和谐器多了一个串口，用于和上位机之间的通讯。
3.2.1 和谐器
和谐器流程图如图4所示，和谐器上电后，会依照编译时给定的参数，挑选适宜的信道、适宜的网络号，树立ZigBee无线网络。然后，等候路由节点和终端节点参加网络后，上位机经过串口给和谐器发送指令，和谐器将接纳到的指令发送给路由节点和终端节点后，等候和接纳回来的数据，判别回来数据的类型并履行相应的操作，假如回来的是地址回复帧，则更新地址列表，假如回来的是承认帧或收集到的数据，则将其经过串口发送给上位机。
3.2.2 路由器
在ZigBee无线网络中，路由器是非常重要的节点设备，它不只完结路由的功用，更重要的是，它在数据的的传输进程中起了“接力棒”的效果，大大地拓宽了数据传输的间隔。路由节点上电后，先进行硬件电路的初始化，然后查找是否有ZigBee无线网络，假如有则主动参加，然后等候接纳数据，接纳到数据后对其进行转发。路由关于运用层来说是彻底通明的。Z—Stack供给了比较完善的路由算法，运用程序只需将数据下发到协议栈中，协议栈会自己担任寻觅途径，经过多跳的办法将数据传送到意图地址。
3.2.3 终端节点
终端节点流程图如图4所示。终端节点上电后，先进行硬件电路的初始化，然后查找是否有ZigBee无线网络，假如有则主动参加，然后等候接纳无线数据，解析接纳到的无线数据后，向经过485总线衔接的STC12LE5204AD单片机发送相应的指令，等候接纳单片机收集的数据，接纳到数据后将其发送给其父节点。别的，在蔬菜工厂监控体系中，运用每个培菜架节点的串口1衔接的串口摄像头来收集图画数据，运用房间节点的串口1衔接的二氧化碳传感器来收集二氧化碳浓度，收集到的数据经和谐器发送到上位机。
3.2.4 节点之间的数据发送与接纳
在发送数据前需求依照通讯协议中界说的数据帧格局来构建数据帧，数据帧包含开端字节、帧操控、序列号、意图地址、数据长度、数据载荷以及校验和等信息。数据帧选用如下的结构体来界说：
关于数据帧DataFrame，开端字节start界说为0x55，保存字节reserred暂界说为0x00，为今后扩展所用，帧操控域frameControl用于表明数据包类型、帧类型以及帧特点，序列号serialNumber从0x0001开端，每发送一个数据包，序列号加1，意图地址dstSddr表明发送数据包的意图地址，数据长度dataLen表明整个数据包的长度，包含数据域和其他域，数据域data[500]用于寄存有效载荷数据，校验和checkSum是将数据包除了checkSum外一切字节的数据相加，然后对256×256取余，校验和用于远间隔通讯中确保数据的精确性与完整性。
当需求进行节点之间的数据发送时，可以界说一个事情，在事情处理函数里完结数据的发送。
界说一个事情的办法如下：
#define SEND_DATA_EVENT 0x01;
然后在使命事情处理函数中对该事情作出呼应，可以运用如下代码完结：
if(eventsSEND_DATA_EVENT)
{
//在此增加相应的数据发送作业即可
returm(events’SEND_DATA_EVENT);
}
数据发送时，只需调用数据发送函数AF_DataRequest()即可，该函数会调用协议栈里与硬件相关的函数最终将数据经过天线发送出去，这里边触及对射频模块的操作，比方翻开发射机、调整发射机的发送功率等，这些协议栈现已完结了，不需求自己去写代码完结，只需知道AF_DataRequest()函数的运用办法即可，发送数据可以运用如下的代码完结(下面比如是以向和谐器发送单播数据为例)：
当接纳到数据后，操作体系会将该数据封装成一个音讯，然后放入音讯行列中，每个音讯都有自己的音讯ID，标识接纳到新数据的音讯的ID是AF_INCOMING_MSG_CMD，在Zig Bee协议栈中AF_INCOMING_MSG_CMD宏的界说如下：
当路由器接纳到和谐器或终端节点发送来的数据后，首要运用osal_msg_receive函数从音讯行列中接纳一个音讯，然后运用switch-case句子对音讯类型进行判别(判别音讯ID)，假如音讯ID是AF_INCOMING_MSG_CMD，调用处理函数GenericApp_MessageMSGCB()，在该函数中，对接纳到的数据进行处理。
4 STC12LE5204AD单片机操控和数据收集模块
在蔬菜工厂监控体系中，选用STC12LE5204AD单片机作为操控和数据收集模块。单片机操控和数据收集模块为一485主从机模型，主机为培菜架上的ZigBee无线网络的终端节点，从机为STC12LE5204AD单片机，主时机顺次给STC12LE5204AD单片机发送操控指令或数据收集指令，STC12LE5204AD单片机接纳到指令后履行相应操作并回来数据给主机。在培菜架的每层装备一个STC12LE5204AD单片机，担任该层的数据收集和履行操控指令。
4.1 STC12LE5204AD单片机
STC12LE5204AD单片机选用增强型8051CPU，片上集成4K字节用户运用程序空间和256字节RAM、15个通用I/O口、4个16位守时器、2路PWM、高速A/D转化、通用全双工异步串行口等。
4.2 STC12LE5204AD单片机模块
在蔬菜工厂监控体系中，运用STC12LE5204AD单片机的P3_5和P3_7两路8位PWM来操控培菜架LED灯板的白灯和红灯的亮暗程度。经过P1_3口操控营养液循环泵的开关，来操控营养液循环体系。经过P1_2口操控电磁阀的开关，来操控排水体系。经过P1_6口衔接的温湿度传感器来收集温湿度。
5 试验成果
将和谐器、路由器、终端节点和培菜架顺次上电，上位机经过串口调试软件向和谐器发送操控LED灯指令，可以观察到培菜架上灯板的红灯和白灯的亮度发生变化，并且上位机收到一个承认帧“55 00 09 00 01 00 01 04 0C 00 70 00”。上位机经过串口调试软件向和谐器发送收集温湿度指令，会收到收集到的温湿度数据“55 00 05 80 01 00 01 04 18 00 01 15 24 02 13 25 03 13 2E 04 12 2F F5 01”，“01 04”表明04号房间的培菜架1，“01 15 24”表明培菜架第一层的温湿度，“02 13 25表明培菜架第二层的温湿度。经过串口调试软件守时每500ms发送一次收集温湿度指令，可以观察到数据传输进程中没有呈现丢包现象，并且收集到的数据值精确。此外上位机还能发送相应指令来收集二氧化碳浓度、图片数据和操控二氧化碳发生器、营养液循环泵和电磁阀的开关。
6 结束语
蔬菜工厂监控体系根据ZigBee无线传感器网络，以CC2530单片机和STC12LE5204AD单片机为硬件渠道，根据ZigBee 2007协议栈，在IAR开发环境下进行软件开发。试验成果表明该体系具有杰出的可靠性和稳定性，可以完结对蔬菜成长环境的实时监控，达到了预期的规划要求。
