CN101937611A - 基于Zigbee网络的农业大棚温湿度监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Zigbee网络的农业大棚温湿度监测系统及方法。该监测系统包括测量节点、路由器、协调器及监控终端；测量节点、路由器、协调器构成树型拓扑结构的Zigbee无线网络，并按照Zigbee树型路由协议进行无线通信；协调器与监控终端之间通过有线形式连接并进行通信。与现有技术相比，本发明的优点在于：第一、采用树型结构的Zigbee无线传感网络，路由器可以直接采用树型路由协议，消除了路由器因构建路由器表带来内存的开销，减少了路由器的成本；第二、测量节点和路由器采用电池供电，具有部署方便的特点；第三、采用信标技术，路由器和测量节点大部分时间都处于睡眠状态，大幅度减少了电池能量的开销，延长了系统正常使用时间。

Description

基于Zigbee网络的农业大棚温湿度监测系统及方法

技术领域

本发明涉及环境监测系统，具体涉及一种用于农业大棚温湿度监测的监测系统及监测方法。

背景技术

随着我国国民经济的发展和人民生活水平的日益提高，大棚蔬菜市场日益扩大。在利用蔬菜大棚生产中，温度、湿度等因素直接关系到大棚作物的生长。因此，对大棚温湿度进行及时、精准的监测是实现大棚蔬菜生产优质、高效益的重要环节。

目前对农业大棚进行监测主要采用三种方式：第一是人工直接监测方式，这种方式效率较低；第二是仪器直接监测方式，这种方式自动化程度不高；第三是分布式监测方式，这种方式已经成为当前大棚监测方式的发展方向。然而现有的分布式监测系统大多采用工业总线和工控设备，使用这种系统存在着成本较高、布线困难和缺少灵活性等缺点。而目前少数几个基于无线传感器网络的农业大棚监测系统存在着网络结构不合理，节点之间需要动态构建路由表，节点能量消耗过快的问题。

鉴于现有技术的不足，较为理想的是建立一种合理的用于农业大棚温湿度监测的无线传感网络系统。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于Zigbee网络的农业大棚温湿度监测系统。

作为无线传感网络标准之一的Zigbee，由于具有适中的传输距离和简单的协议内容，越来越得到广泛应用。基于Zigbee标准的无线传感网络由协调器、路由器和终端节点构成，可以采用树型、星型等拓扑结构，而最常采用的是树型拓扑结构，这种结构一方面有利于通过信标技术实现父子节点之间的同步，减少节点的功率消耗，对延长网络的生存时间起到了积极作用；另一方面有利于消除节点因构建路由表带来的各种资源消耗，有利于降低传感器节点的成本。

本发明的思路是利用Zigbee网络的优点来达到本发明的目的，具体的说，本发明的技术方案如下：

一种基于Zigbee网络的农业大棚温湿度监测系统，其特征在于，包括测量节点、路由器、协调器及监控终端；测量节点、路由器、协调器构成树型拓扑结构的Zigbee无线网络，并按照Zigbee树型路由协议进行无线通信；协调器与监控终端之间通过有线形式连接并进行通信。

所述测量节点包括：用于测量温度和湿度信息的温湿度传感器，用于和路由器进行无线通信的无线收发电路，控制测量节点工作的微控制器，用于暂时存放测量所得的温湿度信息的数据存储模块，以及提供各部分所需电能的电源；微控制器分别与温湿度传感器、数据存储模块、无线收发电路连接；

所述路由器包括：用于和测量节点、其它路由器、协调器进行无线通信的无线收发电路，控制路由器工作的微控制器，用于暂时存放接收到的来自于测量节点或其它路由器的温湿度信息的数据存储模块，以及提供各部分所需电能的电源；微控制器分别与无线收发电路、数据存储模块连接；

所述协调器包括：用于和路由器进行无线通信的无线收发电路，控制协调器工作的微控制器，用于暂时存放接收到的来自于路由器的温湿度信息的数据存储模块，用于和监控终端进行有线通信的主机接口电路，以及提供各部分所需电能的电源；微控制器分别与主机接口电路、数据存储模块、无线收发电路连接。

所述监控终端是具有显示功能的计算机，以便工作人员能够直观的了解监测信息，可以根据实际情况采用PC机或工控计算机。监控终端主要实现三个功能：第一、定时或临时根据操作人员的指令从协调器中读取温湿度信息，并进行显示；第二、负责为整个无线传感器网络中的协调器、路由器和测量节点之间建立以协调器作为根节点、以测量节点为叶子节点的树型关系，并将该关系表通过协调器采用广播方式发送到每个路由器和测量节点上，以便每个设备了解自己的父设备的地址值和子设备的地址值；第三、负责为无线传感器网络中的协调器和路由器分配信标时隙，以便协调器和路由器定时发送信标帧，实现树型网络结构中的父子设备之间的同步。这有利于路由器和测量节点在大部分时间内处于睡眠状态，以减少电能的消耗。

考虑到系统布置的便利性，本发明的温湿度监测系统中，测量节点、路由器中的电源均为电池，协调器中的电源为电网供电。

本发明的监测系统进行温湿度监测时，按照以下方法进行：

1)测量节点：

1.1测量节点每隔

时间从睡眠状态进入到工作状态后，采集一次周围环境的温湿度信息，并将该信息存放到数据存储模块中；从本次进入工作状态开始，经历

时间后进入睡眠状态；

1.2测量节点每隔

时间从睡眠状态进入到工作状态，首先接收来自于父设备的信标帧，该信标帧中包含其父设备本次工作的持续时间T_d以及该父设备下次进入到工作状态与本次进入工作状态的时间差T_s；然后用信标帧中的T_d更新

用信标帧中的T_s更新

接着将数据存储模块中的温湿度信息发送给父设备，发送成功后将该数据从数据存储模块中删除；从本次进入工作状态开始，经历

时间后进入睡眠状态；

2)路由器：

2.1路由器每隔

时间从睡眠状态进入到工作状态，首先向其子设备发送信标帧，该信标帧中包含路由器本次工作的持续时间T_d以及该路由器下次进入到工作状态与本次进入工作状态的时间差T_s，并用T_d更新自身的

用T_s更新自身的

接着接收来自其子设备发送过来的温湿度信息，并将该信息存放到数据存储模块中；从本次进入工作状态开始，经历

时间后进入睡眠状态；

2.2路由器每隔

时间从睡眠状态进入到工作状态，首先接收来自于父设备的信标帧；然后用信标帧中的T_d更新

用信标帧中的T_s更新

接着将数据存储模块中的温湿度信息发送给父设备，发送成功后将该数据从数据存储模块中删除；从本次进入工作状态开始，经历

时间后进入睡眠状态。

3)协调器：

3.1协调器每隔

时间从睡眠状态进入工作状态，首先向其子设备广播一个信标帧，该信标帧中包含协调器本次工作的持续时间T_d以及协调器下次进入到工作状态与本次进入工作状态的时间差T_s，并用T_d更新自身的

用T_s更新自身的

接着协调器接收来自于其子设备的温湿度信息数据包，并将接收到的数据包存放到数据存储模块中；从本次进入工作状态开始，经历

时间后进入睡眠状态；

3.2协调器在任何时刻都可接收来自于监控终端的命令，接收到命令后，协调器从睡眠状态进入到工作状态，并将温湿度信息发送给监控终端，然后将该数据从数据存储模块中删除，重新进入睡眠状态；

4)监控终端：

监控终端定时从协调器中读取最新的温湿度信息并显示；

上述时间均为根据实际需要预先设定的时间，其中，

的取值范围为1-100秒，

的取值范围为1-100毫秒。

与现有技术相比，本发明的优点在于：第一、采用树型结构的Zigbee无线传感网络，路由器可以直接采用树型路由协议，消除了路由器因构建路由器表带来内存的开销，减少了路由器的成本；第二、测量节点和路由器采用电池供电，具有部署方便的特点；第三、采用信标技术，路由器和测量节点大部分时间都处于睡眠状态，大幅度减少了电池能量的开销，延长了系统正常使用时间。

附图说明

图1是本发明所述基于Zigbee网络的农业大棚温湿度监测系统的结构示意图；

图2是本发明所述基于Zigbee网络的农业大棚温湿度监测系统中测量节点的结构示意图；

图3是本发明所述基于Zigbee网络的农业大棚温湿度监测系统中路由器的结构示意图；

图4是本发明所述基于Zigbee网络的农业大棚温湿度监测系统中协调器的内部结构示意图；

图5是本发明所述基于Zigbee网络的农业大棚温湿度监测系统中父子设备信标帧之间的关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

附图1是本发明所述基于Zigbee网络的农业大棚温湿度监测系统的结构示意图，由于现场可以存在多个农业大棚，因此，我们在每个农业大棚中放置一个路由器。在每一个大棚中，由于需要采集不同点的温湿度信息，因此我们在每一个需要监测的地方放置一个测量节点。测量节点将采集到的温湿度信息数据包传递给该大棚中的路由器，即测量节点的父设备。路由器之间采用树型路由协议，通过多跳转发方式将数据包从大棚中的路由器转发给协调器。协调器与监控终端相连，监控终端定时从协调器读取数据并将其显示。协调器、路由器和测量节点之间构建了一个树型拓扑结构，采用树型路由协议，通过无线方式进行数据包的转发。协调器和监控终端之间采用有线方式进行连接，通过串口进行数据包的传递。

附图2是本发明所述基于Zigbee网络的农业大棚温湿度监测系统中测量节点的结构示意图。测量节点由用于测量周围环境的温度传感器和湿度传感器、用于与路由器进行无线通信的无线收发电路，用于暂时存放测量结果的数据存储模块和一个微控制器组成。每个测量节点都包含一个电源(图中未画出)，为测量节点各个组成部件供电，电源采用普通电池供电方式。

附图3是本发明所述基于Zigbee网络的农业大棚温湿度监测系统中路由器的结构示意图。与测量节点相比，路由器少了用于测量周围环境的温度传感器和湿度传感器。路由器由用于与其它路由器以及测量节点进行无线通信的无线收发电路，用于暂时存放接到来自于其它路由器或测量节点发送过来的温湿度信息的数据存储模块和一个微控制器组成。每个路由器都包含一个电源(图中未画出)，为路由器中各个组成部件供电，电源采用普通电池供电方式。

附图4是本发明所述基于Zigbee网络的农业大棚温湿度监测系统中协调器的结构示意图。与测量节点相比，协调器少了用于测量周围环境的温度传感器和湿度传感器，但多了一个用于与监控终端进行数据包传递的主机接口电路。协调器由用于与其它路由器进行无线通信的无线收发电路，用于与监控终端进行通信的主机接口电路，用于暂时存放接到来自于其它路由器发送过来的温湿度信息的数据存储模块和一个微控制器组成。每个路由器都包含一个电源(图中未画出)，为协调器中各个组成部件供电，电源采用非电池供电方式，即采用电网供电。上述主机接口电路可根据监控终端的配置并考虑成本及便利性，选择RS232串行接口或以太网接口等。

监控终端为一个具有显示功能的计算机。该计算机主要实现三个功能：第一，定时或临时根据操作人员指令从协调器中读取温湿度信息，并进行显示；第二，负责为整个无线传感器网络中的协调器、路由器和测量节点之间建立以协调器作为根节点、以测量节点为叶子节点的树型关系，并将该关系表通过协调器采用广播方式发送到每个路由器和测量节点上，以便每个设备了解自己的父设备的地址值和子设备的地址值；第三，负责为无线传感器网络中的协调器和路由器分配信标时隙，以便协调器和路由器定时发送信标帧，实现树型结构网络中的父子设备之间的同步。

附图5是本发明所述父子设备信标帧之间的关系示意图。为了便于说明，仅以测量节点11、路由器7和路由器4为例。如附图5所示，测量节点11存在两个工作周期和工作时间：下半部分为灰色的时间框是工作时间，用于测量节点进行温湿度信息的采集，用上述变量

表示，它们之间的间隔称为工作周期，用上述变量

表示，这两个变量之间组成一个

时间对；上半部分为灰色的时间框是工作时间，用于测量节点将信息发送给路由器7，用上述变量

表示，它们之间的间隔称为工作周期，用上述变量表示，这两个变量之间组成一个时间对。上述两个时间对之间是独立的。

路由器7存在两个工作周期和工作时间：下半部分为灰色的时间框是工作时间，用于接收测量节点11发送过来的温湿度信息，用上述变量

表示，它们之间的间隔称为工作周期，用上述变量

表示，这两个变量之间组成一个

时间对；上半部分为灰色的时间框是工作时间，用于将温湿度信息发送给路由器4，用上述变量表示，它们之间的间隔称为工作周期，用上述变量

表示，这两个变量之间组成一个

时间对。上述两个时间对之间是独立的。

路由器7的

时间对必须与测量节点11的

时间对相对应，这样才能实现父子设备间的同步。同理，路由器7的

时间对必须与路由器4的

时间对相对应。

下面结合附图1和附图5，以测量节点11将数据发送给路由器4为例，说明本发明所提出的农业大棚温湿度监测系统如何实现大棚温湿度的监测：

步骤1、监控终端根据协调器、路由器和测量节点的实际分布情况，建立以协调器作为根节点，测量节点为叶子节点的树型关系。如图1所示：测量节点11、测量节点12和测量节点13为路由器7的子节点；测量节点n1、测量节点n2和测量节点n3为路由器8的子节点；路由器7为路由器4的子节点；路由器8为路由器6的子节点；路由器1、路由器2和路由器3为协调器的子节点。

步骤2、监控终端将该树型关系表通过协调器采用广播方式发送给每一个路由器和测量节点，以便每个路由器知道它的父设备和包含哪些子设备，以及每个测量节点知道哪个路由器是它的父设备。

步骤3、监控终端为协调器、路由器和每个测量节点选择选择工作周期和工作时间，并将这些信息发送给协调器、路由器和测量节点。协调器、路由器和测量节点接收到工作周期和工作时间后，就按照这些时间进行从睡眠到工作再到睡眠的状态转换，并在工作状态完成相应的任务。

步骤4、在时刻1时，测量节点11从睡眠状态进入到工作状态，测得周围的温度和湿度信息后，暂时存放在自身的数据存储模块中；在时刻1结束后，便进入睡眠状态；

步骤5、在时刻3时，路由器7和测量节点11同时从睡眠状态进入工作状态；测量节点11在接收到路由器7发送给它的信标帧后，将储存在数据存储模块中的数据包发送给路由器7；在时刻3结束后，路由器7和测量节点11同时进入睡眠状态；

步骤6、在时刻5时，路由器4和路由器7同时从睡眠状态进入工作状态，路由器7在接收到路由器4发送给它信标帧后，将储存在数据存储模块中的数据包发送给路由器4；在时刻5结束后，路由器7和路由器4同时进入睡眠状态；

步骤7、在时刻7时，测量节点11从睡眠状态进入到工作状态，测得周围的温度和湿度信息后，暂时存放在自身的数据存储模块中；在时刻7结束后，便进入睡眠状态；

步骤8、在时刻13时，测量节点11从睡眠状态进入到工作状态，测得周围的温度和湿度信息后，暂时存放在自身的数据存储模块中；在时刻13结束后，便进入睡眠状态；

步骤9、在时刻15时，路由器7和测量节点11同时从睡眠状态进入工作状态；测量节点11在接收到路由器7发送给它的信标帧后，将储存在数据存储模块中的数据包发送给路由器7；在时刻15结束后，路由器7和测量节点11同时进入睡眠状态；

步骤10、在时刻19时，测量节点11从睡眠状态进入到工作状态，测得周围的温度和湿度信息后，暂时存放在自身的数据存储模块中；在时刻19结束后，便进入睡眠状态；

步骤11、在时刻25时，测量节点11从睡眠状态进入到工作状态，测得周围的温度和湿度信息后，暂时存放在自身的数据存储模块中；在时刻25结束后，便进入睡眠状态；

步骤12、在时刻27时，路由器7和测量节点11同时从睡眠状态进入工作状态；测量节点11在接收到路由器7发送给它的信标帧后，将储存在数据存储模块中的数据包发送给路由器7；在时刻27结束后，路由器7和测量节点11同时进入睡眠状态；

步骤13、在时刻29时，路由器4和路由器7同时从睡眠状态进入工作状态，路由器7在接收到路由器4发送给它信标帧后，将储存在数据存储模块中的数据包发送给路由器4；在时刻29结束后，路由器7和路由器4同时进入睡眠状态；

路由器4将接收到的数据包发送给协调器的过程可参考上述过程，此处不再赘述。

Claims (4)

1.一种基于Zigbee网络的农业大棚温湿度监测系统，其特征在于，包括测量节点、路由器、协调器及监控终端；测量节点、路由器、协调器构成树型拓扑结构的Zigbee无线网络，并按照Zigbee树型路由协议进行无线通信；协调器与监控终端之间通过有线形式连接并进行通信。

2.如权利要求1所述基于Zigbee网络的农业大棚温湿度监测系统，其特征在于，

所述测量节点包括：用于测量温度和湿度信息的温湿度传感器，用于和路由器进行无线通信的无线收发电路，控制测量节点工作的微控制器，用于暂时存放测量所得的温湿度信息的数据存储模块，以及提供各部分所需电能的电源；微控制器分别与温湿度传感器、数据存储模块、无线收发电路连接；

所述路由器包括：用于和测量节点、其它路由器、协调器进行无线通信的无线收发电路，控制路由器工作的微控制器，用于暂时存放接收到的来自于测量节点或其它路由器的温湿度信息的数据存储模块，以及提供各部分所需电能的电源；微控制器分别与无线收发电路、数据存储模块连接；

所述协调器包括：用于和路由器进行无线通信的无线收发电路，控制协调器工作的微控制器，用于暂时存放接收到的来自于路由器的温湿度信息的数据存储模块，用于和监控终端进行有线通信的主机接口电路，以及提供各部分所需电能的电源；微控制器分别与主机接口电路、数据存储模块、无线收发电路连接。

3.如权利要求1或2所述基于Zigbee网络的农业大棚温湿度监测系统，其特征在于，所述测量节点、路由器中的电源均为电池，协调器中的电源为电网供电。

4.一种基于权利要求1所述基于Zigbee网络的农业大棚温湿度监测系统的温湿度监测方法，其特征在于，包括以下各部分：

1)测量节点：

1.1测量节点每隔时间从睡眠状态进入到工作状态后，采集一次周围环境的温湿度信息，并将该信息存放到数据存储模块中；从本次进入工作状态开始，经历

时间后进入睡眠状态；

1.2测量节点每隔

时间从睡眠状态进入到工作状态，首先接收来自于父设备的信标帧，该信标帧中包含其父设备本次工作的持续时间T_d以及该父设备下次进入到工作状态与本次进入工作状态的时间差T_s；然后用信标帧中的T_d更新

用信标帧中的T_s更新

接着将数据存储模块中的温湿度信息发送给父设备，发送成功后将该数据从数据存储模块中删除；从本次进入工作状态开始，经历

时间后进入睡眠状态；

2)路由器：

2.1路由器每隔

时间从睡眠状态进入到工作状态，首先向其子设备发送信标帧，该信标帧中包含路由器本次工作的持续时间T_d以及该路由器下次进入到工作状态与本次进入工作状态的时间差T_s，并用T_d更新自身的

用T_s更新自身的

接着接收来自其子设备发送过来的温湿度信息，并将该信息存放到数据存储模块中；从本次进入工作状态开始，经历

时间后进入睡眠状态；

2.2路由器每隔

时间从睡眠状态进入到工作状态，首先接收来自于父设备的信标帧；然后用信标帧中的T_d更新

用信标帧中的T_s更新

接着将数据存储模块中的温湿度信息发送给父设备，发送成功后将该数据从数据存储模块中删除；从本次进入工作状态开始，经历

时间后进入睡眠状态；

3)协调器：

3.1协调器每隔

时间从睡眠状态进入工作状态，首先向其子设备广播一个信标帧，该信标帧中包含协调器本次工作的持续时间T_d以及协调器下次进入到工作状态与本次进入工作状态的时间差T_s，并用T_d更新自身的

用T_s更新自身的

接着协调器接收来自于其子设备的温湿度信息数据包，并将接收到的数据包存放到数据存储模块中；从本次进入工作状态开始，经历

时间后进入睡眠状态；

3.2协调器在任何时刻都可接收来自于监控终端的命令，接收到命令后，协调器从睡眠状态进入到工作状态，并将温湿度信息发送给监控终端，然后将该数据从数据存储模块中删除，重新进入睡眠状态；

4)监控终端：

监控终端定时或根据指令从协调器中读取最新的温湿度信息并显示；

上述时间

均为根据实际需要预先设定的时间，其中，

的取值范围为1-100秒，

的取值范围为1-100毫秒。

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