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摘要针对近年来蔬菜大棚因为降雪而出现的大面积减产问题，设计了一种基于无线传感器网络ZigBee和LabVIEW的蔬菜大棚积雪量检测系统。系统的传感器节点、路由节点、协调器节点都以CC2530为核心，分别分布在不同位置的终端节点，采集积雪厚度后，通过路由节点将数据传送到协调器节点；协调器通过以太网网关将数据发送到上位机检测；上位机界面采用LabVIEW开发，可实现实时检测、历史数据查询及报警等功能。实地测试结果表明，该系统具有数据采集准确、低功耗、安装简便、可扩展性强和成本低等优点，具有实际应用和推广价值。
关键词雪情检测；ZigBee；LabVIEW；无线传感网络
中图分类号S126文献标识码A文章编号0517-6611（2016）27-0106-02
AbstractIn view of the problem of large area reduction in greenhouse in recent years due to snowfall， the snowfall detection system based on the wireless sensor networks ZigBee and LabVIEW was designed. Sensor node， routing node， coordinator node all take CC2530 as the core. After collecting the snow thickness of the terminal nodes in different locations， the data is transmitted to the coordinator node through the routing node. The coordinator sends the data to the host computer through the Ethernet gateway. PC interface using LabVIEW development， can achieve realtime detection， historical data query and alarm functions. After field testing， the system has the advantages of accurate data acquisition， low power consumption， easy installation， strong expansibility， low cost and so on， with practical application and promotion value.
Key wordsSnowfall situation detection； ZigBee； LabVIEW； Wireless sensor networks
蔬菜大棚的存在使人们在寒冷的冬天也能食用新鲜的蔬菜，但是每年冬天因为降雪导致蔬菜大棚坍塌致使菜农经济损失的新闻屡见不鲜。若积雪压垮大棚，不但棚内蔬菜会绝收，而且重建大棚的费用也很高。为此，笔者针对蔬菜大棚降雪量检测提出了可行方案。该系统基于ZigBee的无线传感器，实现对蔬菜大棚积雪覆盖厚度的检测，通过无线多跳网络将数据送到服务器并存储分析，利用LabVIEW上位机软件经过算法将数据显示和分析[1-3]，并对系统的运行进行了现场实地测试。
1系统整体设计
ZigBee组网结构有星状、网状、树状3种拓扑结构[4]，根据蔬菜大棚雪情监测系统实际应用场合的特点，选择星状结构。系统结构见图1。
协调器节点位于网络的中心位置，终端节点将数据利用ZigBee技术传到路由节点，再传给协调器。协调器主要作用是选择一个信道和网络标识（PAN ID），然后开始这个网络。因为协调器是整个网络的开始，具有网络最高权限，是整个网络的维护者，可以保持间接寻址用的表格绑定，同时还可以设计安全中心和执行其他动作，保持网络其他设备的通信。
2系统硬件设计
2.1处理器
该系统使用的微处理芯片为结合了德州仪器的业界领先的黄金单元ZigBee协议栈（Z-StackTM）的CC2530芯片，此芯片用于2.4-GHzIEEE 802.15.4和ZigBee应用的一个真正的片上系统解决方案。它能够以非常低的成本建立强大的网络节点。CC2530 结合了领先的RF 收发器的优良性能，拥有业界标准的增强型8051 CPU、系统内可编程闪存、8-KB RAM 和许多其他强大的功能。CC2530 具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗[5-6]。
2.2测距传感器
该系统中测距传感器采用的是工业级低功耗高精度的KS103超声波传感器。使用纳瓦技术省电，5 s 未收到I2C 控制指令自动进入uA级休眠，并可随时被主机I2C 控制指令唤醒。具有实时温度补偿的距离探测功能，工作温度范围为-30～+85 ℃，具有非常高的探测精度。其利用I2C接口，能自动响应主机的I2C控制指令。采用独特的可调滤波降噪技术，电源电压受干扰或噪音较大时，仍可正常工作。并且正常工作电压宽度为3.0～5.5 V，节省了电源电平转化电路。
2.3硬件设计
该系统由ZigBee协调器、路由节点和传感节点组成，终端节点硬件设计见图2。
终端节点由处理器CC2530、电源模块、测距传感器、按键模块和射频收发器组成。其主要负责将所测到的积雪量数据通过协议发送到对应的协调器或者经过路由节点再传送到协调器。协调器硬件设计见图3，由处理器CC2530、电源模块、按键及显示模块、以太网模块和射频收发器组成。处理器CC2530将射频接收到的包含积雪厚度的数据包解析后通过以太网传给上位机进行检测，其中显示模块可以显示新加入的节点信息和正在连接的节点信息，利于查看节点的工作情况。 3系统软件设计
软件是系统的灵魂。该系统以IEEE 802.15.4协议为基础，利用TI公司开发的Z-stack协议栈进行开发，不但缩短了开发时间也使系统更加的稳定可靠。协调器软件流程见图4。
系统上电后各个模块的初始化，系统准备就绪后，通过主动扫描发送信标请求命令来检测该网络中是否存在协调器，如果扫描期限内检测到协调器就发送关联请求，此时协调器的地址资源足够的话就分配给该节点16位的短地址，并产生包括新连接和连接状态的响应命令，从而完成了节点与协调器的连接。终端节点负责将所测大棚的实时降雪数据发送到协调器或者路由节点。终端节点软件流程见图5。
4上位机数据处理及试验结果分析
该系统上位机利用LabVIEW软件进行可视化开发。如图6所示，将各个节点所测的降雪厚度和温度等数据分页处理，每一页都有历史数据存储栏和实时数据曲线栏。每个节点的报警值可以分开设置，根据不同蔬菜大棚所能承受的压力不同设置不同的报警值，当有报警时自动跳到报警节点界面同时报警灯点亮。利用LabVIEW软件开发周期短，维护性强，经现场实地验证，性能和可靠度都非常出色。该软件也是目前国际上唯一的编译型图形化程序设计语言，它结合了简单易用的图形式开发环境与灵活强大的G编程语言，提供了一个非常直观的编程环境，有专供大型应用开发、集成开发及应用配置所设计的附加开发工具。在这个平台上，各领域的专家们可以通过定义和连接代表各种功能模块的图标来方便迅速地建立高水平的应用程序。
5结语
该研究基于ZigBee和LabVIEW设计了蔬菜大棚雪情监测系统，提出了针对蔬菜大棚降雪量测量的可行策略，是未来蔬菜大棚防雪灾过程中不可缺少的一部分。该系统在实际使用过程中表现非常出色，所测的降雪量准确，而且将不同节点放置到蔬菜大棚的不同位置，利于实现全方位监测。
参考文献
[1] 吕治安.ZigBee网络原理与应用开发[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.
[2] 青岛东合信息技术有限公司.ZigBee开发技术及实践[M].西安：西安电子科技大学出版社，2014.
[3] ZOU X F，JIANG X Q.An empirical study of the allocation efficiency of rural financial resources in Hubei Province from the perspective of agricultural loans[J].Asian agricultural research，2014（8）：38-41.
[4] 蒋挺，赵成林.紫蜂技术及其应用[M].北京：北京邮电大学出版社，2006.
[5] 徐勇军.物联网实验教程[M].北京：机械工业出版社，2011.
[6] 吴大鹏，舒毅.物联网技术与应用[M].北京：电子工业出版社，2012.
关键词雪情检测；ZigBee；LabVIEW；无线传感网络
中图分类号S126文献标识码A文章编号0517-6611（2016）27-0106-02
AbstractIn view of the problem of large area reduction in greenhouse in recent years due to snowfall， the snowfall detection system based on the wireless sensor networks ZigBee and LabVIEW was designed. Sensor node， routing node， coordinator node all take CC2530 as the core. After collecting the snow thickness of the terminal nodes in different locations， the data is transmitted to the coordinator node through the routing node. The coordinator sends the data to the host computer through the Ethernet gateway. PC interface using LabVIEW development， can achieve realtime detection， historical data query and alarm functions. After field testing， the system has the advantages of accurate data acquisition， low power consumption， easy installation， strong expansibility， low cost and so on， with practical application and promotion value.
Key wordsSnowfall situation detection； ZigBee； LabVIEW； Wireless sensor networks
蔬菜大棚的存在使人们在寒冷的冬天也能食用新鲜的蔬菜，但是每年冬天因为降雪导致蔬菜大棚坍塌致使菜农经济损失的新闻屡见不鲜。若积雪压垮大棚，不但棚内蔬菜会绝收，而且重建大棚的费用也很高。为此，笔者针对蔬菜大棚降雪量检测提出了可行方案。该系统基于ZigBee的无线传感器，实现对蔬菜大棚积雪覆盖厚度的检测，通过无线多跳网络将数据送到服务器并存储分析，利用LabVIEW上位机软件经过算法将数据显示和分析[1-3]，并对系统的运行进行了现场实地测试。
1系统整体设计
ZigBee组网结构有星状、网状、树状3种拓扑结构[4]，根据蔬菜大棚雪情监测系统实际应用场合的特点，选择星状结构。系统结构见图1。
协调器节点位于网络的中心位置，终端节点将数据利用ZigBee技术传到路由节点，再传给协调器。协调器主要作用是选择一个信道和网络标识（PAN ID），然后开始这个网络。因为协调器是整个网络的开始，具有网络最高权限，是整个网络的维护者，可以保持间接寻址用的表格绑定，同时还可以设计安全中心和执行其他动作，保持网络其他设备的通信。
2系统硬件设计
2.1处理器
该系统使用的微处理芯片为结合了德州仪器的业界领先的黄金单元ZigBee协议栈（Z-StackTM）的CC2530芯片，此芯片用于2.4-GHzIEEE 802.15.4和ZigBee应用的一个真正的片上系统解决方案。它能够以非常低的成本建立强大的网络节点。CC2530 结合了领先的RF 收发器的优良性能，拥有业界标准的增强型8051 CPU、系统内可编程闪存、8-KB RAM 和许多其他强大的功能。CC2530 具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗[5-6]。
2.2测距传感器
该系统中测距传感器采用的是工业级低功耗高精度的KS103超声波传感器。使用纳瓦技术省电，5 s 未收到I2C 控制指令自动进入uA级休眠，并可随时被主机I2C 控制指令唤醒。具有实时温度补偿的距离探测功能，工作温度范围为-30～+85 ℃，具有非常高的探测精度。其利用I2C接口，能自动响应主机的I2C控制指令。采用独特的可调滤波降噪技术，电源电压受干扰或噪音较大时，仍可正常工作。并且正常工作电压宽度为3.0～5.5 V，节省了电源电平转化电路。
2.3硬件设计
该系统由ZigBee协调器、路由节点和传感节点组成，终端节点硬件设计见图2。
终端节点由处理器CC2530、电源模块、测距传感器、按键模块和射频收发器组成。其主要负责将所测到的积雪量数据通过协议发送到对应的协调器或者经过路由节点再传送到协调器。协调器硬件设计见图3，由处理器CC2530、电源模块、按键及显示模块、以太网模块和射频收发器组成。处理器CC2530将射频接收到的包含积雪厚度的数据包解析后通过以太网传给上位机进行检测，其中显示模块可以显示新加入的节点信息和正在连接的节点信息，利于查看节点的工作情况。 3系统软件设计
软件是系统的灵魂。该系统以IEEE 802.15.4协议为基础，利用TI公司开发的Z-stack协议栈进行开发，不但缩短了开发时间也使系统更加的稳定可靠。协调器软件流程见图4。
系统上电后各个模块的初始化，系统准备就绪后，通过主动扫描发送信标请求命令来检测该网络中是否存在协调器，如果扫描期限内检测到协调器就发送关联请求，此时协调器的地址资源足够的话就分配给该节点16位的短地址，并产生包括新连接和连接状态的响应命令，从而完成了节点与协调器的连接。终端节点负责将所测大棚的实时降雪数据发送到协调器或者路由节点。终端节点软件流程见图5。
4上位机数据处理及试验结果分析
该系统上位机利用LabVIEW软件进行可视化开发。如图6所示，将各个节点所测的降雪厚度和温度等数据分页处理，每一页都有历史数据存储栏和实时数据曲线栏。每个节点的报警值可以分开设置，根据不同蔬菜大棚所能承受的压力不同设置不同的报警值，当有报警时自动跳到报警节点界面同时报警灯点亮。利用LabVIEW软件开发周期短，维护性强，经现场实地验证，性能和可靠度都非常出色。该软件也是目前国际上唯一的编译型图形化程序设计语言，它结合了简单易用的图形式开发环境与灵活强大的G编程语言，提供了一个非常直观的编程环境，有专供大型应用开发、集成开发及应用配置所设计的附加开发工具。在这个平台上，各领域的专家们可以通过定义和连接代表各种功能模块的图标来方便迅速地建立高水平的应用程序。
5结语
该研究基于ZigBee和LabVIEW设计了蔬菜大棚雪情监测系统，提出了针对蔬菜大棚降雪量测量的可行策略，是未来蔬菜大棚防雪灾过程中不可缺少的一部分。该系统在实际使用过程中表现非常出色，所测的降雪量准确，而且将不同节点放置到蔬菜大棚的不同位置，利于实现全方位监测。
参考文献
[1] 吕治安.ZigBee网络原理与应用开发[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.
[2] 青岛东合信息技术有限公司.ZigBee开发技术及实践[M].西安：西安电子科技大学出版社，2014.
[3] ZOU X F，JIANG X Q.An empirical study of the allocation efficiency of rural financial resources in Hubei Province from the perspective of agricultural loans[J].Asian agricultural research，2014（8）：38-41.
[4] 蒋挺，赵成林.紫蜂技术及其应用[M].北京：北京邮电大学出版社，2006.
[5] 徐勇军.物联网实验教程[M].北京：机械工业出版社，2011.
[6] 吴大鹏，舒毅.物联网技术与应用[M].北京：电子工业出版社，2012.