劉偉永，王鳳瑛

（山東科技大學(xué) 信息與電氣工程學(xué)院，山東 青島266590）

近年來，隨著溫室農(nóng)業(yè)的推廣與發(fā)展，溫室大棚的種植為人們的生活帶來極大的便利。農(nóng)作物的生長與大棚中的溫度、濕度、光照度等環(huán)境因子有很大的關(guān)系。因此，能夠及時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)溫室大棚的溫濕度具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。傳統(tǒng)的溫濕度測(cè)量系統(tǒng)一般采用人工值守或有線采集方式，人工方式加大了工作量而且監(jiān)測(cè)效率低[1-2]；有線數(shù)據(jù)采集存在著布線困難、功耗大、成本高等問題。

針對(duì)傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集傳輸過程中存在的問題和不足，本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee技術(shù)的無線溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。ZigBee技術(shù)是針對(duì)無線低速傳感器網(wǎng)絡(luò)而提出的，具有低成本、低功耗、低復(fù)雜度、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)多、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)[3]，不僅能夠滿足大片溫室大棚內(nèi)溫濕度的測(cè)量，而且還能滿足低成本設(shè)備的要求。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

整個(gè)無線溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由上位機(jī)（PC）監(jiān)控端和下位機(jī)ZigBee網(wǎng)絡(luò)兩部分組成。

圖1 基于ZigBee協(xié)議的無線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

下位機(jī)ZigBee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集溫室大棚內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)，上位機(jī)負(fù)責(zé)顯示溫濕度數(shù)據(jù)并進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

下位機(jī)ZigBee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由溫濕度傳感器模塊、路由器模塊和協(xié)調(diào)器模塊組成。溫濕度傳感器模塊主要負(fù)責(zé)采集、存儲(chǔ)和上傳溫濕度信息[4]。路由器模塊主要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)溫濕度信息。協(xié)調(diào)器模塊主要完成溫濕度數(shù)據(jù)的匯聚。下位機(jī)ZigBee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和上位機(jī)之間通過RS-232串口進(jìn)行通信。當(dāng)監(jiān)測(cè)大棚溫濕度信息時(shí)，首先通過上位機(jī)端監(jiān)控軟件設(shè)置好波特率和串口號(hào)等參數(shù)，然后協(xié)調(diào)器開始組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，這時(shí)路由器節(jié)點(diǎn)和溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)開始加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)。分布在各個(gè)大棚內(nèi)的溫濕度傳感模塊開始采集溫濕度信息，并存儲(chǔ)在Flash中，通過單跳或者多跳的方式發(fā)送到上位機(jī)，上位機(jī)監(jiān)控端接收到溫濕度信息后，把各個(gè)大棚內(nèi)的溫濕度信息顯示出來。當(dāng)溫濕度信息異常時(shí)，在監(jiān)控端會(huì)有異常提示，以便及時(shí)處理。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 溫濕度傳感器模塊

傳感器采用Sensirion溫濕度傳感器家族中的SHT11傳感器，它是一款超低功耗的高精度溫濕度傳感器，它的溫度采集精度可達(dá)0.4℃，濕度采集精度可達(dá)3%RH；溫度測(cè)量范圍為-40℃～123.8℃，濕度測(cè)量范圍為0%RH～100%RH；可采用的電壓范圍為2.4 V～5.5 V；能耗僅為1μW～30μW[5]。

CC2530與SHT11硬件連接圖如圖2所示。SHT11共有8個(gè)引腳，GND、DATA、SCK、VDD，其余4個(gè)引腳閑置。為避免信號(hào)發(fā)生沖突，在DATA與VDD之間接一個(gè)上拉電阻。在VDD與GND之間加入一個(gè)電容，用以去耦濾波。SHT11應(yīng)用串行通信直接將數(shù)據(jù)傳輸至單片機(jī)，用CC2530的通用I/O口P0的P0_1/P0_0分別與SHT11的串行時(shí)鐘線SCK和串行數(shù)據(jù)線DATA相連接，用于實(shí)現(xiàn)通信同步以及數(shù)據(jù)傳輸[6]。該設(shè)計(jì)既簡化了傳感器與單片機(jī)之間的接口，又提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖2 CC2530與SHT11硬件連接圖

2.2 路由器和協(xié)調(diào)器模塊的硬件設(shè)計(jì)

路由器模塊和協(xié)調(diào)器模塊在硬件結(jié)構(gòu)上是一樣的，它們不參與溫濕度信息的采集。協(xié)調(diào)器通過RS-232串口和上位機(jī)相連。路由器之所以設(shè)計(jì)RS-232接口，是因?yàn)楫?dāng)協(xié)調(diào)器發(fā)生意外損壞的情況時(shí)，可以直接用路由器模塊來替代協(xié)調(diào)器。路由器和協(xié)調(diào)器的硬件框圖如圖3所示。

圖3 路由器、協(xié)調(diào)器模塊硬件框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分包括溫濕度信息采集和發(fā)送部分、溫濕度信息接收和顯示部分。流程圖分別如圖4和圖5所示。

圖4 溫濕度信息采集和發(fā)送流程圖

圖5 溫濕度信息接收和顯示流程圖

上位機(jī)主要負(fù)責(zé)溫室大棚的監(jiān)控功能，溫濕度監(jiān)控界面如圖6所示。

圖6 數(shù)據(jù)監(jiān)控界面

4 溫濕度傳感模塊能耗檢測(cè)

測(cè)試連接框圖如圖7所示。其中電池組采用兩節(jié)1.5 V干電池串聯(lián)的方式。測(cè)試前首先給協(xié)調(diào)器模塊和溫濕度傳感器模塊上電，等系統(tǒng)正常工作后，用示波器測(cè)量電阻兩端的電壓。利用測(cè)得的電壓值和電阻值計(jì)算得到平均功耗。

圖7 溫濕度傳感模塊能耗測(cè)試連線框圖

通過對(duì)設(shè)計(jì)的基于ZigBee技術(shù)的無線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)誤差進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果表明本系統(tǒng)的濕度誤差可以控制在3%RH以內(nèi)，溫度誤差可以控制在0.4℃以內(nèi)，充分說明基于ZigBee技術(shù)的無線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的溫濕度誤差大小符合要求。通過對(duì)SHT11傳感器模塊的能耗測(cè)試計(jì)算，兩節(jié)1.5 V的干電池可以提供一個(gè)SHT11模塊正常工作200天以上，說明了該系統(tǒng)具有低功耗的特點(diǎn)，并且可以進(jìn)行長時(shí)間的監(jiān)測(cè)工作。

[1]郭清華.蔬菜大棚智能溫度控制系統(tǒng)應(yīng)用研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2008，36（11）：4487-4488.

[2]王翥，魏德寶，王玲.基于WSN的溫室大棚溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2010（10）：45-48.

[3]李文仲.ZigBee無線網(wǎng)技術(shù)入門與實(shí)踐[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[4]駱科學(xué).基于ZigBee協(xié)議的無線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].吉林：吉林大學(xué)，2012.

[5]黃婷婷，劉占良，毛新華.基于ZigBee無線通信的溫度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38（14）：7562-7563.

[6]樊建明，陳淵睿.基于數(shù)字溫度濕度傳感器的溫室多點(diǎn)測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2007，26（7）：89-92.