張柏林 王艷梅
摘要:采用干濕球測量濕度方法,嵌入zigbee無線通信協(xié)議,以CC2530和DS18B20為核心,設(shè)計了一款自組網(wǎng)、低成本的無線溫濕度傳感器系統(tǒng),用于溫室大棚的環(huán)境監(jiān)測。與電容式濕度傳感器相比,具有準確度高、線性度好和壽命長等特點。
關(guān)鍵詞:zigbee;濕度;無線傳感器網(wǎng)絡(luò);干濕球我國是農(nóng)業(yè)大國,目前溫室大棚已成為我國一些農(nóng)村的重要產(chǎn)業(yè),是當?shù)剞r(nóng)民的重要經(jīng)濟來源[1]。大棚內(nèi)的溫度和濕度對農(nóng)作物的生長環(huán)境影響極大,需要對大棚內(nèi)的溫濕度進行實時、準確地監(jiān)測。
目前,我國北方的溫室大棚,溫濕度監(jiān)測仍采用人工定時查看溫濕度表的落后方式。這種方式勞動強度大、監(jiān)測效率低。也有部分大棚采用以單片機為核心的傳統(tǒng)有線監(jiān)測系統(tǒng)。這種系統(tǒng)由于受到布線限制,具有一定的局限性,且成本較高,維護困難。筆者提出一種基于zigbee技術(shù)的無線溫濕度傳感器網(wǎng)絡(luò)。該傳感器網(wǎng)絡(luò)以CC2530和DS18B20溫度傳感器為核心芯片,采用傳統(tǒng)的干濕球測量濕度方法,并嵌入zigbee無線通信協(xié)議,具有自組網(wǎng)、功耗低、壽命長等特點。
1概要
Zigbee是一種近距離、低數(shù)據(jù)傳輸率、低功耗、低成本的無線半雙工自組網(wǎng)技術(shù),使用ISM免費頻段,單個網(wǎng)絡(luò)中最多可容納65535個節(jié)點,適合用于搭建對通信速率要求不高的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可分為三種類型:網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由節(jié)點和終端節(jié)點[2]。這三種節(jié)點類型都是網(wǎng)絡(luò)層概念,他們的部署決定了網(wǎng)絡(luò)拓撲形式。不論zigbee網(wǎng)絡(luò)采用何種拓撲方式,網(wǎng)絡(luò)中都需要有一個并且只能有一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點。
數(shù)字式溫度傳感器已經(jīng)比較成熟,如Dallas公司生產(chǎn)的DS18B20。濕度傳感器常采用電容式濕度傳感器,目前比較有代表性的如德國Humirel公司生產(chǎn)的HS1101系列濕度傳感器。然而,電容式濕度傳感器在結(jié)露情況下,容易損壞。結(jié)露問題是由傳感器材料和結(jié)構(gòu)引起的,目前還沒有有效的解決方案。干濕球測量溫濕度方法由于沒有采用濕敏材料作為濕度測量的關(guān)鍵構(gòu)建,避免了結(jié)露所引起的問題。采用干濕球測量濕度,當由空氣傳入紗布的傳熱速率等于紗布表面氣化水分需要的傳熱速率時,則兩者達到平衡狀態(tài),這時濕紗布中的水溫即保持恒定,稱這恒定或平衡的溫度為該空氣的濕球溫度。此時,空氣中的相對濕度可以由(1)式求出[3]。
式中,t為空氣的溫度,tw為濕球溫度,P為當?shù)卮髿鈮?,A為風速的函數(shù),Ew為濕球溫度下的飽和水汽壓,E為干球溫度下的飽和水汽壓。
2系統(tǒng)設(shè)計
Zigbee支持樹狀網(wǎng)、星型網(wǎng)等多種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。通常情況下,星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)已經(jīng)可以覆蓋整個蔬菜大棚。本系統(tǒng)采用星型拓撲結(jié)構(gòu),由一臺PC機、一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和多個終端設(shè)備三部分組成。
終端設(shè)備與傳感器集成在一起,負責采集大棚內(nèi)的溫度和濕度,將采集到的數(shù)據(jù)進行打包通過無線電的方式發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器對接收到的信號首先進行解包,然后,通過RS232通信線纜傳輸給PC機。PC機上的管理軟件對接收到的數(shù)據(jù)進行解析,最終顯示給用戶。
3軟硬件設(shè)計
終端節(jié)點負責干球和濕球的溫度采集,將采集結(jié)果進行封包后發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。CC2530的P1_0引腳和P1_1引腳分別與兩個DS18B20連接,采用單總線串行通信協(xié)議,分別測量測試干球溫度和濕球溫度。
系統(tǒng)啟動后,協(xié)調(diào)器首先選擇網(wǎng)絡(luò)所占用的頻道,然后開啟網(wǎng)絡(luò),等待終端設(shè)備的接入。終端設(shè)備啟動后,搜尋網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器所在的頻道,然后依次加入由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器開啟的網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)組建完畢,終端節(jié)點每隔三秒鐘,采集一次各自的干球溫度和濕球溫度,并將采集到的數(shù)據(jù)打包發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器收到數(shù)據(jù)后,解包然后通過RS232發(fā)送給PC機。最終PC機根據(jù)公式1計算當前的濕度,并將計算結(jié)果顯示給用戶。
4結(jié)論
基于zigbee的干濕球溫濕度無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有效解決了傳統(tǒng)有線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)布線困難、成本高、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)量少、不便于維護等問題。單個ZigBee網(wǎng)絡(luò)即可容納65535個節(jié)點,輕松實現(xiàn)大范圍溫濕度實時監(jiān)測。采用干濕球測量濕度方法,與電容式濕度傳感器相比,不受結(jié)露問題的影響,測試數(shù)據(jù)更精確,傳感器壽命更長。
[參考文獻]
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[3]吳振宇,毛德祥,吳超.新型數(shù)字干濕球濕度傳感器[J].傳感器技術(shù),2004,23(11):48-50.