姜鈞嚴，郭艷玲，楊冬霞，范長勝

(東北林業(yè)大學(xué) 機電工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

東北地區(qū)冬季時間較長，溫室對于日常的蔬菜供給來說必不可少。溫室的溫濕度直接影響蔬菜的成長過程，如果溫度過高，就會引起蔬菜失水萎蔫，影響生長，若水分跟不上，可能造成植株死亡。如果濕度過高，會影響根系的發(fā)育和吸收。[1-4]溫濕度過低同樣影響蔬菜的生長，所以對溫室內(nèi)溫濕度的控制非常必要。

現(xiàn)階段，對于溫室的溫濕度檢測基本均采用有線方式，但有線的方式導(dǎo)致了工程量大，采集數(shù)據(jù)分散等問題。Zigbee技術(shù)可以采用短距離無線通信方式，并且具有低成本、低功耗、效率高等特點[5-7]。本文將采用美國TI公司的CC2530芯片，利用Zigbee技術(shù)構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并使用溫濕度傳感器SHT11對溫室的溫濕度進行實時檢測。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)溫室環(huán)境的需要，設(shè)計了溫室監(jiān)測系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由分布在溫室中多個智能ZigBee節(jié)點組成，包括ZigBee終端節(jié)點和ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)采用星形結(jié)構(gòu)。這些節(jié)點按適當?shù)拈g距分布在溫室內(nèi)，在保證最大利用率的前提下，完成溫濕度的實時采集及傳輸。

系統(tǒng)的整體工作過程：協(xié)調(diào)器節(jié)點上電初始化，并自行組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，進而等待終端節(jié)點加入；任一終端節(jié)點上電初始化后，會自動查找并加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，同時將自身的物理地址傳送給協(xié)調(diào)器節(jié)點；協(xié)調(diào)器節(jié)點通過串口RS232將接收到的終端節(jié)點地址發(fā)送給PC機進行保存；PC機可以隨時獲取某一終端節(jié)點的數(shù)據(jù)，其只需要向串口發(fā)送相應(yīng)終端節(jié)點的物理地址及測量指令；協(xié)調(diào)器節(jié)點會通過串口接收到目標節(jié)點的物理地址，并向其發(fā)送數(shù)據(jù)，傳達測量指令；終端節(jié)點經(jīng)由無線網(wǎng)絡(luò)接收到測量指令后，通過與之相連的傳感器測量數(shù)據(jù)，然后將測量結(jié)果以數(shù)據(jù)包的形式傳送給協(xié)調(diào)器節(jié)點，最終在PC機上進行顯示[8]如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

CC2530是一個真正的片上系統(tǒng)解決方案。CC2530在內(nèi)存、尺寸、RF性能等方面比CC2430有了重大改變。該芯片的RF性能更出色，閃存容量加倍，封裝尺寸更小，支持協(xié)議更多樣。在此芯片基礎(chǔ)上所設(shè)計的傳感器節(jié)點在室外的最高傳輸距離可達400M以上。完全符合在溫室內(nèi)部的檢測需要[9-10]。本文將主要介紹終端節(jié)點硬件設(shè)計及SHT11型溫濕度傳感器工作原理。

終端節(jié)點是Zigbee網(wǎng)絡(luò)中直接負責(zé)數(shù)據(jù)采集的節(jié)點，傳感器是其重要組成部分。本次選用瑞士Sensirion公司的SHT11型傳感器。SHT11是一款具有二線串行接口的單片數(shù)字式溫濕度傳感器，具有數(shù)字式輸出、免調(diào)試、免標定、免外圍電路及全互換等特點。該傳感器的外形及管腳示意圖如圖2所示。

圖2 SHT11外形及管腳排列示意圖

SHT11并非是傳統(tǒng)意義上的傳感器，而是基于CMOSens技術(shù)的新型智能溫濕度傳感器，它將溫濕度傳感器、信號放大調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、二線串行接口全部集成于一個芯片內(nèi)，融合了CMOS芯片技術(shù)與傳感器技術(shù)[11-12]。SHT11傳感器默認的測量溫度和相對濕度的分辨率一般分別為14位、12位，通過狀態(tài)寄存器可降至12位、8位。濕度測量范圍是0～100 RH，對于12位的測量精度為±3.0%RH；測溫范圍為-40～+123.8℃，對于14位的測量精度為±0.4℃。

溫濕度傳感器SHTl1送出的溫度、濕度數(shù)據(jù)必須經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，才能表示實際的溫度和濕度，其公式如下：

TC=d1+d2×SOT。

(1)

(2)

RHTure=(TC-25)×(t1+t2×SORH)+RHLinear。

(3)

式中：TC為攝氏溫度；RHTure為經(jīng)過溫度補償?shù)南鄬穸?；d1和d2為和溫度分辨率有關(guān)的校正系數(shù)；c1、c2、c3、t1、t2為和濕度的分辨率有關(guān)的校正系數(shù)；SOT為從SHT11中讀出的溫度值；SORH為從SHT11中讀出的濕度值。其對應(yīng)關(guān)系見表1和表2。

表1 溫度校正系數(shù)

表2 濕度校正系數(shù)

終端節(jié)點溫濕度采集流程為：終端節(jié)點接收到來自協(xié)調(diào)器節(jié)點的采集指令后，將SHT11傳感器定期采集的溫濕度數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，然后在顯示屏上顯示出溫濕度信息并通過無線網(wǎng)絡(luò)與協(xié)調(diào)器節(jié)點進行通訊。溫濕度采集流程圖如圖3所示，終端節(jié)點通常為節(jié)能考慮而間歇性工作，在傳輸數(shù)據(jù)之后會進入一定時間的休眠，等待下一個采集指令的到來。

圖3 溫濕度采集流程圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的硬件操作，需要軟件的設(shè)計來實現(xiàn)。利用美國德州儀器公司的Z-STACK協(xié)議棧。Z-STACK協(xié)議基于輪轉(zhuǎn)查詢式操作系統(tǒng)來實現(xiàn)。軟件設(shè)計主要分為終端節(jié)點軟件及協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件兩部分。本文主要介紹協(xié)調(diào)器節(jié)點的軟件設(shè)計部分。

協(xié)調(diào)器節(jié)點上電后，首先初始化硬件及協(xié)議棧，搜索信道和空閑信道評估，選擇信道并建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)。當有節(jié)點申請加入網(wǎng)絡(luò)時，準許加入并分配一個16位的網(wǎng)絡(luò)短地址，等待采集數(shù)據(jù)的命令，然后將接收的所有數(shù)據(jù)包通過串口通信發(fā)送到PC機上，以便更容易地進行數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)存儲。協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件流程圖如圖4所示。

圖4 協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件流程圖

4 系統(tǒng)模擬實驗

4.1 實驗準備及過程

本系統(tǒng)設(shè)計的功能擬為實現(xiàn)溫室的無線溫濕度檢測，在研究的過程中，可以用實驗室的環(huán)境來模擬溫室的環(huán)境，通過類比的方法來驗證檢測系統(tǒng)的可靠性。根據(jù)實驗室的規(guī)模，本次模擬實驗設(shè)置5個實驗節(jié)點。其中，協(xié)調(diào)器節(jié)點1個，終端節(jié)點4個。協(xié)調(diào)器節(jié)點通過RS232串口總線與計算機相連，4個終端節(jié)點分別置于實驗室的四角。實驗室布置平面圖如圖5所示。本實驗硬件采用基于CC2530 的開發(fā)板、smartrf04EB仿真器及SHT11傳感器，軟件采用IAR開發(fā)環(huán)境進行編譯，編程語言使用C語言。

圖5 實驗室布置平面圖

實驗采用的開發(fā)板可支持多種射頻主控模塊(例如Q2530RF 等)，配置有串口液晶顯示接口，USB供電接口，DC 5V電源接口，電池接口，RS232 接口，DEBUG 接口，五向按鍵及指示燈，紅外遙控信號接收/發(fā)射等模塊。開發(fā)板如圖6所示。

圖6 開發(fā)板實物圖

實驗采用的仿真器SmartRF04EB配置紅、綠LED指示燈各1 顆，其中紅燈為電源指示燈，綠燈為狀態(tài)指示燈。在仿真器正常的情況下，連接目標板時，紅綠燈同時亮表示仿真器已經(jīng)上電，但并未檢測到目標開發(fā)板，需確實目標板正確連接后，按下復(fù)位鍵。此時紅燈亮綠燈滅，表示已檢測到目標板，可以開始下載程序并仿真。

在實驗的過程中，有效利用空調(diào)的調(diào)節(jié)功能來模擬溫濕度的變化。在使用傳感器測量數(shù)據(jù)的同時，進行以溫濕度計測量數(shù)據(jù)的對照試驗。為避免實驗結(jié)果的偶然性，記錄約10組數(shù)據(jù)，為實驗分析做準備。

4.2 實驗數(shù)據(jù)分析

在本系統(tǒng)中，終端節(jié)點每隔2 min采集一次溫濕度數(shù)據(jù)并發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點再通過RS232串口總線將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機上，串口設(shè)置為COM4，波特率設(shè)置為19200bps。在實驗過程中采集了9組數(shù)據(jù)，通過表格的形式可以直觀地分析數(shù)據(jù)的準確性。通過表格可以發(fā)現(xiàn)，溫度傳感器測量值與溫度計讀數(shù)的誤差在-0.3～+0.4之間，濕度傳感器測量值與濕度計讀數(shù)的誤差在-0.8～+1.4之間，均符合實驗測量誤差值范圍，分析結(jié)果見表3。通過數(shù)據(jù)分析軟件可以將數(shù)據(jù)柱狀化，更便于實驗數(shù)據(jù)的觀察，柱狀圖如圖7和圖8所示。

表3 實驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果

圖7 溫度數(shù)據(jù)柱狀圖

5 結(jié) 論

本系統(tǒng)的設(shè)計很好地解決了在溫室智能控制方面，有線傳輸所帶來的工程量大，布線復(fù)雜等問題。并采用SHT11型溫濕度傳感器，減少了設(shè)備的數(shù)量，提高了檢測的精度。事實證明，Zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有很先進的自建網(wǎng)、自尋址等能力，SHT11型溫濕度傳感器的精度也基本滿足對于溫室溫度測控的需求，為大規(guī)模地溫室技術(shù)開發(fā)提供了必要的前提條件。但需要指出的是，實驗室環(huán)境與溫室環(huán)境仍具有一定差別，溫度的誤差對于不同蔬菜的種植影響也不盡相同，所以該系統(tǒng)在未來應(yīng)用于溫室環(huán)境中仍需進一步調(diào)試。

【參 考 文 獻】

[1] 梁萬用，王 凱.蔬菜大棚溫濕度智能控制系統(tǒng)設(shè)計[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，37(19)：9138-9139，9185.

[2] 王玉軍，張本華.溫室技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].農(nóng)機化研究，2008(1)：249-251.

[3] 文麒麟，石能文，鄭宏飛，等.太陽能溫室裝備化的構(gòu)想與新設(shè)計[J].大眾科技，2012，14(8)：128.

[4] 王 軍.半地下日光溫室技術(shù)及機械裝備配置的研究[J].農(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備，2011，10(17)：38.

[5] 高守瑋，吳燦陽.Zigbee技術(shù)實踐教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

[6] 郭淵博，楊奎武，趙 儉，等.ZigBee技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2010.

[7] Moeinfar D，Shamsi H，Nafar F.Design and implementation of a low-power active RFID for container tracking at 2.4 GHz frequency[J].Advances in Internet of Things，2012(2)：13-22 .

[8] 范長勝，李志鵬，郭艷玲.網(wǎng)絡(luò)智能型家居服務(wù)器的核心模塊設(shè)計[J].機電工程技術(shù)，2006，35(3)：98.

[9] Ma M，F(xiàn)eng G.Based on Zigbee technology greenhouse monitoring system[J].Advances in Intelligent Systems and Computing，2013，191：737-740.

[10] Xiang X，Guo X.Zigbee wireless sensor network nodes deployment strategy for digital agricultural data acquisition[J].IFIP Advances in Information and Communication Technology，2010，317：109-113.

[11] 蘇初旺，莫德赟，梁柄釗.溫室桉樹苗補光的試驗研究[J].森林工程，2010，26(5)：25-27.

[12] 張艷麗，楊仁弟.數(shù)字溫濕度傳感器SHTl l及其應(yīng)用[J].工礦自動化，2007(3)：113.