溫州科技職業(yè)學院　李世紅

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基于ZigBee的溫室大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究

溫州科技職業(yè)學院李世紅

【摘要】針對溫室大棚環(huán)境中的溫度、濕度、光照度、CO2濃度等環(huán)境因子對作物的生產(chǎn)有很大的影響，本文提出了一種基于ZigBee的溫室大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設計方案。采用CC2530微處理器采集溫室大棚環(huán)境的光照度、CO2濃度和溫度等基本環(huán)境因子，通過ZigBee模塊將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給節(jié)點，實現(xiàn)節(jié)點間的無線通信。實驗表明，該設計功耗低且具有良好的穩(wěn)定性，實現(xiàn)對溫室大棚環(huán)境監(jiān)測，具有較高的推廣價值和應用前景。

【關鍵詞】溫室大棚；環(huán)境監(jiān)測；CC2530；ZigBee

0　引言

近年來，溫室大棚為提高人民生活水平的目標帶來了極大的便利，得到了快速的推廣和應用。環(huán)境中溫度、濕度、光照、CO2和其他環(huán)境因素的濃度對作物產(chǎn)量產(chǎn)生重大影響，而且不同的農(nóng)作物對于這幾個基本環(huán)境參數(shù)的需求也不一樣。因此，掌握這些環(huán)境參數(shù)，對提高作物的產(chǎn)量和質(zhì)量具有重大作用的。目前國內(nèi)可以實現(xiàn)上述環(huán)境因子自動監(jiān)控系統(tǒng)還不多見，而引進國外大型的多功能監(jiān)控系統(tǒng)，不僅價格昂貴，而且由于不同的氣候條件并不適合我國的國情[1]。

針對目前溫室大棚發(fā)展的趨勢，提出一種基于ZigBee的溫室大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究，采用CC2530芯片來采集溫室大棚中的光照度，CO2濃度和溫濕度等基本的環(huán)境因子通過ZigBee模塊將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給節(jié)點，實現(xiàn)節(jié)點間的無線通信，從而實現(xiàn)對溫室大棚環(huán)境因子的監(jiān)測。

1　系統(tǒng)總體設計

本設計提出的溫室大棚環(huán)境監(jiān)測方案，以CC2530單片機為核心，在溫室大棚內(nèi)放置所需的傳感器節(jié)點，由傳感器定時采集各節(jié)點處基本環(huán)境參量信息（光照度、CO2濃度和溫濕度），采集的信息結(jié)果顯示在LCD上。各個環(huán)境參量信息經(jīng)處理后通過ZigBee傳輸并進行節(jié)點間的無線通信，然后通過監(jiān)測終端，對采集的信息統(tǒng)一處理與分析。

2　系統(tǒng)硬件電路設計

電路的硬件系統(tǒng)包括一個微處理器模塊、多個傳感器模塊和電源模塊。微處理器模塊選用CC2530芯片，其具有信號處理和射頻通信的雙重功能，故不需再加射頻通信模塊，從微處理器模塊外接天線即可[2]。傳感器模塊包含了溫濕度傳感器、光照度傳感器和CO2傳感器。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖

2.1CC2530芯片介紹

微處理器選擇的是CC2530芯片。CC2530工作在2.4GHz ISM頻帶，是專門針對IEEE 802.15.4和ZigBee應用的單芯片解決方案，經(jīng)濟且低功耗。CC2530內(nèi)含一個ZigBee協(xié)議兼容無線收發(fā)器，射頻通信能在芯片內(nèi)部自行控制。它還包括了一個微控制器（MCU）與無線設備間的接口，讓系統(tǒng)能按一定的次序工作：發(fā)出命令——讀狀態(tài)——自動操作——確定無線設備狀態(tài)。這些都使得CC2530操作只需要連接極少的外部元件，整體硬件電路設計趨于優(yōu)化態(tài)。CC2530采用業(yè)界標準的增強型8051CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8KB RAM和很多其他強大的功能[3]。

2.2溫濕度傳感器

溫度傳感器模塊主要功能是實時、準確地采集溫室大棚環(huán)境中的溫濕度參數(shù)，同時將數(shù)據(jù)信息發(fā)送給微處理器。本設計采用數(shù)字溫度傳感器SHT10，這是瑞士 Sensirion公司推出的一款單片數(shù)字溫濕度傳感器芯片，采用CMOS過程微加工專利技術。傳感器內(nèi)部包括一個 電容性聚合體測濕敏感元件，一個用能隙材料制成的測溫元件，并在同一芯片上，與14 位的AD 轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路實現(xiàn)無縫連接，具有功耗低，反應靈敏等優(yōu)點[4]。

SCK串行時鐘輸入引腳是MCU與SHT10的同步時鐘。DATA串行數(shù)據(jù)引腳用于MCU與SHT10之間的數(shù)據(jù)傳輸。DATA的狀態(tài)在串行時鐘SCK的下降沿后發(fā)生改變，在SCK的上升沿有效。數(shù)據(jù)傳輸期間，當SCK為高電平時，DATA數(shù)據(jù)線上必須保持穩(wěn)定。為避免數(shù)據(jù)發(fā)生沖突，在DATA外部接1個上拉電阻將信號拉至高電平[5]。

圖2　光照強度傳感器電路圖

2.3光照強度傳感器

光照度傳感器模塊主要功能是實時、準確地采集溫室大棚環(huán)境中光照強度，及時地將數(shù)據(jù)信息傳送給微處理器CC2530。本設計采用的是TSL2561光照傳感器，TSL2560是TAOS公司推出的一種高速、低功耗、寬量程、可編程靈活配置的光照度數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片[6]。TSL2561能夠通過I2C總線訪問，硬件接口電路非常簡單。在本設計中將CC2530的總線時鐘線和數(shù)據(jù)線直接和TSL2561的I2C總線的SCL和SDA分別相連，由于微控制器內(nèi)部沒有上拉電阻，則還需要再用兩個上拉電阻接到總線上，無需連接其他外部件，采用3.3V電源供電，具體的電路圖如圖2所示，它可以根據(jù)光線強度來進行溫室大棚環(huán)境內(nèi)的光照強度監(jiān)測。

3　系統(tǒng)軟件方案設計

軟件部分選用TI公司提供的ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0協(xié)議找開發(fā)語言為C語言，以IAR Embedded Workbench 7.51A作為開發(fā)平臺，編譯成功后，使用SmartRF Flash Programmer下載到相應的ZigBee節(jié)點設備中[7]。本系統(tǒng)各傳感器節(jié)點間的組網(wǎng)方式采用ZigBee 網(wǎng)絡中的星型網(wǎng)絡。軟件編程采用模塊化編程思想，分為兩種類型：傳感器節(jié)點軟件設計和匯聚節(jié)點軟件設計。傳感器節(jié)點負責完成溫室大棚環(huán)境的信息采集，并將采集到的信息傳送給無線傳輸模塊，然后再通過ZigBee傳送給匯聚節(jié)點；匯聚節(jié)點則負責接收傳感器節(jié)點的信息并將信息發(fā)送給PC機，最后進行信息處理[8]。

3.1溫濕度傳感器程序設計

溫濕度傳感器程序設計中采用一種閾值監(jiān)測報警設計，它通過預先設置在CC2530中的溫度值來對采集到的溫度和濕度進行判斷，該值如果已超出了溫度和濕度被認為是不正常的。溫濕度測量每5分鐘進行一次，并不斷進行刷新，在LCD1602上顯示SHT10獲得的當前溫度和濕度值，從而達到實時監(jiān)測溫室大棚溫濕度的目的。

3.2二氧化碳與光照強度傳感器程序設計

二氧化碳與光強傳感器程序設計比溫濕度傳感器程序設計增加了一個A/D轉(zhuǎn)換。首先對系統(tǒng)主程序各個部分進行初始化，設定正常值的范圍，完成后開始接收用戶的命令，讀取并計算傳感器采集到的數(shù)據(jù)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后在LCD1602上顯示出來。若LCD顯示出傳感器采集到的數(shù)據(jù)不在正常值范圍內(nèi)則報警。程序不斷地循環(huán)執(zhí)行，達到實時監(jiān)測溫室大棚里二氧化碳濃度與光照度的目的。

3.3匯聚節(jié)點軟件設計

首先，系統(tǒng)啟動時，ZigBee模塊初始化，匯聚節(jié)點進入查詢狀態(tài)，建立一個新的網(wǎng)絡，并把網(wǎng)絡地址默認設置為0x0000，然后配置網(wǎng)絡參數(shù)。匯聚節(jié)點建立網(wǎng)絡后，當有傳感器節(jié)點請求加入網(wǎng)絡時，匯聚節(jié)點允許其加入網(wǎng)絡，并為每個加入該網(wǎng)絡的傳感器節(jié)點分配一個16位網(wǎng)絡地址，同時建立一個地址列表，在一定的時間內(nèi)允許傳感器節(jié)點與之建立綁定關系，匯聚節(jié)點通過不同的網(wǎng)絡地址控制各個傳感器節(jié)點采集溫室環(huán)境數(shù)據(jù)。匯聚節(jié)點工作流程如圖3所示。

圖3　匯聚節(jié)點工作流程圖

4　系統(tǒng)測試

該系統(tǒng)的測試可以通過在LCD1602模塊上顯示出的溫濕度數(shù)據(jù)進行測量。將數(shù)字式溫濕度計與SHT10溫濕度傳感器比較測量結(jié)果，從上午10:00到下午16:00每隔一小時采集溫室大棚環(huán)境的溫度與濕度。具體數(shù)據(jù)見表格1，在表格中將溫度計測量的值作為實際溫度，SHT10溫濕度傳感器的值作為測量值來進行對比，通過實驗可以知道傳感器上的數(shù)據(jù)已經(jīng)通過ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡發(fā)送出去。計算測量的溫濕度數(shù)據(jù)，溫度誤差不超過土0.3℃，濕度誤差不超過±1%RH，該值在誤差允許范圍內(nèi)，滿足設計要求，測量的結(jié)果表明，SHT10傳感器性能和準確性比較高，適用于溫室大棚溫度的監(jiān)測。

表1　傳感器測試數(shù)據(jù)

5　總結(jié)

本文研究設計了一種基于ZigBee的溫室大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，采用CC2530微處理器對大棚中的環(huán)境因子進行現(xiàn)場采集，釆用星型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的組網(wǎng)方案，實現(xiàn)了傳感器節(jié)點的硬件與軟件設計，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)具有成本低，功耗低、以及維護簡單等優(yōu)勢，能夠避免有線溫室大棚監(jiān)測所存在的缺點，具有較高的推廣價值和應用前景。

參考文獻

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[6]張兆朋.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能大棚灌溉系統(tǒng)的設計[J].電子世界, 2012(21):13-15.

[7]張烈平,楊帆.基于ZigBee的溫室監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].中國農(nóng)機化學報,2013,34(02):113-116.

[8]張慧穎.基于ZigBee和3G技術的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學,2015,43(10):487-190.

李世紅（1979—），女，浙江溫州人，工學碩士，講師，研究方向：單片機與嵌入式系統(tǒng)。

作者簡介：

基金項目：2015年溫州市社會科學重點研究基地課題成果：基于物聯(lián)網(wǎng)的自動調(diào)控農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式的研究（15jd35）；溫州市2015年公益性科技計劃項目成果：Zigbee技術在火災報警方面的應用研究（R20150030）。