河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院信息與電子工程系　劉　博

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一種智能溫濕度測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院信息與電子工程系劉博

本設(shè)計(jì)通過(guò)利用ZigBee無(wú)線通信技術(shù)來(lái)構(gòu)建一個(gè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)通過(guò)協(xié)調(diào)器來(lái)處理分析路由器傳輸?shù)慕K端節(jié)點(diǎn)信息，然后通過(guò)上位機(jī)顯示處理結(jié)果，以此達(dá)到無(wú)線監(jiān)測(cè)溫度的目的。該系統(tǒng)可以應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對(duì)溫度的檢測(cè)和控制，有效避免了有線網(wǎng)絡(luò)的布線問(wèn)題和成本問(wèn)題。

ZigBee；溫濕度監(jiān)測(cè)

1　引言

隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不斷發(fā)展，新的理論、標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)開(kāi)始大量涌現(xiàn)。在這眾多的通信技術(shù)中，ZigBee技術(shù)表現(xiàn)尤為突出。ZigBee是一種廉價(jià)的低功耗近距離無(wú)線組網(wǎng)通訊技術(shù)，具有自組織、低功耗、低延時(shí)、高網(wǎng)絡(luò)容量、低成本等特點(diǎn)。目前，其已優(yōu)良的技術(shù)特性廣泛應(yīng)用于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域。ZigBee是一種具有統(tǒng)一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的短距離無(wú)線通信技術(shù)，其PHY層和MAC層協(xié)議為IEEE 802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)層由ZigBee技術(shù)聯(lián)盟制定，應(yīng)用層的開(kāi)發(fā)應(yīng)用可以根據(jù)用戶自己的需求訂制。該技術(shù)主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。

在傳統(tǒng)的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，節(jié)點(diǎn)一般采用有線連接，此方法布線繁瑣、移植性和擴(kuò)展性較差。對(duì)于廣闊空間環(huán)境中的溫度采集，采用有線方式的話，成本和功耗問(wèn)題就顯得尤為突出。因此，設(shè)計(jì)可靠并實(shí)用的溫度無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)就顯得尤為重要?；诖耍疚脑O(shè)計(jì)了一種智能溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，并從軟件和硬件實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的信息采集，該系統(tǒng)可以應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中對(duì)溫度的監(jiān)測(cè)和控制，由于該系統(tǒng)是無(wú)線組網(wǎng)，從一定程度上解決了有線網(wǎng)絡(luò)的布線問(wèn)題和成本問(wèn)題，具有一定的實(shí)際應(yīng)用意義。

2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個(gè)協(xié)調(diào)器和多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)組成。節(jié)點(diǎn)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要包括微處理器模塊、無(wú)線射頻模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和電源模塊。終端節(jié)點(diǎn)主要是通過(guò)溫度傳感器測(cè)量溫度數(shù)據(jù)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理，并通過(guò)無(wú)線收發(fā)芯片發(fā)送給協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器的主要功能是組建網(wǎng)絡(luò)和加入節(jié)點(diǎn)，并將傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給PC機(jī)，從而進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

2.2節(jié)點(diǎn)芯片介紹

節(jié)點(diǎn)采用了CC2530芯片，它是專門針對(duì)IEEE 802.15.4和ZigBee應(yīng)用的一個(gè)片上系統(tǒng)（SoC）解決方案，具有強(qiáng)大的功能。它能夠以非常低的總的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，并且擁有RF4CE收發(fā)器的優(yōu)良性能。

2.2.1芯片參數(shù)特性

（1）可最大化通信范圍的101dBm鏈路預(yù)算；

（2）可最小化干擾源影響的業(yè)界一流的選擇性；

（3）可最大化電池供電器件使用壽命的靈活低功耗模式；

（4）功能強(qiáng)大的5通道DMA引擎；

（5）用于遠(yuǎn)程控制應(yīng)用的IR生成電路；

（6）高達(dá)256K的閃存。

2.2.2CC2530外設(shè)簡(jiǎn)介

（1）強(qiáng)大的5 通道DMA；

（2）IEEE 802.5.4 MAC 定時(shí)器，通用定時(shí)器（一個(gè)16 位定時(shí)器，一個(gè)8 位定時(shí)器）；

（3）IR 發(fā)生電路；

（4）具有捕獲功能的32-kHz 睡眠定時(shí)器；（5）硬件支持CSMA/CA；

（6）支持精確的數(shù)字化RSSI/LQI；

（7）電池監(jiān)視器和溫度傳感器；

（8）具有8 路輸入和可配置分辨率的12 位ADC；（9）AES 安全協(xié)處理器；

（10）2 個(gè)支持多種串行通信協(xié)議的強(qiáng)大USART；（11）21 個(gè)通用I/O 引腳（19×4 mA，2×20 mA）；

（12）看門狗定時(shí)器。

2.3溫濕度傳感器DHT11

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。圖1是DHT11的電路工作原理圖，其中引腳3連接的電阻R652不起任何作用，這里保留。DHT11的引腳2通過(guò)10K電阻上拉到VCC，此上拉電阻的作用是保證數(shù)據(jù)線在單片機(jī)復(fù)位狀態(tài)時(shí)的可確定性。其中C652/C653是去耦電容。

圖1　DHT11的電路工作原理圖

2.4數(shù)據(jù)采集和傳輸

對(duì)DHT11數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，處理器需要控制I/O口產(chǎn)生單總線起始信號(hào)，然后處理器釋放該總線等待DHT11回傳數(shù)據(jù)?；貍鲾?shù)據(jù)結(jié)束后處理器將該I/O口拉高即停止此次數(shù)據(jù)傳輸。

3　系統(tǒng)測(cè)試

根據(jù)本文溫濕度數(shù)據(jù)無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，重點(diǎn)測(cè)試傳感節(jié)點(diǎn)：網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，傳感器節(jié)點(diǎn)，計(jì)算機(jī)和相關(guān)的軟件（如上位機(jī)軟件、串口調(diào)試助手等）。在給協(xié)調(diào)器供電之后，按下S1鍵，協(xié)調(diào)器會(huì)自動(dòng)組建網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)傳輸測(cè)試結(jié)果如圖2所示。

圖2　測(cè)試結(jié)果

該系統(tǒng)已經(jīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，工作穩(wěn)定，基于ZigBee的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

（1）監(jiān)測(cè)范圍廣闊，通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加可以極大的擴(kuò)展監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的范圍。

（2）信息傳輸穩(wěn)定高效，在2.4GHZ的頻段下工作，不易被干擾且時(shí)延短。

（3）超低功耗，極大的減輕了運(yùn)行成本。

（4）適應(yīng)性強(qiáng)，可應(yīng)用于多種領(lǐng)域和極端環(huán)境。

4　設(shè)計(jì)小結(jié)

本設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)在無(wú)線通信領(lǐng)域處于前沿地位的ZigBee技術(shù)和專門為IEEE802.15.4和ZigBee應(yīng)用的片上系統(tǒng)解決方案即CC2530的有機(jī)結(jié)合，通過(guò)軟件和硬件的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了溫濕度無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)化、智能化，可應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)智能化生產(chǎn)領(lǐng)域。

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