潘 琳

（鹽城工學院 電氣工程學院，江蘇 鹽城 224001）

在漸漸興起的溫室大棚產(chǎn)業(yè)中，對大棚中的溫、濕度的控制顯得尤為重要。溫度和濕度對農(nóng)作物的生長有著決定性的關系，一旦溫度和濕度超過農(nóng)作物生長所需的要求，將會影響農(nóng)作物的正常生長。在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)溫室大棚中，其主要監(jiān)控方式為有線通信。其不僅耗費大量人力、財力，而且維護起來也比較麻煩，在一些環(huán)境惡劣的氣候中無法滿足工作要求。新興的無線傳感器網(wǎng)絡技術ZigBee正好解決了這一問題。ZigBee技術可以采用短距離無線通信方式，并且具有低速率、低成本、低復雜度、安全、可靠等特點。文章采用主控芯片CC2530組建無線傳感網(wǎng)絡，使用溫濕度傳感器DHT11作為傳感器節(jié)點實現(xiàn)對溫室大棚的溫濕度監(jiān)測。

1 系統(tǒng)總體結構設計

系統(tǒng)的硬件部分主要由兩部分組成：采集系統(tǒng)和傳輸系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要作用為采集溫度數(shù)據(jù)和濕度數(shù)據(jù)。利用溫度傳感器和濕度傳感器將環(huán)境參數(shù)的變化轉化為模擬量，再通過模數(shù)轉換將數(shù)據(jù)傳輸給終端節(jié)點。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要由ZigBee模塊組成，ZigBee模塊實現(xiàn)將采集到的數(shù)據(jù)以無線的方式傳輸出去，再通過串口傳輸給PC端。每個ZigBee模塊都包含無線傳輸和無線收發(fā)。

ZigBee無線傳感網(wǎng)絡覆蓋大棚內部。終端節(jié)點將采集到的溫濕度數(shù)據(jù)進行預處理，然后通過ZigBee無線網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)無線傳輸給協(xié)調器節(jié)點。協(xié)調器節(jié)點通過串口將溫度數(shù)據(jù)和濕度數(shù)據(jù)傳輸給PC。由于ZigBee具有功耗低的特點，所以在終端節(jié)點采用休眠模式，即終端每5S一次檢測溫濕度（休眠時間可通過軟件來調整）。在終端節(jié)點上加個按鍵，此按鍵能實現(xiàn)讓終端實時傳輸溫濕度給協(xié)調器的功能。當協(xié)調器節(jié)點檢測到接收到的溫濕度數(shù)據(jù)大于程序中設定的上限值時，協(xié)調器節(jié)點上的報警器開始報警。系統(tǒng)總體設計框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件實現(xiàn)

2.1 核心控制器

圖1 系統(tǒng)總體設計框圖

處理器核心使用的是美國TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片。該芯片是一款2.4G ISM ZigBee產(chǎn)品，在單個芯片上整合了射頻收發(fā)器，內部有增強型的單片機 8051內核處理器，256K flash存儲器，支持最新的ZigBee協(xié)議，支持硬件調試。它有單周期訪問SFR、DATA和主SRAM這3種不同的內存訪問總線方式。CC2530包括一個調試接口并且擴展了18個輸入中斷單元。由于集成使得外圍電路更加簡單，系統(tǒng)更加穩(wěn)定，且成本低、功耗低、性價比較高。

2.2 溫濕度檢測電路設計

溫濕度檢測電路主要是用DHT11溫濕度傳感器來檢測溫度和濕度。DHT11是一款溫度和濕度復合型感器。它有很強的穩(wěn)定性和準確性。主要由感濕元件、測溫元件和8位單片機構成。傳感器采用單線串行接口，使系統(tǒng)變的簡單快捷。具有功耗低、體積小、傳輸距離遠、4針單排等特點。DHT11的工作電壓是3.3～5V。電源引腳之間可加入100np的電容，來去除濾波。

2.3 電壓轉換電路設計

由于使用的ZigBee芯片工作電壓為3.3V，DHT11傳感器和蜂鳴器工作電壓均為3.3V，而電腦串口的輸出電壓為5V，所以需采用降壓電路。采用三端可調輸出的線性穩(wěn)壓器LM1117，它能將輸出電壓穩(wěn)定在一個定值。LM1117為集成式的元器件，輸入端接入5V電壓后，輸出端能穩(wěn)定輸出3.3V，采用LM1117穩(wěn)定性、精確度都提高了。

2.4 電源電路

①電源插座。由于供電電壓是5V，可以選擇PWR2.5 DC的插座。電源插座是預備電源的作用，假如終端電壓不足，而又想要知道此時溫室大棚的溫濕度，可以采用電源插座的方式，給節(jié)點提供5V的電壓。②電池供電。由于ZigBee具有功耗小的特點，所以可以終端采用休眠模式，每5S傳輸一次數(shù)據(jù)。根據(jù)現(xiàn)場實際需求，決定終端采用電池供電。由于LM1117模塊的工作電壓為5～12V，而一節(jié)電池的電壓為1.5V，所以采用4節(jié)電池串聯(lián)，共6V。市場上一節(jié)5號電池的電容量為1500mA.H，一個負載的工作電流為15mA，那么可以提供負載工作100H在溫室大棚中，采集溫度數(shù)據(jù)，由于溫度變化比較緩慢，所以可以采取定時采集的方式，假設終端每小時傳輸50s，其余時間都在睡眠狀態(tài)。那么實際上，我們采用4節(jié)5號電池，終端節(jié)點工作電流為60mA，每小時工作50s，通過計算可以得出4節(jié)5號電池提供給終端節(jié)點的工作時間為7200h（300天），即大約一年時間，由此可以看出ZigBee低功耗的特點。③終端供電和協(xié)調器供電。終端由于現(xiàn)場需求，所以采用電池供電和電源插座兩種方式，普通情況下采用電池供電。協(xié)調器采用USB轉串口供電，這樣既能給協(xié)調器供電，又能將協(xié)調器上接收到的溫濕度數(shù)據(jù)傳送給PC端。

2.5 報警及其控制電路

在設計中，當協(xié)調器接收到終端傳來的數(shù)據(jù)高于設定的警報值時，協(xié)調器應當報警，在這里，我們選用蜂鳴器報警。報警電路采用的有源蜂鳴器。當報警電路工作時表示此時溫室大棚中的溫度和濕度已超過用戶設定的溫濕度上限，此時需采取一些對應措施來使大棚中的溫濕度下降，即在協(xié)調器節(jié)點上加上一個撥動開關S2，此開關可以打在位置1和位置3上，通過手動和自動方式來控制電動機的工作，在終端節(jié)點再加上LED燈，表示電動機的啟停。當報警電路工作時，處于控制平臺室的人員得知大棚的溫濕度已超過上限值。當撥動開關S2此時在3的位置，即自動擋時，報警器報警時電動機將會自動啟動；當撥動開關S2在1的位置，即手動擋時，報警器報警時，此時控制平臺室內的人員可以通過協(xié)調器上的按鍵開關S1來控制終端上的LED（電動機）工作。這樣就能通過電動機的工作狀態(tài)來控制溫室大棚的頂部天窗的打開程度或控制自動噴水系統(tǒng)的工作狀態(tài)來達到降低溫度或降低濕度。當溫度或濕度下降到上限值以后時，報警器將停止報警。在晚上時或下雨天時，可以通過按鍵開關S3來使電動機反轉，使大棚天窗關閉。自動控制方框圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)圖

由于要實現(xiàn)電動機的正反轉，所以需用到2個繼電器。其中一個繼電器控制電動機的正轉，另一個控制電動機的反轉。采用的是固態(tài)繼電器。固態(tài)繼電器是一種由固態(tài)電子元件組成的無觸點開關器件，它是利用電子元件的開關特性，可達到無觸點無火花的接通和斷開電路的目的。

3 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

本系統(tǒng)程序主要包括4個部分：a.將溫濕度傳感器DHT11檢測到的數(shù)據(jù)做成幀；b.將數(shù)據(jù)通過終端節(jié)點發(fā)送出去；c.協(xié)調器接受終端傳來的數(shù)據(jù)；d.協(xié)調器上的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給PC端。

終端節(jié)點自動加入?yún)f(xié)調器組建的網(wǎng)絡中，終端傳感器采集溫濕度數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)做成數(shù)據(jù)包每5S（睡眠時間）傳輸一次，當終端按鍵被按下時，終端節(jié)點產(chǎn)生中斷，產(chǎn)生中斷后，程序跳過睡眠模式，立即傳輸數(shù)據(jù)。

協(xié)調器自動組建、配置一個網(wǎng)絡，協(xié)調器是整個網(wǎng)絡中最重要的，當它接收到終端節(jié)點發(fā)送過來的數(shù)據(jù)包時會檢驗校準位是否正確，當確認數(shù)據(jù)正確后在通過串口傳輸，當檢測到校準位不正確是，協(xié)調器將一直處于接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，直至接收到正確的數(shù)據(jù)包。

4 結語

本文的設計系統(tǒng)很好的解決了在傳統(tǒng)的溫室大棚環(huán)境參數(shù)監(jiān)測方面，有線傳輸所帶來的工程量大，布線復雜，高成本，高功耗等問題。ZigBee技術先進的自建網(wǎng)、自尋址能力實現(xiàn)了對任意位置溫度、濕度信息的靈活監(jiān)測，對溫、濕度智能控制電路讓溫、濕度較好的恒定在設定的值。本系統(tǒng)低成本、低功耗、網(wǎng)絡維護簡單、傳感器更換方便、穩(wěn)定可靠等特點使得其在溫室大棚和工業(yè)控制等領域具有很強的應用前景。