潘曉貝

（1.河南省高校節(jié)能照明工程技術(shù)研究中心，河南 三門峽 472000；2.三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造學(xué)院，河南 三門峽 472000）

在日趨智能化的現(xiàn)代工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，溫度、濕度、光照強(qiáng)度等環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測越來越重要，關(guān)系到生產(chǎn)效率的提高、能源的節(jié)約[1]。傳統(tǒng)的環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)不僅價格高、構(gòu)造復(fù)雜、布線麻煩，而且功耗高、系統(tǒng)擴(kuò)展性差、維護(hù)費(fèi)用高，已經(jīng)不能適應(yīng)智能控制的需求。本文基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計了無線環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用CC2530作為主控器件，能夠采集溫度、濕度、光照強(qiáng)度等環(huán)境數(shù)據(jù)，適用于蔬菜大棚、花卉溫室、糧庫等需要對溫度、濕度和光照強(qiáng)度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控的場合。該系統(tǒng)具有成本低、功耗低、網(wǎng)絡(luò)容量大、可擴(kuò)展性好、性能穩(wěn)定、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。

一、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）和ZigBee技術(shù)

（一）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN（Wireless Sensor Networks）是一種分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)，可以檢測和感知外部世界的變化并做出相應(yīng)的處理。傳感器網(wǎng)絡(luò)主要是為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、傳輸和處理三種功能[2]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)因其低功耗，高功能和低價格而被廣泛用于許多領(lǐng)域。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)

傳感器模塊不僅可以采集數(shù)據(jù)，還可以對采集到的信息進(jìn)行一定的處理。由于傳感器節(jié)點(diǎn)主要由電池供電，因此從節(jié)點(diǎn)到無線通信功能的硬件設(shè)計必須以低功耗操作來實(shí)現(xiàn)，這可以延長傳感器節(jié)點(diǎn)的壽命。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心組件是中央處理器模塊，處理器主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲和信息處理。無線通信模塊主要包括網(wǎng)絡(luò)、MAC和收發(fā)器，主要職責(zé)是保證數(shù)據(jù)正常傳輸。整個系統(tǒng)的電源由電源模塊提供。終端采集節(jié)點(diǎn)應(yīng)盡可能保持睡眠狀態(tài)，以最大限度地降低功耗。

（二）ZigBee技術(shù)

近年來，ZigBee技術(shù)對經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出了很大貢獻(xiàn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。經(jīng)過近幾年的不斷改進(jìn)和普及，ZigBee技術(shù)發(fā)展相對成熟，它最大的特點(diǎn)是低成本、低功耗和高可靠性，廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)采集和控制領(lǐng)域[3]。

ZigBee技術(shù)與其他通信技術(shù)相比，具有幾個明顯的特征：工作時功耗低；成本也非常低；網(wǎng)絡(luò)組合靈活，容量大；安全性非常好。

ZigBee協(xié)議棧是指在整個協(xié)議體系結(jié)構(gòu)的每一層中不同協(xié)議的綜合通信標(biāo)準(zhǔn)，以函數(shù)形式提供給用戶。網(wǎng)絡(luò)中的收發(fā)節(jié)點(diǎn)需要該協(xié)議完成數(shù)據(jù)的正確傳輸。ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖2所示。

物理層（PHY）:物理層使用的協(xié)議是IEEE802.15.4，可以在無線傳輸信道和媒體訪問層之間搭建橋梁。物理層的主要任務(wù)是選擇合適的傳輸信道、負(fù)責(zé)通信數(shù)據(jù)的傳輸和接收以及通信鏈的質(zhì)量檢測和評估，也就是完成物理層的數(shù)據(jù)服務(wù)和管理服務(wù)[4-5]。

媒體訪問介質(zhì)層（MAC）:MAC層的幀結(jié)構(gòu)不僅可以滿足數(shù)據(jù)傳輸所需的不同通信協(xié)議，而且適用于不同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲械腗AC層協(xié)議。

網(wǎng)絡(luò)層（NWK）:網(wǎng)絡(luò)層通過某種函數(shù)銜接應(yīng)用層和媒體介質(zhì)訪問層，就接口層而言，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層接收到函數(shù)時，它便可以執(zhí)行與NPDU相關(guān)的操作，包括提取幀頭部分的內(nèi)容和確定網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。

應(yīng)用層（APL）:應(yīng)用程序支持子層APS連接APL層和NWK層，設(shè)備對象到應(yīng)用對象的安全服務(wù)就是以APSDE和APSME為服務(wù)接入點(diǎn)，并維護(hù)數(shù)據(jù)庫管理對象。

二、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本設(shè)計利用ZigBee模塊CC2530、溫濕度傳感器、光照傳感器和液晶顯示模塊組成環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)，對溫濕度、光照強(qiáng)度等環(huán)境因子進(jìn)行采集和控制，適用于蔬菜大棚、花卉溫室、糧庫等場合。該系統(tǒng)通過ZigBee無線通信技術(shù)采集溫度、濕度、光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)信息并將采集到的數(shù)據(jù)顯示出來，以方便人們及時獲取各類環(huán)境數(shù)據(jù)，然后采取相應(yīng)措施來處理，防止危害發(fā)生，從而獲得更好的生產(chǎn)收益。該系統(tǒng)不僅價格低，性能穩(wěn)定，而且可以很大程度上節(jié)省各種生產(chǎn)成本，從而獲得更大的收益。

該系統(tǒng)主要由ZigBee終端節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)單元和液晶顯示組成。如圖3所示。

圖3 環(huán)境數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框架

終端采集節(jié)點(diǎn)主要是通過溫濕度傳感器DHT11采集溫度和濕度。通過光敏電阻YL-38判斷光照強(qiáng)弱，最后由中央處理器對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)具有以下兩個主要功能：一方面，它可以和終端采集節(jié)點(diǎn)共同采集溫濕度、光照度信息，然后通過協(xié)調(diào)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。另一方面，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)在運(yùn)行時應(yīng)始終處于工作狀態(tài)，以便終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息數(shù)據(jù)可以隨時接收和處理。液晶顯示利用SSD1306顯示屏顯示相關(guān)數(shù)據(jù)信息。

該系統(tǒng)采用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的智能化、自動化操作，保證了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、穩(wěn)定性。

三、系統(tǒng)硬件設(shè)計

（一）CC2530 SOC 電路設(shè)計

本設(shè)計采用單芯片系統(tǒng)CC2530加少量外圍器件設(shè)計無線通信SOC電路，如圖4所示。CC2530因其優(yōu)越的性能最適合該系統(tǒng)。CC2530的主要特征如下：

1.功耗低，通信距離遠(yuǎn)，5V工作電壓，工作電流只有0.3uA。

2.擁有32/64/128/256KB四種閃存。

3.只有一個12MHz的晶振，可以實(shí)現(xiàn)整個ZigBee模塊的周期同步。

4.程序可以在線寫入，在電池供電的情況下仍然可以保存數(shù)據(jù)。

5.多達(dá)21個數(shù)字I/O引腳，具有出色的擴(kuò)展功能，可連接多個傳感器。

圖4 基于CC2530的無線通信SOC電路

（二） 溫濕度傳感器的選取及其電路設(shè)計

采集節(jié)點(diǎn)對溫度和濕度傳感器有三點(diǎn)要求：首先，它提供相對準(zhǔn)確的溫度和濕度測量值。其次，它可以輕松連接到CC2530引腳，而無需連接其他組件。第三，它需要具有長期的穩(wěn)定性和高靈敏度的優(yōu)勢[6]。

基于以上幾點(diǎn)，該設(shè)計決定采用DHT11溫濕度傳感器。其主要特點(diǎn)如下：

1.濕度范圍:20%-90%RH ，誤差：±5%RH。

2.溫度范圍:0-50℃，誤差：±2℃。

3.工作電壓:DC5V/3.3V。

4.輸出形式:數(shù)字信號。

5.數(shù)據(jù)端口帶上拉電阻。

本設(shè)計選取三引腳的DHT11，表1為其引腳功能介紹。

表1 DHT11引腳功能

溫濕度傳感器DHT11與CC2530模塊的電路連接為：引腳1與CC2530模塊3V3相連，引腳2接CC2530模塊的P0.7接口，引腳3與CC2530模塊GND相連。

溫濕度傳感器模塊DHT11的DATA口與 P0_7口相連，DHT11傳感器通過芯片內(nèi)部的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換，這樣就可以實(shí)時采集檢測溫室中的溫度和濕度數(shù)據(jù)，并將其存儲在傳感器的存儲器單元中，然后通過 ZigBee無線通信技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器控制單元。協(xié)調(diào)器收到數(shù)據(jù)后，進(jìn)行數(shù)據(jù)比較，如果數(shù)據(jù)不在設(shè)定范圍內(nèi)，系統(tǒng)將采取相應(yīng)的措施進(jìn)行處理。

（三）光照傳感器的選取及其電路設(shè)計

為了檢測光照強(qiáng)度，該設(shè)計方案采用了光敏電阻傳感器YL-38，該傳感器與其他傳感器相比，有以下特點(diǎn)：

1.輸出信號穩(wěn)定，工作時驅(qū)動能力強(qiáng)。

2.自帶可調(diào)節(jié)電位器，可調(diào)節(jié)光線強(qiáng)度。

3.工作電壓：3.3-5V

4.輸出形式：數(shù)字量輸出（0和1）

光敏電阻傳感器YL-38有四個引腳，其功能如表2所示。

表2 YL-38引腳功能

光敏電阻傳感器YL-38與CC2530模塊的電路連接為：YL-38的1引腳外接5V電源，YL-38的2引腳接GND，YL-38的3引腳接CC2530的P1_5，YL-38的4引腳接CC2530的P2_6。

光照模塊數(shù)據(jù)采集完成后， CC2530核心板對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后通過ZigBee無線通信技術(shù)將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。最后通過液晶顯示模塊顯示溫濕度數(shù)據(jù)信息。

（四）電源電路設(shè)計

該系統(tǒng)有鋰電池供電和USB供電兩種供電方式[6]，能提供5V和3.3V兩種電壓，以滿足CC2530芯片和各類傳感器的電源需要。其中，5V轉(zhuǎn)3.3V供電電路原理圖如圖5所示。

圖5 5V轉(zhuǎn)3.3V電路原理圖

（五）液晶顯示模塊設(shè)計

該系統(tǒng)設(shè)計不僅能實(shí)時采集各種環(huán)境數(shù)據(jù)信息，還可以把這些數(shù)據(jù)信息通過液晶屏顯示出來，方便工作人員查看。如果有問題，工作人員可以隨時采取必要措施減少事故的發(fā)生。該設(shè)計方案采用了SSD1306液晶顯示，它非常便攜，使用起來簡單方便，供電電壓只有3.3V，可以在-40℃到85℃的環(huán)境下工作。液晶顯示電路如圖6所示。

圖6 液晶顯示電路原理圖

四、系統(tǒng)軟件設(shè)計

本文中ZigBee節(jié)點(diǎn)軟件的開發(fā)使用的是8051C/C++編譯器， 系統(tǒng)軟件的開發(fā)平臺是 通過TI 的 Z-Stack進(jìn)行。包括系統(tǒng)各模塊程序在內(nèi)的所有系統(tǒng)程序都是在 Z-Stack 的SampleAp 工程基礎(chǔ)上研發(fā)的[7]。

圖7 系統(tǒng)總體軟件框圖

由于ZigBee協(xié)議棧已經(jīng)在該軟件開發(fā)平臺實(shí)現(xiàn)，因此主要針對應(yīng)用層用戶程序進(jìn)行節(jié)點(diǎn)程序的開發(fā)。本系統(tǒng)總體軟件設(shè)計共分為三個重要部分：終端數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計、控制節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計，不同程序擔(dān)任不同職責(zé)。終端數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計主要是采集溫度、濕度、光照強(qiáng)度等信息。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計主要包括液晶顯示和網(wǎng)絡(luò)組建的程序設(shè)計?？刂乒?jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計，主要是對數(shù)據(jù)的收發(fā)程序進(jìn)行設(shè)計。系統(tǒng)總體軟件框圖如圖7所示。

五、結(jié)語

該系統(tǒng)通過溫濕度傳感器和和光照傳感器對溫度、濕度、光照強(qiáng)度等環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測，再通過ZigBee無線通信將采集到的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器，最終在液晶顯示屏顯示這些數(shù)據(jù)，給工作人員帶來了極大的幫助。該系統(tǒng)基于ZigBee技術(shù)，采用CC2530芯片、液晶顯示模塊和多個傳感器相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的智能化自動化操作，保證系統(tǒng)運(yùn)行更加可靠穩(wěn)定。該系統(tǒng)具有低成本、低功耗、高可靠性、易于擴(kuò)展、易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)[8]，可廣泛應(yīng)用于蔬菜大棚、花卉溫室、糧庫等領(lǐng)域的環(huán)境監(jiān)測。