陳亞軍

(內(nèi)蒙古自治區(qū)大氣探測技術(shù)保障中心，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

引言

溫濕度是與生活生產(chǎn)息息相關(guān)的氣象要素，不同應(yīng)用領(lǐng)域?qū)貪穸葦?shù)據(jù)采集的精度要求不同，通常軍工、氣象行業(yè)、工礦業(yè)領(lǐng)域?qū)貪穸葯z測裝置精度和運(yùn)行穩(wěn)定性等參數(shù)要求較高，民用領(lǐng)域的要求相對較低。與傳統(tǒng)單點(diǎn)監(jiān)測方式不同的是，隨著設(shè)備生產(chǎn)成本的逐漸降低與科技的進(jìn)步，小范圍內(nèi)的多點(diǎn)溫濕度監(jiān)測應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣。鑒于多點(diǎn)溫濕度監(jiān)測的可拓展能力、安裝復(fù)雜度等考慮，采用無線方式進(jìn)行通訊是較好的解決方案。

本文采用使用廣泛、技術(shù)成熟的ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，使用溫濕度一體敏感元件SHT21作為溫濕度傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)，相比于氣象行業(yè)普遍使用的PT100鉑電阻溫度傳感器及HMP155等型濕度傳感器，SHT21溫濕度傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小巧、成本低廉等優(yōu)勢，基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與SHT21溫濕度傳感器研發(fā)的無線溫濕度數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)可以廣泛應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)、溫室大棚、倉儲(chǔ)廠庫、大型實(shí)驗(yàn)室、養(yǎng)殖育雛基地、城市氣象監(jiān)測等領(lǐng)域。

1 傳感器數(shù)據(jù)采集單元硬件設(shè)計(jì)

溫濕度數(shù)據(jù)采集主要由處理器及SHT21溫濕度傳感器組成，溫濕度氣象要素通過SHT21轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，通過處理器按照電信號(hào)特點(diǎn)和通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

1.1 SHT21溫濕度傳感器檢測電路

SHT21傳感器芯片配有一個(gè)全新設(shè)計(jì)的CMOSens?芯片。除了配有電容式相對濕度傳感器和能隙溫度傳感器外，該芯片還包含一個(gè)放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、OTP內(nèi)存和數(shù)字處理單元。并且每一個(gè)傳感器都經(jīng)過校準(zhǔn)和測試。此外，SHT21的分辨率可以通過輸入命令進(jìn)行改變(8/12bit至12/14bit的RH/T)。傳感器以標(biāo)準(zhǔn)I2C格式輸出經(jīng)過標(biāo)定的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行通訊[1]。

SHT21傳感器的濕度測量范圍為0～100%RH；分辨率在12bit模式時(shí)，為0.04%RH；25℃時(shí)的誤差典型值為±2%RH(20%RH～80%RH)，最大值為±3%RH(20%RH～80%RH)，在0%RH時(shí)的誤差典型值約為±3%RH。

SHT21傳感器的溫度測量范圍為-40～120℃；分辨率在14bit模式時(shí)，為0.01℃；誤差典型值為±0.3℃(10～60℃)，在-40℃時(shí)的誤差典型值約為±0.75℃。

SHT21溫濕度傳感器電路如圖1所示，傳感器通過I2C總線進(jìn)行通訊，I2C總線由2條線路組成，分別串行數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘線SCL。將SHT21溫濕度傳感器的I2C總線與STM32微處理器的I2C1接口對應(yīng)信號(hào)端口相連，同時(shí)總線分別連接10K上拉電阻，實(shí)現(xiàn)SHT21傳感器的硬件連接。

圖1 SHT21電路原理圖

相比于氣象觀測領(lǐng)域常用的溫濕度傳感器及數(shù)據(jù)采集器，該方案具有電路結(jié)構(gòu)簡單，功能高度集成的優(yōu)勢。

1.2 ZigBee無線傳輸模塊電路設(shè)計(jì)

應(yīng)用于小區(qū)域內(nèi)的密集型溫濕度數(shù)據(jù)采集時(shí)，采用無線數(shù)據(jù)傳輸與蓄電池供電方式是相對便捷的方案，能夠避免有線連接的布線復(fù)雜、成本高、升級難度大、擴(kuò)展監(jiān)測點(diǎn)不易等缺點(diǎn)。短距離、低功耗的無線通信技術(shù)中，ZigBee技術(shù)是相對成熟和使用廣泛的通訊方式。

ZigBee技術(shù)是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)，其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。ZigBee協(xié)議從下到上分別為物理層(PHY)、媒體訪問控制層(MAC)、傳輸層(TL)、網(wǎng)絡(luò)層(NWK)、應(yīng)用層(APL)等。

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)單元電路原理如圖2所示，該電路選用CC2530作為核心處理芯片，該芯片結(jié)合了德州儀器業(yè)界領(lǐng)先的黃金單元ZigBee協(xié)議棧(Z-StackTM)，提供了一個(gè)強(qiáng)大且完整的ZigBee片上系統(tǒng)(SoC)解決方案，其能夠以非常低的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。此外，CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器性能，集成了低功耗的8051微控制器內(nèi)核，具有系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存[2]。

圖2 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)單元電路原理圖

CC2530具有2個(gè)支持多種串行通信協(xié)議的USART接口，外圍電路簡單，只需極少的外接元件即可正常運(yùn)行。如圖2所示，CC2530可通過晶振及基本分立元件搭建電路，其中P1_5與P1_4引腳為一個(gè)USART接口，用于數(shù)據(jù)通訊，連接于MCU處理器STM32芯片的RXD1和TXD1引腳。此外，CC2530具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能，其無線通訊天線可采用PCB天線方式設(shè)計(jì)，該天線方式具有成本低廉、尺寸小巧的特點(diǎn)。為了便于使用中了解設(shè)備的運(yùn)行情況，電路設(shè)置了2個(gè)發(fā)光二極管D7和D8，分別反映電路的運(yùn)行狀態(tài)和網(wǎng)絡(luò)連接情況。

1.3 核心處理電路設(shè)計(jì)

核心處理電路選用STM32F103RCTX作為總控制器，該芯片采用Cortex-M3內(nèi)核，CPU最高速度達(dá)72MHz，具有256KB Flash、多種控制外設(shè)，是一種集高性能、低功耗、低電壓于一身，同時(shí)保持高集成度和開發(fā)簡易特點(diǎn)的芯片，是基于工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的處理器[3]。

如圖3所示，STM32F103RCTX芯片通過連接晶振和復(fù)位電路，實(shí)現(xiàn)最小系統(tǒng)的電路搭建，通過I2C外設(shè)，連接SHT21溫濕度傳感器，進(jìn)行傳感器的參數(shù)配置與溫濕度數(shù)據(jù)讀?。煌ㄟ^USART接口連接CC2530電路單元，與CC2530進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，實(shí)現(xiàn)溫濕度監(jiān)測數(shù)據(jù)的無線傳輸與溫濕度數(shù)據(jù)采集器的遠(yuǎn)程控制；同時(shí)，為便于數(shù)據(jù)和參數(shù)存儲(chǔ)，核心電路配備SPI總線接口的存儲(chǔ)器芯片W25X16。此外，核心電路MCU的其它接口作為預(yù)留，可通過選裝合適的傳感器或人機(jī)交互模塊，對采集器的觀測要素進(jìn)行拓展，對采集器的本地顯示和輸入功能進(jìn)行升級[4]。

圖3 MCU微處理器電路圖

2 固件程序設(shè)計(jì)

該數(shù)據(jù)采集器的CC2530芯片與STM32芯片均需進(jìn)行固件程序的開發(fā)，其中前者主要實(shí)現(xiàn)ZigBee通訊、組網(wǎng)方式的配置，后者完成數(shù)據(jù)采集、傳輸和控制等功能。

STM32芯片固件程序使用Keil開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行編寫，流程圖如圖4所示。程序上電后首先進(jìn)入初始化階段，按照既定的參數(shù)對芯片的外設(shè)以及SHT21、CC2530等進(jìn)行初始化，并通知CC2530進(jìn)行ZigBee組網(wǎng)；設(shè)備完成初始化后進(jìn)行設(shè)備運(yùn)行參數(shù)設(shè)置，以便設(shè)備按照設(shè)定的運(yùn)行模式進(jìn)行運(yùn)行；當(dāng)采集器收到總機(jī)命令后，執(zhí)行總機(jī)響應(yīng)程序，包括數(shù)據(jù)讀取以及運(yùn)行參數(shù)設(shè)置及存儲(chǔ)等。完成初始化及參數(shù)配置后，系統(tǒng)進(jìn)入數(shù)據(jù)讀取程序，MCU讀取SHT21的溫濕度監(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量控制，并進(jìn)行原始數(shù)據(jù)與質(zhì)控?cái)?shù)據(jù)的存儲(chǔ)，進(jìn)入數(shù)據(jù)輸出環(huán)節(jié)[5]。

圖4 STM32固件程序流程圖

數(shù)據(jù)輸出包括2種方式，ZigBee網(wǎng)絡(luò)方式，該方式分為主動(dòng)模式與被動(dòng)模式，主動(dòng)模式工作時(shí)，各個(gè)溫濕度數(shù)據(jù)采集器節(jié)點(diǎn)依次間隔發(fā)送實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)到網(wǎng)絡(luò)；被動(dòng)模式工作時(shí)，當(dāng)溫濕度數(shù)據(jù)采集器收到總機(jī)讀取數(shù)據(jù)指令后，再發(fā)送相應(yīng)的溫濕度數(shù)據(jù)。在擴(kuò)展了顯示器的情況下，將實(shí)時(shí)溫濕度數(shù)據(jù)更新顯示在顯示裝置上，便于離線獲取溫濕度監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3 組網(wǎng)工作模式

無線溫濕度數(shù)據(jù)采集器主要基于ZigBee無線組網(wǎng)方式進(jìn)行使用，ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)置為星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖5所示。星型拓?fù)涫亲詈唵蔚囊环N拓?fù)湫问?，其包含一個(gè)Co-ordinator(協(xié)調(diào)者)節(jié)點(diǎn)和一系列的End Device(終端)節(jié)點(diǎn)。每一個(gè)End Device節(jié)點(diǎn)只能和Co-ordinator節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊。

圖5 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在用于環(huán)境溫濕度監(jiān)測時(shí)，可采用多個(gè)無線溫濕度數(shù)據(jù)采集器，同時(shí)需要配置一臺(tái)具有ZigBee組網(wǎng)協(xié)調(diào)器功能的數(shù)據(jù)總機(jī)，形成整套多節(jié)點(diǎn)溫濕度數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)?？倷C(jī)將收集到的氣象要素?cái)?shù)據(jù)統(tǒng)一進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)确绞揭猿醮鷶?shù)據(jù)產(chǎn)品的形式傳輸?shù)綌?shù)據(jù)使用環(huán)節(jié)。

4 結(jié)論

采用一體化溫濕度傳感器和ZigBee組網(wǎng)方式設(shè)計(jì)的無線溫濕度數(shù)據(jù)采集器，是一種小成本、便攜式環(huán)境溫濕度監(jiān)測設(shè)備，是氣象觀測中局地小區(qū)域大密度溫濕度數(shù)據(jù)觀測的新方式，在氣象觀測、溫濕度多點(diǎn)監(jiān)測領(lǐng)域具有較廣的應(yīng)用前景。