基于ZigBee的溫室大棚溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

郭大路

濰坊職業(yè)學(xué)院，山東濰坊 261031

基于ZigBee的溫室大棚溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

郭大路

濰坊職業(yè)學(xué)院，山東濰坊 261031

本文針對(duì)傳統(tǒng)有線(xiàn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)存在布線(xiàn)復(fù)雜、維護(hù)困難、成本高等問(wèn)題。從低功耗、小體積、使用簡(jiǎn)單等方面考慮連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，提出了基于射頻CC2430(ZigBee)和數(shù)字溫度傳感器DS1820設(shè)計(jì)無(wú)線(xiàn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)施方案。

無(wú)線(xiàn)通信；ZigBee協(xié)調(diào)器；CC2430； DS1820；溫度檢測(cè)

0 引言

隨著溫室大棚種植技術(shù)的不斷發(fā)展應(yīng)用，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)種植，大棚溫室種植已成為重要手段。而溫室大棚中所種植的農(nóng)作物對(duì)溫度的要求極高。大棚溫度控制不好，會(huì)影響到各種農(nóng)作物的生長(zhǎng)，從而導(dǎo)致大棚的效益下降。由此，便需對(duì)大棚溫度實(shí)時(shí)的、精確的監(jiān)測(cè)。但是目前，國(guó)內(nèi)的很多溫室大棚溫度監(jiān)測(cè)仍然采用的是以單片機(jī)控制為核心的傳統(tǒng)有線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。這種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)采用復(fù)雜的電纜將其各部件連接并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)具有布線(xiàn)復(fù)雜、局限性強(qiáng)以及設(shè)備維護(hù)困難等問(wèn)題。

針對(duì)這些問(wèn)題，提出了一種基于無(wú)線(xiàn)射頻CC2430（ZigBee）技術(shù)和數(shù)字溫度傳感器的無(wú)線(xiàn)溫度檢測(cè)裝置。設(shè)備主要由一個(gè)無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)（接點(diǎn)根據(jù)需要可擴(kuò)展到56個(gè)）和一個(gè)協(xié)調(diào)器組成。系統(tǒng)通過(guò)協(xié)調(diào)器與無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信，將無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)所采集到的溫度數(shù)據(jù)信息由串口將數(shù)據(jù)顯示出來(lái)，從而達(dá)到對(duì)溫度檢測(cè)的目的。

1 ZigBee9 技術(shù)簡(jiǎn)介

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)或無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是一組基于IEEE批準(zhǔn)的802.15.4無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)研制開(kāi)發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)，主要適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務(wù)，可嵌入各種設(shè)備中。網(wǎng)絡(luò)功能是ZigBee最重要的特點(diǎn)，也是與其他無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(WPAN)標(biāo)準(zhǔn)不同的地方。在網(wǎng)絡(luò)層方面，其主要工作在于負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)機(jī)制的建立與管理，并具有自我組態(tài)與自我修復(fù)功能。

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)主要使用孤立的、沒(méi)有通信能力的機(jī)械裝置，主要依靠人力監(jiān)測(cè)作物的生長(zhǎng)狀況。采用了由成千上萬(wàn)個(gè)傳感器構(gòu)成的比較復(fù)雜的ZigBee網(wǎng)絡(luò)后，農(nóng)業(yè)將可以逐漸地轉(zhuǎn)向以信息和軟件為中心的生產(chǎn)模式，使用更多的自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化和遠(yuǎn)程控制的裝置來(lái)耕種。ZigBee技術(shù)已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代精確農(nóng)業(yè)。

2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)組成

整個(gè)無(wú)線(xiàn)測(cè)溫裝置硬件由無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器兩大部分組成。通常，一套裝置只有一個(gè)協(xié)調(diào)器，其主要包括微控制器及射頻收發(fā)單元、無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)、電源模塊及接口單元。

系統(tǒng)硬件在選用上，主要從溫度監(jiān)測(cè)的精確度、溫度檢測(cè)的范圍以及所選元器件使用的便利性和經(jīng)濟(jì)型方面考慮。我們主要采用的是DS1820的無(wú)線(xiàn)溫度傳感器和無(wú)線(xiàn)射頻CC2430。

DS1820的無(wú)線(xiàn)溫度傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要由溫度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器、信號(hào)處理器、存儲(chǔ)器及接口電路五部分組成。其主要特點(diǎn)是溫度測(cè)量精確，對(duì)溫度的分辨率為0.5℃；測(cè)量范圍廣，測(cè)量范圍可從-55℃到+125℃；單總線(xiàn)接口，只需一個(gè)接口即可完成溫度轉(zhuǎn)換的讀寫(xiě)操作，可簡(jiǎn)化線(xiàn)路，節(jié)省I/O資源，提高經(jīng)濟(jì)性。系統(tǒng)可將檢測(cè)到的溫度信息數(shù)字化，采用9位數(shù)字方式直接讀取溫度，其典型轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為1s。

無(wú)線(xiàn)射頻CC2430芯片的是完全符合ZigBee技術(shù)的2.4GHz射頻系統(tǒng)單芯片，適用于各種無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。其主要特點(diǎn)是體積小、高性能、低功耗，具有優(yōu)良的無(wú)線(xiàn)接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性。

接口單元我們采用的是目前PC與通信工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一種串行接口RS-232接口。RS-232接口采用的是串行通訊方式，具有使用線(xiàn)路少、成本低，特別是在遠(yuǎn)程傳輸時(shí)，避免了多條線(xiàn)路特性的不一致而被廣泛采用。

3 工作原理

系統(tǒng)的工作主要由3部分實(shí)現(xiàn)：信息采集終端、信息收集終端、信息顯示終端。

溫度數(shù)據(jù)由DS1820采集之后傳給節(jié)點(diǎn)，之后經(jīng)兩塊ZigBee模塊的無(wú)線(xiàn)通信把溫度值傳給協(xié)調(diào)器，最后通過(guò)串口把溫度值顯示出來(lái)。在進(jìn)行多點(diǎn)通信時(shí)，裝置中每個(gè)協(xié)調(diào)器可連接多達(dá)255個(gè)節(jié)點(diǎn)。不僅可以極大的解決傳統(tǒng)有線(xiàn)設(shè)備的布線(xiàn)問(wèn)題，還可節(jié)約大量導(dǎo)線(xiàn)，提高設(shè)備經(jīng)濟(jì)性。

1）信息采集終端：主要指是無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)。從經(jīng)濟(jì)性及便利性方面考慮主要采用的是由數(shù)字DS1820、無(wú)線(xiàn)射頻CC2430、電源等組成的無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)。無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)主要分布溫室大棚中需要進(jìn)行溫度檢測(cè)的各個(gè)地點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)射頻進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信。工作中，終端在無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)的增加或者刪除時(shí)，可快速的對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自我修復(fù)從而保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。溫度傳感器在與協(xié)調(diào)器綁定進(jìn)行溫度檢測(cè)后，檢測(cè)到得溫度通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信發(fā)送到協(xié)調(diào)器；

2）信息收集終端：主要是指協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器主要安放在溫度檢測(cè)控制室，其作用主要是完成整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的建立與維護(hù)，與無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)間實(shí)現(xiàn)綁定的建立，接收由無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送過(guò)來(lái)的溫度數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)及匯總。之后，通過(guò)RS-232串口將采集到得溫度數(shù)據(jù)信息傳送到上機(jī)位，以便對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理；

3）信息顯示終端：主要是指上機(jī)位。通常與信息采集終端同樣安放在溫度檢測(cè)控制室。其主要作用是將由信息采集終端傳送過(guò)來(lái)的溫度檢測(cè)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存并做進(jìn)一步的處理后顯示。其中溫度值的顯示是以16進(jìn)制形式顯示的，再做進(jìn)一步處理是可以對(duì)其十進(jìn)制化。實(shí)驗(yàn)時(shí)，裝置在室溫情況下測(cè)量得到的數(shù)據(jù)溫度值為16+11=27攝氏度，較為準(zhǔn)確。

4 結(jié)論

基于ZigBee的溫度檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的是溫度的無(wú)線(xiàn)檢測(cè)，設(shè)備可靠性高和功耗小，成功解決了傳統(tǒng)有線(xiàn)溫度檢測(cè)系統(tǒng)布線(xiàn)等復(fù)雜的問(wèn)題，適合工業(yè)級(jí)要求，有較高的實(shí)用價(jià)值。

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1674-6708（2011）50-0203-01