基于Zigbee技術的溫室大棚信息采集器的設計

王福艷李國昉馬淑英陳立東鄧春巖劉勝韜

1、唐山市工業自動化研究所063000 2、河北科技師范學院機電工程學院066600

引言

目前基于G P S、G I S、C D M A的遠程無線信息傳輸技術已在農業相關領域應用，但多數成果側重于數據遠程傳輸技術的研究，而在監控現場仍采用有線的連接方式實現傳感器與數據采集模塊的通信，現場安裝與布線連接繁瑣、設備移動性差、組網復雜、成本較高，甚至在有些場合難以實現[1]。為此，本文設計了基于Z i g B e e技術的用于采集溫室環境信息的便攜式溫室大棚信息采集器。該溫室環境無線監測技術將節點采集、數據傳輸、實時顯示合為一體，既可解決數據遠程傳輸技術問題，又避免安裝大量傳感器和終端設備的弊端，從而滿足溫室環境監測過程中對多測點、多要素、移動性、便捷性等方面的要求。

1 系統組成及基本原理

便攜式溫室環境信息無線采集系統由前端數據采集系統（采集節點）、遠程傳輸系統（路由節點）、數據接收與顯示系統（中心節點，即手持式顯示儀）組成，總體結構如圖1所示。

圖1 總體結構圖

數據采集系統為傳感器節點，負責采集溫度、土壤含水量、濕度等信息，并以無線方式將采集信息送入中心節點，對于超出有效距離的則通過路由實現多級跳轉傳輸，路由節點在投運前也會搜索當地控制節點或其它路由節點，可做其它路由節點或采集節點的中繼站使用[2]。系統采用以Z i g B e e為核心的C C2430芯片實現，軟件開發基于C語言。中心節點通過C C2430芯片集成的無線收發模塊，與路由節點及部分子節點進行無線收發通訊。系統將若干個子節點分別放置在溫室中不同的位置，并對其編號。當無線通訊網絡建立之后，中心節點由鍵盤控制，選擇相應的子節點號，向該子節點發出傳輸指令，該子節點通過各自的傳感器對溫度、濕度、土壤含水量等進行監測，并把數據送入Z i g B e e的核心芯片。采集數據經過A/D轉化，在其自身的顯示屏上實時顯示，同時由無線發射模塊把數據發射出去。數據經過自組網絡進而傳輸到中心節點。中心節點封裝在殼體內，制做成掌上電腦形式，采集到的數據可在液晶屏上顯示，從而實現數據的采集與實時顯示。

2 硬件設計

2.1 中心節點系統結構

中心節點系統硬件結構如圖2所示，包含無線通訊模塊C C N15(集成)、處理器模塊 C C2430、鍵盤模塊 K F C-A03-09、存貯模塊A T24 C04、顯示模塊M z L02-12864和電源模塊A M S1117。中心節點相關模塊設計好后，對其進行封裝，安裝殼體，殼體為150*85*20 m m，體積小，移動方便，其上鍵盤可控制系統相應功能。

圖2 節點硬件結構圖

2.2 處理器模塊

處理器模塊是整個監測系統通訊、控制的核心，與所有其它模塊連接，接受鍵盤模塊指令，控制無線通訊實現指令無線發送和數據的接受，從儲存模塊中調取采集數據并向上傳輸至液晶屏實時顯示，處理器模塊的核心板采用C C2430芯片。

2.3 鍵盤輸入模塊

采用A D C轉換實現一個I/O口上掛接多個按鍵，鍵盤采用K F C-A03-10貼片鍵盤，供電電壓為典型的3.3 V，其體積小，而且成本低，如圖3所示。

2.4 數據存儲模塊

采用A T24 C04保存設置參數。存儲模塊在該系統中沒有運用，留作以后功能擴展，具體接線原理如圖4所示。

2.5 液晶顯示模塊

圖4 AT24C04

所選液晶顯示模塊型號為M z L02-12864，其尺寸70.1×64.0×10.6 m m，視屏尺寸65.8×38.2 m m，點大小0.45×0.49 m m，像素尺寸0.475×0.515，其顯示模塊如圖5所示。

圖5 液晶屏

2.6 電源模塊

為了增強工作穩定性，減少電源電壓波動對電路的影響，而又不增加太多的功耗，選擇5 V直流供電，再通過穩壓，轉變成電源供電電壓3.3 V。

2.7 傳感器模塊

傳感器節點包括溫度傳感器模塊、濕度傳感器模塊和土壤含水量模塊。溫度傳感器采用數字接口，為單總線工作方式，接在C C2430的P2.0上。P1.2為時鐘口，用于接溫濕度傳感器D H T11，土壤含水量傳感器是模擬接口，直接接在C C2430的14位A D轉換輸入引腳P0.0上。

3 軟件系統設計

中心節點程序設計主要由主程序、中斷服務程序、數據巡回采集及處理子程序、鍵盤掃描子程序及顯示子程序等組成。中心節點主程序是以主動的方式按照固定順序周而復始地呼喚采集節點而取得數據，而采集節點以中斷的方式應答中心節點從而分組（采集到的不同終端節點數據）傳送指令，其控制流程圖如圖6所示。

圖6 中心節點流程圖

4 結束語

溫室環境信息的及時獲取是實現溫室現代化精準管理的重要基礎，要求溫室內溫度、濕度、土壤含水量等信息能夠快速、精確、連續地測量。本文設計的基于Z i g B e e技術的便攜式溫室大棚環境信息無線采集器可以滿足其要求，其性能可靠，工作穩定。

[1]耿萌，于宏毅，張效義.Zig B ee路由協議分析與性能評估[J].計算機工程與應用，2007，43(26)：116-120.

[2]徐瑞娜，胡方明，仁愛鋒.Zig B ee無線傳感器網絡在遠程環境監測中的應用設計[J].電子元器件的應用，2010，7（7）：38-42.