基于Zigbee技術(shù)的溫濕度采集系統(tǒng)設(shè)計

趙金燕，楊秀娟，郎云雯，吳興純，張 云

（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 基礎(chǔ)與信息工程學(xué)院，云南 昆明 650201；2.云南省動物營養(yǎng)與飼料重點實驗室，云南 昆明 650201）

溫室農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益高，前景被普遍看好，是我國農(nóng)業(yè)的重要發(fā)展方向之一。然而在溫室的監(jiān)控方面，目前很大程度上還是處于人工采集、手工處理信息的階段，效率十分低下[1]。隨著信息技術(shù)的推廣，依托計算機和通信科學(xué)的智能化管理溫室環(huán)境是溫室發(fā)展的必然趨勢。

Zigbee技術(shù)是一種應(yīng)用于短距離范圍內(nèi)，低傳輸速率下的各種電子設(shè)備之間無線通信技術(shù)，是一組基于IEEE批準(zhǔn)通過的802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的，這就確定了可以在不同制造商之間共享的應(yīng)用綱要。Zigbee兼容的產(chǎn)品工作在2.4 GHz這個全球通用的免費開放頻段，這個頻段提供了16個傳輸信道，每次通信都會自主選擇一個最干凈干擾最小的信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[2]。同時Zigbee是一個由可多到65 000個無線數(shù)據(jù)傳輸模塊組成的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)平臺?；赯igbee技術(shù)設(shè)計的智能溫濕度采集系統(tǒng)，可全天候?qū)崟r監(jiān)控溫室內(nèi)的空氣溫濕度等信息，具有實時性高、低功耗、有效范圍大、成本低、可靠性高等特點。

1 溫濕度采集系統(tǒng)的總體設(shè)計

本系統(tǒng)采用智能傳感器SHT75和CC2530芯片構(gòu)成，通過SHT75對環(huán)境內(nèi)的溫度、濕度參數(shù)實時檢測，經(jīng)傳感器芯片內(nèi)A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的二進(jìn)制值存儲于芯片的RAM中，CC2530芯片通過發(fā)送讀取溫濕度傳感器溫濕度命令碼，溫濕度傳感器就返回對應(yīng)的參數(shù)值，本系統(tǒng)帶RS485通訊接口可連接監(jiān)控主機或PC，通過監(jiān)控主機或PC來實時查看當(dāng)前溫度和濕度值，并可在監(jiān)控主機或PC上設(shè)置報警參數(shù)以便實時監(jiān)控環(huán)境溫度和濕度值。系統(tǒng)功能模塊框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能模塊圖Fig.1 System function module chart

2 溫濕度采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)采集單元

鑒于測量環(huán)境特殊要求，溫濕度檢測模塊不可能做得很大，而且系統(tǒng)要求響應(yīng)靈敏，測量精度要高：溫度小于等于±0.3℃，濕度小于等于±1.8%，穩(wěn)定性能良好，因此采用了瑞士生產(chǎn)的SHT75溫濕度傳感器。SHT75具有精確露點測量、全量程標(biāo)定、響應(yīng)時間短、可完全浸沒水中、測量精度高和穩(wěn)定性好等優(yōu)點[3]。SHT75的供電電壓范圍為2.4～5.5 V，典型供電電壓為3.3 V。在電源引腳之間需加一個100 μF的電容，用以去耦濾波。

2.2 無線通信單元

系統(tǒng)的無線通信模塊主要采用CC2530芯片，該芯片采用2.4 GHz頻率，IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，Zigbee技術(shù)，具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能，能夠以非常低的材料成本建立強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存RAM等功能[4-5]。CC2530具有32/64/128/256KB 4種不同的閃存版本，本系統(tǒng)采用的是256 KB閃存。CC2530在使用時所需的外部元件很少，兩個32 MHz的晶振、幾個電容和電感元件就可組成一個高可靠性的收發(fā)系統(tǒng)，設(shè)計簡單且成本較低。

CC2530具有多種運行模式，本設(shè)計用到其中的3種模式：發(fā)射模式、接收模式和休眠模式。3種運行模式之間的轉(zhuǎn)換時間短以確保了低能耗，CC2530在休眠狀態(tài)時，電流僅為1 μA。CC2530的定時器1是一個16位定時器，具有定時器/脈沖寬度調(diào)制（PWM）功能。每個計數(shù)器捕獲通道可以用作一個PWM輸出或捕獲輸入信號邊沿的時序。定時器2是專門為支持IEEE802.15.4 MAC或軟件中其他時槽的協(xié)議設(shè)計。定時器3和定時器4是8位定時器，具有定時器/計數(shù)器/PWM功能。

CC2530芯片的無線射頻收發(fā)原理為：把接收到的RF信號通過低噪聲放大器（LNA）和功率放大器（PA），進(jìn)行積分轉(zhuǎn)換，輸入到混頻器中，再經(jīng)過頻率合成器和90度的相位轉(zhuǎn)換，以及模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC），調(diào)制解調(diào)（Modem）和同步信號校準(zhǔn)（FEC）、信息包處理，然后送入RX/TX中，再通過嵌入式的微控制單元（MCU）進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。

2.3 通信接口

數(shù)據(jù)采集包括單片機對溫濕度傳感器數(shù)據(jù)采集，還包括PC對單片機數(shù)據(jù)采集和處理。系統(tǒng)采用的是RS485接口，它是一種半雙工串行通信接口，采用了平衡差分的傳輸模式，比RS232接口提高了傳輸?shù)乃俾屎驮黾恿藗鬏斁嚯x，目前廣泛運用于數(shù)據(jù)采集通信系統(tǒng)。

2.4 電源電路

系統(tǒng)的電源部分采用蓄電池與光能互補供電方式，利用太陽能為電源蓄電池進(jìn)行充電。為了充分利用電源并減少更換蓄電池次數(shù)，本系統(tǒng)多采用低功耗芯片，并在程序中增加休眠程序和無線遠(yuǎn)程喚醒程序，最大限度地降低系統(tǒng)功耗。

2.5 硬件原理圖

硬件電路的設(shè)計采用Protel DXP 2004開發(fā)工具，根據(jù)CC2530芯片的特性，系統(tǒng)硬件電路原理圖如圖2所示。在本電路中CC2530既承擔(dān)著CPU的功能又承擔(dān)著通信模塊的作用。SHT75把采集到的溫室環(huán)境中的溫濕度模擬信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號并傳給CPU，CPU將接收到的溫濕度數(shù)字信號進(jìn)行儲存，等待主機發(fā)送廣播，得到主機命令后，從機CPU將數(shù)據(jù)無線發(fā)送給主機。

該原理圖的主要外圍元件功能為：偏置電阻R3用于設(shè)置一個精確的偏置電流；去藕電容C1用于提供PCB板精確的功率供給；C15、C16和 C17、C18分別為晶體 X1和 X2的負(fù)載電容。RF端口由C9、C10、L2和 L3共同組成不平衡變壓器，用于芯片不同RF端口信號轉(zhuǎn)換成單個RF信號，再通過一個π型 LC 濾波器（C13、C14、L4）的作用，最終輸出 50 歐姆的 RF 信號，和天線達(dá)到最佳的阻抗匹配。

3 溫濕度采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件設(shè)計采用結(jié)構(gòu)化和模塊化設(shè)計方法，便于功能擴(kuò)展。軟件開發(fā)環(huán)境選擇IAR Embedded Workbench for MCS-51 7.51A作為Zigbee開發(fā)的IDE，在TI Z Stack協(xié)議棧的基礎(chǔ)上，編寫了系統(tǒng)的應(yīng)用程序代碼，用VC編寫上位機程序。

系統(tǒng)上電以后，初始化I/O口，開啟看門狗，讀取存在EEPROM中的變送器地址值并將讀取的地址值進(jìn)行校驗，如校驗正確則進(jìn)入正常模式運行，溫度和濕度采樣分開執(zhí)行，每次只采樣一個溫度值或一個濕度值，經(jīng)過定時器累計計時使溫度和濕度的讀取進(jìn)行輪巡，主機通過RS485通訊接口可訪問變送器的溫度和濕度值，還可以設(shè)置變送器的物理地址，當(dāng)多臺變送器聯(lián)機時，可通過自身的物理地址來識別命令碼[6-7]。

3.1 協(xié)調(diào)器的工作流程

Z Stack提供了豐富的調(diào)試函數(shù)調(diào)試接口。系統(tǒng)軟件主要包括協(xié)調(diào)器節(jié)點程序、路由器節(jié)點程序。協(xié)調(diào)器是第一級節(jié)點，負(fù)責(zé)組建網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)組建好后會分配節(jié)點ID地址，協(xié)調(diào)器接收到手持控制終端發(fā)送的命令，發(fā)送控制命令到節(jié)點就可以實施相應(yīng)控制，協(xié)調(diào)器的工作流程圖如圖3所示。

3.2 路由器的工作流程

將協(xié)調(diào)器擴(kuò)展到第2級、第3級甚至多級，只要在同一網(wǎng)絡(luò)就可以實施相應(yīng)控制，協(xié)調(diào)器接收命令同時將控制命令發(fā)送到路由器或者終端節(jié)點，如果直接發(fā)送命令給路由器，路由器就會執(zhí)行相應(yīng)命令，也可以通過路由器發(fā)送給終端節(jié)點，由終端節(jié)點執(zhí)行相應(yīng)命令。路由器（包含終端節(jié)點）工作流程圖如圖4所示。

3.3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

圖2 硬件原理圖Fig.2 Schematic of hardware

圖3 協(xié)調(diào)器工作流程圖Fig.3 Work flow chart of coordinate

圖4 路由器工作流程圖Fig.4 Work flow chart of route

控制終端是一手持讀寫器（PDA），讀寫器內(nèi)設(shè)置了無線收發(fā)模塊，在組建網(wǎng)絡(luò)時將讀寫器加入網(wǎng)絡(luò)，讀寫器會自動識別每一節(jié)點的ID地址，通過對節(jié)點發(fā)送命令實現(xiàn)控制?？梢詫蝹€溫濕度采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，即向單個節(jié)點發(fā)送控制命令，也可以將部分節(jié)點組建一個局域網(wǎng)絡(luò)存儲到讀寫器中，對這個局域網(wǎng)絡(luò)發(fā)送命令就可以實現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)所有節(jié)點的溫濕度采集器的數(shù)據(jù)讀取。

4 結(jié)束語

通過Zigbee技術(shù)實現(xiàn)了對溫濕度采集器的無線控制，解決了溫室監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)階段人工采集、效率低下和數(shù)據(jù)采集存在盲區(qū)等問題[8]，可全天候?qū)崟r監(jiān)控溫室內(nèi)的空氣溫濕度等信息，實現(xiàn)了溫室環(huán)境采集的無線通訊，所構(gòu)建控制系統(tǒng)具有低功耗、低成本，開發(fā)方便，易于擴(kuò)展等特點，而且通過手持讀寫器進(jìn)行控制給人們帶來了便利。

由于國家十分重視居民的菜籃子工程，所以基于Zigbee技術(shù)的溫濕度采集系統(tǒng)具有廣闊的市場，同時可以進(jìn)一步擴(kuò)展到采集系統(tǒng)遠(yuǎn)程無線控制。溫濕度采集系統(tǒng)未來的研究應(yīng)側(cè)重于節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院头€(wěn)定性，進(jìn)一步提高基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境采集系統(tǒng)的自動化、智能化程度，使之滿足實際環(huán)境應(yīng)用的需求。

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