基于CC2530的大棚溫濕度無線采集節點設計與實現
2014-07-21 11:24:14莊立運魯慶王曉暉
湖北農業科學 2014年3期
莊立運+魯慶+王曉暉
摘要：針對目前農業大棚溫濕度監測系統中存在的不足，設計實現了一種基于CC2530與數字式溫濕度傳感器SHT11的農業大棚溫濕度無線采集節點。介紹了溫濕度無線采集節點的硬件設計及軟件流程，節點實現了農業大棚溫濕度數據無線采集和傳輸。節點性能測試結果表明，節點采集數據精度高，誤差小，完全適用于農業大棚溫濕度數據無線采集系統。
關鍵詞：大棚；溫濕度；節點；CC2530；SHT11
中圖分類號：TP212.9；S126 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）03-0582-04
溫室大棚中作物質量和產量的高低與溫室大棚中的溫度、濕度等因素密切相關， 傳統的溫度、濕度測量一般采用熱電偶、熱敏電阻以及分體的溫度、濕度傳感器等元件。此類元件容易受到測量場所以及環境的限制，長期使用時由于環境的影響會使其性能下降，需要定期檢查與更換；信號線的長距離傳輸時相互容易產生干擾，而且導線不易鋪設，給實際應用帶來了很大的不便。
CC2530結合了ZigBee協議棧，提供了一套完整的ZigBee解決方案。而且CC2530F256包括了性能優越的RF收發器、工業標準增強性8051 MCU，128 kB可編程的閃存、8 kB RAM以及許多其他功能強大的特性，工作在免授權的2.4 GHz頻段，CC2530相對其他單片機以較低的總成本能夠建立強大的網絡節點，并涵蓋了先進的射頻器的優良性能、8 kB隨機存儲器、系統內可編程閃存以及8051 CPU等強大的功能。CC2530分別具有32、64、128、256 kB 4種不同的閃存。CC2530能根據需要切換不同的運行模式，具備低能耗、較強的抗干擾性、較好的接收信號能力的優點[1]。
1 ZigBee協議
ZigBee是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信協議，由高層應用規范、應用匯聚層、網絡層、數據鏈路層和物理層組成，其結構如圖1[2]。ZigBee協議工作在868 MHz、915 MHz、2.4 GHz這3個頻段，采用CSMA-CA信道接入方式，可有效避免通信沖突。
2 節點總體結構
大棚溫濕度采集節點的主要功能是采集溫濕度數據，并將采集到的數據發送至各個子節點組成的基站。節點主要由傳感器模塊、處理器模塊、電源模塊等組成。數據采集模塊采用數字傳感器SHT11，處理器模塊采用CC2530芯片，傳感器模塊負責采集監測區域內的相關數據，數據信號經放大后發送至處理器模塊的I/O端口P 0.6；處理器模塊將接收到的數據信號進行模數轉換，得到的數字信號經處理器模塊計算處理，得到溫濕度結果數據，該數據再經過射頻電路部分發送出去，電源模塊主要用于給處理器供電[3]，節點硬件原理如圖2。
3 節點硬件設計
3.1 溫濕度采集模塊
SHT11為瑞士SENSIRION公司出品的具有二線串行接口的單片全校準數字式新型相對濕度和溫度傳感器。該傳感器將傳感器技術與CMOS芯片技術結合起來，從而發揮出強大的優勢互補作用。將溫度與濕度感測、A/D轉換、信號變換和加熱器等功能集成到一個芯片上，還包括一個電容性聚合體濕度敏感元件和一個溫度敏感元件。其濕度量程為0%～100%RH，溫度量程為-40.0～123.8 ℃，溫度測量可達14位的分辨率，濕度測量可達12位的分辨率，在高速或超低功耗的應用中也可分別達到12位和8位的分辨率， 能滿足大棚環境中溫濕度的測量要求。SHT11傳感器內部結構如圖3。
3.2 處理器模塊
為了增加中心節點的數據存儲和處理能力，選用帶256 K Flash的射頻芯片，而且有標準的8051增強型處理器，因此選用CC2530作為本設計的主芯片。
CC2530是用于2.4 GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應用的一個真正的片上系統（SOC）解決方案。它能夠以非常低的總材料成本建立強大的網絡節點。CC2530結合了領先的RF收發器的優良性能，業界標準的增強型8051 CPU，系統內可編程閃存，8 kB RAM和許多其他強大的功能。CC2530具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統。運行模式之間的轉換時間短，進一步確保了低能源消耗。
3.3 電源模塊
由于溫濕度監測節點應用在環境相對惡劣的農業大棚內，節點的供電電池一般不更換，因此需采用容量大、使用壽命長且免維護的高性能電池。這里采用2節5號AA電池供電。節點總體電路圖設計如圖4。
4 軟件設計
節點的軟件設計分為協調器節點程序和采集節點程序，都采用C語言編寫。ZigBee協議棧運行在OSAL層操作系統上，該操作系統基于任務調度機制，通過對任務的事件觸發來實現任務調度。
網絡協調器主要是建立和管理一個無線網絡，將網絡中的數據通過串口傳送給其上位機。首先，協調器建立一個無線局域網； 然后，掃描所設定的信道，接收新的節點加入，并且會分配給其一個特定的地址。協調器程序流程如圖5。
傳感器節點負責與協調器節點進行通訊，將采集的數據發送給協調器。系統中傳感器節點上電復位，進行系統和網絡配置初始化等，掃描可用的信道來尋找協調器節點，申請加入協調器節點創建的網絡。在沒有數據請求的時候，傳感器節點處于睡眠狀態； 而一旦有了數據請求，傳感器節點馬上進入工作狀態。首先對數據請求命令解析并回應； 然后再進行傳感器的啟動、數據的采集和數據的發送等； 發送完畢進入睡眠狀態，等待下一個數據請求命令[4，5]。流程圖如圖6。
5 節點性能測試
節點測試主要分為兩部分：第一是測試各個節點模塊是否能正常工作，子節點之間進行數據收發測試；第二是采集大棚現場環境的溫濕度數值進行分析。由于時間的隨機性，采集測試大棚內某一個點具體一段時間內的溫濕度數據，測試子節點每隔10 min采集一次數據發送至協調器，協調器再通過串口發送至PC機。大棚測試節點采集數據如表1所示。
計算不同時刻大棚測試監測點溫度的平均值：
不同時刻大棚測試監測點溫度的標準差：
計算不同時刻大棚測試監測點濕度的平均值：
不同時刻大棚測試監測點濕度的標準差：
監測節點采用的傳感器SHT11測溫范圍是 -40～123.8 ℃，由于標準差反映對平均值的偏離程度，取3σT、3σH反映溫度、濕度的精度，通過計算其3倍標準差可知無線采集節點溫度誤差為0.24 ℃、濕度誤差為1.5%，符合農業大棚溫濕度無線采集的要求[6]。
6 小結
綜上所述，針對傳統農業大棚溫濕度監測系統的不足，設計并實現了一種基于CC2530的農業大棚無線溫濕度采集節點，并進行了子節點組網、農業大棚溫濕度數據采集測試。試驗表明，溫濕度無線采集子節點數據精度高，完全符合農業大棚溫濕度無線監測的要求；節點具有操作簡便、成本低、抗干擾能力強等諸多優點，能穩定、可靠地監測農業大棚溫濕度環境。
參考文獻：
[1] 張 濤.基于CC2530的溫度監測模塊設計與應用[D].南昌：南昌大學，2012.
[2] 陳 旭，方康玲，李曉卉.基于CC2430的ZigBee數據采集系統設計[J].湖南工業大學學報，2008，22（6）：59-61.
[3] 雷 霖，董華莉.基于ZigBee協議的煤礦瓦斯和溫濕度監測節點設計[J].工礦自動化，2011（1）：32-34.
[4] 韓玉冰，齊 林，傅澤田，等.水產品冷藏車無線傳感器網絡節點設計——基于CC2530[J].農機化研究，2013（4）：174-178.
[5] 袁志強.基于ZigBee技術的溫室大棚無線監控系統設計[J].江蘇農業科學，2012，40（11）：396-397.
[6] 袁 江，曹金偉，邱自學.基于RFID讀寫器網絡的糧庫溫濕度分布式監測[J].農業工程學報，2011，27（10）：131-136.
摘要：針對目前農業大棚溫濕度監測系統中存在的不足，設計實現了一種基于CC2530與數字式溫濕度傳感器SHT11的農業大棚溫濕度無線采集節點。介紹了溫濕度無線采集節點的硬件設計及軟件流程，節點實現了農業大棚溫濕度數據無線采集和傳輸。節點性能測試結果表明，節點采集數據精度高，誤差小，完全適用于農業大棚溫濕度數據無線采集系統。
關鍵詞：大棚；溫濕度；節點；CC2530；SHT11
中圖分類號：TP212.9；S126 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）03-0582-04
溫室大棚中作物質量和產量的高低與溫室大棚中的溫度、濕度等因素密切相關， 傳統的溫度、濕度測量一般采用熱電偶、熱敏電阻以及分體的溫度、濕度傳感器等元件。此類元件容易受到測量場所以及環境的限制，長期使用時由于環境的影響會使其性能下降，需要定期檢查與更換；信號線的長距離傳輸時相互容易產生干擾，而且導線不易鋪設，給實際應用帶來了很大的不便。
CC2530結合了ZigBee協議棧，提供了一套完整的ZigBee解決方案。而且CC2530F256包括了性能優越的RF收發器、工業標準增強性8051 MCU，128 kB可編程的閃存、8 kB RAM以及許多其他功能強大的特性，工作在免授權的2.4 GHz頻段，CC2530相對其他單片機以較低的總成本能夠建立強大的網絡節點，并涵蓋了先進的射頻器的優良性能、8 kB隨機存儲器、系統內可編程閃存以及8051 CPU等強大的功能。CC2530分別具有32、64、128、256 kB 4種不同的閃存。CC2530能根據需要切換不同的運行模式，具備低能耗、較強的抗干擾性、較好的接收信號能力的優點[1]。
1 ZigBee協議
ZigBee是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信協議，由高層應用規范、應用匯聚層、網絡層、數據鏈路層和物理層組成，其結構如圖1[2]。ZigBee協議工作在868 MHz、915 MHz、2.4 GHz這3個頻段，采用CSMA-CA信道接入方式，可有效避免通信沖突。
2 節點總體結構
大棚溫濕度采集節點的主要功能是采集溫濕度數據，并將采集到的數據發送至各個子節點組成的基站。節點主要由傳感器模塊、處理器模塊、電源模塊等組成。數據采集模塊采用數字傳感器SHT11，處理器模塊采用CC2530芯片，傳感器模塊負責采集監測區域內的相關數據，數據信號經放大后發送至處理器模塊的I/O端口P 0.6；處理器模塊將接收到的數據信號進行模數轉換，得到的數字信號經處理器模塊計算處理，得到溫濕度結果數據，該數據再經過射頻電路部分發送出去，電源模塊主要用于給處理器供電[3]，節點硬件原理如圖2。
3 節點硬件設計
3.1 溫濕度采集模塊
SHT11為瑞士SENSIRION公司出品的具有二線串行接口的單片全校準數字式新型相對濕度和溫度傳感器。該傳感器將傳感器技術與CMOS芯片技術結合起來，從而發揮出強大的優勢互補作用。將溫度與濕度感測、A/D轉換、信號變換和加熱器等功能集成到一個芯片上，還包括一個電容性聚合體濕度敏感元件和一個溫度敏感元件。其濕度量程為0%～100%RH，溫度量程為-40.0～123.8 ℃，溫度測量可達14位的分辨率，濕度測量可達12位的分辨率，在高速或超低功耗的應用中也可分別達到12位和8位的分辨率， 能滿足大棚環境中溫濕度的測量要求。SHT11傳感器內部結構如圖3。
3.2 處理器模塊
為了增加中心節點的數據存儲和處理能力，選用帶256 K Flash的射頻芯片，而且有標準的8051增強型處理器，因此選用CC2530作為本設計的主芯片。
CC2530是用于2.4 GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應用的一個真正的片上系統（SOC）解決方案。它能夠以非常低的總材料成本建立強大的網絡節點。CC2530結合了領先的RF收發器的優良性能，業界標準的增強型8051 CPU，系統內可編程閃存，8 kB RAM和許多其他強大的功能。CC2530具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統。運行模式之間的轉換時間短，進一步確保了低能源消耗。
3.3 電源模塊
由于溫濕度監測節點應用在環境相對惡劣的農業大棚內，節點的供電電池一般不更換，因此需采用容量大、使用壽命長且免維護的高性能電池。這里采用2節5號AA電池供電。節點總體電路圖設計如圖4。
4 軟件設計
節點的軟件設計分為協調器節點程序和采集節點程序，都采用C語言編寫。ZigBee協議棧運行在OSAL層操作系統上，該操作系統基于任務調度機制，通過對任務的事件觸發來實現任務調度。
網絡協調器主要是建立和管理一個無線網絡，將網絡中的數據通過串口傳送給其上位機。首先，協調器建立一個無線局域網； 然后，掃描所設定的信道，接收新的節點加入，并且會分配給其一個特定的地址。協調器程序流程如圖5。
傳感器節點負責與協調器節點進行通訊，將采集的數據發送給協調器。系統中傳感器節點上電復位，進行系統和網絡配置初始化等，掃描可用的信道來尋找協調器節點，申請加入協調器節點創建的網絡。在沒有數據請求的時候，傳感器節點處于睡眠狀態； 而一旦有了數據請求，傳感器節點馬上進入工作狀態。首先對數據請求命令解析并回應； 然后再進行傳感器的啟動、數據的采集和數據的發送等； 發送完畢進入睡眠狀態，等待下一個數據請求命令[4，5]。流程圖如圖6。
5 節點性能測試
節點測試主要分為兩部分：第一是測試各個節點模塊是否能正常工作，子節點之間進行數據收發測試；第二是采集大棚現場環境的溫濕度數值進行分析。由于時間的隨機性，采集測試大棚內某一個點具體一段時間內的溫濕度數據，測試子節點每隔10 min采集一次數據發送至協調器，協調器再通過串口發送至PC機。大棚測試節點采集數據如表1所示。
計算不同時刻大棚測試監測點溫度的平均值：
不同時刻大棚測試監測點溫度的標準差：
計算不同時刻大棚測試監測點濕度的平均值：
不同時刻大棚測試監測點濕度的標準差：
監測節點采用的傳感器SHT11測溫范圍是 -40～123.8 ℃，由于標準差反映對平均值的偏離程度，取3σT、3σH反映溫度、濕度的精度，通過計算其3倍標準差可知無線采集節點溫度誤差為0.24 ℃、濕度誤差為1.5%，符合農業大棚溫濕度無線采集的要求[6]。
6 小結
綜上所述，針對傳統農業大棚溫濕度監測系統的不足，設計并實現了一種基于CC2530的農業大棚無線溫濕度采集節點，并進行了子節點組網、農業大棚溫濕度數據采集測試。試驗表明，溫濕度無線采集子節點數據精度高，完全符合農業大棚溫濕度無線監測的要求；節點具有操作簡便、成本低、抗干擾能力強等諸多優點，能穩定、可靠地監測農業大棚溫濕度環境。
參考文獻：
[1] 張 濤.基于CC2530的溫度監測模塊設計與應用[D].南昌：南昌大學，2012.
[2] 陳 旭，方康玲，李曉卉.基于CC2430的ZigBee數據采集系統設計[J].湖南工業大學學報，2008，22（6）：59-61.
[3] 雷 霖，董華莉.基于ZigBee協議的煤礦瓦斯和溫濕度監測節點設計[J].工礦自動化，2011（1）：32-34.
[4] 韓玉冰，齊 林，傅澤田，等.水產品冷藏車無線傳感器網絡節點設計——基于CC2530[J].農機化研究，2013（4）：174-178.
[5] 袁志強.基于ZigBee技術的溫室大棚無線監控系統設計[J].江蘇農業科學，2012，40（11）：396-397.
[6] 袁 江，曹金偉，邱自學.基于RFID讀寫器網絡的糧庫溫濕度分布式監測[J].農業工程學報，2011，27（10）：131-136.
摘要：針對目前農業大棚溫濕度監測系統中存在的不足，設計實現了一種基于CC2530與數字式溫濕度傳感器SHT11的農業大棚溫濕度無線采集節點。介紹了溫濕度無線采集節點的硬件設計及軟件流程，節點實現了農業大棚溫濕度數據無線采集和傳輸。節點性能測試結果表明，節點采集數據精度高，誤差小，完全適用于農業大棚溫濕度數據無線采集系統。
關鍵詞：大棚；溫濕度；節點；CC2530；SHT11
中圖分類號：TP212.9；S126 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）03-0582-04
溫室大棚中作物質量和產量的高低與溫室大棚中的溫度、濕度等因素密切相關， 傳統的溫度、濕度測量一般采用熱電偶、熱敏電阻以及分體的溫度、濕度傳感器等元件。此類元件容易受到測量場所以及環境的限制，長期使用時由于環境的影響會使其性能下降，需要定期檢查與更換；信號線的長距離傳輸時相互容易產生干擾，而且導線不易鋪設，給實際應用帶來了很大的不便。
CC2530結合了ZigBee協議棧，提供了一套完整的ZigBee解決方案。而且CC2530F256包括了性能優越的RF收發器、工業標準增強性8051 MCU，128 kB可編程的閃存、8 kB RAM以及許多其他功能強大的特性，工作在免授權的2.4 GHz頻段，CC2530相對其他單片機以較低的總成本能夠建立強大的網絡節點，并涵蓋了先進的射頻器的優良性能、8 kB隨機存儲器、系統內可編程閃存以及8051 CPU等強大的功能。CC2530分別具有32、64、128、256 kB 4種不同的閃存。CC2530能根據需要切換不同的運行模式，具備低能耗、較強的抗干擾性、較好的接收信號能力的優點[1]。
1 ZigBee協議
ZigBee是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信協議，由高層應用規范、應用匯聚層、網絡層、數據鏈路層和物理層組成，其結構如圖1[2]。ZigBee協議工作在868 MHz、915 MHz、2.4 GHz這3個頻段，采用CSMA-CA信道接入方式，可有效避免通信沖突。
2 節點總體結構
大棚溫濕度采集節點的主要功能是采集溫濕度數據，并將采集到的數據發送至各個子節點組成的基站。節點主要由傳感器模塊、處理器模塊、電源模塊等組成。數據采集模塊采用數字傳感器SHT11，處理器模塊采用CC2530芯片，傳感器模塊負責采集監測區域內的相關數據，數據信號經放大后發送至處理器模塊的I/O端口P 0.6；處理器模塊將接收到的數據信號進行模數轉換，得到的數字信號經處理器模塊計算處理，得到溫濕度結果數據，該數據再經過射頻電路部分發送出去，電源模塊主要用于給處理器供電[3]，節點硬件原理如圖2。
3 節點硬件設計
3.1 溫濕度采集模塊
SHT11為瑞士SENSIRION公司出品的具有二線串行接口的單片全校準數字式新型相對濕度和溫度傳感器。該傳感器將傳感器技術與CMOS芯片技術結合起來，從而發揮出強大的優勢互補作用。將溫度與濕度感測、A/D轉換、信號變換和加熱器等功能集成到一個芯片上，還包括一個電容性聚合體濕度敏感元件和一個溫度敏感元件。其濕度量程為0%～100%RH，溫度量程為-40.0～123.8 ℃，溫度測量可達14位的分辨率，濕度測量可達12位的分辨率，在高速或超低功耗的應用中也可分別達到12位和8位的分辨率， 能滿足大棚環境中溫濕度的測量要求。SHT11傳感器內部結構如圖3。
3.2 處理器模塊
為了增加中心節點的數據存儲和處理能力，選用帶256 K Flash的射頻芯片，而且有標準的8051增強型處理器，因此選用CC2530作為本設計的主芯片。
CC2530是用于2.4 GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應用的一個真正的片上系統（SOC）解決方案。它能夠以非常低的總材料成本建立強大的網絡節點。CC2530結合了領先的RF收發器的優良性能，業界標準的增強型8051 CPU，系統內可編程閃存，8 kB RAM和許多其他強大的功能。CC2530具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統。運行模式之間的轉換時間短，進一步確保了低能源消耗。
3.3 電源模塊
由于溫濕度監測節點應用在環境相對惡劣的農業大棚內，節點的供電電池一般不更換，因此需采用容量大、使用壽命長且免維護的高性能電池。這里采用2節5號AA電池供電。節點總體電路圖設計如圖4。
4 軟件設計
節點的軟件設計分為協調器節點程序和采集節點程序，都采用C語言編寫。ZigBee協議棧運行在OSAL層操作系統上，該操作系統基于任務調度機制，通過對任務的事件觸發來實現任務調度。
網絡協調器主要是建立和管理一個無線網絡，將網絡中的數據通過串口傳送給其上位機。首先，協調器建立一個無線局域網； 然后，掃描所設定的信道，接收新的節點加入，并且會分配給其一個特定的地址。協調器程序流程如圖5。
傳感器節點負責與協調器節點進行通訊，將采集的數據發送給協調器。系統中傳感器節點上電復位，進行系統和網絡配置初始化等，掃描可用的信道來尋找協調器節點，申請加入協調器節點創建的網絡。在沒有數據請求的時候，傳感器節點處于睡眠狀態； 而一旦有了數據請求，傳感器節點馬上進入工作狀態。首先對數據請求命令解析并回應； 然后再進行傳感器的啟動、數據的采集和數據的發送等； 發送完畢進入睡眠狀態，等待下一個數據請求命令[4，5]。流程圖如圖6。
5 節點性能測試
節點測試主要分為兩部分：第一是測試各個節點模塊是否能正常工作，子節點之間進行數據收發測試；第二是采集大棚現場環境的溫濕度數值進行分析。由于時間的隨機性，采集測試大棚內某一個點具體一段時間內的溫濕度數據，測試子節點每隔10 min采集一次數據發送至協調器，協調器再通過串口發送至PC機。大棚測試節點采集數據如表1所示。
計算不同時刻大棚測試監測點溫度的平均值：
不同時刻大棚測試監測點溫度的標準差：
計算不同時刻大棚測試監測點濕度的平均值：
不同時刻大棚測試監測點濕度的標準差：
監測節點采用的傳感器SHT11測溫范圍是 -40～123.8 ℃，由于標準差反映對平均值的偏離程度，取3σT、3σH反映溫度、濕度的精度，通過計算其3倍標準差可知無線采集節點溫度誤差為0.24 ℃、濕度誤差為1.5%，符合農業大棚溫濕度無線采集的要求[6]。
6 小結
綜上所述，針對傳統農業大棚溫濕度監測系統的不足，設計并實現了一種基于CC2530的農業大棚無線溫濕度采集節點，并進行了子節點組網、農業大棚溫濕度數據采集測試。試驗表明，溫濕度無線采集子節點數據精度高，完全符合農業大棚溫濕度無線監測的要求；節點具有操作簡便、成本低、抗干擾能力強等諸多優點，能穩定、可靠地監測農業大棚溫濕度環境。
參考文獻：
[1] 張 濤.基于CC2530的溫度監測模塊設計與應用[D].南昌：南昌大學，2012.
[2] 陳 旭，方康玲，李曉卉.基于CC2430的ZigBee數據采集系統設計[J].湖南工業大學學報，2008，22（6）：59-61.
[3] 雷 霖，董華莉.基于ZigBee協議的煤礦瓦斯和溫濕度監測節點設計[J].工礦自動化，2011（1）：32-34.
[4] 韓玉冰，齊 林，傅澤田，等.水產品冷藏車無線傳感器網絡節點設計——基于CC2530[J].農機化研究，2013（4）：174-178.
[5] 袁志強.基于ZigBee技術的溫室大棚無線監控系統設計[J].江蘇農業科學，2012，40（11）：396-397.
[6] 袁 江，曹金偉，邱自學.基于RFID讀寫器網絡的糧庫溫濕度分布式監測[J].農業工程學報，2011，27（10）：131-136.
