基于ZigBee技術(shù)的溫室溫濕度檢測(cè)系統(tǒng)

姜鈞嚴(yán)，郭艷玲，楊冬霞，范長(zhǎng)勝

(東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，哈爾濱 150040)

東北地區(qū)冬季時(shí)間較長(zhǎng)，溫室對(duì)于日常的蔬菜供給來(lái)說(shuō)必不可少。溫室的溫濕度直接影響蔬菜的成長(zhǎng)過(guò)程，如果溫度過(guò)高，就會(huì)引起蔬菜失水萎蔫，影響生長(zhǎng)，若水分跟不上，可能造成植株死亡。如果濕度過(guò)高，會(huì)影響根系的發(fā)育和吸收。[1-4]溫濕度過(guò)低同樣影響蔬菜的生長(zhǎng)，所以對(duì)溫室內(nèi)溫濕度的控制非常必要。

現(xiàn)階段，對(duì)于溫室的溫濕度檢測(cè)基本均采用有線方式，但有線的方式導(dǎo)致了工程量大，采集數(shù)據(jù)分散等問(wèn)題。Zigbee技術(shù)可以采用短距離無(wú)線通信方式，并且具有低成本、低功耗、效率高等特點(diǎn)[5-7]。本文將采用美國(guó)TI公司的CC2530芯片，利用Zigbee技術(shù)構(gòu)建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并使用溫濕度傳感器SHT11對(duì)溫室的溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)溫室環(huán)境的需要，設(shè)計(jì)了溫室監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)由分布在溫室中多個(gè)智能ZigBee節(jié)點(diǎn)組成，包括ZigBee終端節(jié)點(diǎn)和ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用星形結(jié)構(gòu)。這些節(jié)點(diǎn)按適當(dāng)?shù)拈g距分布在溫室內(nèi)，在保證最大利用率的前提下，完成溫濕度的實(shí)時(shí)采集及傳輸。

系統(tǒng)的整體工作過(guò)程：協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上電初始化，并自行組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而等待終端節(jié)點(diǎn)加入；任一終端節(jié)點(diǎn)上電初始化后，會(huì)自動(dòng)查找并加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)將自身的物理地址傳送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)；協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口RS232將接收到的終端節(jié)點(diǎn)地址發(fā)送給PC機(jī)進(jìn)行保存；PC機(jī)可以隨時(shí)獲取某一終端節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，其只需要向串口發(fā)送相應(yīng)終端節(jié)點(diǎn)的物理地址及測(cè)量指令；協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)會(huì)通過(guò)串口接收到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的物理地址，并向其發(fā)送數(shù)據(jù)，傳達(dá)測(cè)量指令；終端節(jié)點(diǎn)經(jīng)由無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接收到測(cè)量指令后，通過(guò)與之相連的傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)，然后將測(cè)量結(jié)果以數(shù)據(jù)包的形式傳送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，最終在PC機(jī)上進(jìn)行顯示[8]如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

CC2530是一個(gè)真正的片上系統(tǒng)解決方案。CC2530在內(nèi)存、尺寸、RF性能等方面比CC2430有了重大改變。該芯片的RF性能更出色，閃存容量加倍，封裝尺寸更小，支持協(xié)議更多樣。在此芯片基礎(chǔ)上所設(shè)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)在室外的最高傳輸距離可達(dá)400M以上。完全符合在溫室內(nèi)部的檢測(cè)需要[9-10]。本文將主要介紹終端節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)及SHT11型溫濕度傳感器工作原理。

終端節(jié)點(diǎn)是Zigbee網(wǎng)絡(luò)中直接負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集的節(jié)點(diǎn)，傳感器是其重要組成部分。本次選用瑞士Sensirion公司的SHT11型傳感器。SHT11是一款具有二線串行接口的單片數(shù)字式溫濕度傳感器，具有數(shù)字式輸出、免調(diào)試、免標(biāo)定、免外圍電路及全互換等特點(diǎn)。該傳感器的外形及管腳示意圖如圖2所示。

圖2 SHT11外形及管腳排列示意圖

SHT11并非是傳統(tǒng)意義上的傳感器，而是基于CMOSens技術(shù)的新型智能溫濕度傳感器，它將溫濕度傳感器、信號(hào)放大調(diào)理、A/D轉(zhuǎn)換、二線串行接口全部集成于一個(gè)芯片內(nèi)，融合了CMOS芯片技術(shù)與傳感器技術(shù)[11-12]。SHT11傳感器默認(rèn)的測(cè)量溫度和相對(duì)濕度的分辨率一般分別為14位、12位，通過(guò)狀態(tài)寄存器可降至12位、8位。濕度測(cè)量范圍是0～100 RH，對(duì)于12位的測(cè)量精度為±3.0%RH；測(cè)溫范圍為-40～+123.8℃，對(duì)于14位的測(cè)量精度為±0.4℃。

溫濕度傳感器SHTl1送出的溫度、濕度數(shù)據(jù)必須經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，才能表示實(shí)際的溫度和濕度，其公式如下：

TC=d1+d2×SOT。

(1)

(2)

RHTure=(TC-25)×(t1+t2×SORH)+RHLinear。

(3)

式中：TC為攝氏溫度；RHTure為經(jīng)過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)南鄬?duì)濕度；d1和d2為和溫度分辨率有關(guān)的校正系數(shù)；c1、c2、c3、t1、t2為和濕度的分辨率有關(guān)的校正系數(shù)；SOT為從SHT11中讀出的溫度值；SORH為從SHT11中讀出的濕度值。其對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1和表2。

表1 溫度校正系數(shù)

表2 濕度校正系數(shù)

終端節(jié)點(diǎn)溫濕度采集流程為：終端節(jié)點(diǎn)接收到來(lái)自協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的采集指令后，將SHT11傳感器定期采集的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后在顯示屏上顯示出溫濕度信息并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊。溫濕度采集流程圖如圖3所示，終端節(jié)點(diǎn)通常為節(jié)能考慮而間歇性工作，在傳輸數(shù)據(jù)之后會(huì)進(jìn)入一定時(shí)間的休眠，等待下一個(gè)采集指令的到來(lái)。

圖3 溫濕度采集流程圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件操作，需要軟件的設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用美國(guó)德州儀器公司的Z-STACK協(xié)議棧。Z-STACK協(xié)議基于輪轉(zhuǎn)查詢式操作系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。軟件設(shè)計(jì)主要分為終端節(jié)點(diǎn)軟件及協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件兩部分。本文主要介紹協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)部分。

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上電后，首先初始化硬件及協(xié)議棧，搜索信道和空閑信道評(píng)估，選擇信道并建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)有節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，準(zhǔn)許加入并分配一個(gè)16位的網(wǎng)絡(luò)短地址，等待采集數(shù)據(jù)的命令，然后將接收的所有數(shù)據(jù)包通過(guò)串口通信發(fā)送到PC機(jī)上，以便更容易地進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件流程圖如圖4所示。

圖4 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)軟件流程圖

4 系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備及過(guò)程

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能擬為實(shí)現(xiàn)溫室的無(wú)線溫濕度檢測(cè)，在研究的過(guò)程中，可以用實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境來(lái)模擬溫室的環(huán)境，通過(guò)類比的方法來(lái)驗(yàn)證檢測(cè)系統(tǒng)的可靠性。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的規(guī)模，本次模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)置5個(gè)實(shí)驗(yàn)節(jié)點(diǎn)。其中，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)1個(gè)，終端節(jié)點(diǎn)4個(gè)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過(guò)RS232串口總線與計(jì)算機(jī)相連，4個(gè)終端節(jié)點(diǎn)分別置于實(shí)驗(yàn)室的四角。實(shí)驗(yàn)室布置平面圖如圖5所示。本實(shí)驗(yàn)硬件采用基于CC2530 的開發(fā)板、smartrf04EB仿真器及SHT11傳感器，軟件采用IAR開發(fā)環(huán)境進(jìn)行編譯，編程語(yǔ)言使用C語(yǔ)言。

圖5 實(shí)驗(yàn)室布置平面圖

實(shí)驗(yàn)采用的開發(fā)板可支持多種射頻主控模塊(例如Q2530RF 等)，配置有串口液晶顯示接口，USB供電接口，DC 5V電源接口，電池接口，RS232 接口，DEBUG 接口，五向按鍵及指示燈，紅外遙控信號(hào)接收/發(fā)射等模塊。開發(fā)板如圖6所示。

圖6 開發(fā)板實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)采用的仿真器SmartRF04EB配置紅、綠LED指示燈各1 顆，其中紅燈為電源指示燈，綠燈為狀態(tài)指示燈。在仿真器正常的情況下，連接目標(biāo)板時(shí)，紅綠燈同時(shí)亮表示仿真器已經(jīng)上電，但并未檢測(cè)到目標(biāo)開發(fā)板，需確實(shí)目標(biāo)板正確連接后，按下復(fù)位鍵。此時(shí)紅燈亮綠燈滅，表示已檢測(cè)到目標(biāo)板，可以開始下載程序并仿真。

在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，有效利用空調(diào)的調(diào)節(jié)功能來(lái)模擬溫濕度的變化。在使用傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)的同時(shí)，進(jìn)行以溫濕度計(jì)測(cè)量數(shù)據(jù)的對(duì)照試驗(yàn)。為避免實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偶然性，記錄約10組數(shù)據(jù)，為實(shí)驗(yàn)分析做準(zhǔn)備。

4.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

在本系統(tǒng)中，終端節(jié)點(diǎn)每隔2 min采集一次溫濕度數(shù)據(jù)并發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)再通過(guò)RS232串口總線將數(shù)據(jù)發(fā)送到PC機(jī)上，串口設(shè)置為COM4，波特率設(shè)置為19200bps。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中采集了9組數(shù)據(jù)，通過(guò)表格的形式可以直觀地分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。通過(guò)表格可以發(fā)現(xiàn)，溫度傳感器測(cè)量值與溫度計(jì)讀數(shù)的誤差在-0.3～+0.4之間，濕度傳感器測(cè)量值與濕度計(jì)讀數(shù)的誤差在-0.8～+1.4之間，均符合實(shí)驗(yàn)測(cè)量誤差值范圍，分析結(jié)果見(jiàn)表3。通過(guò)數(shù)據(jù)分析軟件可以將數(shù)據(jù)柱狀化，更便于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的觀察，柱狀圖如圖7和圖8所示。

表3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果

圖7 溫度數(shù)據(jù)柱狀圖

5 結(jié) 論

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)很好地解決了在溫室智能控制方面，有線傳輸所帶來(lái)的工程量大，布線復(fù)雜等問(wèn)題。并采用SHT11型溫濕度傳感器，減少了設(shè)備的數(shù)量，提高了檢測(cè)的精度。事實(shí)證明，Zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有很先進(jìn)的自建網(wǎng)、自尋址等能力，SHT11型溫濕度傳感器的精度也基本滿足對(duì)于溫室溫度測(cè)控的需求，為大規(guī)模地溫室技術(shù)開發(fā)提供了必要的前提條件。但需要指出的是，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境與溫室環(huán)境仍具有一定差別，溫度的誤差對(duì)于不同蔬菜的種植影響也不盡相同，所以該系統(tǒng)在未來(lái)應(yīng)用于溫室環(huán)境中仍需進(jìn)一步調(diào)試。

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