基于SimpliciTI的大棚溫濕度無線監測系統設計

李建勇,劉雪梅,李 洋

(1.西北工業大學 明德學院,陜西 西安 710124；2.杭州娃哈哈集團有限公司 浙江 杭州 310020)

基于SimpliciTI的大棚溫濕度無線監測系統設計

李建勇1,劉雪梅1,李 洋2

(1.西北工業大學 明德學院,陜西 西安 710124；2.杭州娃哈哈集團有限公司 浙江 杭州 310020)

針對目前溫室大棚溫濕度監測大多采用人工監測或有線監測方式,設計了一種基于SimpliciTI的大棚溫濕度無線監測系統。該系統以遵循SimpliciTI協議的CC2500無線收發器組成星型無線傳感器網絡,傳感器節點采用HTU21D數字溫濕度傳感器測量各節點溫濕度值,由OLED12832模塊現場顯示,中央節點把收到的數據經串口上傳PC機,并用由VC++6.0制作的監視軟件進行顯示和記錄。測試表明,該系統具有成本低、組網靈活、測量精度高和實用性強等優點。

SimpliciTI；大棚溫濕度監測；CC2500；無線傳感器網絡；HTU21D

溫度、濕度對溫室大棚中作物的質量和產量有著至關重要的影響,然而目前對溫濕度監測大都采用人工監測或有線監測方式。人工監測方式不僅費時費力、效率低,而且測量誤差大,隨機性大。有線監測方式,當監測點較多情況下,布線繁瑣、維護困難,系統的成本高、靈活性差［1］。

現在隨著農業產業規模的提高和大棚數量的增多,人工監測或有線監測方式的局限性越來越明顯,因此,基于低功耗射頻協議SimpliciTI設計了一種低成本的大棚溫濕度無線監測系統。

1 SimpliciTI協議

SimpliciTI是TI開發的一份專門針對其CCxxxx系列無線通信芯片的簡單低功耗射頻網絡協議［2-3］,具有支持休眠設備,網絡結構靈活,支持p2p的連接方式和帶有用于存儲并轉發至終端器件的接入點的星型網絡通信,使用方便和成本低等特性。

2 系統總體設計

系統由傳感器節點、中央節點和監視軟件3部分組成,系統總體結構圖如圖1所示。傳感器節點主要由HTU21D溫濕度傳感器、MSP430G2553單片機、OLED12832顯示模塊和CC2500無線發射模塊等組成,采用2節5號電池供電；中央節點主要由CC2500無線接收模塊、MSP430G2553單片機和串口電路組成,采用PC機供電。

圖1 系統總體結構圖Fig.1 Structure diagram of the power control unit test system

傳感器節點以MSP430G2553單片機為控制核心,采用HTU21D數字溫濕度傳感器測量各節點溫度和濕度,使用OLED12832顯示模塊現場顯示,通過由CC2500無線收發器組成無線傳感器網絡傳到中央節點的無線接收模塊,然后由單片機通過串口再傳到PC機,并用由VC++6.0制作的監控終端軟件進行顯示和記錄等功能。

3 系統硬件設計

3.1 主控模塊

系統采用TI公司的MSP430G2553單片機作為控制器。MSP430G2553單片機是16位超低功耗混合信號微控制器［4］, 1.8～3.6 V的低電源電壓范圍,5種低功耗工作模式,具有I2C和SPI串口通信等資源。

3.2 節點溫濕度傳感器模塊

溫濕度傳感器模塊采用法國Humirel的HTU21D溫濕度傳感器。HTU21D溫濕度傳感器濕度測量范圍為0-100﹪ RH,溫度測量范圍為-40～125℃［5］,具有很高的溫度精度和濕度精度 （±2﹪RH）,同時具有1.8～3.6 V的寬電壓工作范圍。HTU21D采用I2C接口與節點單片機的USCI_B0模塊（I2C模式）進行通信。

3.3 無線收發模塊

中央節點和傳感器節點的無線收發模塊電路完全一樣,采用TI公司的CC2500無線收發器來進行設計,其電路圖如圖2所示。CC2500是一種低成本真正單片的2.4 GHz收發器［6］,數據傳輸率可達 500 kbps,具有高靈敏度（2.4 kbps,2-FSK,1﹪誤碼率時為-104 dBm）、1.8～3.6 V的工作電壓范圍、多種調制模式（OOK、GFSK、2-FSK和MSK）等特點,專為低功耗無線應用而設計。CC2500通過SPI接口與MCU相連,只是在傳感器節點和中央節點與各自單片機連接的SPI接口略有不同。傳感器節點電路中 CC2500通過 SPI接口連接其單片機的USCI_A0模塊；中央節點電路中CC2500通過SPI接口連接其單片機的USCI_B0模塊。

圖2 無線收發模塊電路圖Fig.2 The circuit of wireless transceiver module

為增加節點和監控終端的通信距離,在CC2500的后面增添了高性能功率放大及低噪聲放大芯片RFX2401C［7］,外接SMA膠棒天線或小吸盤天線,有效通信距離最遠可達1500m左右。

3.4 傳感器節點顯示模塊

傳感器節點顯示模塊采用0.96寸OLED12832顯示屏模塊。OLED12832顯示屏具有高分辨率、大于160°的可視角度、超低功耗、3～5 V的寬供電范圍、體積小、操作方便和功能豐富等特點。OLED12832可采用I2C或SPI接口通信,節點單片機采用IO口模擬I2C方式與之通信。

3.5 中央節點串口通信模塊

中央節點串口通信模塊采用單通道RS232線驅動器/線接收器MAX3221進行設計。MAX3221的DIN和ROUT引腳分別與中央節點 MSP430單片機的 UCA0TXD （P1.2）和UCA0RXD（P1.1）引腳相連,其DOUT和RIN引腳分別與DB9的第3和第2腳相連,然后可通過串口延長線直接與PC機相連。

4 系統軟件設計

系統軟件主要由傳感器節點程序、中央節點程序和上位機監視軟件3部分組成。傳感器節點以中央節點為核心,遵循SimpliciTI協議組成星型無線傳感器網絡進行通信。傳感器節點和中央節點通信編碼采用 “$節點地址,溫度值,濕度值, N#”的格式進行傳輸。

4.1 傳感器節點程序

傳感器節點程序首先對單片機、CC2500、傳感器和顯示器等硬件初始化,啟動一次加入中心節點的請求,當得到中心節點響應后完成無線傳感器網絡發射端和接收端的握手工作,接著進入到低功耗模式LPM3等待每隔1s的時間中斷喚醒,然后對HTU21D溫濕度傳感器讀取溫度值和濕度值,經過換算后送到 OLED12832顯示模塊進行顯示,和通過CC2500無線發射模塊向無線接收模塊發送數據,最后再進入LPM3模式,其流程圖如圖3所示。

圖3 傳感器節點程序流程圖Fig.3 Flow chart of sensor node program

4.2 中央節點程序

由于中央節點在創建無線網絡之后始終處于監聽新節點加入網絡、接收節點數據和通過串口傳輸數據到上位機的狀態,具備存儲轉發機制,因此可以對長期工作在休眠模式的傳感器節點提供較好的支持,其流程圖如圖4所示。

圖4 中央節點程序流程圖Fig.4 Flow chart of the central node program

4.3 上位機監視軟件

上位機監視軟件采用VC++6.0軟件進行設計,其監視界面如圖5所示,主要由節點溫濕度值的顯示區域、端口設置子界面、實時數據子界面和串口打開及關閉等組成,其中實時數據子界面不僅可以直接顯示接收到不同節點的溫濕度值,還能以文本格式按時間進行存儲數據并能隨機查看。

圖5 上位機軟件監視界面Fig.5 Monitor interface of software on PC

5 系統測試

針對本系統工作的可靠性和通訊性能,制作了3個傳感器節點和一個中央節點,分別放在12個種植草莓的溫室大棚區域內的測試點進行測試。在同一個大棚內以30米距離安排3個測試點,PC機放在同一位置,然后一個一個大棚進行測試,1號大棚實驗數據文本保存如圖6所示。測試結果表明,其平均溫度誤差為0.2℃,濕度誤差為1.5﹪,不僅符合溫室大棚對溫濕度的精度要求,上位機還能準確顯示每個測量點的溫濕度值,進行文本格式保存和能快速反應周圍環境溫度和濕度的變化。此外本系統采用3 dB的2.4 GHz膠棒天線進行測試,發現無線模塊輸出功率可達22 dBm,在空曠地帶有效傳輸距離可達1 600 m,該系統的無線傳輸能力在一家數量有限的溫室大棚空間內是足夠的。

圖6 1號大棚實驗數據文本保存Fig.6 Experimental data of No.1 greenhouses saved on the text

6 結束語

實際測試表明,該系統達到了設計要求,傳感器節點不僅能準確獲取溫濕度值和進行顯示,通過無線傳感器網絡還能較遠距離可靠傳輸數據,中央節點在收到數據后能迅速通過串口把數據上傳到PC機,由上位機監視軟件進行顯示和記錄。此外還具有測量精度高、功耗低、成本低、組網靈活,人機界面簡單直觀、實用性強和穩定性高等諸多優點,同時還能用于其他領域的溫濕度測量。

［1］鄭欣,門順治,秦寧寧,等.基于物聯網技術的花卉大棚溫濕度監測系統［J］.自動化與儀表,2014（6）:22-25.ZHENG Xin，MEN Shun-zhi，QIN Ning-ning，et al.Temperature and humidity monitoring system for flower greenhouse based on IOT technology［J］.Automation&Instrumentation，2014（6）:22-25.

［2］趙仁濤,劉賓,張志芳,等.基于SimpliciTI協議的鋁電解槽電流分布采集系統的設計［J］.計算機測量與控制2014，22（2）:551-553.

ZHAO Ren-tao，LIU Bin，ZHANG Zhi-fang，et al.SimpliciTI protocol used in aluminum reduction cell current distribution acquisition system ［J］.Computer Measurement and Control，2014，22（2）:551-553.

［3］Texes Instuments Incorporated.SimpliciTI Overview［EB/OL］.http://www.ti.com.cn/cn/lit/ml/swru130b/swru130b.pdf.

［4］Texes Instuments Incorporated.MSP430x2xx Family User's Guide ［EB/OL］.（2008-12）.［2014-11］.http://www.ti.com.cn/cn/lit/ug/slau144j/slau144j.pdf keyMatch=MSP430x2xx Family User's Guide&tisearch=Search-CN.

［5］Humirel，INC.HTU21D［EB/OL］.（2014-04）.［2014-11］.http: //www.meas-spec.com/downloads/HTU21D.pdf.

［6］Texes Instuments Incorporated.Low-Cost Low-Power 2.4 GHz RF Transceiver［EB/OL］.（2014-11）.［2014-11］.http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/cc2500.pdf.

［7］RFaxis，INC.RFX2401C Product Brief［EB/OL］.（2014-03）.［2014-11］.http://www.rfaxis.com/downloads/RFX2401C.pdf.

Design of greenhouse temperature and humidity wireless monitoring system based on SimpliciTI

LI Jian-yong1,LIU Xue-mei1,LI Yang2
（1.Ming De College,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710124，China；2.Hangzhou Wahaha Group Company Limited,Hangzhou 310020，China）

Aiming at the greenhouse temperature and humidity monitoring mostly adopts manual monitoring or wired monitoring mode，designed a temperature and humidity wireless monitoring system based on SimpliciTI.The system has made use of CC2500 wireless transceiver which follows SimpliciTI protocol to form a star wireless sensor network，the sensor nodes use the digital temperature and humidity sensor of HTU21D to measure the temperature and humidity values of each node，displays by OLED12832 site，the central node transfers the received data to PC through the serial port，And uses the monitoring software made by VC++6.0 to display and record.The test shows that，this system has the advantages of low cost，flexible networking，high measuring precision and strong practicability etc.

SimpliciTI；greenhouse temperature and humidity wireless monitoring；CC2500；wireless sensor network；HTU21D

TN98

：A

：1674-6236（2015）18-0173-03

2014-12-02稿件編號：201412014

李建勇 （1982—）,男,河南扶溝人,碩士,講師。研究方向:嵌入式系統、機電一體化和儀器儀表等。