基于ZigBee的溫室大棚溫度檢測系統(tǒng)設(shè)計

李昀珅，張昊慧

（淮陰師范學(xué)院物理與電子電氣工程學(xué)院，淮安223001）

0 引言

溫室大棚是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要部分，隨著科技的進(jìn)步與生產(chǎn)力的不斷發(fā)展，我們對于溫室大棚的各種環(huán)境因素的要求也日漸提高。傳統(tǒng)的溫室大棚溫度檢測主要分為人工檢測和有線檢測。人工檢查不僅勞動強(qiáng)度大，而且準(zhǔn)確度與實時性差。有線檢測雖然提高了精度與實時性，但整個系統(tǒng)需要在大棚中大量布線，并且要對設(shè)備進(jìn)行集中供電，硬件成本較高[1]。為此，本文基于ZigBee技術(shù)，提出了一種溫室大棚溫度檢測系統(tǒng)。既保證了系統(tǒng)的精度與實時性，又降低了硬件成本，還使系統(tǒng)具有較強(qiáng)的可擴(kuò)展性與可移植性，對提高大棚經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。

1 ZigBee技術(shù)簡介

ZigBee技術(shù)是一種廣泛使用的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。相對于Wi-Fi與Bluetooth通信技術(shù)，ZigBee在續(xù)航、擴(kuò)展性、實時性和復(fù)雜性方面優(yōu)勢突出，因此在實際使用時可以有效降低人工更換電池的頻率，并且可以更方便地加入更多傳感器節(jié)點(diǎn)與更快地做出響應(yīng)[2]。本文使用的無線通信模塊是基于CC2530芯片使用ZigBee協(xié)議實現(xiàn)，可以實現(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)，操作簡單，抗干擾能力強(qiáng)。

表1 ZigBee技術(shù)與主流通信技術(shù)區(qū)別

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

本系統(tǒng)主要分為傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控終端三部分組成。傳感器節(jié)點(diǎn)由DS18B20溫度傳感器、ST89C52單片機(jī)系統(tǒng)和ZigBee通信模塊組成。溫室內(nèi)的溫度主要由溫度傳感器測量，之后將收集的數(shù)據(jù)發(fā)送到單片機(jī)，并在處理后通過ZigBee無線通信模塊發(fā)送。匯聚節(jié)點(diǎn)只由ZigBee通信模塊組成，負(fù)責(zé)采集各個傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。監(jiān)控終端由串口屏組成，與匯聚節(jié)點(diǎn)直接連接，可以觀察到各點(diǎn)溫度的實時信息與狀況、溫度變化趨勢、溫度閾值信息。這三個模塊協(xié)同工作，實現(xiàn)溫室溫度的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)方框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 傳感器節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計

（1）單片機(jī)系統(tǒng)電路設(shè)計

本設(shè)計中的單片機(jī)系統(tǒng)主要包括ST89C52單片機(jī)晶振電路，復(fù)位電路。STC89C52單片機(jī)基于英特爾8052標(biāo)準(zhǔn)的新一代高性能、低功耗的單片機(jī)，與8051系列單片機(jī)兼容。由于其功耗低、性能強(qiáng)、價格低的優(yōu)點(diǎn)，非常適合作為本設(shè)計的數(shù)據(jù)處理中心[3]。

（2）溫度檢測電路設(shè)計

本設(shè)計采用DS18B20作為溫度傳感器，作為數(shù)字溫度傳感器，可直接輸出數(shù)字信號。它與單片機(jī)的P2.2直接連接，無需外接A/D轉(zhuǎn)換電路，見圖3。溫度測量的范圍設(shè)定為0～120℃，分辨率為0.125℃（顯示時只保留兩位小數(shù)），誤差為±0.5攝氏度。

圖3 DS18B20連接示意圖

（3）報警電路與鍵盤電路設(shè)計

每一個溫度檢測模塊中都有獨(dú)立的報警電路，在顯示模塊中可以觀察到每個節(jié)點(diǎn)的溫度是否異常。當(dāng)節(jié)點(diǎn)的溫度不在閾值范圍內(nèi)時，單片機(jī)的P2.0引腳將產(chǎn)生低電平信號，蜂鳴器則會持續(xù)發(fā)出報警信號。本設(shè)計還使用兩個LED燈來分別表示高溫異常與低溫異常兩種狀態(tài)。它們分別與單片機(jī)的P1.0和P1.1口相連接。當(dāng)溫度過高時，P1.0口輸出低電平，連接的LED燈點(diǎn)亮，表示高溫異常；當(dāng)溫度過低時，P1.1口輸出低電平，表示低溫異常；當(dāng)溫度正常時，兩個I/O將輸出高電平，LED燈將熄滅[4]。鍵盤電路采用的是四個獨(dú)立按鍵，分別對應(yīng)著上限值與下限值的加減操作。當(dāng)按下按鍵時，單片機(jī)的I/O端口將檢測到高電平并執(zhí)行相應(yīng)的功能。

3.2 匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)計

在該設(shè)計中，匯聚節(jié)點(diǎn)與傳感器節(jié)點(diǎn)中的ZigBee模塊基本相同，都是基于CC2530芯片與CC2591芯片。CC2530是TI公司生產(chǎn)的無線通信芯片，可支持ZigBee協(xié)議，能夠方便地實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自組織，具有穩(wěn)定性高、功耗低、外圍器件少等優(yōu)點(diǎn)。CC2591是一款范圍擴(kuò)展器，其功率增益在11dB左右，可以有效地擴(kuò)大通信范圍[5]。本設(shè)計通信頻率為2.4GHz，最遠(yuǎn)通信距離可達(dá)1km（天氣晴朗條件下），節(jié)點(diǎn)之間采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，基本滿足正常使用需求。

圖4 CC2530與CC2591連接示意圖

3.3 監(jiān)控終端設(shè)計

本設(shè)計中溫度信息與狀態(tài)信息的顯示是通過一塊400×240的串口屏實現(xiàn)的，它是基于ARM7系列芯片開發(fā)的，內(nèi)置4MB Flash存儲空間，同時可以外接SD卡。串口屏的優(yōu)點(diǎn)在于可通過串口直接接收并執(zhí)行上 位機(jī)發(fā)出的指令，可以有效簡化終端復(fù)雜度。

3.4 電源電路設(shè)計

本設(shè)計還包括了電壓轉(zhuǎn)換電路。此次供電模塊采用USB供電，但由于ZigBee無線通信模塊接口電壓為3.3V，因此需要采用穩(wěn)壓電路。圖5是最基本的5V轉(zhuǎn)3.3V穩(wěn)壓輸出，采用的是AMS1117芯片。該芯片提供過熱保護(hù)和限流功能[6]。應(yīng)注意至少并聯(lián)10uF電容的在輸出端以提高穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應(yīng)。

圖5 電壓轉(zhuǎn)換電路

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計

傳感器節(jié)點(diǎn)是在Keil uVision軟件開發(fā)環(huán)境下用C語言編程設(shè)計。首先STC89C52通過一定延時來確保溫度傳感器的溫度轉(zhuǎn)換完成。在轉(zhuǎn)換完成之后，通過無線通信模塊發(fā)送溫度數(shù)據(jù)。若需要修改溫度閾值，則再通過串口發(fā)送修改溫度閾值指令。若溫度超過閾值，則再發(fā)送報警指令，流程圖見圖6。

圖6 溫度檢測模塊工作流程圖

4.2 ZigBee模塊設(shè)計

本設(shè)計中ZigBee模塊主要分布于傳感器節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)中，采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，功能基本相同，主要負(fù)責(zé)信號的采集與轉(zhuǎn)發(fā)，區(qū)別是匯聚節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)處理的數(shù)據(jù)量更大，所以需要消耗更多的電量。當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)的ZigBee模塊通電后，首先進(jìn)行初始化，尋找一個空閑信道并組建一個新的網(wǎng)絡(luò)，接著掃描周圍的傳感器節(jié)點(diǎn)，并等待其加入網(wǎng)絡(luò)。之后開始數(shù)據(jù)的采集與轉(zhuǎn)發(fā)。

圖7 匯聚節(jié)點(diǎn)通信流程圖

圖8 傳感器節(jié)點(diǎn)通信流程圖

4.3 監(jiān)控終端軟件設(shè)計

監(jiān)控終端的串口屏顯示模塊是在USART HMI開發(fā)環(huán)境下制作完成的，主要顯示的內(nèi)容有：溫度信息及其變化趨勢、溫度狀態(tài)信息、溫度閾值以及其他字符，主要用到了文本、變量和曲線控件。在溫度顯示模塊主程序中，單片機(jī)以一定的時間間隔將轉(zhuǎn)換后的溫度以及閾值信息通過串口發(fā)送給屏幕顯示，從而達(dá)到刷新顯示的效果。溫度正常與異常是通過兩個相互重疊的文本實現(xiàn)的，溫度正常時，單片機(jī)會發(fā)送指令把溫度異常的文本設(shè)置為隱藏，溫度異常時則反之。曲線控件是由轉(zhuǎn)換后的溫度賦值給變量，從而添加到曲線中，界面見圖9與圖10。

5 實地測試

為了驗證本系統(tǒng)功能，選擇在同一時間的不同地點(diǎn)檢測溫度，系統(tǒng)實際運(yùn)行如圖11與圖12（兩個節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)延時不同，會造成曲線長短不同）。

6 結(jié)語

圖9 串口屏主界面

圖10 串口屏幕修改閾值界面

圖11 運(yùn)行主界面

圖12 溫度閾值界面

本文設(shè)計一種基于STC89C52單片機(jī)的溫度檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)了溫度的多點(diǎn)遠(yuǎn)程測量、自動報警、溫度顯示等功能，用戶可以對各節(jié)點(diǎn)手動設(shè)定溫度上限與下限值，最終可以在顯示屏上觀察到每個節(jié)點(diǎn)的溫度變化趨勢。本設(shè)計具有精度高、實時性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效減少人工勞動量，有利于生產(chǎn)效率的提高，符合農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的需求。