基于STM32+ZigBee技術的農業環境監控系統的研究與設計

黃充 汪兆棟 王發良 梅立雪 陳興盛

(景德鎮學院，江西 景德鎮 333000)

引言

無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network，WSN)作為在一塊被監測的地方內布置和安裝一定數量的低功耗小型傳感器節點，區域中所有節點利用無線通信的方法組成的自組織、多跳的網絡裝置或系統，整個系統的功能是協同地感知、采集并處理監控區中的信息進而發送給觀測方。由于WSN具有很高的檢測精度、經濟性好、組網方便、可靠性好以及操控簡單等優點，因而在環境監測、農業現場、智能家居等方面有著非常廣闊的發展前景，并且已經有了一定應用。一個典型的WSN網絡網關系統如圖1所示。本文設計并實現了一個基于STM32+ZigBee技術的農業環境監測系統。通過ZigBee節點組成無線傳感器網絡，采集農業環境中的溫度信息，通過協調器收集匯總溫度信息，再通過STM32+W5100網關系統把WSN連入以太網，在遠程端發送命令并查看WSN的網絡信息和各個節點采集的溫度信息。

圖1 WSN網關系統框圖

1 系統硬件設計

1.1 系統總體框圖

系統硬件框圖如圖2所示，基于ZigBee協議的節點組成自組織的WSN網絡。協調器通過UART等總線和網關CPU通信，網關CPU再通過以太網模塊把WSN連入以太網，實現遠程監控的功能。

圖2 系統硬件框圖

1.2 ZigBee節點電路

本設計選用的ZigBee通信節點的基本電路(見圖3)，電路的核心為TI公司的CC2530芯片。圖3中，32.768kHz的晶振主要工作于當節點休眠時工作電流低并且需要精確喚醒的場景；32MHz晶振主要是用于天線的無線數據發送和接收；L1-L2和C4-C7為射頻電路的巴倫(Balun)匹配電路。

圖3 CC2530核心電路

1.3 網關電路設計

本網關裝置采用了STM32F103VBT6主控制器加W5100芯片的硬件平臺方案。其中，STM32F103VBT6主控制器是基于ARM Cortex-M3內核的32位CPU，工作頻率最高可以到72MHz，片內集成128KB Flash，20KB大小SRAM。W5100芯片是WIZnet公司推出的一款以太網芯片，其片內支持硬件化的TCP/IP協議，片內集成了16KB的發射/接收緩存，并且支持SPI總線接口。

具體的W5100電路如圖4所示。電路中，25MHz晶振為系統時鐘源，考慮W5100芯片工作的穩定性，芯片的1引腳需要接大小為12.3k精度為1%的片外電阻到地。芯片的TEST_MODE0-3用于選擇芯片的工作模式，本系統選用通用模式(0000)。W5100和STM32主控CPU通過SPI總線接口進行通信。

圖4 W5100電路

2 系統測試

本系統的ZigBee通信模塊如圖5所示，紅色的為協調器節點。綠色的為路由器節點和終端節點并且用2節5號電池供電，終端節點通過DS18B20測溫芯片采集環境溫度。

圖5 ZigBee節點

STM32加W5100網關裝置如圖6所示，ZigBee協調器和STM32通過UART總線進行通信，W5100通過網絡變壓器和網線連入以太網。

本系統中CC2530內運行TI公司的半開源的免費的ZigBee協議棧，實現組網、無線數據的收發功能。PC端通過MFC設計了一個終端監控軟件，實現配置網關IP、端口，顯示WSN網絡結構，接收WSN節點溫度信息，向WSN發送命令等功能。

圖7 監控軟件顯示數據和網絡拓補

圖8 監控軟件顯示節點采集的溫度

3 總結

經測試，本系統中ZigBee無線傳感器網絡可以正常工作，采集環境中溫度信息，通過自組網把數據匯總到協調器節點。協調器節點通過UART接口和STM32進行通信，同時STM32通過W5100芯片實現WSN和以太網互聯。通過PC端的監控界面顯示WSN的網絡狀態信息，查看終端節點采集的溫度信息。同時向WSN發送相關的控制信息。本系統適用于如農業大棚種植等農業監控方面的應用。