基于Zigbee的水產(chǎn)養(yǎng)殖溫度監(jiān)控的設(shè)計與實現(xiàn)

摘要：隨著社會的發(fā)展，傳統(tǒng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖不斷減少，集中型的大規(guī)模水產(chǎn)養(yǎng)殖不斷發(fā)展，對水產(chǎn)養(yǎng)殖的成活率要求越來越高。水產(chǎn)養(yǎng)殖中，溫度是養(yǎng)殖物成活的最關(guān)鍵因素，控制好溫度就是控制了經(jīng)濟效益。本文采用的是基于Zigbee的溫度監(jiān)控設(shè)計，測溫用的是防水型的DS18B20數(shù)字溫度傳感器。通過DS18B20傳感器進行溫度檢測，輸出數(shù)字量，通過CC2530數(shù)據(jù)處理模塊進行處理后無線發(fā)送給協(xié)調(diào)端節(jié)點，協(xié)調(diào)端節(jié)點再通過串口傳輸給監(jiān)控端，完成系統(tǒng)的監(jiān)控工作。通過對溫度的實時監(jiān)控，以達到對水產(chǎn)養(yǎng)殖場的溫度進行估判，從而做出相應(yīng)的措施，保證水產(chǎn)的最高效益。

關(guān)鍵詞：Zigbee;CC2530;智能;溫度監(jiān)控

在近代以及目前發(fā)展的無線通信技術(shù)中，Zigbee技術(shù)發(fā)展越來越廣泛。以Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)方式構(gòu)建的新一代通訊網(wǎng)絡(luò)，在現(xiàn)代生活中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。目前開發(fā)的短距離無線通信技術(shù)中，無線傳感網(wǎng)絡(luò)可以說是一種具有很大的實用價值通信技術(shù)。對于目前追求低功耗、成本低的無線傳感網(wǎng)絡(luò)是非常適宜的。本課題主要研究利用最新的Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境溫度進行采集傳輸，以達到實時遠程監(jiān)控。課題研究內(nèi)容包括：終端傳感節(jié)點采集養(yǎng)殖場的實時溫度，處理后將無線發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再通過串口傳輸給上位機終端顯示并預(yù)警。

1 關(guān)鍵技術(shù)及協(xié)議

1.1 ZigBee無線技術(shù)簡介

ZigBee技術(shù)的研發(fā)是以IEEE802.15.4為基礎(chǔ)，Zigbee技術(shù)的研發(fā)主要是關(guān)于安全、組網(wǎng)和應(yīng)用軟件。第一份Zigbee規(guī)范“Zigbee Specifcation V1.0”于2005年Zigbee聯(lián)盟公布。該聯(lián)盟定義的標準定義了IEE802.15.4的媒體訪問控制層與物理層的支持與網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用服務(wù)。Zigbee無線通信技術(shù)具有以下特點：

1.1.1 成本低功耗低

Zigbee頻段是免費使用的，無需繳納專利費，而且Zigbee協(xié)議棧的源代碼是開元的，此外，Zigbee射頻芯片價格低廉，這極大了降低了研究成本。芯片供電3.3 V的供電可以滿足，在節(jié)點設(shè)計上，一個節(jié)點工作半年時間也只需要2節(jié)5號干電池提供電源。Zigbee具有工作周期長的優(yōu)勢，是目前WIFI、藍牙等無線技術(shù)無可媲美的。

1.1.2 速率低延時短

對于低速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用要求，Zigbee在2.4GHz提供的的數(shù)據(jù)吞吐率為250 kbps，傳輸速率在20～250 kbps之間。目前的藍牙技術(shù)與WIFI技術(shù)從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)需要3～10 s和3 s，而Zigbee只需要15 ms，相對而言，Zigbee的響應(yīng)速率是比較快的。

1.1.3 距離短容量高

Zigbee無線傳輸在視距理論上是100 m，而增加路由節(jié)點可以增長傳輸距離。Zigbee可以進行多節(jié)點組網(wǎng)，最多可以設(shè)計65000個節(jié)點，每一個中心節(jié)點匯聚若干個254個節(jié)點，并且可以由高層節(jié)點向下層節(jié)點進行管理。在Zigbee整個傳感網(wǎng)絡(luò)中，我們可以采用星狀、片狀和網(wǎng)狀等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進行組網(wǎng)。

1.1.4 安全高免費照頻段

ZigBee在無線通信技術(shù)中具有很高的安全性，其具有三級安全模式：采用高級加密標準(AES 128)的對稱密碼、使用訪問控制清單(防止非法獲取數(shù)據(jù))及無安全設(shè)定。2.4 GHz是全球免費工業(yè)、醫(yī)療、科學使用頻段。2.5 GHz頻段的信道帶寬為5 MHz，具有16個信道。

2 總體設(shè)計方案

我國水產(chǎn)養(yǎng)殖正在往集中型的大規(guī)模養(yǎng)殖發(fā)展，針對有規(guī)模的水產(chǎn)養(yǎng)殖，Zigbee的無線監(jiān)控系統(tǒng)可以發(fā)揮很大作用。通過在養(yǎng)殖場的分布溫度傳感節(jié)點，傳感節(jié)點可以實時

監(jiān)測水溫，經(jīng)無線協(xié)議傳輸給協(xié)調(diào)節(jié)點，距離遠的節(jié)點可以通過添加路由節(jié)點以達到遠距離的溫度傳輸。協(xié)調(diào)節(jié)點在通過組網(wǎng)接收到各傳感節(jié)點的數(shù)據(jù)后經(jīng)過串口傳輸給PC機，供上位機顯示和預(yù)警。

設(shè)計中，主要有傳感節(jié)點、路由節(jié)點和協(xié)調(diào)節(jié)點組網(wǎng)組成系統(tǒng)，進行無線傳輸，其中路由節(jié)點和傳感節(jié)點的低功耗可以進行電池供電，協(xié)調(diào)節(jié)點直接連接監(jiān)控端可由監(jiān)控端供電。

2.1 芯片選擇

本設(shè)計選用的Zigbee芯片為TI公司的CC2530，CC2530是目前Zigbee設(shè)計運用中使用最多的無線射頻芯片，它是目前一個真正用于IEEE802.15.4協(xié)議標準，RF4CE以及Zig bee應(yīng)用的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案。CC2530內(nèi)核結(jié)合了增強型的8051 CPU，同時具有8KB RAM，其系統(tǒng)可以編程閃存。在設(shè)計發(fā)展中，CC2530設(shè)計上有四種不同的閃存版本：CC25 30F32/64/128/256，分別具有32/64/128/256KB的閃存。它是目前同類芯片中能夠以非常低的硬件成本設(shè)計建立一個龐大的無線節(jié)點網(wǎng)絡(luò)。同時，為了適應(yīng)不同功耗要求，CC2530也設(shè)計有不同的運行模式，滿足低功耗要求，在主動模式即CPU空閑時，接收時電流為24 mA，發(fā)送時電流為29 mA;供電電壓范圍為2～3.6 V。在滿足低功耗的同時，它在不同模式的轉(zhuǎn)換時間也非常短。

2.2 溫度傳感器

DS18B20是一款常用的，可以應(yīng)用于多場合的溫度傳感器，防水型的封裝可以在潮濕、水浸、腐蝕等環(huán)境下使用，精度也高，可滿足設(shè)計要求。其性能特性為：DS18B20在實現(xiàn)與微處理器雙向通信時只需要一條口線連，這種單線接口方式的獨特設(shè)計，非常便于設(shè)計應(yīng)用;正常測溫有誤差，一般為1℃，在非極限測溫范圍-55℃～+125℃，具有一定的精確性;可以進行多點組合功能，可以最多八個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，從而實現(xiàn)多點測溫(不能過多的原因是并聯(lián)多會使電源的供電電壓低，影響數(shù)據(jù)信號的的不穩(wěn)定傳輸;適用于DN15～25，DN40～DN250各種介質(zhì)工業(yè)管道和狹小空間設(shè)備測溫;在設(shè)計使用中不需要任何外圍元件便可以完成設(shè)計;測量結(jié)果以串行方式進行9到12位數(shù)字量的方式傳送;工作電源：3.0～5.5V/DC。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計

3.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點設(shè)計

ZigBee協(xié)調(diào)器主要用于建立網(wǎng)絡(luò)并組網(wǎng)管理節(jié)點，其電路設(shè)計包括：一個CC2530芯片處理模塊、一個串口模塊、一個JTAG接口/復位模塊、一個電源模塊、LED指示燈模塊等，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

電源模塊：Zigbee模塊工作電壓為3.3 V，外部供電為5 V輸入，需要AMS1117—3.3電源穩(wěn)壓芯片進行穩(wěn)壓。

串口模塊：下載程序和調(diào)試通信兩個作用，采用MAX232做RS232電平與TTL電平的轉(zhuǎn)換芯片，MAX232有兩路電平轉(zhuǎn)換。

3.2 路由節(jié)點設(shè)計

路由節(jié)點作用于協(xié)調(diào)器與傳感節(jié)點之間，以達到更遠距離的傳輸，其工作主要由協(xié)議完成，電路設(shè)計只需外接LED指示燈、復位電路以及電源接入即可。路由節(jié)點結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.3 傳感節(jié)點設(shè)計

傳感節(jié)點主要用于檢測水溫，并無線發(fā)送給處理端，電路設(shè)計主要測溫模塊、復位模塊、LED指示模塊、電源模塊。傳感節(jié)點的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

測溫模塊：測溫傳感器為防水型的DS18B20，其輸出為數(shù)字量，只需要一條線就可以實現(xiàn)與處理器的通信。電路設(shè)計如圖4所示。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計

4.1 軟件系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

本設(shè)計采用的組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)為樹形結(jié)構(gòu)，主要由協(xié)調(diào)節(jié)點、路由節(jié)點、傳感節(jié)點組成。傳感節(jié)點負責采集數(shù)據(jù)并發(fā)誓給協(xié)調(diào)節(jié)點，路由節(jié)點主要為遠距離的傳感節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)給協(xié)調(diào)節(jié)點，協(xié)調(diào)節(jié)點將接收的數(shù)據(jù)再上傳給PC機。系統(tǒng)的流程圖如圖5所示。

4.2 協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計

協(xié)調(diào)器主要負責建立傳感網(wǎng)絡(luò)和管理網(wǎng)絡(luò)，為加入傳感節(jié)點分配地址，其啟動工作流程圖如圖6所示。

4.3 路由節(jié)點軟件設(shè)計

路由節(jié)點負責為傳感節(jié)點的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。其流程圖如圖7所示。

5 上位機設(shè)計

本系統(tǒng)上位機設(shè)計為VB語言設(shè)計，Visual Basic是目前一種應(yīng)用于圖形界面比較多的開發(fā)語言，它衍生于BASIC編程語言。VB用有快速應(yīng)用程序開發(fā)和圖形用戶界面開發(fā)系統(tǒng)，它是微軟開發(fā)的，用于協(xié)助開發(fā)環(huán)境的驅(qū)動編程語言。在現(xiàn)在的使用標準來說，VB是目前世界上使用者對多的語言，在目前圖形化界面開發(fā)來說，VB是比較好的開發(fā)語言較容易應(yīng)用ADO、DAO、RDO輕松創(chuàng)建ActiveX控件和連接數(shù)據(jù)庫。對于想快速建立一個應(yīng)用程序，VB將會是一個很好的選擇。本設(shè)計的上位機制作，VB是一個很好的選擇。上位機設(shè)計如圖8所示。

6 結(jié)束語

采用的是基于Zigbee的溫度監(jiān)控設(shè)計，測溫用的是防水型的DS18B20數(shù)字溫度傳感器。通過DS18B20傳感器進行溫度檢測，輸出數(shù)字量，CC2530數(shù)據(jù)處理模塊進行處理后無線發(fā)送給協(xié)調(diào)端節(jié)點，協(xié)調(diào)端節(jié)點再通過串口傳輸給監(jiān)控端，完成系統(tǒng)的監(jiān)控工作，為了進一步提高性能，系統(tǒng)有優(yōu)化和改進的空間。