基于Zigbee技術的溫濕度采集系統(tǒng)設計

摘要：本系統(tǒng)采用CC2530芯片為核心配置，以溫濕度傳感器SHT75、計算機監(jiān)控系統(tǒng)等部件，通過單片機與智能傳感器相連，采集并存儲智能傳感器的測量數(shù)據(jù)，并通過RS485總線來實現(xiàn)PC上位機與單片機控制模塊半雙工串行通信。基于ZigBee技術設計的智能溫濕度采集系統(tǒng)，可全天候實時監(jiān)控溫室內的空氣溫度和濕度信息，具有實時性高、低功耗、有效范圍大、成本低、可靠性高等特點。
關鍵詞：溫濕度傳感器；CC2530；數(shù)據(jù)采集；實時監(jiān)控

溫室農(nóng)業(yè)經(jīng)濟效益高，前景被普遍看好，是我國農(nóng)業(yè)的重要發(fā)展方向之一。然而在溫室的監(jiān)控方面，目前很大程度上還是處于人工采集、手工處理信息的階段，效率十分低下。隨著信息技術的推廣，依托計算機和通信科學的智能化管理溫室環(huán)境是溫室發(fā)展的必然趨勢。
ZigBee技術是一種應用于短距離范圍內，低傳輸速率下的各種電子設備之間無線通信技術，是一組基于IEEE批準通過的802．15．4無線標準研制開發(fā)的，這就確定了可以在不同制造商之間共享的應用綱要。Zigbee兼容的產(chǎn)品工作在2．4 GHz這個全球通用的免費開放頻段，這個頻段提供了16個傳輸信道，每次通信都會自主選擇一個最干凈干擾最小的信道進行數(shù)據(jù)傳輸。同時ZigBee是一個由可多到65 000個無線數(shù)據(jù)傳輸模塊組成的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡平臺。基于ZigBee技術設計的智能溫濕度采集系統(tǒng)，可全天候實時監(jiān)控溫室內的空氣溫濕度等信息，具有實時性高、低功耗、有效范圍大、成本低、可靠性高等特點。

1 溫濕度采集系統(tǒng)的總體設計
本系統(tǒng)采用智能傳感器SHT75和CC2530芯片構成，通過SHT75對環(huán)境內的溫度、濕度參數(shù)實時檢測，經(jīng)傳感器芯片內A／D轉換器轉換成對應的二進制值存儲于芯片的RAM中，CC2530芯片通過發(fā)送讀取溫濕度傳感器溫濕度命令碼，溫濕度傳感器就返回對應的參數(shù)值，本系統(tǒng)帶RS4 85通訊接口可連接監(jiān)控主機或PC，通過監(jiān)控主機或PC來實時查看當前溫度和濕度值，并可在監(jiān)控主機或PC上設置報警參數(shù)以便實時監(jiān)控環(huán)境溫度和濕度值。系統(tǒng)功能模塊框圖如圖1所示。

2 溫濕度采集系統(tǒng)的硬件設計
2．1 數(shù)據(jù)采集單元
鑒于測量環(huán)境特殊要求，溫濕度檢測模塊不可能做得很大，而且系統(tǒng)要求響應靈敏，測量精度要高：溫度小于等于±0．3℃，濕度小于等于±1．8％，穩(wěn)定性能良好，因此采用了瑞士生產(chǎn)的SHT75溫濕度傳感器。SHT75具有精確露點測量、全量程標定、響應時間短、可完全浸沒水中、測量精度高和穩(wěn)定性好等優(yōu)點。SHT75的供電電壓范圍為2．4～5．5 V，典型供電電壓為3．3 V。在電源引腳之間需加一個100μF的電容，用以去耦濾波。
2．2 無線通信單元
系統(tǒng)的無線通信模塊主要采用CC2530芯片，該芯片采用2．4 GHz頻率，IEEE 802．15．4標準，Zigbee技術，具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能，能夠以非常低的材料成本建立強大的網(wǎng)絡節(jié)點。CC2530結合了領先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標準的增強型8051 CPU，系統(tǒng)內可編程閃存RAM等功能。C2530具有32／64／128／256KB 4種不同的閃存版本，本系統(tǒng)采用的是256 KB閃存。CC2530在使用時所需的外部元件很少，兩個32 MHz的晶振、幾個電容和電感元件就可組成一個高可靠性的收發(fā)系統(tǒng)，設計簡單且成本較低。
CC2530具有多種運行模式，本設計用到其中的3種模式：發(fā)射模式、接收模式和休眠模式。3種運行模式之間的轉換時間短以確保了低能耗，CC2530在休眠狀態(tài)時，電流僅為1μA。CC2530的定時器1是一個16位定時器，具有定時器／脈沖寬度調制(PWM)功能。每個計數(shù)器捕獲通道可以用作一個PWM輸出或捕獲輸入信號邊沿的時序。定時器2是專門為支持IEEE802．15．4 MAC或軟件中其他時槽的協(xié)議設計。定時器3和定時器4是8位定時器，具有定時器／計數(shù)器／PWM功能。
CC2530芯片的無線射頻收發(fā)原理為：把接收到的RF信號通過低噪聲放大器(LNA)和功率放大器(PA)，進行積分轉換，輸入到混頻器中，再經(jīng)過頻率合成器和90度的相位轉換，以及模數(shù)轉換(ADC)，調制解調(Modem)和同步信號校準(FEC)、信息包處理，然后送入RX／TX中，再通過嵌入式的微控制單元(MCU)進行數(shù)據(jù)的傳輸。
2．3 通信接口
數(shù)據(jù)采集包括單片機對溫濕度傳感器數(shù)據(jù)采集，還包括PC對單片機數(shù)據(jù)采集和處理。系統(tǒng)采用的是RS485接口，它是一種半雙工串行通信接口，采用了平衡差分的傳輸模式，比RS232接口提高了傳輸?shù)乃俾屎驮黾恿藗鬏斁嚯x，目前廣泛運用于數(shù)據(jù)采集通信系統(tǒng)。
2．4 電源電路
系統(tǒng)的電源部分采用蓄電池與光能互補供電方式，利用太陽能為電源蓄電池進行充電。為了充分利用電源并減少更換蓄電池次數(shù)，本系統(tǒng)多采用低功耗芯片，并在程序中增加休眠程序和無線遠程喚醒程序，最大限度地降低系統(tǒng)功耗。
2．5 硬件原理圖
硬件電路的設計采用Protel DXP 2004開發(fā)工具，根據(jù)CC2530芯片的特性，系統(tǒng)硬件電路原理圖如圖2所示。在本電路中CC2530既承擔著CPU的功能又承擔著通信模塊的作用。SHT75把采集到的溫室環(huán)境中的溫濕度模擬信號轉換成相應的數(shù)字信號并傳給CPU，CPU將接收到的溫濕度數(shù)字信號進行儲存，等待主機發(fā)送廣播，得到主機命令后，從機CPU將數(shù)據(jù)無線發(fā)送給主機。
該原理圖的主要外圍元件功能為：偏置電阻R3用于設置一個精確的偏置電流；去藕電容C1用于提供PCB板精確的功率供給；C15、C16和C17、C18分別為晶體X1和X2的負載電容。RF端口由C9、C10、L2和L3共同組成不平衡變壓器，用于芯片不同RF端口信號轉換成單個RF信號，再通過一個π型LC濾波器(C13、C14、L4)的作用，最終輸出50歐姆的RF信號，和天線達到最佳的阻抗匹配。

3 溫濕度采集系統(tǒng)的軟件設計
本系統(tǒng)軟件設計采用結構化和模塊化設計方法，便于功能擴展。軟件開發(fā)環(huán)境選擇IAR Embedded Workbench for MCS-51 7．51A作為Zigbee開發(fā)的IDE，在TI Z Stack協(xié)議棧的基礎上，編寫了系統(tǒng)的應用程序代碼，用VC編寫上位機程序。

系統(tǒng)上電以后，初始化I／O口，開啟看門狗，讀取存在EEPROM中的變送器地址值并將讀取的地址值進行校驗，如校驗正確則進入正常模式運行，溫度和濕度采樣分開執(zhí)行，每次只采樣一個溫度值或一個濕度值，經(jīng)過定時器累計計時使溫度和濕度的讀取進行輪巡，主機通過RS485通訊接口可訪問變送器的溫度和濕度值，還可以設置變送器的物理地址，當多臺變送器聯(lián)機時，可通過自身的物理地址來識別命令碼。
3．1 協(xié)調器的工作流程
Z Stack提供了豐富的調試函數(shù)調試接口。系統(tǒng)軟件主要包括協(xié)調器節(jié)點程序、路由器節(jié)點程序。協(xié)調器是第一級節(jié)點，負責組建網(wǎng)絡，網(wǎng)絡組建好后會分配節(jié)點ID地址，協(xié)調器接收到手持控制終端發(fā)送的命令，發(fā)送控制命令到節(jié)點就可以實施相應控制，協(xié)調器的工作流程圖如圖3所示。
3．2 路由器的工作流程
將協(xié)調器擴展到第2級、第3級甚至多級，只要在同一網(wǎng)絡就可以實施相應控制，協(xié)調器接收命令同時將控制命令發(fā)送到路由器或者終端節(jié)點，如果直接發(fā)送命令給路由器，路由器就會執(zhí)行相應命令，也可以通過路由器發(fā)送給終端節(jié)點，由終端節(jié)點執(zhí)行相應命令。路由器(包含終端節(jié)點)工作流程圖如圖4所示。
3．3 系統(tǒng)功能實現(xiàn)
控制終端是一手持讀寫器(PDA)，讀寫器內設置了無線收發(fā)模塊，在組建網(wǎng)絡時將讀寫器加入網(wǎng)絡，讀寫器會自動識別每一節(jié)點的ID地址，通過對節(jié)點發(fā)送命令實現(xiàn)控制?？梢詫蝹€溫濕度采集器進行數(shù)據(jù)讀取，即向單個節(jié)點發(fā)送控制命令，也可以將部分節(jié)點組建一個局域網(wǎng)絡存儲到讀寫器中，對這個局域網(wǎng)絡發(fā)送命令就可以實現(xiàn)局域網(wǎng)內所有節(jié)點的溫濕度采集器的數(shù)據(jù)讀取。

4 結束語
通過Zigbee技術實現(xiàn)了對溫濕度采集器的無線控制，解決了溫室監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)階段人工采集、效率低下和數(shù)據(jù)采集存在盲區(qū)等問題，可全天候實時監(jiān)控溫室內的空氣溫濕度等信息，實現(xiàn)了溫室環(huán)境采集的無線通訊，所構建控制系統(tǒng)具有低功耗、低成本，開發(fā)方便，易于擴展等特點，而且通過手持讀寫器進行控制給人們帶來了便利。
由于國家十分重視居民的菜籃子工程，所以基于Zigbee技術的溫濕度采集系統(tǒng)具有廣闊的市場，同時可以進一步擴展到采集系統(tǒng)遠程無線控制。溫濕度采集系統(tǒng)未來的研究應側重于節(jié)點數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院头€(wěn)定性，進一步提高基于無線傳感器網(wǎng)絡的溫室環(huán)境采集系統(tǒng)的自動化、智能化程度，使之滿足實際環(huán)境應用的需求。