基于Zigbee技術(shù)的溫濕度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)等部件，通過(guò)單片機(jī)與智能傳感器相連，采集并存儲(chǔ)智能傳感器的測(cè)量數(shù)據(jù)，并通過(guò)RS485總線來(lái)實(shí)現(xiàn)PC上位機(jī)與單片機(jī)控制模塊半雙工串行通信?；赯igBee技術(shù)設(shè)計(jì)的智能溫濕度采集系統(tǒng)，可全天候實(shí)時(shí)監(jiān)控溫室內(nèi)的空氣溫度和濕度信息，具有實(shí)時(shí)性高、低功耗、有效范圍大、成本低、可靠性高等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：溫濕度傳感器；CC2530；數(shù)據(jù)采集；實(shí)時(shí)監(jiān)控

溫室農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)效益高，前景被普遍看好，是我國(guó)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(shù)的推廣，依托計(jì)算機(jī)和通信科學(xué)的智能化管理溫室環(huán)境是溫室發(fā)展的必然趨勢(shì)。
ZigBee技術(shù)是一種應(yīng)用于短距離范圍內(nèi)，低傳輸速率下的各種電子設(shè)備之間無(wú)線通信技術(shù)，是一組基于IEEE批準(zhǔn)通過(guò)的802．15．4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)研制開(kāi)發(fā)的，這就確定了可以在不同制造商之間共享的應(yīng)用綱要。Zigbee兼容的產(chǎn)品工作在2．4 GHz這個(gè)全球通用的免費(fèi)開(kāi)放頻段，這個(gè)頻段提供了16個(gè)傳輸信道，每次通信都會(huì)自主選擇一個(gè)最干凈干擾最小的信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)ZigBee是一個(gè)由可多到65 000個(gè)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊組成的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。基于ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)的智能溫濕度采集系統(tǒng)，可全天候實(shí)時(shí)監(jiān)控溫室內(nèi)的空氣溫濕度等信息，具有實(shí)時(shí)性高、低功耗、有效范圍大、成本低、可靠性高等特點(diǎn)。

1 溫濕度采集系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用智能傳感器SHT75和CC2530芯片構(gòu)成，通過(guò)SHT75對(duì)環(huán)境內(nèi)的溫度、濕度參數(shù)實(shí)時(shí)檢測(cè)，經(jīng)傳感器芯片內(nèi)A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制值存儲(chǔ)于芯片的RAM中，CC2530芯片通過(guò)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(duì)應(yīng)的參數(shù)值，本系統(tǒng)帶RS4 85通訊接口可連接監(jiān)控主機(jī)或PC，通過(guò)監(jiān)控主機(jī)或PC來(lái)實(shí)時(shí)查看當(dāng)前溫度和濕度值，并可在監(jiān)控主機(jī)或PC上設(shè)置報(bào)警參數(shù)以便實(shí)時(shí)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(shè)計(jì)
2．1 數(shù)據(jù)采集單元
鑒于測(cè)量環(huán)境特殊要求，溫濕度檢測(cè)模塊不可能做得很大，而且系統(tǒng)要求響應(yīng)靈敏，測(cè)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(diǎn)測(cè)量、全量程標(biāo)定、響應(yīng)時(shí)間短、可完全浸沒(méi)水中、測(cè)量精度高和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。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(gè)100μF的電容，用以去耦濾波。
2．2 無(wú)線通信單元
系統(tǒng)的無(wú)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(biāo)準(zhǔn)，Zigbee技術(shù)，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(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)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(shí)所需的外部元件很少，兩個(gè)32 MHz的晶振、幾個(gè)電容和電感元件就可組成一個(gè)高可靠性的收發(fā)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且成本較低。
CC2530具有多種運(yùn)行模式，本設(shè)計(jì)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(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間短以確保了低能耗，CC2530在休眠狀態(tài)時(shí)，電流僅為1μA。CC2530的定時(shí)器1是一個(gè)16位定時(shí)器，具有定時(shí)器／脈沖寬度調(diào)制(PWM)功能。每個(gè)計(jì)數(shù)器捕獲通道可以用作一個(gè)PWM輸出或捕獲輸入信號(hào)邊沿的時(shí)序。定時(shí)器2是專門(mén)為支持IEEE802．15．4 MAC或軟件中其他時(shí)槽的協(xié)議設(shè)計(jì)。定時(shí)器3和定時(shí)器4是8位定時(shí)器，具有定時(shí)器／計(jì)數(shù)器／PWM功能。
CC2530芯片的無(wú)線射頻收發(fā)原理為：把接收到的RF信號(hào)通過(guò)低噪聲放大器(LNA)和功率放大器(PA)，進(jìn)行積分轉(zhuǎn)換，輸入到混頻器中，再經(jīng)過(guò)頻率合成器和90度的相位轉(zhuǎn)換，以及模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)，調(diào)制解調(diào)(Modem)和同步信號(hào)校準(zhǔn)(FEC)、信息包處理，然后送入RX／TX中，再通過(guò)嵌入式的微控制單元(MCU)進(jìn)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(jī)對(duì)溫濕度傳感器數(shù)據(jù)采集，還包括PC對(duì)單片機(jī)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(yùn)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(bǔ)供電方式，利用太陽(yáng)能為電源蓄電池進(jìn)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(wú)線遠(yuǎn)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(shè)計(jì)采用Protel DXP 2004開(kāi)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(dān)著CPU的功能又承擔(dān)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(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)并傳給CPU，CPU將接收到的溫濕度數(shù)字信號(hào)進(jìn)行儲(chǔ)存，等待主機(jī)發(fā)送廣播，得到主機(jī)命令后，從機(jī)CPU將數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送給主機(jī)。
該原理圖的主要外圍元件功能為：偏置電阻R3用于設(shè)置一個(gè)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(fù)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(hào)轉(zhuǎn)換成單個(gè)RF信號(hào)，再通過(guò)一個(gè)π型LC濾波器(C13、C14、L4)的作用，最終輸出50歐姆的RF信號(hào)，和天線達(dá)到最佳的阻抗匹配。

3 溫濕度采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用結(jié)構(gòu)化和模塊化設(shè)計(jì)方法，便于功能擴(kuò)展。軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境選擇IAR Embedded Workbench for MCS-51 7．51A作為Zigbee開(kāi)發(fā)的IDE，在TI Z Stack協(xié)議棧的基礎(chǔ)上，編寫(xiě)了系統(tǒng)的應(yīng)用程序代碼，用VC編寫(xiě)上位機(jī)程序。

系統(tǒng)上電以后，初始化I／O口，開(kāi)啟看門(mén)狗，讀取存在EEPROM中的變送器地址值并將讀取的地址值進(jìn)行校驗(yàn)，如校驗(yàn)正確則進(jìn)入正常模式運(yùn)行，溫度和濕度采樣分開(kāi)執(zhí)行，每次只采樣一個(gè)溫度值或一個(gè)濕度值，經(jīng)過(guò)定時(shí)器累計(jì)計(jì)時(shí)使溫度和濕度的讀取進(jìn)行輪巡，主機(jī)通過(guò)RS485通訊接口可訪問(wèn)變送器的溫度和濕度值，還可以設(shè)置變送器的物理地址，當(dāng)多臺(tái)變送器聯(lián)機(jī)時(shí)，可通過(guò)自身的物理地址來(lái)識(shí)別命令碼。
3．1 協(xié)調(diào)器的工作流程
Z Stack提供了豐富的調(diào)試函數(shù)調(diào)試接口。系統(tǒng)軟件主要包括協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序、路由器節(jié)點(diǎn)程序。協(xié)調(diào)器是第一級(jí)節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)組建網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)組建好后會(huì)分配節(jié)點(diǎn)ID地址，協(xié)調(diào)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(diǎn)就可以實(shí)施相應(yīng)控制，協(xié)調(diào)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(diào)器擴(kuò)展到第2級(jí)、第3級(jí)甚至多級(jí)，只要在同一網(wǎng)絡(luò)就可以實(shí)施相應(yīng)控制，協(xié)調(diào)器接收命令同時(shí)將控制命令發(fā)送到路由器或者終端節(jié)點(diǎn)，如果直接發(fā)送命令給路由器，路由器就會(huì)執(zhí)行相應(yīng)命令，也可以通過(guò)路由器發(fā)送給終端節(jié)點(diǎn)，由終端節(jié)點(diǎn)執(zhí)行相應(yīng)命令。路由器(包含終端節(jié)點(diǎn))工作流程圖如圖4所示。
3．3 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)
控制終端是一手持讀寫(xiě)器(PDA)，讀寫(xiě)器內(nèi)設(shè)置了無(wú)線收發(fā)模塊，在組建網(wǎng)絡(luò)時(shí)將讀寫(xiě)器加入網(wǎng)絡(luò)，讀寫(xiě)器會(huì)自動(dòng)識(shí)別每一節(jié)點(diǎn)的ID地址，通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令實(shí)現(xiàn)控制?？梢詫?duì)單個(gè)溫濕度采集器進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，即向單個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制命令，也可以將部分節(jié)點(diǎn)組建一個(gè)局域網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)到讀寫(xiě)器中，對(duì)這個(gè)局域網(wǎng)絡(luò)發(fā)送命令就可以實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)的溫濕度采集器的數(shù)據(jù)讀取。

4 結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)Zigbee技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫濕度采集器的無(wú)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(wèn)題，可全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)控溫室內(nèi)的空氣溫濕度等信息，實(shí)現(xiàn)了溫室環(huán)境采集的無(wú)線通訊，所構(gòu)建控制系統(tǒng)具有低功耗、低成本，開(kāi)發(fā)方便，易于擴(kuò)展等特點(diǎn)，而且通過(guò)手持讀寫(xiě)器進(jìn)行控制給人們帶來(lái)了便利。
由于國(guó)家十分重視居民的菜籃子工程，所以基于Zigbee技術(shù)的溫濕度采集系統(tǒng)具有廣闊的市場(chǎng)，同時(shí)可以進(jìn)一步擴(kuò)展到采集系統(tǒng)遠(yuǎn)程無(wú)線控制。溫濕度采集系統(tǒng)未來(lái)的研究應(yīng)側(cè)重于節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院头€(wěn)定性，進(jìn)一步提高基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境采集系統(tǒng)的自動(dòng)化、智能化程度，使之滿足實(shí)際環(huán)境應(yīng)用的需求。