基于Zigbee的水產(chǎn)養殖溫度監控的設計與實(shí)現

摘要：隨著(zhù)社會(huì )的發(fā)展，傳統的水產(chǎn)養殖不斷減少，集中型的大規模水產(chǎn)養殖不斷發(fā)展，對水產(chǎn)養殖的成活率要求越來(lái)越高。水產(chǎn)養殖中，溫度是養殖物成活的最關(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的溫度監控設計，測溫用的是防水型的DS18B20數字溫度傳感器。通過(guò)DS18B20傳感器進(jìn)行溫度檢測，輸出數字量，通過(guò)CC2530數據處理模塊進(jìn)行處理后無(wú)線(xiàn)發(fā)送給協(xié)調端節點(diǎn)，協(xié)調端節點(diǎn)再通過(guò)串口傳輸給監控端，完成系統的監控工作。通過(guò)對溫度的實(shí)時(shí)監控，以達到對水產(chǎn)養殖場(chǎng)的溫度進(jìn)行估判，從而做出相應的措施，保證水產(chǎn)的最高效益。

關(guān)鍵詞：Zigbee;CC2530;智能;溫度監控

在近代以及目前發(fā)展的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)中，Zigbee技術(shù)發(fā)展越來(lái)越廣泛。以Zigbee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )方式構建的新一代通訊網(wǎng)絡(luò )，在現代生活中已經(jīng)得到了廣泛的應用。目前開(kāi)發(fā)的短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)中，無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )可以說(shuō)是一種具有很大的實(shí)用價(jià)值通信技術(shù)。對于目前追求低功耗、成本低的無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )水產(chǎn)養殖環(huán)境溫度進(jìn)行采集傳輸，以達到實(shí)時(shí)遠程監控。課題研究?jì)热莅ǎ航K端傳感節點(diǎn)采集養殖場(chǎng)的實(shí)時(shí)溫度，處理后將無(wú)線(xiàn)發(fā)送給協(xié)調器，協(xié)調器再通過(guò)串口傳輸給上位機終端顯示并預警。

1 關(guān)鍵技術(shù)及協(xié)議

1.1 ZigBee無(wú)線(xiàn)技術(shù)簡(jiǎn)介

ZigBee技術(shù)的研發(fā)是以IEEE802.15.4為基礎，Zigbee技術(shù)的研發(fā)主要是關(guān)于安全、組網(wǎng)和應用軟件。第一份Zigbee規范“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(fǎng)問(wèn)控制層與物理層的支持與網(wǎng)絡(luò )上的應用服務(wù)。Zigbee無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)具有以下特點(diǎn)：

1.1.1 成本低功耗低

Zigbee頻段是免費使用的，無(wú)需繳納專(zhuān)利費，而且Zigbee協(xié)議棧的源代碼是開(kāi)元的，此外，Zigbee射頻芯片價(jià)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(mǎn)足，在節點(diǎn)設計上，一個(gè)節點(diǎn)工作半年時(shí)間也只需要2節5號干電池提供電源。Zigbee具有工作周期長(cháng)的優(yōu)勢，是目前WIFI、藍牙等無(wú)線(xiàn)技術(shù)無(wú)可媲美的。

1.1.2 速率低延時(shí)短

對于低速率數據傳輸的應用要求，Zigbee在2.4GHz提供的的數據吞吐率為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的響應速率是比較快的。

1.1.3 距離短容量高

Zigbee無(wú)線(xiàn)傳輸在視距理論上是100 m，而增加路由節點(diǎn)可以增長(cháng)傳輸距離。Zigbee可以進(jìn)行多節點(diǎn)組網(wǎng)，最多可以設計65000個(gè)節點(diǎn)，每一個(gè)中心節點(diǎn)匯聚若干個(gè)254個(gè)節點(diǎn)，并且可以由高層節點(diǎn)向下層節點(diǎn)進(jìn)行管理。在Zigbee整個(gè)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 )結構進(jìn)行組網(wǎng)。

1.1.4 安全高免費照頻段

ZigBee在無(wú)線(xiàn)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(chēng)密碼、使用訪(fǎng)問(wèn)控制清單(防止非法獲取數據)及無(wú)安全設定。2.4 GHz是全球免費工業(yè)、醫療、科學(xué)使用頻段。2.5 GHz頻段的信道帶寬為5 MHz，具有16個(gè)信道。

2 總體設計方案

我國水產(chǎn)養殖正在往集中型的大規模養殖發(fā)展，針對有規模的水產(chǎn)養殖，Zigbee的無(wú)線(xiàn)監控系統可以發(fā)揮很大作用。通過(guò)在養殖場(chǎng)的分布溫度傳感節點(diǎn)，傳感節點(diǎn)可以實(shí)時(shí)

監測水溫，經(jīng)無(wú)線(xiàn)協(xié)議傳輸給協(xié)調節點(diǎn)，距離遠的節點(diǎn)可以通過(guò)添加路由節點(diǎn)以達到遠距離的溫度傳輸。協(xié)調節點(diǎn)在通過(guò)組網(wǎng)接收到各傳感節點(diǎn)的數據后經(jīng)過(guò)串口傳輸給PC機，供上位機顯示和預警。

設計中，主要有傳感節點(diǎn)、路由節點(diǎn)和協(xié)調節點(diǎn)組網(wǎng)組成系統，進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸，其中路由節點(diǎn)和傳感節點(diǎn)的低功耗可以進(jìn)行電池供電，協(xié)調節點(diǎn)直接連接監控端可由監控端供電。

2.1 芯片選擇

本設計選用的Zigbee芯片為T(mén)I公司的CC2530，CC2530是目前Zigbee設計運用中使用最多的無(wú)線(xiàn)射頻芯片，它是目前一個(gè)真正用于IEEE802.15.4協(xié)議標準，RF4CE以及Zig bee應用的片上系統(SoC)解決方案。CC2530內核結合了增強型的8051 CPU，同時(shí)具有8KB RAM，其系統可以編程閃存。在設計發(fā)展中，CC2530設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(lèi)芯片中能夠以非常低的硬件成本設計建立一個(gè)龐大的無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )。同時(shí)，為了適應不同功耗要求，CC2530也設計有不同的運行模式，滿(mǎn)足低功耗要求，在主動(dòng)模式即CPU空閑時(shí)，接收時(shí)電流為24 mA，發(fā)送時(shí)電流為29 mA;供電電壓范圍為2～3.6 V。在滿(mǎn)足低功耗的同時(shí)，它在不同模式的轉換時(shí)間也非常短。

2.2 溫度傳感器

DS18B20是一款常用的，可以應用于多場(chǎng)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(mǎn)足設計要求。其性能特性為：DS18B20在實(shí)現與微處理器雙向通信時(shí)只需要一條口線(xiàn)連，這種單線(xiàn)接口方式的獨特設計，非常便于設計應用;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(jìn)行多點(diǎn)組合功能，可以最多八個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線(xiàn)上，從而實(shí)現多點(diǎn)測溫(不能過(guò)多的原因是并聯(lián)多會(huì )使電源的供電電壓低，影響數據信號的的不穩定傳輸;適用于DN15～25，DN40～DN250各種介質(zhì)工業(yè)管道和狹小空間設備測溫;在設計使用中不需要任何外圍元件便可以完成設計;測量結果以串行方式進(jìn)行9到12位數字量的方式傳送;工作電源：3.0～5.5V/DC。

3 硬件系統設計

3.1 協(xié)調器節點(diǎn)設計

ZigBee協(xié)調器主要用于建立網(wǎng)絡(luò )并組網(wǎng)管理節點(diǎn)，其電路設計包括：一個(gè)CC2530芯片處理模塊、一個(gè)串口模塊、一個(gè)JTAG接口/復位模塊、一個(gè)電源模塊、LED指示燈模塊等，結構如圖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電源穩壓芯片進(jìn)行穩壓。

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

3.2 路由節點(diǎn)設計

路由節點(diǎn)作用于協(xié)調器與傳感節點(diǎn)之間，以達到更遠距離的傳輸，其工作主要由協(xié)議完成，電路設計只需外接LED指示燈、復位電路以及電源接入即可。路由節點(diǎn)結構如圖2所示。

3.3 傳感節點(diǎn)設計

傳感節點(diǎn)主要用于檢測水溫，并無(wú)線(xiàn)發(fā)送給處理端，電路設計主要測溫模塊、復位模塊、LED指示模塊、電源模塊。傳感節點(diǎn)的結構如圖3所示。

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

4 軟件系統設計

4.1 軟件系統的總體結構

本設計采用的組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構為樹(shù)形結構，主要由協(xié)調節點(diǎn)、路由節點(diǎn)、傳感節點(diǎn)組成。傳感節點(diǎn)負責采集數據并發(fā)誓給協(xié)調節點(diǎn)，路由節點(diǎn)主要為遠距離的傳感節點(diǎn)轉發(fā)數據給協(xié)調節點(diǎn)，協(xié)調節點(diǎn)將接收的數據再上傳給PC機。系統的流程圖如圖5所示。

4.2 協(xié)調器軟件設計

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

4.3 路由節點(diǎn)軟件設計

路由節點(diǎn)負責為傳感節點(diǎn)的數據轉發(fā)。其流程圖如圖7所示。

5 上位機設計

本系統上位機設計為VB語(yǔ)言設計，Visual Basic是目前一種應用于圖形界面比較多的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，它衍生于BASIC編程語(yǔ)言。VB用有快速應用程序開(kāi)發(fā)和圖形用戶(hù)界面開(kāi)發(fā)系統，它是微軟開(kāi)發(fā)的，用于協(xié)助開(kāi)發(fā)環(huán)境的驅動(dòng)編程語(yǔ)言。在現在的使用標準來(lái)說(shuō)，VB是目前世界上使用者對多的語(yǔ)言，在目前圖形化界面開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)，VB是比較好的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言較容易應用ADO、DAO、RDO輕松創(chuàng )建ActiveX控件和連接數據庫。對于想快速建立一個(gè)應用程序，VB將會(huì )是一個(gè)很好的選擇。本設計的上位機制作，VB是一個(gè)很好的選擇。上位機設計如圖8所示。

6 結束語(yǔ)

采用的是基于Zigbee的溫度監控設計，測溫用的是防水型的DS18B20數字溫度傳感器。通過(guò)DS18B20傳感器進(jìn)行溫度檢測，輸出數字量，CC2530數據處理模塊進(jìn)行處理后無(wú)線(xiàn)發(fā)送給協(xié)調端節點(diǎn)，協(xié)調端節點(diǎn)再通過(guò)串口傳輸給監控端，完成系統的監控工作，為了進(jìn)一步提高性能，系統有優(yōu)化和改進(jìn)的空間。