基于Zigbee技術(shù)的溫濕度采集系統設計

摘要：本系統采用CC2530芯片為核心配置，以溫濕度傳感器SHT75、計算機監控系統等部件，通過(guò)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據，并通過(guò)RS485總線(xiàn)來(lái)實(shí)現PC上位機與單片機控制模塊半雙工串行通信?；赯igBee技術(shù)設計的智能溫濕度采集系統，可全天候實(shí)時(shí)監控溫室內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；數據采集；實(shí)時(shí)監控

溫室農業(yè)經(jīng)濟效益高，前景被普遍看好，是我國農業(yè)的重要發(fā)展方向之一。然而在溫室的監控方面，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(zhù)信息技術(shù)的推廣，依托計算機和通信科學(xué)的智能化管理溫室環(huán)境是溫室發(fā)展的必然趨勢。
ZigBee技術(shù)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(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，是一組基于IEEE批準通過(guò)的802．15．4無(wú)線(xiàn)標準研制開(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)行數據傳輸。同時(shí)ZigBee是一個(gè)由可多到65 000個(gè)無(wú)線(xiàn)數據傳輸模塊組成的無(wú)線(xiàn)數據傳輸網(wǎng)絡(luò )平臺?；赯igBee技術(shù)設計的智能溫濕度采集系統，可全天候實(shí)時(shí)監控溫室內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 溫濕度采集系統的總體設計
本系統采用智能傳感器SHT75和CC2530芯片構成，通過(guò)SHT75對環(huán)境內的溫度、濕度參數實(shí)時(shí)檢測，經(jīng)傳感器芯片內A／D轉換器轉換成對應的二進(jìn)制值存儲于芯片的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應的參數值，本系統帶RS4 85通訊接口可連接監控主機或PC，通過(guò)監控主機或PC來(lái)實(shí)時(shí)查看當前溫度和濕度值，并可在監控主機或PC上設置報警參數以便實(shí)時(shí)監控環(huán)境溫度和濕度值。系統功能模塊框圖如圖1所示。

2 溫濕度采集系統的硬件設計
2．1 數據采集單元
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)測量、全量程標定、響應時(shí)間短、可完全浸沒(méi)水中、測量精度高和穩定性好等優(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(xiàn)通信單元
系統的無(wú)線(xiàn)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(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大的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)。CC2530結合了領(lǐng)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，設計簡(jiǎn)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(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／脈沖寬度調制(PWM)功能。每個(gè)計數器捕獲通道可以用作一個(gè)PWM輸出或捕獲輸入信號邊沿的時(shí)序。定時(shí)器2是專(zhuān)門(mén)為支持IEEE802．15．4 MAC或軟件中其他時(shí)槽的協(xié)議設計。定時(shí)器3和定時(shí)器4是8位定時(shí)器，具有定時(shí)器／計數器／PWM功能。
CC2530芯片的無(wú)線(xiàn)射頻收發(fā)原理為：把接收到的RF信號通過(guò)低噪聲放大器(LNA)和功率放大器(PA)，進(jìn)行積分轉換，輸入到混頻器中，再經(jīng)過(guò)頻率合成器和90度的相位轉換，以及模數轉換(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(guò)嵌入式的微控制單元(MCU)進(jìn)行數據的傳輸。
2．3 通信接口
數據采集包括單片機對溫濕度傳感器數據采集，還包括PC對單片機數據采集和處理。系統采用的是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接口提高了傳輸的速率和增加了傳輸距離，目前廣泛運用于數據采集通信系統。
2．4 電源電路
系統的電源部分采用蓄電池與光能互補供電方式，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，本系統多采用低功耗芯片，并在程序中增加休眠程序和無(wú)線(xiàn)遠程喚醒程序，最大限度地降低系統功耗。
2．5 硬件原理圖
硬件電路的設計采用Protel DXP 2004開(kāi)發(fā)工具，根據CC2530芯片的特性，系統硬件電路原理圖如圖2所示。在本電路中CC2530既承擔著(zhù)CPU的功能又承擔著(zhù)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字信號并傳給CPU，CPU將接收到的溫濕度數字信號進(jìn)行儲存，等待主機發(fā)送廣播，得到主機命令后，從機CPU將數據無(wú)線(xiàn)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(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(gè)RF信號，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，和天線(xiàn)達到最佳的阻抗匹配。

3 溫濕度采集系統的軟件設計
本系統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(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)議棧的基礎上，編寫(xiě)了系統的應用程序代碼，用VC編寫(xiě)上位機程序。

系統上電以后，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，如校驗正確則進(jìn)入正常模式運行，溫度和濕度采樣分開(kāi)執行，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)器累計計時(shí)使溫度和濕度的讀取進(jìn)行輪巡，主機通過(guò)RS485通訊接口可訪(fǎng)問(wèn)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(shí)，可通過(guò)自身的物理地址來(lái)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調試接口。系統軟件主要包括協(xié)調器節點(diǎn)程序、路由器節點(diǎn)程序。協(xié)調器是第一級節點(diǎn)，負責組建網(wǎng)絡(luò )，網(wǎng)絡(luò )組建好后會(huì )分配節點(diǎn)ID地址，協(xié)調器接收到手持控制終端發(fā)送的命令，發(fā)送控制命令到節點(diǎn)就可以實(shí)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(luò )就可以實(shí)施相應控制，協(xié)調器接收命令同時(shí)將控制命令發(fā)送到路由器或者終端節點(diǎn)，如果直接發(fā)送命令給路由器，路由器就會(huì )執行相應命令，也可以通過(guò)路由器發(fā)送給終端節點(diǎn)，由終端節點(diǎn)執行相應命令。路由器(包含終端節點(diǎn))工作流程圖如圖4所示。
3．3 系統功能實(shí)現
控制終端是一手持讀寫(xiě)器(PDA)，讀寫(xiě)器內設置了無(wú)線(xiàn)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)識別每一節點(diǎn)的ID地址，通過(guò)對節點(diǎn)發(fā)送命令實(shí)現控制?？梢詫蝹€(gè)溫濕度采集器進(jìn)行數據讀取，即向單個(gè)節點(diǎn)發(fā)送控制命令，也可以將部分節點(diǎn)組建一個(gè)局域網(wǎng)絡(luò )存儲到讀寫(xiě)器中，對這個(gè)局域網(wǎng)絡(luò )發(fā)送命令就可以實(shí)現局域網(wǎng)內所有節點(diǎn)的溫濕度采集器的數據讀取。

4 結束語(yǔ)
通過(guò)Zigbee技術(shù)實(shí)現了對溫濕度采集器的無(wú)線(xiàn)控制，解決了溫室監控系統現階段人工采集、效率低下和數據采集存在盲區等問(wèn)題，可全天候實(shí)時(shí)監控溫室內的空氣溫濕度等信息，實(shí)現了溫室環(huán)境采集的無(wú)線(xiàn)通訊，所構建控制系統具有低功耗、低成本，開(kāi)發(fā)方便，易于擴展等特點(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)的溫濕度采集系統具有廣闊的市場(chǎng)，同時(shí)可以進(jìn)一步擴展到采集系統遠程無(wú)線(xiàn)控制。溫濕度采集系統未來(lái)的研究應側重于節點(diǎn)數據傳輸的安全性和穩定性，進(jìn)一步提高基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的溫室環(huán)境采集系統的自動(dòng)化、智能化程度，使之滿(mǎn)足實(shí)際環(huán)境應用的需求。