基于ZigBee的溫濕度監控系統設計

糧食是人類(lèi)賴(lài)以生存的基本物質(zhì)，是關(guān)系國計民生的重要物質(zhì)，目前我國地方各大糧庫的溫濕控制，主要采用干溫度表、毛發(fā)濕度計、雙金屬式測量計、濕度測試紙等測量器材進(jìn)行人工檢測。ZigBee技術(shù)具有節點(diǎn)能耗低、成本低、應用簡(jiǎn)單、組網(wǎng)能力強等優(yōu)點(diǎn)?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，本文提出了基于ZigBee 的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的糧倉環(huán)境檢測系統。

1 系統框架設計

本文采用ZigBee 技術(shù)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)傳感器采集糧倉的溫濕度，并把數據傳輸到無(wú)線(xiàn)通信節點(diǎn)中。在系統中，每個(gè)糧倉安置幾個(gè)發(fā)送模塊作為路由器使用，通過(guò)路由器把數據無(wú)線(xiàn)發(fā)送到協(xié)調器中，協(xié)調器通過(guò)RS232 與上位機進(jìn)行通訊，實(shí)現對糧倉環(huán)境溫濕度的監控。同時(shí)系統也對糧堆溫度的現場(chǎng)測量，不僅在現場(chǎng)顯示，供現場(chǎng)工作人員監控糧堆的溫度，而且通過(guò)無(wú)線(xiàn)節點(diǎn)發(fā)送到協(xié)調器，在上位機中顯示。圖1 為系統的結構示意圖。系統中存在一個(gè)節點(diǎn)作為協(xié)調器節點(diǎn)，完成網(wǎng)絡(luò )組建、路由功能。糧堆內節點(diǎn)只作為終端節點(diǎn)，之間互相不通信，因此采用半功能節點(diǎn)（RFD），完成糧堆溫度采集及發(fā)送。而糧倉節點(diǎn)采用全功能節點(diǎn)（FFD），之間可以互相通信并附帶路由器功能，完成網(wǎng)絡(luò )通信及溫濕度采集。

圖1 基于ZigBee 的糧倉溫濕度監控系統結構示意圖

　　2 溫濕度監控系統硬件設計

2. 1 糧倉節點(diǎn)

無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)由數據采集、數據處理、無(wú)線(xiàn)通信和能量供應四個(gè)模塊組成，節點(diǎn)結構如圖2 所示。

圖2 傳感器節點(diǎn)結構圖

數據采集模塊負責溫濕度信息采集和數據轉換； 數據處理模塊由微控制器組成，負責控制整個(gè)傳感器節點(diǎn)的操作和數據存儲； 無(wú)線(xiàn)通信模塊由無(wú)線(xiàn)收發(fā)器組成，負責與其他傳感器節點(diǎn)進(jìn)行通信，能量供應模塊為系統其他的三個(gè)部分提供能量。SHT11是瑞士Sensirion 公司推出的基于CMOSensTM 技術(shù)的新型溫濕度傳感器。而CC2430 芯片為Chipcon 公司生產(chǎn)的2. 4GHz 射頻系統級芯片，是一款真正符合IEEE802. 15. 4 標準的片上ZigBee 產(chǎn)品。通過(guò)SHT11 檢測得到溫濕度，并轉化為數字信號，傳輸至CC2430,由CC2430 負責對信號進(jìn)行處理發(fā)送。節點(diǎn)電源部分使用兩節AA 電池，為了使系統工作時(shí)間持續長(cháng)，節點(diǎn)通常在閑置時(shí)快速進(jìn)入休眠模式，其外設模塊進(jìn)入休眠狀態(tài)，或者電源管理部分不對這些外設模塊供電。

CC2430 通過(guò)I2C 接口定時(shí)讀出SHT11 的溫濕度數據，并將溫濕度通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )傳送。SHT11 采用串行與處理器進(jìn)行數據通信，SCK 數據線(xiàn)負責處理器和SHT11 的通訊同步； DATA 三態(tài)門(mén)用于數據的讀取。為避免信號沖突，微處理器應驅動(dòng)DATA 在低電平。需要一個(gè)外部的上拉電阻將信號提拉至高電平，設計過(guò)程中，將SHT11 溫濕度傳感器與一個(gè)拓展插口P7 接在一起，獨立做成一個(gè)小模塊，便于與無(wú)線(xiàn)模塊模板的連接，用CC2430 芯片發(fā)送采集數據到無(wú)線(xiàn)模塊模板上的CC2430 芯片。SHT11 溫濕度傳感器模塊的P7 對應CC2430 模板的L7 口，CC2430 模板既用來(lái)對SHT11 溫濕度模塊供電也用來(lái)對CC2430 芯片供電，無(wú)線(xiàn)模塊模板與SHT11 溫濕度傳感模塊的連接電路圖如圖3 所示。

2. 2 糧堆節點(diǎn)

對于糧庫的監控，不僅要監控糧倉的溫濕度，而且也要監控糧堆的溫度。對溫度傳感器的選型，這里采用DS18B20.DS18B20 是一款全數字溫度轉換及輸出傳感器。從DS18B20 讀出信息或是寫(xiě)入DS18B20信息僅需要1 根口線(xiàn)（ 即單總線(xiàn)接口） .溫度變換、讀取等所需的能量由總線(xiàn)提供，無(wú)需外接電源。使用DS18B20 可以節省系統資源、使系統結構更趨簡(jiǎn)單，可靠性更高，更節能，更適用于溫度緩變場(chǎng)所的長(cháng)時(shí)間溫度監測。最高分辨率達到12 位，精度可達±0. 5℃?；贒S18B20 溫度傳感器節點(diǎn)設計如圖4 所示。

圖3 與溫濕度傳感模塊的連接電路圖。

圖4 與溫度傳感模塊的連接電路圖。

3 軟件設計

糧倉/糧堆溫濕度節點(diǎn)軟件的實(shí)現： 終端節點(diǎn)首先通過(guò)初始化系統參數，讀取數據。之后立即開(kāi)始發(fā)送節點(diǎn)地址，等待路由器響應，而后發(fā)送數據長(cháng)度，確認長(cháng)度后路由器可以預留合適的空間存儲數據而后接收數據，接收校驗碼。至此，本次發(fā)送任務(wù)結束，進(jìn)入睡眠狀態(tài)，節省電源。而路由器接收下一發(fā)送模塊的數據，并將剛接收的數據發(fā)送給協(xié)調器。

經(jīng)過(guò)上面的步驟，糧倉溫濕度監控系統可以實(shí)時(shí)監控糧倉的溫濕度變化，為更便捷地實(shí)現數據觀(guān)測，糧倉溫濕度采集系統上位機監控界面采用圖形化的編程語(yǔ)言L(fǎng)abVIEW 軟件編寫(xiě)，實(shí)現對終端監測節點(diǎn)上傳數據的采集與處理，并實(shí)時(shí)顯示各個(gè)節點(diǎn)的IEEE 號和溫濕度數據。糧倉溫濕度采集系統監控界面如圖5 所示。在進(jìn)行PC 機和無(wú)線(xiàn)采集模塊串行通信前，首先配置好串口，即串口初始化，使計算機串口的各種參數設置與無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊的串口參數保持一致，以致能夠正確的通信。由圖5 可見(jiàn)，所設計的界面反映了各節點(diǎn)所采集的溫度和濕度，圖中，0x6CFCFC5385FC4797 和0xE972B47D46C97E 分別是兩個(gè)CC2430 節點(diǎn)的IEEE 地址，24.6℃和24.4℃表示兩個(gè)節點(diǎn)的溫濕度傳感器所采集到的溫度，66. 5%和67. 6%表示為兩個(gè)節點(diǎn)采集到的濕度。

圖5 糧倉溫濕度采集系統監控軟件界面

4 結論

本文提出基于ZigBee 技術(shù)的糧倉溫濕度監控系統設計，采用簇狀網(wǎng)絡(luò )組網(wǎng)，實(shí)現對糧倉環(huán)境溫、濕度的測量，采集并在LabVIEW 平臺上實(shí)現了節點(diǎn)數據的顯示。通過(guò)實(shí)驗證明這種解決方案有很強的實(shí)用性，系統運行穩定。在實(shí)際的推廣中，可根據實(shí)現目標的需要確定路由器和終端設備的數量，解決實(shí)際應用中有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )布線(xiàn)成本過(guò)高及不便到達、環(huán)境惡劣地區環(huán)境溫濕度監測的問(wèn)題。