基于CC2530模块的大棚温湿度无线控制器组网研究

方睿舟，吴 磊，王 骁

(南京农业大学，江苏南京210095)

1 引言

大棚是一个特殊的蔬菜生产设备，随着经济和社会的发展，其在日常生活中已随处可见。现如今，大棚已不仅仅满足于盆栽，果树等一些常见的农作物的种植，更加向着满足的像一些经济作物尤其是一些稀有花卉的生长条件发展。但是，光靠植物种植者们靠经验栽培显然缺乏量化指标，而单片机控制温湿度的良好特性正好为此类问题提出了解决方案。

智能大棚的快速成长得益于我国改革开放以来农业向着更高层次智能化、规模化发展所取得的一系列技术上的突破。但就我国目前的智能大棚研究而言，仍然存在着科技含量低、环境调控技术与设备落后，缺乏具体指标、软件处理不到位、先进技术不适应国情等诸多问题。为此，本文提出了一种基于CC2530模块的并运用时兴的WIFI技术的控制系统。

2 控制系统总体设计结构

本文设计的控制系统主要是对温室内部的温湿度进行测试与控制。该系统由温湿度传感器无线采集节点(图1中的模块2、3)、ZigBee协调器(图1中的模块1)、上位主机(图中PC机)三个部分组成。温湿度传感器采集节点安放在适当的位置对大棚温湿度进行采集，并将该信息通过ZigBee传感网络与ZigBee协调器进行通信。此时，ZigBee协调器利用无线组网后的网络将收集的信息传递到上位机。上位机的作用是处理数据并且对温度和湿度实现实时显示。当出现温湿度异常时，上位机发出指令并传递到ZigBee协调器，协调器接受指令并执行命令，控制继电器从而控制温湿度调节器，达到调节大棚温湿度的目的。值得一提的是，采集节点的数据分析能力、记忆能力与通信能力不错，它很好地衔接起传感器网络与因特网等外部网络，完成了两种协议栈之间的通信协议的改变，同时能实现对节点本身监控并将所收集到的数据发送至外 部网络。

图1 总体设计框图

3 系统硬件设计

3.1 数据采集单元

鉴于我国农业环境要求特别，温湿度检测模块的大小势必受到限制，与此同时，系统要求快速性、稳定性、准确性要好。而该设计方案应用了基于专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术的DHT11数字温湿度传感器来测量湿度，它自身能够输出已校准的温湿度复合数字信号，它使用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，产品性能稳定性。该传感器包含感湿元件和NTC元件并与内置的单片机相连。该传感器反应快速性、稳定性好，造价低。但本设计只用其作为湿度传感器。

为了使温湿度分开检测(温湿度检测位置不同)，该系统使用DS18B20作为温度传感器，本传感器具有较好的抗干扰能力，适用于各种恶劣环境，便宜等优点。其所检测的最高温度为+125℃，最低温能够达到零下55℃而在10到85℃范围之内，精度为正负0.5℃ 。在使用中不需要任何外围元件。通过内在的寄生电路便可以保证本身供电方式多样的DS18B20从数据线上获得足够的电能。因此，数据线时序符合一定的要求时，不需要依靠外围电源，简洁易用。另外，DS18B20体积小，经济性好，电压适用范围广，因此非常适合我们采用其作为大棚内的温度传感器。

3.2 外围电路设计及节点电路描述

在无线传感器网络中，总体设计的模块化的思想使其控制器整体性能更佳，结构更紧凑。CC2530拥有连接外部设备的I/O口，可收发数据，控制外围电路。因此，无论是继电器、复位开关，还是电源、传感器、天线，通过插针，它们都能作为外设构成整个模块的一部分。而传感器是外设是最为重要的部分，它是采集数据的初始来源，同时为了与系统更好的匹配，所采用每个传感器必须在软件和硬件上完全兼容。本设计采集节点中我们采用低成本、可更换、能耗低的数字式传感器，它们先把把采集到的温度，湿度等信息储存在CC2530的存储器中，然后节点每隔一段时间节点就会发送这些数据信息到ZigBee协调器。因为CC2530内部已经集成了多个功能模块，所以外部电路并不需要重复地表现它们，其设计也因此大大的得到了优化。

如图2所示，其中，将两个负载电容(C10和C11)分别与一个外围32－MHz振荡器X2的两端相连。X1是一个可供任意使用的32.768－kHz晶振，它有两个负载电容(C8和C9)用于32.768－kHz晶振。32.768 kHz晶体主要应用于睡眠电流相对较低的损耗和准确的唤醒时间。32－MHz晶振中可见的负载电容与32.768－kHz晶振可见的负载电容可由下面左右两式求得。

图2 晶振、天线电路及传感器电路的设计

至于射频天线，需要考虑以下一些问题:天线形状、输出方向、天线长度、天线的材料。对于传感器节点，由于其处于不可预期的传感器节点周围，因此一般选择全向天线。另外它必须是单极子天线，这是一种谐振天线，其波长为1/4。该天线的设计非常简单，而且可以设计为线性的，结合到PCB板中也不复杂。在天线电路设计中，巴伦电路可抗干扰、噪声等外部干扰。巴伦电路中离散电感和电容成本也不高，很好实现。巴伦电路中的电感、电容大小可由以下两式确定。

在选择天线的材料时还要注意Q值，即品质因素。一般来说，Q值越高表示损耗越小。对天线来说，带宽是中心频点与品质因素的比值，所以当带宽为定值时，Q值就必须要有一定的数值范围。其实，换能器件一般都受Q值的影响，比如在电感器件中，它是感抗与等效损耗电阻之比，这也是评价电感器件的主要因素。天线也可被视作一个换能装置，电磁波信号改变为电流信号，故它与Q值的关系是密不可分的。与其它电子元器件要求较高的Q值不同，天线反而要求较低的Q值，以便于电磁波能以更加高效的方式，在周围的空间内进行传播。

对于温度传感器DS18B20，将单条信号线直接连接芯片的P0_0引脚。对于检测湿度用的传感器用DHT11作为检测工具，该传感器有两根数据总线，一根为数字量的串行总线，另一根为模拟量的串行总线。输出信号如果是模拟量，要使其通过A/D芯片，将模拟量转换为数字信号，然后传送给单片机。但是，直接转为数字量要方便得多，于是，直接将数字信号端连在芯片的P1_0引脚，模拟信号端空置。前两者情况下，两个传感器的数据线都得接上一个上拉电阻，让输出的数字量趋于稳定。

对于PCB布线问题，为了减少阻抗衰减应使两线尽量粗，而且还要对称布置，尽量通过合理的布线将CC2530的收发距离提高。硬件设计关键的地方是网络节点的设计，因为这个地方兼备着数字与高频方面的电路特点。元件布局上尽量做到相同功能的电子元件集中，整体上要保证对板面空间的合理高效利用，这也有助于加工成本的降低;数字信号线布线上做到合理，不唐突;高频部分中的电感、电容布需要匹配天线电路，也应该做到干扰尽量少。节点接口需要采用一个双排的接插件，确保其结构坚固耐用。设计其电源电路时电源去耦和过滤必须添加合适的电源去耦以获得最佳的性能。本设计中PCB图如图3所示。

图3 PCB板的设计

4 系统软件设计

在进行程序设计时，使用IarIdePm软件编写C语言进行程序调试。在设计时从以下几个面进行考虑:

(1)高效使用单片机资源，包括中断控制器、内存仲裁器以及外接电子元件单元;

(2)结构集成、模块集成，子模块处理实现其功用;

主程序主要完成温湿度的采集、数据处理、通信、参数设定、温湿度控制等功能，包括主程序模块、DHT11信号采集控制模块、串行通信程序模块、显示输出模块等。

4.1 主程序模块

首先，在主函数中对各个子函数模块进行调用，在进入主循环函数之前，对将要调用的具体参数进行设定。进入毫秒级延时函数，延时约一秒，使系统稳定下来，对串口初始化。进入主循环后开始向上位机发送指令，上位机接收指令后，应答所接收的指令，然后进行初始化显示。在执行主循环函数时，遇到DHT11子函数时，进入该函数。执行完后再执行温湿度控制子程序，完毕后，将温湿度的转换成字符串通过串口通信子函数将数据传到电脑上可以看到当前的温湿度值。设计的流程图如下:

4.2 DHT11数据采样模块

被执行芯片根据程序向DHT11发送一个脉冲，此时，DHT11接收脉冲，将采集到的数据通过信号线以二进制形式将信息传入处理器。处理器收集数据形式为读取高电平时隙，当单片机读取高电平时间在24－26μs时为0，在116－118μs时为1。

采集到数据后，相关数据格式为:温度整小数部分与湿度整小数部分共四个字节之和等于校验和。如果校验和等于所采集的前四个字节之和，则数据真实，否则再进行数据采集，直到采集值校验正确为止。综合考虑到DHT11的温度精度、灵敏度问题，还有采集温湿度时最佳安放位置不同问题，采用DS18B20代替DHT11采集温度。因此，单片机处理温湿度数值时，仅读取湿度部分，把温度部分去掉不读取。于是，处理器将收集到的数据自动转换为十进制数形式，然后将数据通过RS232传入PC进行显示，并将显示值与环境实际湿度值作比较，调节采集到的数据，使显示值接近于真实值。

4.3 DS18B20 测温模块

主程序访问DS18B20初始化子程序时，I/O口发出480μs左右低电平的复位脉冲，再将端口变为15到60μs的高电平，让主机等待其发回60－240μs的脉冲，把这I/O引脚处的电平置高。

进入写时序函数时，I/O口首先向DS18B20产生一个下降沿，让低电平持续1μs以上，然后由I/O口向传感器写数据。当向其内部写入“1”时，将I/O口拉为高电平持续60μs以上，以便让传感器有足够的读取时间，写完后将I/O口拉高。若写“0”时，同理，将I/O口拉为低电平并持续60μs以上，写完后将I/O口拉高，但相邻两个数据时间差大于1μs。

单片机通过I/O口向传感器发出跳过命令［CCH］之后发读暂存器命令［BEH］，单片机立即产生读时隙读取低8位数据，在读取高8位数据。综前所述，所有读取时间间隙必须至少维持60μs，同时，读取相邻两个数据时的时间大于1us。所有的读时隙都由I/O口拉低至少1μs后再拉高为高电平。准备工作完成后，I/O口开始接收由DS18B20传过来的数据，当接收到一个高电平时，为逻辑“1”，反之为逻辑“0”。当发送0的时候，传感器在读时隙的末期会产生高电平，输出的数据在下降沿产生15μs后才能有效。

图5 主程序模块设计

4.2 DHT11数据采样模块

被执行芯片根据程序向DHT11发送一个脉冲，此时，DHT11接收脉冲，将采集到的数据通过信号线以二进制形式将信息传入处理器。处理器收集数据形式为读取高电平时隙，当单片机读取高电平时间在24－26μs时为0，在116－118μs时为1。

采集到数据后，相关数据格式为:温度整小数部分与湿度整小数部分共四个字节之和等于校验和。如果校验和等于所采集的前四个字节之和，则数据真实，否则再进行数据采集，直到采集值校验正确为止。综合考虑到DHT11的温度精度、灵敏度问题，还有采集温湿度时最佳安放位置不同问题，采用DS18B20代替DHT11采集温度。因此，单片机处理温湿度数值时，仅读取湿度部分，把温度部分去掉不读取。于是，处理器将收集到的数据自动转换为十进制数形式，然后将数据通过RS232传入PC进行显示，并将显示值与环境实际湿度值作比较，调节采集到的数据，使显示值接近于真实值。

4.3 DS18B20 测温模块

主程序访问DS18B20初始化子程序时，I/O口发出480μs左右低电平的复位脉冲，再将端口变为15到60μs的高电平，让主机等待其发回60－240us的脉冲，把这I/O引脚处的电平置高。

进入写时序函数时，I/O口首先向DS18B20产生一个下降沿，让低电平持续1μs以上，然后由I/O口向传感器写数据。当向其内部写入“1”时，将I/O口拉为高电平持续60μs以上，以便让传感器有足够的读取时间，写完后将I/O口拉高。若写“0”时，同理，将I/O口拉为低电平并持续60μs以上，写完后将I/O口拉高，但相邻两个数据时间差大于1μs。

单片机通过I/O口向传感器发出跳过命令［CCH］之后发读暂存器命令［BEH］，单片机立即产生读时隙读取低8位数据，在读取高8位数据。综前所述，所有读取时间间隙必须至少维持60μs，同时，读取相邻两个数据时的时间大于1μs。所有的读时隙都由I/O口拉低至少1μs后再拉高为高电平。准备工作完成后，I/O口开始接收由DS18B20传过来的数据，当接收到一个高电平时，为逻辑“1”，反之为逻辑“0”。当发送0的时候，传感器在读时隙的末期会产生高电平，输出的数据在下降沿产生15μs后才能有效。

5 本系统的实际应用

现如今，很多农作物尤其是对生存条件要求苛刻的花卉类植物，又对实现农业自动化控制提出了新的要求。比如茶花、米兰、龙吐珠这些典型的南方花卉，习惯了南方湿冷的季风气候，到北方时很难适应严寒的冬季和干热的夏日。仙人掌这种沙漠植物的种植讲究低湿度，当它处于雨水充沛的地区哪怕有大棚为它遮风避雨，也无法完全排除土壤湿度对其生长的影响。总而言之，除非赋予植物适合的成长环境，否则都不会达到理想的效果。大棚内的温度和土壤湿度的监控，对植物的生长至关重要。要实现这点，普通的温室大棚只有必须定期抽样检查，并不断调节满足这些植物生长的条件。这样其工作就显得量大繁琐且不易准确的控制。但是，如果采用了本控制系统，这些问题都将迎刃而解。另外，考虑到目前国家的耕地条件并不是非常完美，可能存在线路铺设不方便，线路在农作物生存环境下容易出现老化等难以解决的情况，本控制系统通过WIFI传输的特点正好可以发挥其功用。

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