基于ZigBee的温室大棚环境监测系统的研究

2016-03-22温州科技职业学院李世红

电子世界 2016年4期

温州科技职业学院　李世红

温州科技职业学院李世红

【摘要】针对温室大棚环境中的温度、湿度、光照度、CO2浓度等环境因子对作物的生产有很大的影响，本文提出了一种基于ZigBee的温室大棚环境监测系统的设计方案。采用CC2530微处理器采集温室大棚环境的光照度、CO2浓度和温度等基本环境因子，通过ZigBee模块将采集的数据发送给节点，实现节点间的无线通信。实验表明，该设计功耗低且具有良好的稳定性，实现对温室大棚环境监测，具有较高的推广价值和应用前景。

【关键词】温室大棚；环境监测；CC2530；ZigBee

0　引言

近年来，温室大棚为提高人民生活水平的目标带来了极大的便利，得到了快速的推广和应用。环境中温度、湿度、光照、CO2和其他环境因素的浓度对作物产量产生重大影响，而且不同的农作物对于这几个基本环境参数的需求也不一样。因此，掌握这些环境参数，对提高作物的产量和质量具有重大作用的。目前国内可以实现上述环境因子自动监控系统还不多见，而引进国外大型的多功能监控系统，不仅价格昂贵，而且由于不同的气候条件并不适合我国的国情[1]。

针对目前温室大棚发展的趋势，提出一种基于ZigBee的温室大棚环境监测系统的研究，采用CC2530芯片来采集温室大棚中的光照度，CO2浓度和温湿度等基本的环境因子通过ZigBee模块将采集的数据发送给节点，实现节点间的无线通信，从而实现对温室大棚环境因子的监测。

1　系统总体设计

本设计提出的温室大棚环境监测方案，以CC2530单片机为核心，在温室大棚内放置所需的传感器节点，由传感器定时采集各节点处基本环境参量信息（光照度、CO2浓度和温湿度），采集的信息结果显示在LCD上。各个环境参量信息经处理后通过ZigBee传输并进行节点间的无线通信，然后通过监测终端，对采集的信息统一处理与分析。

2　系统硬件电路设计

电路的硬件系统包括一个微处理器模块、多个传感器模块和电源模块。微处理器模块选用CC2530芯片，其具有信号处理和射频通信的双重功能，故不需再加射频通信模块，从微处理器模块外接天线即可[2]。传感器模块包含了温湿度传感器、光照度传感器和CO2传感器。系统的硬件结构如图1所示。

图1　系统的硬件结构图

2.1CC2530芯片介绍

微处理器选择的是CC2530芯片。CC2530工作在2.4GHz ISM频带，是专门针对IEEE 802.15.4和ZigBee应用的单芯片解决方案，经济且低功耗。CC2530内含一个ZigBee协议兼容无线收发器，射频通信能在芯片内部自行控制。它还包括了一个微控制器（MCU）与无线设备间的接口，让系统能按一定的次序工作：发出命令——读状态——自动操作——确定无线设备状态。这些都使得CC2530操作只需要连接极少的外部元件，整体硬件电路设计趋于优化态。CC2530采用业界标准的增强型8051CPU，系统内可编程闪存，8KB RAM和很多其他强大的功能[3]。

2.2温湿度传感器

温度传感器模块主要功能是实时、准确地采集温室大棚环境中的温湿度参数，同时将数据信息发送给微处理器。本设计采用数字温度传感器SHT10，这是瑞士 Sensirion公司推出的一款单片数字温湿度传感器芯片，采用CMOS过程微加工专利技术。传感器内部包括一个电容性聚合体测湿敏感元件，一个用能隙材料制成的测温元件，并在同一芯片上，与14 位的AD 转换器以及串行接口电路实现无缝连接，具有功耗低，反应灵敏等优点[4]。

SCK串行时钟输入引脚是MCU与SHT10的同步时钟。DATA串行数据引脚用于MCU与SHT10之间的数据传输。DATA的状态在串行时钟SCK的下降沿后发生改变，在SCK的上升沿有效。数据传输期间，当SCK为高电平时，DATA数据线上必须保持稳定。为避免数据发生冲突，在DATA外部接1个上拉电阻将信号拉至高电平[5]。

图2　光照强度传感器电路图

2.3光照强度传感器

光照度传感器模块主要功能是实时、准确地采集温室大棚环境中光照强度，及时地将数据信息传送给微处理器CC2530。本设计采用的是TSL2561光照传感器，TSL2560是TAOS公司推出的一种高速、低功耗、宽量程、可编程灵活配置的光照度数字转换芯片[6]。TSL2561能够通过I2C总线访问，硬件接口电路非常简单。在本设计中将CC2530的总线时钟线和数据线直接和TSL2561的I2C总线的SCL和SDA分别相连，由于微控制器内部没有上拉电阻，则还需要再用两个上拉电阻接到总线上，无需连接其他外部件，采用3.3V电源供电，具体的电路图如图2所示，它可以根据光线强度来进行温室大棚环境内的光照强度监测。

3　系统软件方案设计

软件部分选用TI公司提供的ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0协议找开发语言为C语言，以IAR Embedded Workbench 7.51A作为开发平台，编译成功后，使用SmartRF Flash Programmer下载到相应的ZigBee节点设备中[7]。本系统各传感器节点间的组网方式采用ZigBee 网络中的星型网络。软件编程采用模块化编程思想，分为两种类型：传感器节点软件设计和汇聚节点软件设计。传感器节点负责完成温室大棚环境的信息采集，并将采集到的信息传送给无线传输模块，然后再通过ZigBee传送给汇聚节点；汇聚节点则负责接收传感器节点的信息并将信息发送给PC机，最后进行信息处理[8]。

3.1温湿度传感器程序设计

温湿度传感器程序设计中采用一种阈值监测报警设计，它通过预先设置在CC2530中的温度值来对采集到的温度和湿度进行判断，该值如果已超出了温度和湿度被认为是不正常的。温湿度测量每5分钟进行一次，并不断进行刷新，在LCD1602上显示SHT10获得的当前温度和湿度值，从而达到实时监测温室大棚温湿度的目的。

3.2二氧化碳与光照强度传感器程序设计

二氧化碳与光强传感器程序设计比温湿度传感器程序设计增加了一个A/D转换。首先对系统主程序各个部分进行初始化，设定正常值的范围，完成后开始接收用户的命令，读取并计算传感器采集到的数据，经A/D转换后在LCD1602上显示出来。若LCD显示出传感器采集到的数据不在正常值范围内则报警。程序不断地循环执行，达到实时监测温室大棚里二氧化碳浓度与光照度的目的。

3.3汇聚节点软件设计

首先，系统启动时，ZigBee模块初始化，汇聚节点进入查询状态，建立一个新的网络，并把网络地址默认设置为0x0000，然后配置网络参数。汇聚节点建立网络后，当有传感器节点请求加入网络时，汇聚节点允许其加入网络，并为每个加入该网络的传感器节点分配一个16位网络地址，同时建立一个地址列表，在一定的时间内允许传感器节点与之建立绑定关系，汇聚节点通过不同的网络地址控制各个传感器节点采集温室环境数据。汇聚节点工作流程如图3所示。

图3　汇聚节点工作流程图

4　系统测试

该系统的测试可以通过在LCD1602模块上显示出的温湿度数据进行测量。将数字式温湿度计与SHT10温湿度传感器比较测量结果，从上午10:00到下午16:00每隔一小时采集温室大棚环境的温度与湿度。具体数据见表格1，在表格中将温度计测量的值作为实际温度，SHT10温湿度传感器的值作为测量值来进行对比，通过实验可以知道传感器上的数据已经通过ZigBee无线传感器网络发送出去。计算测量的温湿度数据，温度误差不超过土0.3℃，湿度误差不超过±1%RH，该值在误差允许范围内，满足设计要求，测量的结果表明，SHT10传感器性能和准确性比较高，适用于温室大棚温度的监测。