無線溫濕度數(shù)據(jù)采集板的設(shè)計

王紀(jì)剛，袁紅兵，張相田

（南京理工大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇南京 210094）

0 引言

目前基于傳感器的溫室現(xiàn)場數(shù)據(jù)信息采集模式有有線和無線兩種模式，有線模式以CAN總線通信方式和485總線為主要形式，無線通信模式又可以分為長距離無線通信（GSM/GPRS等）和短距離無線通信（藍(lán)牙/Zigbee等）兩種模式，無線通信模式由于其自身組網(wǎng)方便、適應(yīng)性強、成本低等特點，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集方面有巨大的發(fā)展應(yīng)用空間。Zigbee技術(shù)可以實現(xiàn)與長距離無線通信以及短距離無線通信模式的無縫連接，實現(xiàn)遠(yuǎn)程農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)信息的自動采集，該技術(shù)將被測對象的各種參量通過各種傳感元件做適當(dāng)轉(zhuǎn)換，或者通過數(shù)字傳感器對被測對象進(jìn)行實時采集后，再經(jīng)信號調(diào)理、采樣、量化、編碼、傳輸?shù)炔襟E，最后送到控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理或存儲［1］。

本文研究并提出一種基于Zigbee技術(shù)的溫濕度數(shù)據(jù)采集板的設(shè)計方案，該溫濕度采集板主要應(yīng)用于溫室大棚中。在溫室大棚中，為了增加數(shù)據(jù)傳輸?shù)木嚯x和了解大棚中不同位置的溫濕度值，通過構(gòu)建樹形簇狀網(wǎng)絡(luò)實時采集溫室中的環(huán)境數(shù)據(jù)，樹形簇狀網(wǎng)絡(luò)中的采集節(jié)點和路由節(jié)點都可以由溫濕度數(shù)據(jù)采集板代替，該采集板負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、接收與轉(zhuǎn)發(fā)。本文主要介紹溫濕度數(shù)據(jù)采集板的軟硬件設(shè)計。

1 溫濕度采集板的硬件系統(tǒng)設(shè)計

該硬件系統(tǒng)主要包括7大部分，分別為電源、ZigBee發(fā)送電路、DS1302時鐘電路、電源電壓檢測電路、DHT11溫濕度采集電路、LCD液晶顯示電路以及控制器MSP430F149單片機等，硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 溫濕度數(shù)據(jù)采集板的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)主要通過傳感器DHT11采集溫室大棚中的溫濕度值，并將采集到的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)經(jīng)過單片機的相關(guān)處理得到具體的溫濕度值，將該值按照制定的協(xié)議組裝成數(shù)據(jù)幀并發(fā)送給ZigBee路由節(jié)點，然后將采集得到的溫濕度值傳入液晶顯示屏，以供溫室現(xiàn)場工作人員的參考。

1.1 電源設(shè)計

系統(tǒng)的電源供電方式有兩種，一種是由電池供電，另一種是由外接電源適配器供電。外部電壓通過穩(wěn)壓芯片78M05轉(zhuǎn)換為5 V，以供DHT11傳感器使用，再將5 V電壓經(jīng)過SPX1117M3－3.3穩(wěn)壓芯片將其轉(zhuǎn)換為3.3 V以供單片機使用。由外接電源適配器供電時，為了防止其對電池的影響，在電池的正極添加一個起隔離作用的二極管。詳細(xì)電源電路如圖2所示。

圖2 電源電路

1.2 主控制器電路設(shè)計

主控制器為MSP430F149單片機，該芯片是TI公司生產(chǎn)的一種具有超低功耗特性的功能強大的單片機，而且具有強大的處理能力、豐富的片上外圍模塊［2］。該主控電路主要包括時鐘電路、復(fù)位電路、JTAG接口電路，其中復(fù)位電路采用阻容復(fù)位，能夠達(dá)到通電自動復(fù)位的目的。詳細(xì)電路見圖3。

圖3 主控制器電路

1.3 溫濕度采集電路設(shè)計

DHT11是一款濕溫度一體化的數(shù)字傳感器。該傳感器包括一個電阻式測濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接，而且通過單片機等微處理器簡單的電路連接就能夠?qū)崟r的采集本地濕度和溫度。DHT11僅需要一個I/O口就可以與單片機進(jìn)行簡單的單總線通信［3］。傳感器可以將采集得到的40 Bit數(shù)據(jù)一次性傳給單片機，數(shù)據(jù)采用校驗和方式進(jìn)行校驗，有效的保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。DHT11功耗低，5 V電源電壓下，最大工作電流為0.5 mA。具體電路如圖4。

圖4 傳感器電路

DHT11數(shù)字濕溫度傳感器采用單總線數(shù)據(jù)格式，其數(shù)據(jù)包由5Byte（40Bit）組成，分為小數(shù)和整數(shù)部分。

數(shù)據(jù)格式:8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bit校驗和，其中校驗和數(shù)據(jù)為前四個字節(jié)相加［6］。

由于使用的單片機兼容電壓為1.8－3.6 V，DHT11的輸出電壓為5 V，所以為了使兩者電壓能夠兼容，在兩者中間使用了8位的雙向電壓轉(zhuǎn)換芯片SN74VC4245，該芯片可以將5 V電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V，也可以將3.3 V電壓轉(zhuǎn)換為5 V。

1.4 LCD顯示電路設(shè)計

HJ12864ZW液晶屏，該液晶有串行和并行兩種數(shù)據(jù)輸出方式，它的主要功能是將采集到的溫濕度值實時的顯示出來，以供現(xiàn)場工作人員隨時了解溫室環(huán)境中的溫濕度情況。具體電路如圖5。

1.5 實時時鐘電路設(shè)計

圖5 液晶顯示電路

該部分電路采用了DS1302時鐘芯片，主要用于記錄采集到的溫濕度值的時間，以便工作人員使用。DS1302的外圍電路非常簡單，X1、X2管腳外接32 K晶體提供震蕩源，VCC2管腳為主要的供電管腳，VCC1管腳為備用電源輸入，需要時可以外接鈕扣電池。DS1302工作時，VCC2與VCC1兩個管腳中，選擇電壓高的那個管腳的電源作為工作的電源，DS1302的RST、I/O、SCLK管腳主要與單片機的通用I/O口進(jìn)行連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸及其控制，從而實現(xiàn)單片機對DS1302的讀寫操作。具體電路如圖6。

圖6 時鐘電路

1.6 電壓檢測電路設(shè)計

當(dāng)系統(tǒng)采用電池組供電時，電壓檢測電路用來檢測鎳鎘電池的電壓，當(dāng)電壓 VCC降到5 V以下時比較器LM393輸出低電平，光耦隔離器輸出高電平，同時LED燈亮，蜂鳴器鳴響起，提示鎳鎘電池電量不足，以便提醒用戶及時更換電池，具體電路如圖7。

圖7 電源電壓檢測電路

1.7 ZigBee收發(fā)電路設(shè)計

該部分主要采用北京云天創(chuàng)科技公司的ZigBee模塊，模塊內(nèi)置了通明轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議，不需要使用者再去研究復(fù)雜的Zigbee協(xié)議。另外，產(chǎn)品的配置除了可以使用上位機外，還可以使用AT命令，使用時只需要將其TXD、RXD分別與單片機的RXD、TXD相連接即可，具體電路圖如圖8。

圖8 ZigBee收發(fā)電路

管腳定義如下:

1）VCC電源管腳:模塊供電輸入，允許輸入直流電壓范圍為3.3 V ～3.6 V。

2）GND管腳:模塊的電源地。

3）RXD通信管腳:模塊的UART－RXD接口，數(shù)據(jù)輸入管腳，與外部控制器MCU的數(shù)據(jù)發(fā)送TXD管腳相連接，接口電平為 0 ～0.9*VCC。

4）TXD通信管腳:模塊的UART－TXD接口，數(shù)據(jù)輸出管腳，與外部控制器MCU的數(shù)據(jù)接收RXD管腳相連接，接口電平為 0 ～0.9*VCC。

5）SLP管腳（SLEEP）:當(dāng)管腳產(chǎn)生一次0→1狀態(tài)改變時，節(jié)點進(jìn)入休眠，再產(chǎn)生一次1→0狀態(tài)改變時，節(jié)點被喚醒。

如ZigBee節(jié)點需要一直處于喚醒狀態(tài)，可直接將該管腳電平變?yōu)榈碗娖健?/p>

6）STA管腳（STUTAS）:當(dāng)模塊有串口數(shù)據(jù)收發(fā)時（即有數(shù)據(jù)與串口通信時，不包括模塊在配置模式），此管腳電平變?yōu)楦咂剑ㄈ艚覮ED則表現(xiàn)為燈點亮），數(shù)據(jù)收發(fā)完畢后管腳變?yōu)榈碗娖健?/p>

2 溫濕度采集板的軟件設(shè)計

2.1 通訊協(xié)議規(guī)則的設(shè)計

通訊協(xié)議主要用于路由節(jié)點與溫濕度采集板之間，它主要包括數(shù)據(jù)的收發(fā)，路由節(jié)點與溫濕度采集板之間的通斷情況。具體的協(xié)議如表1。

表1 數(shù)據(jù)幀格式

路由節(jié)點與溫濕度采集板之間的通訊協(xié)議如表2。

表2 路由節(jié)點與溫濕度采集板之間的通信協(xié)議格式

其中控制位分別為B1，B2。

B1H命令用于測試路由節(jié)點與溫濕度采集板之間的連接是否正常。路由節(jié)點向溫濕度采集板節(jié)點發(fā)送B1H命令，當(dāng)連接正常時，溫濕度采集板收到命令B1H后，會向路由節(jié)點發(fā)送表示連接正常的0x01回復(fù)命令，具體格式如表3。

表3 B1H的返回命令0x01的通信協(xié)議格式

B2H命令用于溫濕度采集板向路由節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)溫濕度采集板接收到路由節(jié)點發(fā)送的B2H命令，溫濕度采集板就會按照數(shù)據(jù)幀格式向路由節(jié)點發(fā)送采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)。

CRC－16校驗采用的是累加和校驗法。

2.2 數(shù)據(jù)采集與發(fā)送流程

系統(tǒng)流程如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)軟件流程

主要完成基本的程序初始化功能，具體的數(shù)據(jù)發(fā)送及路由節(jié)點與溫濕度采集板之間通斷情況的相關(guān)流程圖如圖10所示。

在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中不止存在一個路由節(jié)點，多個采集節(jié)點可以綁定一個路由節(jié)點，一個路由節(jié)點與多個采集節(jié)點就構(gòu)成了簇，為了避免不同簇之間的相互串?dāng)_，當(dāng)溫濕度采集板收到路由節(jié)點廣播下發(fā)的命令后，采集節(jié)點首先判斷該命令是否來自自己的父節(jié)點（路由節(jié)點）是否滿足協(xié)議的格式，如果是來自父節(jié)點，則根據(jù)不同的命令執(zhí)行不同的動作，如果不是則不需要執(zhí)行任何動作，如果沒有數(shù)據(jù)上傳命令，采集節(jié)點將會定期的將傳感器的數(shù)據(jù)保存到外部存儲器中。

為了避免多個采集節(jié)點同時上傳數(shù)據(jù)而導(dǎo)致節(jié)點間通信干擾問題，就要求在一個簇中路由節(jié)點在一定時間內(nèi)只能接收一個采集節(jié)點發(fā)送上來的數(shù)據(jù)，如果多個節(jié)點同時上傳數(shù)據(jù)，則可能導(dǎo)致路由節(jié)點接收到不正確的數(shù)據(jù)，所以必須為每個采集節(jié)點分配獨立的用于數(shù)據(jù)發(fā)送的時隙，這樣采集節(jié)點就可以在其他節(jié)點空閑時在自己的時隙內(nèi)發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)。

流程圖中定時器具體的定時時間可以采用上位機軟件定制，不同的采集節(jié)點定時時間不同，在允許的情況下盡量設(shè)置長的定時時間，這樣就可以最大程度的避免相鄰節(jié)點間的通信干擾。為了能夠?qū)崿F(xiàn)所有節(jié)點同時打開定時器，在一個簇中當(dāng)所有的采集節(jié)點接收到路由節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)傳輸命令B2H后，采集節(jié)點打開定時器，當(dāng)定時器定時到達(dá)就向路由節(jié)點發(fā)送環(huán)境數(shù)據(jù)，同時定時器清零，繼續(xù)等待路由節(jié)點的相關(guān)命令。路由節(jié)點可以定時向采集節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)上傳命令，路由節(jié)點的定時時間一定要大于采集節(jié)點中最大的定時時間。

3 結(jié)語

基于MSP430F149單片機的溫濕度數(shù)據(jù)采集板的軟硬件設(shè)計方案，采用具有透明傳輸功能的ZigBee模塊。當(dāng)系統(tǒng)采用外部電池供電時，具有電池電壓檢測功能，能夠及時提醒用戶更換電池，而且本系統(tǒng)通用性強，只需要將傳感器部分電路稍做改變就可以用于其他類型數(shù)據(jù)傳感器的數(shù)據(jù)采集，該溫濕度數(shù)據(jù)采集板可以應(yīng)用于溫室大棚、養(yǎng)殖場等對環(huán)境的溫濕度具有要求的場合。

圖10 數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖

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［7］http://www.atzgb.com/download.html.