基于zigbee的大棚溫濕度實時監測系統

張柏林 王艷梅

摘要：采用干濕球測量濕度方法，嵌入zigbee無線通信協議，以CC2530和DS18B20為核心，設計了一款自組網、低成本的無線溫濕度傳感器系統，用于溫室大棚的環境監測。與電容式濕度傳感器相比，具有準確度高、線性度好和壽命長等特點。

關鍵詞：zigbee；濕度；無線傳感器網絡；干濕球我國是農業大國，目前溫室大棚已成為我國一些農村的重要產業，是當地農民的重要經濟來源[1]。大棚內的溫度和濕度對農作物的生長環境影響極大，需要對大棚內的溫濕度進行實時、準確地監測。

目前，我國北方的溫室大棚，溫濕度監測仍采用人工定時查看溫濕度表的落后方式。這種方式勞動強度大、監測效率低。也有部分大棚采用以單片機為核心的傳統有線監測系統。這種系統由于受到布線限制，具有一定的局限性，且成本較高，維護困難。筆者提出一種基于zigbee技術的無線溫濕度傳感器網絡。該傳感器網絡以CC2530和DS18B20溫度傳感器為核心芯片，采用傳統的干濕球測量濕度方法，并嵌入zigbee無線通信協議，具有自組網、功耗低、壽命長等特點。

1概要

Zigbee是一種近距離、低數據傳輸率、低功耗、低成本的無線半雙工自組網技術,使用ISM免費頻段，單個網絡中最多可容納65535個節點，適合用于搭建對通信速率要求不高的無線傳感器網絡。zigbee網絡節點可分為三種類型：網絡協調器節點、路由節點和終端節點[2]。這三種節點類型都是網絡層概念，他們的部署決定了網絡拓撲形式。不論zigbee網絡采用何種拓撲方式，網絡中都需要有一個并且只能有一個網絡協調器節點。

數字式溫度傳感器已經比較成熟，如Dallas公司生產的DS18B20。濕度傳感器常采用電容式濕度傳感器，目前比較有代表性的如德國Humirel公司生產的HS1101系列濕度傳感器。然而，電容式濕度傳感器在結露情況下，容易損壞。結露問題是由傳感器材料和結構引起的，目前還沒有有效的解決方案。干濕球測量溫濕度方法由于沒有采用濕敏材料作為濕度測量的關鍵構建，避免了結露所引起的問題。采用干濕球測量濕度，當由空氣傳入紗布的傳熱速率等于紗布表面氣化水分需要的傳熱速率時，則兩者達到平衡狀態，這時濕紗布中的水溫即保持恒定，稱這恒定或平衡的溫度為該空氣的濕球溫度。此時，空氣中的相對濕度可以由（1）式求出[3]。

式中，t為空氣的溫度，tw為濕球溫度，P為當地大氣壓，A為風速的函數，Ew為濕球溫度下的飽和水汽壓，E為干球溫度下的飽和水汽壓。

2系統設計

Zigbee支持樹狀網、星型網等多種網絡拓撲結構。通常情況下，星型網絡拓撲結構已經可以覆蓋整個蔬菜大棚。本系統采用星型拓撲結構，由一臺PC機、一個網絡協調器和多個終端設備三部分組成。

終端設備與傳感器集成在一起，負責采集大棚內的溫度和濕度，將采集到的數據進行打包通過無線電的方式發送給網絡協調器。網絡協調器對接收到的信號首先進行解包，然后，通過RS232通信線纜傳輸給PC機。PC機上的管理軟件對接收到的數據進行解析，最終顯示給用戶。

3軟硬件設計

終端節點負責干球和濕球的溫度采集，將采集結果進行封包后發送給網絡協調器。CC2530的P1_0引腳和P1_1引腳分別與兩個DS18B20連接，采用單總線串行通信協議，分別測量測試干球溫度和濕球溫度。

系統啟動后，協調器首先選擇網絡所占用的頻道，然后開啟網絡，等待終端設備的接入。終端設備啟動后，搜尋網絡協調器所在的頻道，然后依次加入由網絡協調器開啟的網絡。網絡組建完畢，終端節點每隔三秒鐘，采集一次各自的干球溫度和濕球溫度，并將采集到的數據打包發送給網絡協調器。網絡協調器收到數據后，解包然后通過RS232發送給PC機。最終PC機根據公式1計算當前的濕度，并將計算結果顯示給用戶。

4結論

基于zigbee的干濕球溫濕度無線傳感器網絡有效解決了傳統有線溫濕度監測系統布線困難、成本高、網絡節點數量少、不便于維護等問題。單個ZigBee網絡即可容納65535個節點，輕松實現大范圍溫濕度實時監測。采用干濕球測量濕度方法，與電容式濕度傳感器相比，不受結露問題的影響，測試數據更精確，傳感器壽命更長。

[參考文獻]

[1]陸楠,郭勇.基于zigbee技術的無線大棚溫濕監控系統[J].現代電子技術,2008,32(15):98-100.

[2]姚春.zigbee在大數量節點應用中的問題研究[J].嵌入式系統應用,2009,25(1-2):3-5.

[3]吳振宇,毛德祥,吳超.新型數字干濕球濕度傳感器[J].傳感器技術,2004,23(11):48-50.