基于ZigBee技術的溫室溫濕度檢測系統

姜鈞嚴，郭艷玲，楊冬霞，范長勝

(東北林業大學 機電工程學院，哈爾濱 150040)

東北地區冬季時間較長，溫室對于日常的蔬菜供給來說必不可少。溫室的溫濕度直接影響蔬菜的成長過程，如果溫度過高，就會引起蔬菜失水萎蔫，影響生長，若水分跟不上，可能造成植株死亡。如果濕度過高，會影響根系的發育和吸收。[1-4]溫濕度過低同樣影響蔬菜的生長，所以對溫室內溫濕度的控制非常必要。

現階段，對于溫室的溫濕度檢測基本均采用有線方式，但有線的方式導致了工程量大，采集數據分散等問題。Zigbee技術可以采用短距離無線通信方式，并且具有低成本、低功耗、效率高等特點[5-7]。本文將采用美國TI公司的CC2530芯片，利用Zigbee技術構建無線傳感器網絡，并使用溫濕度傳感器SHT11對溫室的溫濕度進行實時檢測。

1 系統結構設計

根據溫室環境的需要，設計了溫室監測系統，系統結構如圖1所示。無線傳感器網絡由分布在溫室中多個智能ZigBee節點組成，包括ZigBee終端節點和ZigBee協調器節點，網絡的拓撲結構采用星形結構。這些節點按適當的間距分布在溫室內，在保證最大利用率的前提下，完成溫濕度的實時采集及傳輸。

系統的整體工作過程：協調器節點上電初始化，并自行組建ZigBee網絡，進而等待終端節點加入；任一終端節點上電初始化后，會自動查找并加入ZigBee網絡，同時將自身的物理地址傳送給協調器節點；協調器節點通過串口RS232將接收到的終端節點地址發送給PC機進行保存；PC機可以隨時獲取某一終端節點的數據，其只需要向串口發送相應終端節點的物理地址及測量指令；協調器節點會通過串口接收到目標節點的物理地址，并向其發送數據，傳達測量指令；終端節點經由無線網絡接收到測量指令后，通過與之相連的傳感器測量數據，然后將測量結果以數據包的形式傳送給協調器節點，最終在PC機上進行顯示[8]如圖1所示。

圖1 系統整體結構框圖

2 系統硬件設計

CC2530是一個真正的片上系統解決方案。CC2530在內存、尺寸、RF性能等方面比CC2430有了重大改變。該芯片的RF性能更出色，閃存容量加倍，封裝尺寸更小，支持協議更多樣。在此芯片基礎上所設計的傳感器節點在室外的最高傳輸距離可達400M以上。完全符合在溫室內部的檢測需要[9-10]。本文將主要介紹終端節點硬件設計及SHT11型溫濕度傳感器工作原理。

終端節點是Zigbee網絡中直接負責數據采集的節點，傳感器是其重要組成部分。本次選用瑞士Sensirion公司的SHT11型傳感器。SHT11是一款具有二線串行接口的單片數字式溫濕度傳感器，具有數字式輸出、免調試、免標定、免外圍電路及全互換等特點。該傳感器的外形及管腳示意圖如圖2所示。

圖2 SHT11外形及管腳排列示意圖

SHT11并非是傳統意義上的傳感器，而是基于CMOSens技術的新型智能溫濕度傳感器，它將溫濕度傳感器、信號放大調理、A/D轉換、二線串行接口全部集成于一個芯片內，融合了CMOS芯片技術與傳感器技術[11-12]。SHT11傳感器默認的測量溫度和相對濕度的分辨率一般分別為14位、12位，通過狀態寄存器可降至12位、8位。濕度測量范圍是0～100 RH，對于12位的測量精度為±3.0%RH；測溫范圍為-40～+123.8℃，對于14位的測量精度為±0.4℃。

溫濕度傳感器SHTl1送出的溫度、濕度數據必須經過數據轉換，才能表示實際的溫度和濕度，其公式如下：

TC=d1+d2×SOT。

(1)

(2)

RHTure=(TC-25)×(t1+t2×SORH)+RHLinear。

(3)

式中：TC為攝氏溫度；RHTure為經過溫度補償的相對濕度；d1和d2為和溫度分辨率有關的校正系數；c1、c2、c3、t1、t2為和濕度的分辨率有關的校正系數；SOT為從SHT11中讀出的溫度值；SORH為從SHT11中讀出的濕度值。其對應關系見表1和表2。

表1 溫度校正系數

表2 濕度校正系數

終端節點溫濕度采集流程為：終端節點接收到來自協調器節點的采集指令后，將SHT11傳感器定期采集的溫濕度數據進行預處理，然后在顯示屏上顯示出溫濕度信息并通過無線網絡與協調器節點進行通訊。溫濕度采集流程圖如圖3所示，終端節點通常為節能考慮而間歇性工作，在傳輸數據之后會進入一定時間的休眠，等待下一個采集指令的到來。

圖3 溫濕度采集流程圖

3 系統軟件設計

本系統的硬件操作，需要軟件的設計來實現。利用美國德州儀器公司的Z-STACK協議棧。Z-STACK協議基于輪轉查詢式操作系統來實現。軟件設計主要分為終端節點軟件及協調器節點軟件兩部分。本文主要介紹協調器節點的軟件設計部分。

協調器節點上電后，首先初始化硬件及協議棧，搜索信道和空閑信道評估，選擇信道并建立ZigBee網絡。當有節點申請加入網絡時，準許加入并分配一個16位的網絡短地址，等待采集數據的命令，然后將接收的所有數據包通過串口通信發送到PC機上，以便更容易地進行數據分析和數據存儲。協調器節點軟件流程圖如圖4所示。

圖4 協調器節點軟件流程圖

4 系統模擬實驗

4.1 實驗準備及過程

本系統設計的功能擬為實現溫室的無線溫濕度檢測，在研究的過程中，可以用實驗室的環境來模擬溫室的環境，通過類比的方法來驗證檢測系統的可靠性。根據實驗室的規模，本次模擬實驗設置5個實驗節點。其中，協調器節點1個，終端節點4個。協調器節點通過RS232串口總線與計算機相連，4個終端節點分別置于實驗室的四角。實驗室布置平面圖如圖5所示。本實驗硬件采用基于CC2530 的開發板、smartrf04EB仿真器及SHT11傳感器，軟件采用IAR開發環境進行編譯，編程語言使用C語言。

圖5 實驗室布置平面圖

實驗采用的開發板可支持多種射頻主控模塊(例如Q2530RF 等)，配置有串口液晶顯示接口，USB供電接口，DC 5V電源接口，電池接口，RS232 接口，DEBUG 接口，五向按鍵及指示燈，紅外遙控信號接收/發射等模塊。開發板如圖6所示。

圖6 開發板實物圖

實驗采用的仿真器SmartRF04EB配置紅、綠LED指示燈各1 顆，其中紅燈為電源指示燈，綠燈為狀態指示燈。在仿真器正常的情況下，連接目標板時，紅綠燈同時亮表示仿真器已經上電，但并未檢測到目標開發板，需確實目標板正確連接后，按下復位鍵。此時紅燈亮綠燈滅，表示已檢測到目標板，可以開始下載程序并仿真。

在實驗的過程中，有效利用空調的調節功能來模擬溫濕度的變化。在使用傳感器測量數據的同時，進行以溫濕度計測量數據的對照試驗。為避免實驗結果的偶然性，記錄約10組數據，為實驗分析做準備。

4.2 實驗數據分析

在本系統中，終端節點每隔2 min采集一次溫濕度數據并發送給協調器節點，協調器節點再通過RS232串口總線將數據發送到PC機上，串口設置為COM4，波特率設置為19200bps。在實驗過程中采集了9組數據，通過表格的形式可以直觀地分析數據的準確性。通過表格可以發現，溫度傳感器測量值與溫度計讀數的誤差在-0.3～+0.4之間，濕度傳感器測量值與濕度計讀數的誤差在-0.8～+1.4之間，均符合實驗測量誤差值范圍，分析結果見表3。通過數據分析軟件可以將數據柱狀化，更便于實驗數據的觀察，柱狀圖如圖7和圖8所示。

表3 實驗數據分析結果

圖7 溫度數據柱狀圖

5 結 論

本系統的設計很好地解決了在溫室智能控制方面，有線傳輸所帶來的工程量大，布線復雜等問題。并采用SHT11型溫濕度傳感器，減少了設備的數量，提高了檢測的精度。事實證明，Zigbee無線傳感器網絡具有很先進的自建網、自尋址等能力，SHT11型溫濕度傳感器的精度也基本滿足對于溫室溫度測控的需求，為大規模地溫室技術開發提供了必要的前提條件。但需要指出的是，實驗室環境與溫室環境仍具有一定差別，溫度的誤差對于不同蔬菜的種植影響也不盡相同，所以該系統在未來應用于溫室環境中仍需進一步調試。

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