基于Zigbee技術的土壤無線溫濕度控制系統設計

許慧燕　高金定　陳外流　楊盼　段波

摘 要： 智能節水滴灌控制是精準農業的一個發展方向。以CC2530型ZigBee芯片為載體，設計了可用于土壤滴灌控制系統的無線溫濕度數據采集及控制系統。節點電路采用DHT11溫濕度傳感器，通過Zigbee無線網絡將采集到的溫濕度數據發給協調器端。協調器端接收到節點傳輸過來的數據包從Zigbee協議上解析實時溫濕度數據，然后通過串口以固定的協議發送給DGUS串口屏，DGUS串口屏實時顯示當前的溫濕度值，實現了溫濕度上限、下限超標報警及控制等功能。該系統可應用于智能節水滴灌控制系統，對節水灌溉具有重要的意義。

關鍵詞： Zigbee； 串口屏； 溫濕度； 控制系統

中圖分類號：TP273；S275.3 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2015）04-38-02

Abstract： Intelligent water-saving irrigation controlling is a development direction in precision agriculture. Taking CC2530 chip as the carrier， a wireless temperature and humidity data acquisition and control system of soil drip irrigation is designed. Using DHT11 temperature and humidity sensors in the node circuits， the temperature and humidity data is sent to the coordinator through the Zigbee wireless network. The coordinator receives the node transmission real-time temperature and humidity data over the packet data analysis from the Zigbee protocol， and then sends the data to DGUS serial screen in the fixed protocol through the serial port， DGUS serial screen displays the current value of the temperature and humidity in real time. The system can be applied in intelligent water-saving irrigation controlling， it has an important significance for water saving irrigation.

Key words： Zigbee； serial screen； temperature and humidity； control system

0 引言

溫濕度監控系統在智能家居、工業控制、現代農場、醫用領域等應用非常廣泛[1-2]。傳統的溫濕度監控系統都是采用模擬傳感器做信號采集，這種方式電路復雜、受環境影響非常大、成本高、穩定性差。而采用DHT11數字溫濕度傳感器和Zigbee無線組網技術實現溫濕度采集，具有傳輸損耗低（幾乎為零）和傳輸距離遠的優勢，系統只需一個協調器和多個溫濕度數據采集節點，可以通過組網實現多點溫濕度數據無線監控，不需要導線相連，成本和穩定性得到了較大的提高[3-4]。

本文采用Zigbee技術和DHT11溫濕度傳感器，設計了可應用于農場智能節水滴灌控制系統的無線溫濕度測量及控制系統，具有重要的實際意義[5-6]。

1 方案設計

采用TI公司的CC2530芯片作為整個系統的核心芯片，無線局域網組網協議采用TI公司的Z-Stack。整個系統用兩片CC2530芯片，一片作為節點模塊對溫濕度傳感器DHT11、LCD12864和無線模塊進行初始化，并從DHT11上獲取溫濕度數據，處理后打包一起通過無線傳輸給協調器端或者路由端，另一片CC2530作協調器端，初始化串口、無線模塊，并通過無線模塊接收終端傳輸過來的數據，從中解析得到所需的溫濕度數據，再通過串口發送個DUGS串口屏實時顯示出來。這種方式結構簡單、電路簡單穩定、傳輸數據的可靠性非常高，是未來的發展趨勢。

2 核心硬件電路設計

圖1是CC2530電源電路，CC2530的功耗低、電壓范圍廣，對電源的要求不高，用AMS1117芯片加濾波電容就能滿足。圖1中C1、C2、C3、C4、C5用于濾波，濾除高頻及雜波，使CC2530的電源輸入直流更純凈，提高系統的穩定性。圖2為CC2530芯片和外圍電路， C6、C7、C8、C9、C10、C11是電源濾波電容，主要是濾除電源帶進了的雜波信號，提高電源的穩定性。

圖3是射頻收發電路，由L1、L2、L3、C12、C13、C15、C17組成的射頻阻抗匹配電路，目的是提高無線發射的效率。通過匹配電路與天線接頭相接，構成了CC2530的射頻發射、接收電路。

3 軟件程序設計

軟件程序設計包括節點和協調器兩個部分。圖4是節點軟件程序流程圖，如圖4所示，CC2530上電后首先完成一系列的初始化（初始化IO口、串口、無線模塊、溫濕度傳感器、無線匹配連接等），然后開始進入循環，不斷地采集DHT11的溫濕度數據，經過轉換處理后在終端板上的LCD12864上打印溫濕度數據并通過無線向協調器端或者路由端傳輸數據。

圖5是協調器軟件程序流程圖。如圖5所示，協調器也是采用CC2530為處理器，上電同樣初始化IO、串口、無線，初始化完成后通過無線從終端接收傳輸過來的溫濕度數據，然后通過CC2530的串口將接收的溫濕度數據發給DGUS串口屏或者PC端上位機軟件，DGUS屏接收到數據通過處理實時顯示出來。

4 測試

圖6是硬件實物圖，主要包括節點電路、協調器電路兩個部分。圖7是DGUS屏上位機軟件測試結果，把DGUS屏和Zigbee模塊連接好后上電運行程序，協調器端DGUS屏幕上實時顯示溫濕度數據，和終端LCD12864上顯示的數據一致。用手摸或用嘴吹DHT11模塊做測試，溫濕度變化時兩端顯示的數據隨之改變。

5 結論

本文以CC2530芯片為核心，設計了基于Zigbee無線傳感網絡的土壤滴灌控制系統的無線溫濕度數據采集及控制系統，完成了土壤節點溫濕度數據采集及DGUS串口屏實時顯示，實現了溫濕度上限、下限超標報警及控制等功能。該系統對智能節水灌溉控制系統的設計具有重要的意義。

參考文獻：

[1] 吳軍輝，徐立鴻.智能節水滴灌控制器的研究與開發[J].自動化與儀表，2002.2：29-31

[2] 朱光忠，陳建明.基于土壤濕度檢測的滴灌控制器設計與研究[J].工業控制計算機，2014.27（12）：140-141

[3] 羅杰.基于模糊控制智能灌溉控制系統研究[D].吉林大學碩士學位論文，2011.

[4] 周易，韓強，徐剛等.新型智能節水控制器的研制與開發[J].上海電機學院學報，2009.12（1）：33-35，39

[5] 張磊.智能節水灌溉系統的無線傳感器網絡設計[D].大連理工大學碩士學位論文，2009.

[6] 劉書倫，馮高峰，賈寶華.基于物聯網Android平臺的遠程智能節水灌溉系統[J].農機化研究，2015.6：217-220