基于ZigBee技術(shù)的溫室大棚環(huán)境參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)測

潘 琳

（鹽城工學(xué)院 電氣工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224001）

在漸漸興起的溫室大棚產(chǎn)業(yè)中，對大棚中的溫、濕度的控制顯得尤為重要。溫度和濕度對農(nóng)作物的生長有著決定性的關(guān)系，一旦溫度和濕度超過農(nóng)作物生長所需的要求，將會(huì)影響農(nóng)作物的正常生長。在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)溫室大棚中，其主要監(jiān)控方式為有線通信。其不僅耗費(fèi)大量人力、財(cái)力，而且維護(hù)起來也比較麻煩，在一些環(huán)境惡劣的氣候中無法滿足工作要求。新興的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)ZigBee正好解決了這一問題。ZigBee技術(shù)可以采用短距離無線通信方式，并且具有低速率、低成本、低復(fù)雜度、安全、可靠等特點(diǎn)。文章采用主控芯片CC2530組建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，使用溫濕度傳感器DHT11作為傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)對溫室大棚的溫濕度監(jiān)測。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件部分主要由兩部分組成：采集系統(tǒng)和傳輸系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要作用為采集溫度數(shù)據(jù)和濕度數(shù)據(jù)。利用溫度傳感器和濕度傳感器將環(huán)境參數(shù)的變化轉(zhuǎn)化為模擬量，再通過模數(shù)轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)傳輸給終端節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要由ZigBee模塊組成，ZigBee模塊實(shí)現(xiàn)將采集到的數(shù)據(jù)以無線的方式傳輸出去，再通過串口傳輸給PC端。每個(gè)ZigBee模塊都包含無線傳輸和無線收發(fā)。

ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)覆蓋大棚內(nèi)部。終端節(jié)點(diǎn)將采集到的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)無線傳輸給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過串口將溫度數(shù)據(jù)和濕度數(shù)據(jù)傳輸給PC。由于ZigBee具有功耗低的特點(diǎn)，所以在終端節(jié)點(diǎn)采用休眠模式，即終端每5S一次檢測溫濕度（休眠時(shí)間可通過軟件來調(diào)整）。在終端節(jié)點(diǎn)上加個(gè)按鍵，此按鍵能實(shí)現(xiàn)讓終端實(shí)時(shí)傳輸溫濕度給協(xié)調(diào)器的功能。當(dāng)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)檢測到接收到的溫濕度數(shù)據(jù)大于程序中設(shè)定的上限值時(shí)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上的報(bào)警器開始報(bào)警。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

2.1 核心控制器

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

處理器核心使用的是美國TI公司生產(chǎn)的CC2530芯片。該芯片是一款2.4G ISM ZigBee產(chǎn)品，在單個(gè)芯片上整合了射頻收發(fā)器，內(nèi)部有增強(qiáng)型的單片機(jī) 8051內(nèi)核處理器，256K flash存儲(chǔ)器，支持最新的ZigBee協(xié)議，支持硬件調(diào)試。它有單周期訪問SFR、DATA和主SRAM這3種不同的內(nèi)存訪問總線方式。CC2530包括一個(gè)調(diào)試接口并且擴(kuò)展了18個(gè)輸入中斷單元。由于集成使得外圍電路更加簡單，系統(tǒng)更加穩(wěn)定，且成本低、功耗低、性價(jià)比較高。

2.2 溫濕度檢測電路設(shè)計(jì)

溫濕度檢測電路主要是用DHT11溫濕度傳感器來檢測溫度和濕度。DHT11是一款溫度和濕度復(fù)合型感器。它有很強(qiáng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。主要由感濕元件、測溫元件和8位單片機(jī)構(gòu)成。傳感器采用單線串行接口，使系統(tǒng)變的簡單快捷。具有功耗低、體積小、傳輸距離遠(yuǎn)、4針單排等特點(diǎn)。DHT11的工作電壓是3.3～5V。電源引腳之間可加入100np的電容，來去除濾波。

2.3 電壓轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

由于使用的ZigBee芯片工作電壓為3.3V，DHT11傳感器和蜂鳴器工作電壓均為3.3V，而電腦串口的輸出電壓為5V，所以需采用降壓電路。采用三端可調(diào)輸出的線性穩(wěn)壓器LM1117，它能將輸出電壓穩(wěn)定在一個(gè)定值。LM1117為集成式的元器件，輸入端接入5V電壓后，輸出端能穩(wěn)定輸出3.3V，采用LM1117穩(wěn)定性、精確度都提高了。

2.4 電源電路

①電源插座。由于供電電壓是5V，可以選擇PWR2.5 DC的插座。電源插座是預(yù)備電源的作用，假如終端電壓不足，而又想要知道此時(shí)溫室大棚的溫濕度，可以采用電源插座的方式，給節(jié)點(diǎn)提供5V的電壓。②電池供電。由于ZigBee具有功耗小的特點(diǎn)，所以可以終端采用休眠模式，每5S傳輸一次數(shù)據(jù)。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際需求，決定終端采用電池供電。由于LM1117模塊的工作電壓為5～12V，而一節(jié)電池的電壓為1.5V，所以采用4節(jié)電池串聯(lián)，共6V。市場上一節(jié)5號(hào)電池的電容量為1500mA.H，一個(gè)負(fù)載的工作電流為15mA，那么可以提供負(fù)載工作100H在溫室大棚中，采集溫度數(shù)據(jù)，由于溫度變化比較緩慢，所以可以采取定時(shí)采集的方式，假設(shè)終端每小時(shí)傳輸50s，其余時(shí)間都在睡眠狀態(tài)。那么實(shí)際上，我們采用4節(jié)5號(hào)電池，終端節(jié)點(diǎn)工作電流為60mA，每小時(shí)工作50s，通過計(jì)算可以得出4節(jié)5號(hào)電池提供給終端節(jié)點(diǎn)的工作時(shí)間為7200h（300天），即大約一年時(shí)間，由此可以看出ZigBee低功耗的特點(diǎn)。③終端供電和協(xié)調(diào)器供電。終端由于現(xiàn)場需求，所以采用電池供電和電源插座兩種方式，普通情況下采用電池供電。協(xié)調(diào)器采用USB轉(zhuǎn)串口供電，這樣既能給協(xié)調(diào)器供電，又能將協(xié)調(diào)器上接收到的溫濕度數(shù)據(jù)傳送給PC端。

2.5 報(bào)警及其控制電路

在設(shè)計(jì)中，當(dāng)協(xié)調(diào)器接收到終端傳來的數(shù)據(jù)高于設(shè)定的警報(bào)值時(shí)，協(xié)調(diào)器應(yīng)當(dāng)報(bào)警，在這里，我們選用蜂鳴器報(bào)警。報(bào)警電路采用的有源蜂鳴器。當(dāng)報(bào)警電路工作時(shí)表示此時(shí)溫室大棚中的溫度和濕度已超過用戶設(shè)定的溫濕度上限，此時(shí)需采取一些對應(yīng)措施來使大棚中的溫濕度下降，即在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上加上一個(gè)撥動(dòng)開關(guān)S2，此開關(guān)可以打在位置1和位置3上，通過手動(dòng)和自動(dòng)方式來控制電動(dòng)機(jī)的工作，在終端節(jié)點(diǎn)再加上LED燈，表示電動(dòng)機(jī)的啟停。當(dāng)報(bào)警電路工作時(shí)，處于控制平臺(tái)室的人員得知大棚的溫濕度已超過上限值。當(dāng)撥動(dòng)開關(guān)S2此時(shí)在3的位置，即自動(dòng)擋時(shí)，報(bào)警器報(bào)警時(shí)電動(dòng)機(jī)將會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)；當(dāng)撥動(dòng)開關(guān)S2在1的位置，即手動(dòng)擋時(shí)，報(bào)警器報(bào)警時(shí)，此時(shí)控制平臺(tái)室內(nèi)的人員可以通過協(xié)調(diào)器上的按鍵開關(guān)S1來控制終端上的LED（電動(dòng)機(jī)）工作。這樣就能通過電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)來控制溫室大棚的頂部天窗的打開程度或控制自動(dòng)噴水系統(tǒng)的工作狀態(tài)來達(dá)到降低溫度或降低濕度。當(dāng)溫度或濕度下降到上限值以后時(shí)，報(bào)警器將停止報(bào)警。在晚上時(shí)或下雨天時(shí)，可以通過按鍵開關(guān)S3來使電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，使大棚天窗關(guān)閉。自動(dòng)控制方框圖如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)圖

由于要實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)，所以需用到2個(gè)繼電器。其中一個(gè)繼電器控制電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)，另一個(gè)控制電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)。采用的是固態(tài)繼電器。固態(tài)繼電器是一種由固態(tài)電子元件組成的無觸點(diǎn)開關(guān)器件，它是利用電子元件的開關(guān)特性，可達(dá)到無觸點(diǎn)無火花的接通和斷開電路的目的。

3 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)程序主要包括4個(gè)部分：a.將溫濕度傳感器DHT11檢測到的數(shù)據(jù)做成幀；b.將數(shù)據(jù)通過終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送出去；c.協(xié)調(diào)器接受終端傳來的數(shù)據(jù)；d.協(xié)調(diào)器上的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給PC端。

終端節(jié)點(diǎn)自動(dòng)加入?yún)f(xié)調(diào)器組建的網(wǎng)絡(luò)中，終端傳感器采集溫濕度數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)做成數(shù)據(jù)包每5S（睡眠時(shí)間）傳輸一次，當(dāng)終端按鍵被按下時(shí)，終端節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生中斷，產(chǎn)生中斷后，程序跳過睡眠模式，立即傳輸數(shù)據(jù)。

協(xié)調(diào)器自動(dòng)組建、配置一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中最重要的，當(dāng)它接收到終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)包時(shí)會(huì)檢驗(yàn)校準(zhǔn)位是否正確，當(dāng)確認(rèn)數(shù)據(jù)正確后在通過串口傳輸，當(dāng)檢測到校準(zhǔn)位不正確是，協(xié)調(diào)器將一直處于接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，直至接收到正確的數(shù)據(jù)包。

4 結(jié)語

本文的設(shè)計(jì)系統(tǒng)很好的解決了在傳統(tǒng)的溫室大棚環(huán)境參數(shù)監(jiān)測方面，有線傳輸所帶來的工程量大，布線復(fù)雜，高成本，高功耗等問題。ZigBee技術(shù)先進(jìn)的自建網(wǎng)、自尋址能力實(shí)現(xiàn)了對任意位置溫度、濕度信息的靈活監(jiān)測，對溫、濕度智能控制電路讓溫、濕度較好的恒定在設(shè)定的值。本系統(tǒng)低成本、低功耗、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)簡單、傳感器更換方便、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)使得其在溫室大棚和工業(yè)控制等領(lǐng)域具有很強(qiáng)的應(yīng)用前景。