基于Zigbee技術的溫濕度采集系統設計

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摘要：本系統采用CC2530芯片為核心配置，以溫濕度傳感器SHT75、計算機監控系統等部件，通過單片機與智能傳感器相連，采集并存儲智能傳感器的測量數據，并通過RS485總線來實現PC上位機與單片機控制模塊半雙工串行通信。基于ZigBee技術設計的智能溫濕度采集系統，可全天候實時監控溫室內的空氣溫度和濕度信息，具有實時性高、低功耗、有效范圍大、成本低、可靠性高等特點。
關鍵詞：溫濕度傳感器；CC2530；數據采集；實時監控
  溫室農業經濟效益高，前景被普遍看好，是我國農業的重要發展方向之一。然而在溫室的監控方面，目前很大程度上還是處于人工采集、手工處理信息的階段，效率十分低下。隨著信息技術的推廣，依托計算機和通信科學的智能化管理溫室環境是溫室發展的必然趨勢。
  ZigBee技術是一種應用于短距離范圍內，低傳輸速率下的各種電子設備之間無線通信技術，是一組基于IEEE批準通過的802．15．4無線標準研制開發的，這就確定了可以在不同制造商之間共享的應用綱要。Zigbee兼容的產品工作在2．4  GHz這個全球通用的免費開放頻段，這個頻段提供了16個傳輸信道，每次通信都會自主選擇一個最干凈干擾最小的信道進行數據傳輸。同時ZigBee是一個由可多到65  000個無線數據傳輸模塊組成的無線數據傳輸網絡平臺。基于ZigBee技術設計的智能溫濕度采集系統，可全天候實時監控溫室內的空氣溫濕度等信息，具有實時性高、低功耗、有效范圍大、成本低、可靠性高等特點。
1  溫濕度采集系統的總體設計
  本系統采用智能傳感器SHT75和CC2530芯片構成，通過SHT75對環境內的溫度、濕度參數實時檢測，經傳感器芯片內A／D轉換器轉換成對應的二進制值存儲于芯片的RAM中，CC2530芯片通過發送讀取溫濕度傳感器溫濕度命令碼，溫濕度傳感器就返回對應的參數值，本系統帶RS4  85通訊接口可連接監控主機或PC，通過監控主機或PC來實時查看當前溫度和濕度值，并可在監控主機或PC上設置報警參數以便實時監控環境溫度和濕度值。系統功能模塊框圖如圖1所示。


2 溫濕度采集系統的硬件設計
2．1 數據采集單元
  鑒于測量環境特殊要求，溫濕度檢測模塊不可能做得很大，而且系統要求響應靈敏，測量精度要高：溫度小于等于±0．3℃，濕度小于等于±1．8％，穩定性能良好，因此采用了瑞士生產的SHT75溫濕度傳感器。SHT75具有精確露點測量、全量程標定、響應時間短、可完全浸沒水中、測量精度高和穩定性好等優點。SHT75的供電電壓范圍為2．4～5．5  V，典型供電電壓為3．3 V。在電源引腳之間需加一個100μF的電容，用以去耦濾波。
2．2 無線通信單元
  系統的無線通信模塊主要采用CC2530芯片，該芯片采用2．4 GHz頻率，IEEE  802．15．4標準，Zigbee技術，具有極高的接收靈敏度和抗干擾性能，能夠以非常低的材料成本建立強大的網絡節點。CC2530結合了領先的RF收發器的優良性能，業界標準的增強型8051  CPU，系統內可編程閃存RAM等功能。C2530具有32／64／128／256KB 4種不同的閃存版本，本系統采用的是256  KB閃存。CC2530在使用時所需的外部元件很少，兩個32 MHz的晶振、幾個電容和電感元件就可組成一個高可靠性的收發系統，設計簡單且成本較低。
  CC2530具有多種運行模式，本設計用到其中的3種模式：發射模式、接收模式和休眠模式。3種運行模式之間的轉換時間短以確保了低能耗，CC2530在休眠狀態時，電流僅為1μA。CC2530的定時器1是一個16位定時器，具有定時器／脈沖寬度調制(PWM)功能。每個計數器捕獲通道可以用作一個PWM輸出或捕獲輸入信號邊沿的時序。定時器2是專門為支持IEEE802．15．4  MAC或軟件中其他時槽的協議設計。定時器3和定時器4是8位定時器，具有定時器／計數器／PWM功能。
  CC2530芯片的無線射頻收發原理為：把接收到的RF信號通過低噪聲放大器(LNA)和功率放大器(PA)，進行積分轉換，輸入到混頻器中，再經過頻率合成器和90度的相位轉換，以及模數轉換(ADC)，調制解調(Modem)和同步信號校準(FEC)、信息包處理，然后送入RX／TX中，再通過嵌入式的微控制單元(MCU)進行數據的傳輸。
2．3  通信接口
  數據采集包括單片機對溫濕度傳感器數據采集，還包括PC對單片機數據采集和處理。系統采用的是RS485接口，它是一種半雙工串行通信接口，采用了平衡差分的傳輸模式，比RS232接口提高了傳輸的速率和增加了傳輸距離，目前廣泛運用于數據采集通信系統。
2．4  電源電路
  系統的電源部分采用蓄電池與光能互補供電方式，利用太陽能為電源蓄電池進行充電。為了充分利用電源并減少更換蓄電池次數，本系統多采用低功耗芯片，并在程序中增加休眠程序和無線遠程喚醒程序，最大限度地降低系統功耗。
2．5  硬件原理圖
硬件電路的設計采用Protel DXP  2004開發工具，根據CC2530芯片的特性，系統硬件電路原理圖如圖2所示。在本電路中CC2530既承擔著CPU的功能又承擔著通信模塊的作用。SHT75把采集到的溫室環境中的溫濕度模擬信號轉換成相應的數字信號并傳給CPU，CPU將接收到的溫濕度數字信號進行儲存，等待主機發送廣播，得到主機命令后，從機CPU將數據無線發送給主機。
  該原理圖的主要外圍元件功能為：偏置電阻R3用于設置一個精確的偏置電流；去藕電容C1用于提供PCB板精確的功率供給；C15、C16和C17、C18分別為晶體X1和X2的負載電容。RF端口由C9、C10、L2和L3共同組成不平衡變壓器，用于芯片不同RF端口信號轉換成單個RF信號，再通過一個π型LC濾波器(C13、C14、L4)的作用，最終輸出50歐姆的RF信號，和天線達到最佳的阻抗匹配。
3  溫濕度采集系統的軟件設計
本系統軟件設計采用結構化和模塊化設計方法，便于功能擴展。軟件開發環境選擇IAR Embedded  Workbench for MCS-51 7．51A作為Zigbee開發的IDE，在TI Z  Stack協議棧的基礎上，編寫了系統的應用程序代碼，用VC編寫上位機程序。

  系統上電以后，初始化I／O口，開啟看門狗，讀取存在EEPROM中的變送器地址值并將讀取的地址值進行校驗，如校驗正確則進入正常模式運行，溫度和濕度采樣分開執行，每次只采樣一個溫度值或一個濕度值，經過定時器累計計時使溫度和濕度的讀取進行輪巡，主機通過RS485通訊接口可訪問變送器的溫度和濕度值，還可以設置變送器的物理地址，當多臺變送器聯機時，可通過自身的物理地址來識別命令碼。
3．1  協調器的工作流程
Z  Stack提供了豐富的調試函數調試接口。系統軟件主要包括協調器節點程序、路由器節點程序。協調器是第一級節點，負責組建網絡，網絡組建好后會分配節點ID地址，協調器接收到手持控制終端發送的命令，發送控制命令到節點就可以實施相應控制，協調器的工作流程圖如圖3所示。
3．2  路由器的工作流程
  將協調器擴展到第2級、第3級甚至多級，只要在同一網絡就可以實施相應控制，協調器接收命令同時將控制命令發送到路由器或者終端節點，如果直接發送命令給路由器，路由器就會執行相應命令，也可以通過路由器發送給終端節點，由終端節點執行相應命令。路由器(包含終端節點)工作流程圖如圖4所示。
3．3  系統功能實現
  控制終端是一手持讀寫器(PDA)，讀寫器內設置了無線收發模塊，在組建網絡時將讀寫器加入網絡，讀寫器會自動識別每一節點的ID地址，通過對節點發送命令實現控制。可以對單個溫濕度采集器進行數據讀取，即向單個節點發送控制命令，也可以將部分節點組建一個局域網絡存儲到讀寫器中，對這個局域網絡發送命令就可以實現局域網內所有節點的溫濕度采集器的數據讀取。
4  結束語
  通過Zigbee技術實現了對溫濕度采集器的無線控制，解決了溫室監控系統現階段人工采集、效率低下和數據采集存在盲區等問題，可全天候實時監控溫室內的空氣溫濕度等信息，實現了溫室環境采集的無線通訊，所構建控制系統具有低功耗、低成本，開發方便，易于擴展等特點，而且通過手持讀寫器進行控制給人們帶來了便利。
  由于國家十分重視居民的菜籃子工程，所以基于Zigbee技術的溫濕度采集系統具有廣闊的市場，同時可以進一步擴展到采集系統遠程無線控制。溫濕度采集系統未來的研究應側重于節點數據傳輸的安全性和穩定性，進一步提高基于無線傳感器網絡的溫室環境采集系統的自動化、智能化程度，使之滿足實際環境應用的需求。