基于ZigBee的溫室花房環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)溫室花房環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測，提出了一種基于ZigBee技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，并對系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。通過對ZigBee技術(shù)的分析和對CC2430芯片的研究，利用ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，運(yùn)用該系統(tǒng)對溫室花房的溫度、濕度等進(jìn)行監(jiān)測，達(dá)到實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測的目的。
關(guān)鍵詞：溫室花房；ZigBee；CC2430；環(huán)境監(jiān)測

0 引言
    溫室花房的環(huán)境溫濕度控制與管理是影響植物生長過程的重要因素。目前，實(shí)際使用的各類環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)普遍存在網(wǎng)絡(luò)布線困難、成本高及實(shí)時(shí)性差等問題，本文針對上述問題，提出了基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室花房環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由低功耗微小無線傳感器通過自組織方式構(gòu)成，可利用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功耗低、工作時(shí)間長、成本低等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)低成本無人連續(xù)在線監(jiān)測。同時(shí)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布置密集，對每個(gè)監(jiān)測點(diǎn)都有多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測量，可以通過數(shù)據(jù)融合提高數(shù)據(jù)精度，而單節(jié)點(diǎn)失效也不致影響測量效果，這種測量方式使得系統(tǒng)容錯(cuò)性強(qiáng)。另外，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)不僅可以進(jìn)行監(jiān)測，還可對指定區(qū)域進(jìn)行查詢，這些特點(diǎn)是傳統(tǒng)在線監(jiān)測系統(tǒng)所不具備的。

1 Zigaee技術(shù)
1．1 ZigBee技術(shù)簡述
    在工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測、商業(yè)監(jiān)控、汽車電子、家庭數(shù)字控制網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用中，系統(tǒng)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通常為小量的突發(fā)信號，即數(shù)據(jù)特征為數(shù)據(jù)量小，要求進(jìn)行實(shí)時(shí)傳送，如采用傳統(tǒng)的無線技術(shù)，雖然能滿足上述要求，但存在著設(shè)備的成本高、體積大和能源消耗較大等問題，針對這樣的應(yīng)用場合，人們希望利用具有成本低、體積小、能量消耗小和傳輸速率低的短距離無線通信技術(shù)，ZigBee技術(shù)就是在這種需求下產(chǎn)生的。它是具有成本低、體積小、能量消耗小和傳輸速率低的無線通信技術(shù)，其中文譯名通常稱為“紫蜂”技術(shù)。
    ZigBee是一種新興的短距離、低速率的無線組網(wǎng)通信技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)使用廉價(jià)的電池就能夠連續(xù)工作多年的無線網(wǎng)絡(luò)。ZigBee的協(xié)議架構(gòu)建立在IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)之上，該標(biāo)準(zhǔn)定義的無線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的特征與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有很多相似之處，很多研究機(jī)構(gòu)把它作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信標(biāo)準(zhǔn)。表1詳細(xì)列出ZigBee的主要特點(diǎn)。

1．2 ZigBee芯片介紹
    CC2430出自挪威Chipcon公司，是一款真正符合IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的片上ZigBee產(chǎn)品。該芯片延用以往CC2420芯片的結(jié)構(gòu)，在單個(gè)芯片上集成ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。它使用一個(gè)8位MCU(8051)，具有32／64／128 KB可編程閃存和8 KB的RAM，還包含模／數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、幾個(gè)定時(shí)器、AES-128安全協(xié)處理器、看門狗定時(shí)器、32 kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路、掉電檢測電路。CC2430還有21個(gè)可編程的I／O口引腳，P0、P1口是完全的8位口，P2口只有5個(gè)可使用的位。通過軟件設(shè)定一組SFR寄存器的位和字節(jié)，可使這些引腳作為通常的I／O口或作為連接ADC、計(jì)時(shí)器或USART部件的外圍設(shè)備I／O口使用。其I／O口引腳功能如下：
    1～6腳(P1．2～P1．7)：具有4 mA輸出驅(qū)動能力；
    8，9腳(P1．0，P1．1)：具有20 mA的驅(qū)動能力；
    11～18腳(P0．0～P0．7)：具有4 mA輸出驅(qū)動能力；
    43～46，48腳(P2．0～P2．4)：具有4 mA輸出驅(qū)動能力。
    CC2430芯片采用0．18μm CMOS工藝生產(chǎn)，工作時(shí)的電流損耗為27 mA。
    在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25 mA。CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式的超短時(shí)間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應(yīng)用場合。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    硬件電路設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計(jì)、路由器、ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的設(shè)計(jì)、ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組建、以及控制中心等幾個(gè)部分，如圖1所示。

    該系統(tǒng)采用星狀無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，系統(tǒng)只有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和若干個(gè)RFD節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器安裝在有人值守的監(jiān)控室，負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)和管理網(wǎng)絡(luò)，并顯示當(dāng)前整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的狀況，且把收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)中。RFD負(fù)責(zé)安裝在各個(gè)溫室花房中，負(fù)責(zé)采集溫度和濕度等數(shù)據(jù)，然后定期或有中斷時(shí)，把數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。監(jiān)控人員在控制室通過顯示器就可以對花房各種數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視，無須到現(xiàn)場。通過GPRS也可以同時(shí)把數(shù)據(jù)以短信的形式發(fā)送于手機(jī)上，如圖2網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器由CC2430、串口部分、天線、按鍵和顯示模塊組成。CC2430模塊通過天線接收到信號后，通過SPI口直接輸出到液晶顯示器上。串口部分用UART模塊，UART再外接一個(gè)RS 232模塊用于連接計(jì)算機(jī)，給計(jì)算機(jī)傳輸數(shù)據(jù)，將計(jì)算機(jī)外部來的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字節(jié)，供計(jì)算機(jī)內(nèi)部使用并行數(shù)據(jù)的器件使用。所連接的計(jì)算機(jī)的作用是用來觀察串口輸出的數(shù)據(jù)。

    RFD節(jié)點(diǎn)有CC2430、溫度傳感器和天線組成。節(jié)點(diǎn)通過溫度傳感器檢測所處環(huán)境的溫度，然后通過天線發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。溫度傳感器使用TC77，它是Mi-crochip公司生產(chǎn)的串聯(lián)可訪問數(shù)字溫度傳感器，特別適合于廉價(jià)，小尺寸的應(yīng)用中。溫度數(shù)據(jù)從內(nèi)部溫度敏感元件轉(zhuǎn)換而來，隨時(shí)都可以轉(zhuǎn)化成13位數(shù)字。
    數(shù)據(jù)采集終端是由相應(yīng)的傳感器和若干個(gè)ZigBee收發(fā)模塊組成。ZigBee收發(fā)模塊將采集到的數(shù)據(jù)打包并傳給ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。ZigBee通信模塊硬件設(shè)計(jì)采用TI公司的CC2430芯片作為硬件平臺進(jìn)行開發(fā)。CC2430主芯片屬于典型的System-on-Chip(SoC)芯片，片內(nèi)集成了高性能、低功耗的增強(qiáng)型8051單片機(jī)作為處理器，也集成了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器，僅需少量的外圍器件構(gòu)成時(shí)鐘電路、射頻(R-F)偏置電路即可運(yùn)行。數(shù)據(jù)處理模塊是無線傳感器節(jié)點(diǎn)的核心，數(shù)據(jù)的讀取，任務(wù)的調(diào)度，信息的傳輸都由該模塊控制，因此處理器的選擇在節(jié)點(diǎn)中尤為重要。微處理器選用的是Atmel公司的Atmegal6L單片機(jī)。Atmegal6L是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。A-tmegal6L有2個(gè)8位定時(shí)計(jì)數(shù)器、1個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器、8路10位ADC、4通道PWM，具有可編程看門狗定時(shí)器和片上振蕩器、片上模擬比較器、JTAG、USART、SPI等接口。Atmegal6L除正常工作模式，還具有不同等級的低功耗操作模式，選用Atmegal6L對于功耗要求比較苛刻的無線傳感器節(jié)點(diǎn)非常適合。

3 系統(tǒng)軟件流程
    本系統(tǒng)用C語言編程，軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)方式，總體程序框圖如圖3所示。

    單片機(jī)上電復(fù)位，程序開始執(zhí)行，初始化單片機(jī)端口，為驅(qū)動溫濕度模塊、ZigBee模塊作準(zhǔn)備。初始化顯示模塊，用來顯示接收到的溫濕度數(shù)據(jù)。采集當(dāng)前的溫濕度數(shù)據(jù)，如果沒有采集到數(shù)據(jù)，或由于外界干擾導(dǎo)致讀取錯(cuò)誤，則返回繼續(xù)讀取。采集到的溫濕度數(shù)據(jù)經(jīng)過相應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后送到ZigBee發(fā)送模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，ZigBee接收模塊接收溫濕度數(shù)據(jù)，如果沒有接收完，則繼續(xù)接收。接收完數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理，傳送數(shù)據(jù)到顯示模塊進(jìn)行顯示。

4 結(jié)語
    基于ZigBee的溫室花房環(huán)境檢測數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)傳輸安全可靠、組網(wǎng)簡易靈活、設(shè)備成本低等特點(diǎn)，其自動化、智能化的無線監(jiān)控系統(tǒng)將越來越受到市場的青睞，是一項(xiàng)極具市場前景的高科技項(xiàng)目，將會創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益和綜合社會效益，具有很好的應(yīng)用前景。