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温室温度设计：基于ZigBee技术的湿度测量系统
Xuejun Tian, Jianliang Li, Lihua Luo
岭南师范大学机电工程学院，广东湛江524000
介绍
随着温室农业的推广和发展，温室为农业栽培带来了极大的便利，提高了农作物的质量和产量。温室作物的生长受环境因素的影响。例如，关键因素——温度和湿度对作物的生长有直接的影响。在此基础上，本研究旨在设计一种能够及时准确监测温室内温度和湿度，并使其受到系统精确控制的温室，为作物的健康生长提供良好的环境。如果该项目成功实施，将把该行业的技术提升到一个新水平，促进农业与物联网的融合，加快智能农业的整体发展，因此，该设计具有惊人的市场价值。同时，温室在增加农户经济效益、促进农业经济发展方面也发挥着重要作用。
传统的温湿度监测系统一般采用现场手工记录或有线远程数据采集的方式进行数据采集。手工方式工作量大，效率低[1]。针对问题等传统数据收集和传输困难穿着安排,功耗大,成本高,因此,本文提出了利用ZigBee无线沟通技术设计硬件的无线温度和湿度数据采集系统,躲避的局限性结扎点之间连线温度和湿度监测系统和弥补了有线系统的缺点。
1. 系统架构
智能农业涉及计算机、网络技术、现代通信技术等众多学科。但在智能农业的发展中，大量冗余的物理信息的集成和处理是一个关键的障碍。
本文针对智能温湿度监测系统，研究了多传感器信息融合技术、数据及时反馈技术以及大规模ZigBee无线数据传输关键技术。该系统可以保证温室内温湿度数据的及时传输和反馈，从而实现对作物生长环境的精确测量，用户可以及时掌握作物的生长情况。
本研究涉及DHT11温湿度传感器、ZigBee无线通信模块、CC2530演示板和TFT液晶显示器。DHT11温湿度传感器包括电阻型湿度传感元件和NTC测温元件，与高性能8位单片机相连。它是一种传感器，输出校正后的数字信息，为系统提供精确的测量数据。
系统中控软件平台采用Zig - Bee无线通信技术实现温湿度数据的传输和显示。数据传输的过程是:从DHT11温度和湿度传感器节点获取数据并将它们发送给协调器通过ZigBee无线传输,然后协调器发送数据到计算机通过串口显示,也意味着,同时,协调器显示屏幕上显示实时数据。
软件系统还涉及到节点休眠的工作机制。节点收集数据的频率由软件程序调整。如果时间间隔较长，则让节点处于浅睡眠状态，这样不仅降低了系统的功耗，也延长了节点的工作寿命。
DHT11温湿度传感器与终端节点、协调节点组成了下位机ZigBee无线网络监控系统。DHT11温湿度传感器和端子节点负责温湿度[4]的数据信息的采集、恢复和上传。协调模块主要负责温湿度数据的接收和传输。
下位机ZigBee无线网络监控系统通过串行接口与上位机通信，最终由上位机显示数据。协调器构建ZigBee网络，等待节点终端和温湿度传感器参与，然后温室内传感器节点开始测量温湿度。单台无线温湿度测量硬件系统设计如图1所示。
图1整个无线温湿度测量硬件系统
2. ZIGBEE智能总线技术
2.1 ZigBee技术特点及节点硬件选择
ZigBee有自己的无线标准。它是ZigBee联盟和IEEE802.15.4在IEEE8.2.15.4 标准的基础上共同开发的一种低消耗局域网协议(local area network protocol)。ZigBee只需要很少的功率，就可以实现多个传感器之间的协调和通信。它拥有完全集成的高性能射频收发器、8051微处理器、8kB RAM、32/64/128/ 256kb闪存等强大的支持功能和外设。核心模块提供101dB链路质量，出色的灵敏度和接收器的鲁棒抗干扰性能，四种供电模式，多种大小的闪存和广泛的外设，包括两个USARTs, 12位ADC, 21通用GPIO和许多其他[5]。除了出色的射频性能、选择性和行业标准提高的核心8051单片机和支持一般的低能耗无线通信,发展也可以简化——同一标准的装备系统的标准兼容性TI(德州仪器)或独家网络协议栈(Re - moTI, Z-Stack,or SimpliciTI)。
2.2协议栈结构
IEEE 802.15.4是ZigBee通信协议的基础，其结构分为应用层、网络层、MAC层和物理层四层。每一层的功能都严格按照IEEE 802.15.4标准和ZigBee 2007规范规定的原始格式编写。同时，在协议栈中嵌入操作系统，实现任务的统一管理。用户只需要了解应用层的功能，并在必要时调用即可。通过这种方式，可以构建一个功能全面、性能稳定的ZigBee无线网络[6]。
ZigBee应用层(APL)包括应用支持子层(APS)、ZigBee设备对象(包括ZDO管理平台)和厂商定义的应用对象。APS (application support sublayer)提供以下端口:网络层和应用层之间，从ZDO到供应商的应用对象的公共服务集。该服务由两个实体实现:应用程序支持子层数据实体(APSDE)和应用程序支持子层管理实体(APSME)。
2.3节点硬件选择
说明电路是温室的关键部分，也是本文设计的核心内容，负责温湿度数据的采集和恢复。实现低功耗是无线传感器网络设计的难点，也是节点电路设计的重要考虑因素。在节点硬件电路的设计中，我们选择了一种既能处理来自传感器的数据，又能以无线方式收发数据的芯片，如CC2530芯片。此外，它有四种电源模式，使系统休眠，以保持低功耗时，节点不工作。根据温室作物监测系统总体设计方案，节点包括协调节点和终端节点。
2.4网络架构拓扑图
ZigBee网络支持三种网络结构:星形结构、区域结构和网状结构，如图2所示。
在星状结构中，协调者控制整个网络，负责网络建设和信息管理与维护。协调器必须是FFD，网络中除了这个中心节点外，其他所有节点都是终端节点，可以直接与协调器通信。在区域结构中，通过路由器扩展网络所覆盖的范围，路由器节点和终端节点都可以连接到协调节点。
在ZigBee网状结构中，路由器节点必须是FFD，通信范围内任意两个FFD节点之间都可以通信。可以采用多跳传输来延长节点的传输距离。此外，该网络具有较高的自愈能力，能够很好地适应网络结构的变化。在网状结构中，节点间的无线多跳自组织网络采用[8]。协调器构建和管理整个网络，实现链路状态信息管理和设备识别等功能，并将各节点的数据通过串行接口传输到上位机进行处理和分析。路由器可以与协调器和其他路由器取得联系;它的主要任务是传输数据，因此是扩大网络范围的一个重要环节。更重要的是，它支持儿童设备。终端设备可以发送或接收消息，但不能执行任何路由操作。因此，它们必须连接到协调器或路由器，将收集到的数据传输到控制中心，或按照控制中心的命令完成操作。终端设备不支持子设备。
图2三种网络拓扑结构
2.5协调员的网络建设过程
网络的构建必须由从不加入任何其他网络的协调器来完成。协调器试图在一开始就构建网络。首先，协调器完成自己程序的初始化并尝试构建网络。当网络建立后，协调器开始监控从下级路由器发出的信号。如果没有下级路由器加入notes，则继续监控;当下级路由器申请加入网络时，中央协调器将物理地址和地理位置信息分配给下级路由器，并及时接收来自下级路由器的信号。中央协调器的网络建设步骤如图3所示。
图3协调器网络建设过程
只有成功构建新的ZigBee网络，其中的协调器和路由器才能允许隔离的节点设备接入网络。设置参数OXFF表示允许隔离节点在任何时间[9]加入ZigBee网络。当一个节点在某一点上成功地加入到网络中时，一个新的传输数据和交换信息的父子节点设备关系就完成了。节点加入网络的流程图如图4所示。
图4节点加入网络的流程
当传感器节点连接到所构建的ZigBee网络时，系统已经完成了网络的构建和连接。把它放在被测量的环境中，它就会开始它的正常工作。
2.6动态路由和自愈能力
2.6.1路由发现
针对一个目的地址，源设备通过发送路由请求消息给它的邻居设备来请求路由。当节点接收到路由请求消息时，它会依次传递带有相关路由信息的消息。这样，当所有的路由请求都到达目的节点时，源节点就获得了所有路径的信息，因此可以将路由列表变为[10]。
2.6.2路线选择
通过路由发现，源节点被告知所有可能路径的总连接消耗。如果源节点需要向目标节点发送数据，它可以选择总连接消耗最小的路径。
2.6.3路由维护
路由维护是指对已有的路由列表进行维护。当节点发生故障时，源节点的消息无法到达目标节点，因此源节点在一段时间内无法接收到目标节点的响应。此时，源节点生成超时消息，将此路径的总连接消耗设置为无限，并相应地更新路由列表[10]。然后，源节点从更新的路由列表中选择连接消耗最小的路径，再次发送数据。发送和更新的步骤将会重复，直到数据被成功发送出去。
3.系统硬件解决方案和设计
3.1 CC2530芯片模块
CC2530芯片集成51单片机核心。与许多其他ZigBee芯片相比，它更常用。结合集成开发环境-集成了[11]的IAR嵌入式工作台，可以使用专用于CC2530芯片的ZigBee开发套件，为操作和连接提供了方便。可通过USB连接电脑，高速下载代码。功能包括在线调试、断点的观测、单步和变量、寄存器的观测等。CC2530可以用低成本的总材料构建强大的网络节点。此外，射频收发器的优异工作性能和标准增强型8051 CPU都为系统的高性能做出了贡献，该系统可实现闪存编程、8kB RAM和其他许多强大的功能。原理图如图5所示。
图5 CC2530F256原理图
3.2 ZigBee协调节点
ZigBee协调节点采用CC2530芯片，在系统中担任ZigBee网络中的协调节点，协调节点不参与温湿度信息的采集。协调器负责数据传输和网络建设。当终端从DHT11传感器获得数据后，通过无线传输将数据发送给协调器。然后协调器通过RS-232串口[12]将数据传输到PC机。
3.3 ZigBee终端节点
同样，终端节点选用CC2530芯片，其ap外观与上述ZigBee协调器相同。ZigBee终端节点配有温湿度传感器，用于温室内采集相关数据。每个数据采集站点拥有一个终端节点，所有终端节点通过ZigBee网络技术连接到网络上。从而实现了对整个温室的数据采集，及时掌握温室内的温度和湿度。
3.4温湿度传感器的选择
选择DHT11温湿度传感器。它的单线串行接口使系统集成更容易和更快，它的小体积要求非常低的功耗[13]，使USB或电池足够供电。因此，DHT11温湿度传感器是本次应用的最佳选择。而且这个产品的包装类型是四个单排引脚，可以直接连接。
DHT11温湿度传感器的湿度测量范围为20 ~ 90%RH，误差为plusmn;5%RH;温度测量范围为0 ~ 50◦C，误差为plusmn;2◦C，满足本项目的硬件要求。DHT11温湿度传感器通过RS232串口连接CC2530的ZigBee终端，传输采集到的数据。图6为接口电路图。
图6接口电路图
引脚规格如表1所示。
表1引脚规格
|
Pin |
Name |
Note |
|
1 |
VDD |
Power supply 3—5.5VDC |
|
2 |
DATA |
Serial data, unibus |
|
3 |
NC |
Empty pin, keep dangling |
|
4 |
GND |
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