張柏林 王艷梅

摘要：采用干濕球測(cè)量濕度方法，嵌入zigbee無(wú)線通信協(xié)議，以CC2530和DS18B20為核心，設(shè)計(jì)了一款自組網(wǎng)、低成本的無(wú)線溫濕度傳感器系統(tǒng)，用于溫室大棚的環(huán)境監(jiān)測(cè)。與電容式濕度傳感器相比，具有準(zhǔn)確度高、線性度好和壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：zigbee；濕度；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；干濕球我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，目前溫室大棚已成為我國(guó)一些農(nóng)村的重要產(chǎn)業(yè)，是當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的重要經(jīng)濟(jì)來(lái)源[1]。大棚內(nèi)的溫度和濕度對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境影響極大，需要對(duì)大棚內(nèi)的溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)。

目前，我國(guó)北方的溫室大棚，溫濕度監(jiān)測(cè)仍采用人工定時(shí)查看溫濕度表的落后方式。這種方式勞動(dòng)強(qiáng)度大、監(jiān)測(cè)效率低。也有部分大棚采用以單片機(jī)為核心的傳統(tǒng)有線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)由于受到布線限制，具有一定的局限性，且成本較高，維護(hù)困難。筆者提出一種基于zigbee技術(shù)的無(wú)線溫濕度傳感器網(wǎng)絡(luò)。該傳感器網(wǎng)絡(luò)以CC2530和DS18B20溫度傳感器為核心芯片，采用傳統(tǒng)的干濕球測(cè)量濕度方法，并嵌入zigbee無(wú)線通信協(xié)議，具有自組網(wǎng)、功耗低、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)。

1概要

Zigbee是一種近距離、低數(shù)據(jù)傳輸率、低功耗、低成本的無(wú)線半雙工自組網(wǎng)技術(shù),使用ISM免費(fèi)頻段，單個(gè)網(wǎng)絡(luò)中最多可容納65535個(gè)節(jié)點(diǎn)，適合用于搭建對(duì)通信速率要求不高的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可分為三種類(lèi)型：網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)[2]。這三種節(jié)點(diǎn)類(lèi)型都是網(wǎng)絡(luò)層概念，他們的部署決定了網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫问?。不論zigbee網(wǎng)絡(luò)采用何種拓?fù)浞绞剑W(wǎng)絡(luò)中都需要有一個(gè)并且只能有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。

數(shù)字式溫度傳感器已經(jīng)比較成熟，如Dallas公司生產(chǎn)的DS18B20。濕度傳感器常采用電容式濕度傳感器，目前比較有代表性的如德國(guó)Humirel公司生產(chǎn)的HS1101系列濕度傳感器。然而，電容式濕度傳感器在結(jié)露情況下，容易損壞。結(jié)露問(wèn)題是由傳感器材料和結(jié)構(gòu)引起的，目前還沒(méi)有有效的解決方案。干濕球測(cè)量溫濕度方法由于沒(méi)有采用濕敏材料作為濕度測(cè)量的關(guān)鍵構(gòu)建，避免了結(jié)露所引起的問(wèn)題。采用干濕球測(cè)量濕度，當(dāng)由空氣傳入紗布的傳熱速率等于紗布表面氣化水分需要的傳熱速率時(shí)，則兩者達(dá)到平衡狀態(tài)，這時(shí)濕紗布中的水溫即保持恒定，稱(chēng)這恒定或平衡的溫度為該空氣的濕球溫度。此時(shí)，空氣中的相對(duì)濕度可以由（1）式求出[3]。

式中，t為空氣的溫度，tw為濕球溫度，P為當(dāng)?shù)卮髿鈮?，A為風(fēng)速的函數(shù)，Ew為濕球溫度下的飽和水汽壓，E為干球溫度下的飽和水汽壓。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Zigbee支持樹(shù)狀網(wǎng)、星型網(wǎng)等多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通常情況下，星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已經(jīng)可以覆蓋整個(gè)蔬菜大棚。本系統(tǒng)采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由一臺(tái)PC機(jī)、一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和多個(gè)終端設(shè)備三部分組成。

終端設(shè)備與傳感器集成在一起，負(fù)責(zé)采集大棚內(nèi)的溫度和濕度，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行打包通過(guò)無(wú)線電的方式發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器對(duì)接收到的信號(hào)首先進(jìn)行解包，然后，通過(guò)RS232通信線纜傳輸給PC機(jī)。PC機(jī)上的管理軟件對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，最終顯示給用戶。

3軟硬件設(shè)計(jì)

終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)干球和濕球的溫度采集，將采集結(jié)果進(jìn)行封包后發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。CC2530的P1_0引腳和P1_1引腳分別與兩個(gè)DS18B20連接，采用單總線串行通信協(xié)議，分別測(cè)量測(cè)試干球溫度和濕球溫度。

系統(tǒng)啟動(dòng)后，協(xié)調(diào)器首先選擇網(wǎng)絡(luò)所占用的頻道，然后開(kāi)啟網(wǎng)絡(luò)，等待終端設(shè)備的接入。終端設(shè)備啟動(dòng)后，搜尋網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器所在的頻道，然后依次加入由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器開(kāi)啟的網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)組建完畢，終端節(jié)點(diǎn)每隔三秒鐘，采集一次各自的干球溫度和濕球溫度，并將采集到的數(shù)據(jù)打包發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器收到數(shù)據(jù)后，解包然后通過(guò)RS232發(fā)送給PC機(jī)。最終PC機(jī)根據(jù)公式1計(jì)算當(dāng)前的濕度，并將計(jì)算結(jié)果顯示給用戶。

4結(jié)論

基于zigbee的干濕球溫濕度無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)有效解決了傳統(tǒng)有線溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布線困難、成本高、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量少、不便于維護(hù)等問(wèn)題。單個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)即可容納65535個(gè)節(jié)點(diǎn)，輕松實(shí)現(xiàn)大范圍溫濕度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。采用干濕球測(cè)量濕度方法，與電容式濕度傳感器相比，不受結(jié)露問(wèn)題的影響，測(cè)試數(shù)據(jù)更精確，傳感器壽命更長(zhǎng)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]陸楠,郭勇.基于zigbee技術(shù)的無(wú)線大棚溫濕監(jiān)控系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2008,32(15):98-100.

[2]姚春.zigbee在大數(shù)量節(jié)點(diǎn)應(yīng)用中的問(wèn)題研究[J].嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2009,25(1-2):3-5.

[3]吳振宇,毛德祥,吳超.新型數(shù)字干濕球濕度傳感器[J].傳感器技術(shù),2004,23(11):48-50.