宋玉琴+姬引飛+朱紫娟

摘 要： 針對集群溫室大棚環(huán)境監(jiān)測困難，有線傳輸系統(tǒng)成本高和網(wǎng)絡維護量大等問題，設計了針對溫室大棚內濕度、土壤溫度、光照強度、CO2濃度等的無線實時監(jiān)測系統(tǒng)。以CC2530芯片為核心，以CC2592射頻前端為協(xié)助，建立無線傳感器網(wǎng)絡，對溫室環(huán)境信息進行采集、分析、處理和傳輸，最后在上位機顯示。系統(tǒng)詳細分析了硬件電路的控制方法并給出了軟件流程圖。實驗表明：系統(tǒng)可以準確獲取溫室環(huán)境數(shù)據(jù)。增強節(jié)點輸出功率和低功耗設計，不僅提高了溫室環(huán)境監(jiān)測的靈活性和移動性，而且降低了成本。

關鍵詞： 集群溫室； 環(huán)境監(jiān)測； CC2530； CC2592； 控制方法

中圖分類號： TP911?34； TP274+.5 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）22?0069?04

0 引 言

為了保證溫室大棚作物的產(chǎn)量和品質，對環(huán)境的監(jiān)測尤為重要。環(huán)境監(jiān)測不僅能及時反饋作物的生長環(huán)境狀況，還能及時調節(jié)環(huán)境因子讓作物在最適宜的環(huán)境下生長。隨著技術的發(fā)展，溫室大棚有線網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng)彌補了人工監(jiān)測的效率低、控制效果不好的缺點，在文獻[1?2]中出現(xiàn)了采用RS 485總線和現(xiàn)場總線布網(wǎng)來監(jiān)測溫室環(huán)境，雖然提高了作物的產(chǎn)量，但有線布網(wǎng)增加了工程的成本和施工難度，并且系統(tǒng)線路容易老化斷裂，加大了維護成本和工作量。因此，迫切需要一種技術來改善有線網(wǎng)絡系統(tǒng)的缺陷。在文獻[3]中提出利用WiFi技術建立無線傳感器網(wǎng)絡溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)，但系統(tǒng)功耗大，成本較高。相比于WiFi，ZigBee技術的低功耗、自組網(wǎng)、低成本等特點使它具有無法替代的優(yōu)勢。ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡[4]已經(jīng)成功應用于智能家居[5]、智能電網(wǎng)[6]、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領域。本文以ZigBee技術為背景， 研究無線傳感網(wǎng)絡在集群溫室環(huán)境監(jiān)測中的應用。

1 系統(tǒng)總體結構和功能

設計采用ZigBee技術建立集群溫室無線傳感器網(wǎng)絡，監(jiān)測溫室大棚內的濕度、土壤溫度、光照強度、CO2濃度以及控制LED燈光和報警。該系統(tǒng)總體設計采用星型模式組成無線傳感器網(wǎng)絡，即一個協(xié)調器連接多個子節(jié)點，每個子節(jié)點以CC2530為核心，CC2530主要負責對傳感器采集的數(shù)據(jù)進行處理和對節(jié)點運行狀態(tài)進行智能管理，進而實現(xiàn)低功耗效果。該系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能是，通過傳感器采集溫室環(huán)境數(shù)據(jù)，CC2530對數(shù)據(jù)進行分析處理后，子節(jié)點通過無線信號發(fā)送給協(xié)調器，協(xié)調器接到信號通過RS 232串口[7]發(fā)送給溫室監(jiān)測分中心的PC，在PC的上位機可以對數(shù)據(jù)進行顯示，還可以將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送到以太網(wǎng)，以太網(wǎng)上的數(shù)據(jù)可以被集群溫室監(jiān)測中心和相關機構獲取，進行分析后進行有效控制。系統(tǒng)整體結構如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 無線功能單元

整個系統(tǒng)將無線功能單元作為核心，其中主要涉及協(xié)調器和子節(jié)點。無線功能單元主要由處理器模塊、無線通信模塊、電源模塊以及相應的調試接口構成。而其中的子節(jié)點需要增加傳感器模塊和燈控模塊，用于采集環(huán)境因子和控制LED燈的狀態(tài)；協(xié)調器是在處理器模塊和無線通信模塊的基礎上增加串口通信功能。協(xié)調器通過RS 232與計算機相連，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C，進而在上位機上顯示和向以太網(wǎng)上傳送。無線功能單元結構如圖2所示。

處理器模塊選擇第二代ZigBee芯片CC2530 [8]，它支持IEEE 802.15.4標準，在低功耗和靈敏度等性能方面較第一代CC2430芯片有所改進[9]。

CC2530集成了RF收發(fā)器和8051微處理器，具有超強的抗干擾性，而且配備TI的一個標準兼容的Z?Stack網(wǎng)絡協(xié)議?？s短開發(fā)周期。CC2530的外圍電路設計只需要少量輔助元器件。根據(jù)集群溫室的實際管理經(jīng)驗，只用CC2530芯片組建無線，節(jié)點之間的距離將被限制在100 m以內，達不到實際要求。為了擴大無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆秶x擇CC2592射頻前端增大節(jié)點的輸出功率。

CC2592應用于2.4 GHz低功耗低壓的無線網(wǎng)絡中，經(jīng)濟高效而且性能優(yōu)越[10]。它集成了一個可增加輸出功率的功率放大器和一個具有低噪聲系數(shù)的LNA，以提升接收器靈敏度。CC2530最大的輸出功率為+4.5 dBm，而增加CC2592范圍擴展器之后，輸出功率可以提高到+22 dBm。完全可以滿足系統(tǒng)設計需要，增大了節(jié)點之間的距離，擴展了無線網(wǎng)絡的范圍。CC2530與CC2592的電路連接如圖3所示。

CC2592有3個控制引腳分別為PA_EN，LNA_EN和HGM， 通過控制這3個引腳邏輯電平實現(xiàn)4 種模式： 掉電（Power Down）模式、RX低增益（RX Low Gain Mode）模式、RX高增益模式（RX High Gain Mode）、普通發(fā)送（ TX） 模式。其中，掉電模式功耗最小，在此狀態(tài)下，是沒有工作通路的，直至被激活到其他模式。CC2530 對CC2592 控制時，當LNA_EN 與PA_EN 引腳為低電平時，CC2592處于掉電模式，沒有工作；當LNA_EN引腳為高電平、HGM引腳為低電平時，CC2592處于低增益模式。當LNA_EN與HGM引腳為高電平時，CC2592處于高增益模式；當LNA_EN引腳為低電平、PA_EN引腳為高電平時，CC2592處于正常發(fā)送模式。CC2530要實現(xiàn)對CC2592的控制，既要遵循控制邏輯，又要設置RF寄存器，詳細設置內容如表1所示。

用CC2530 控制CC2592可以在CC2530 設為低功耗模式，同時也讓CC2592也工作于低功耗模式，大大地降低了功耗。該工作模式可將發(fā)送信號增強6倍（不加CC2592點對點無遮擋傳輸距離為80 m） ，傳輸距離達到480 m，解決了成本問題和傳統(tǒng)方式的布線復雜問題。

2.2 傳感器單元

子節(jié)點的傳感器單元主要由傳感器組成，為了實現(xiàn)對環(huán)境因子的數(shù)據(jù)采集，相對濕度傳感器采用國產(chǎn)的HM1500A，土壤溫度傳感器采用SLST1?5型數(shù)字溫度傳感器，光照傳感器采用歐恩公司生產(chǎn)的On9658，CO2濃度傳感器采用國內生產(chǎn)的小型傳感器MH?Z12。

表1 CC2530 RF寄存器設置

HM1500A使用微處理芯片，內置復位、看門夠及數(shù)據(jù)掉電保護電路，具有極強的抗干擾能力。本文選擇5 V供電，相對濕度和輸出電壓的關系為0～100%RH對應1～3.6 V，而且呈線性關系，因此具有很好的精確性和穩(wěn)定性。傳感器與CC2530的P0_1直接連接。

SLST1?5新型數(shù)字溫度傳感器屬于單總線接口器件，內置DS18B20溫度傳感器，金屬導熱性高的原理保證了傳感器的靈敏度，從而實現(xiàn)對土壤溫度的準確監(jiān)測。測量溫度范圍為-55～125 ℃，系統(tǒng)采用3.3 V電源對其進行供電，非常適合于溫室大棚環(huán)境下土壤溫度的采集。所以只需將SLST1?5的單總線接口與CC2530的P0_2引腳相連即可。

On9658內置高精度電壓源和修正電路，工作電壓范圍寬，溫度穩(wěn)定性好，對可見光極度敏感。On9658采用5 V供電，溫度范圍在-20～75 ℃，因此適用于對溫室大棚的光照進行采集。光照傳感器On9658的電信號輸出通過560 kΩ的電阻與CC2530的P0_0相連，且需要外接10 kΩ的上拉電阻以保護數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

CO2濃度傳感器采用國內生產(chǎn)的小型傳感器MH?Z12。內置溫度傳感器，能夠進行溫度補償；無氧氣依賴性，壽命長。傳感器節(jié)點采用3.3 V對其供電。由于該傳感器具有放大電路和濾波電路，因此，MH?Z12輸出的電壓信號只需與CC2530的P0_3引腳連接就可以進行數(shù)據(jù)傳送。

2.3 電源模塊

網(wǎng)絡節(jié)點中處理器CC2530需要3.3 V供電， 而HM1500A和On9658需要5 V供電。為了滿足不同模塊對電源的需求，以及節(jié)點的便捷性，采用多節(jié)1.5 V干電池供電，通過LM1117輸出所需的3.3 V和5 V電壓。

3 系統(tǒng)軟件設計

本文設計的集群溫室大棚無線傳感器網(wǎng)絡主要有3種設備：上位機、協(xié)調器和子節(jié)點。網(wǎng)絡的建立是由此3種設備完成，但環(huán)境信息的上傳是通過系統(tǒng)的通信協(xié)議控制的。協(xié)調器和子節(jié)點的軟件設計都是基于Z?Stack 協(xié)議棧開發(fā)的。

3.1 協(xié)調器和子節(jié)點的軟件設計

在IAR Embedded Workbenchfor 8051 8.10 軟件的支持下，利用Z?stack 協(xié)議棧進行應用層上的功能開發(fā)。子節(jié)點和協(xié)調器遵循約定的通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)的收發(fā)，通信采用主從式。溫室監(jiān)測分中心向子節(jié)點發(fā)送命令的時候遵循一定的格式，如表2所示。為了保證每個子節(jié)點的正常運行，每次開機運行，監(jiān)測分中心通過發(fā)送握手命令確定子節(jié)點是否聯(lián)機。協(xié)議規(guī)定了4種上傳命令：上傳溫濕度命令、上傳CO2濃度命令、上傳光照命令、上傳LED燈狀態(tài)命令。子節(jié)點收到監(jiān)測分中心的命令之后，需要返回相應的命令數(shù)值并且也有一定的應答格式，如表3所示。子節(jié)點除了需要應答規(guī)定的4種上傳命令外，還需主動上報報警信息，以便保護溫室大棚的環(huán)境不受外來人員的破壞。

協(xié)調器連接著監(jiān)測分中心和子節(jié)點，負責無線網(wǎng)絡的建立以及上位機和子節(jié)點之間的數(shù)據(jù)傳送。系統(tǒng)得電后，首先初始化硬件和協(xié)議棧，協(xié)調器掃描并選擇一個合適的信道建立一個新網(wǎng)絡，子節(jié)點發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡并加入網(wǎng)絡。組網(wǎng)完畢之后，協(xié)調器開始接收從監(jiān)測分中心傳來的命令，并下達給子節(jié)點，然后將子節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)測分中心。協(xié)調器的工作流程如圖4（a）所示。

子節(jié)點加入網(wǎng)絡后便開始進行定時采集工作，采集數(shù)據(jù)完成后觸發(fā)定時器中斷并進入低功耗模式，節(jié)約能耗，定時喚醒之后重新采集數(shù)據(jù)并更新原有數(shù)據(jù)。在此同時，子節(jié)點處于等待命令狀態(tài)，一旦有命令傳來，便將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調器，協(xié)調器接到數(shù)據(jù)后發(fā)送給監(jiān)測分中心，最終在上位機軟件中對數(shù)據(jù)進行顯示。子節(jié)點的軟件流程如圖4（b）所示。

3.2 上位機

溫室監(jiān)測分中心的上位機軟件是基于VC++ 6.0開發(fā)的，將上述方案設計進行調試和實驗，系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)在上位機界面顯示結果如圖5所示。

通過測試結果表明，系統(tǒng)運行正常，能全天候監(jiān)測溫室內的濕度、土壤溫度、光照強度和CO2濃度。

4 結 語

本文利用CC2530芯片和CC2592范圍擴展器建立無線傳感器網(wǎng)絡，并將此網(wǎng)絡應用于集群溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。實現(xiàn)了一種方便快捷的溫室環(huán)境監(jiān)測方法，可以為植物提供一個理想的生長環(huán)境，節(jié)省了人力物力，降低了成本。該系統(tǒng)操作簡單，運行穩(wěn)定，為集群溫室大棚環(huán)境監(jiān)測提供了一種有效的解決方案。

參考文獻

[1] 魏亭，楊盛泉，劉白林.基于RS 485總線的溫室大棚集散控制系統(tǒng)的研究與設計[J].西安工業(yè)大學學報，2013，33（9）：706?708.

[2] 彭高豐.溫室大棚環(huán)境智能自動測量與調節(jié)系統(tǒng)研究[J].計算機測量與控制，2012，20（10）：2664?2665.

[3] 劉士敏，楊順.基于無線傳感器網(wǎng)絡的農(nóng)村溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用，2013（8）：48?51.

[4] 彭燕.基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡研究[J].現(xiàn)代電子技術，2011，34（5）：49?51.

[5] 陶在紅，楊宇.基于ZigBee的智能家居控制系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代電子技術，2014，37（23）：9?11.

[6] 華曄，張濤.智能電網(wǎng)環(huán)境下ZigBee技術及其安全性研究[J].現(xiàn)代電子技術，2013，36（17）：45?48.

[7] 潘方.RS 232串口通信在PC機與單片機通信中的應用[J].現(xiàn)代電子技術，2012，35（13）：69?71.

[8] Texas Instruments. CC2530 datasheet （Rev.B） [EB/OL]. [2015?03?16]. http：//www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/CC2530.pdf.

[9] 李樹江，段岳非.基于CC2430的溫室大棚環(huán)境信息采集系統(tǒng)設計[J].微型機與應用，2012，13（19）：31?34.

[10] Texas Instruments. CC2592 datasheet [EB/OL]. [2015?03?16]. http：//www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/CC2592.pdf.