關鍵詞： ZigBee；溫濕度；SHT11
近年來，隨著溫室農(nóng)業(yè)的推廣與發(fā)展，溫室大棚的種植為人們的生活帶來極大的便利。農(nóng)作物的生長與大棚中的溫度、濕度、光照度等環(huán)境因子有很大的關系。因此，能夠及時準確地監(jiān)測溫室大棚的溫濕度具有重要的現(xiàn)實意義。傳統(tǒng)的溫濕度測量系統(tǒng)一般采用人工值守或有線采集方式，人工方式加大了工作量而且監(jiān)測效率低[1-2]；有線數(shù)據(jù)采集存在著布線困難、功耗大、成本高等問題。
針對傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集傳輸過程中存在的問題和不足，本文設計了一種基于ZigBee技術(shù)的無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)。ZigBee技術(shù)是針對無線低速傳感器網(wǎng)絡而提出的，具有低成本、低功耗、低復雜度、網(wǎng)絡節(jié)點多、傳輸距離遠等優(yōu)點[3]，不僅能夠滿足大片溫室大棚內(nèi)溫濕度的測量，而且還能滿足低成本設備的要求。
1 系統(tǒng)整體設計方案
整個無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)由上位機（PC）監(jiān)控端和下位機ZigBee網(wǎng)絡兩部分組成。
下位機ZigBee網(wǎng)絡系統(tǒng)負責采集溫室大棚內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)，上位機負責顯示溫濕度數(shù)據(jù)并進行實時監(jiān)控。
下位機ZigBee網(wǎng)絡系統(tǒng)由溫濕度傳感器模塊、路由器模塊和協(xié)調(diào)器模塊組成。溫濕度傳感器模塊主要負責采集、存儲和上傳溫濕度信息[4]。路由器模塊主要負責轉(zhuǎn)發(fā)溫濕度信息。協(xié)調(diào)器模塊主要完成溫濕度數(shù)據(jù)的匯聚。下位機ZigBee網(wǎng)絡系統(tǒng)和上位機之間通過RS-232串口進行通信。當監(jiān)測大棚溫濕度信息時，首先通過上位機端監(jiān)控軟件設置好波特率和串口號等參數(shù)，然后協(xié)調(diào)器開始組建ZigBee網(wǎng)絡，這時路由器節(jié)點和溫濕度傳感器節(jié)點開始加入ZigBee網(wǎng)絡。分布在各個大棚內(nèi)的溫濕度傳感模塊開始采集溫濕度信息，并存儲在Flash中，通過單跳或者多跳的方式發(fā)送到上位機，上位機監(jiān)控端接收到溫濕度信息后，把各個大棚內(nèi)的溫濕度信息顯示出來。當溫濕度信息異常時，在監(jiān)控端會有異常提示，以便及時處理。
2 系統(tǒng)硬件設計
2.1 溫濕度傳感器模塊
傳感器采用Sensirion溫濕度傳感器家族中的SHT11傳感器，它是一款超低功耗的高精度溫濕度傳感器，它的溫度采集精度可達0.4℃，濕度采集精度可達3%RH；溫度測量范圍為-40℃~123.8℃，濕度測量范圍為0%RH~100%RH；可采用的電壓范圍為2.4 V~5.5 V；能耗僅為1 μW~30 μW[5]。
CC2530與SHT11硬件連接圖如圖2所示。SHT11共有8個引腳，GND、DATA、SCK、VDD，其余4個引腳閑置。為避免信號發(fā)生沖突，在DATA與VDD之間接一個上拉電阻。在VDD與GND之間加入一個電容，用以去耦濾波。SHT11應用串行通信直接將數(shù)據(jù)傳輸至單片機，用CC2530的通用I/O口P0的P0_1/P0_0分別與SHT11的串行時鐘線SCK和串行數(shù)據(jù)線DATA相連接，用于實現(xiàn)通信同步以及數(shù)據(jù)傳輸[6]。該設計既簡化了傳感器與單片機之間的接口，又提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。
2.2 路由器和協(xié)調(diào)器模塊的硬件設計
路由器模塊和協(xié)調(diào)器模塊在硬件結(jié)構(gòu)上是一樣的，它們不參與溫濕度信息的采集。協(xié)調(diào)器通過RS-232串口和上位機相連。路由器之所以設計RS-232接口，是因為當協(xié)調(diào)器發(fā)生意外損壞的情況時，可以直接用路由器模塊來替代協(xié)調(diào)器。路由器和協(xié)調(diào)器的硬件框圖如圖3所示。
4 溫濕度傳感模塊能耗檢測
測試連接框圖如圖7所示。其中電池組采用兩節(jié)1.5 V干電池串聯(lián)的方式。測試前首先給協(xié)調(diào)器模塊和溫濕度傳感器模塊上電，等系統(tǒng)正常工作后，用示波器測量電阻兩端的電壓。利用測得的電壓值和電阻值計算得到平均功耗。
通過對設計的基于ZigBee技術(shù)的無線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)誤差進行測試，結(jié)果表明本系統(tǒng)的濕度誤差可以控制在3%RH以內(nèi)，溫度誤差可以控制在0.4 ℃以內(nèi)，充分說明基于ZigBee技術(shù)的無線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的溫濕度誤差大小符合要求。通過對SHT11傳感器模塊的能耗測試計算，兩節(jié)1.5 V的干電池可以提供一個SHT11模塊正常工作200天以上，說明了該系統(tǒng)具有低功耗的特點，并且可以進行長時間的監(jiān)測工作。
參考文獻
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