基于CC2530的大棚溫濕度無線采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

莊立運(yùn)+魯慶+王曉暉

摘要：針對目前農(nóng)業(yè)大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)中存在的不足，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于CC2530與數(shù)字式溫濕度傳感器SHT11的農(nóng)業(yè)大棚溫濕度無線采集節(jié)點(diǎn)。介紹了溫濕度無線采集節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)及軟件流程，節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)大棚溫濕度數(shù)據(jù)無線采集和傳輸。節(jié)點(diǎn)性能測試結(jié)果表明，節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)精度高，誤差小，完全適用于農(nóng)業(yè)大棚溫濕度數(shù)據(jù)無線采集系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：大棚；溫濕度；節(jié)點(diǎn)；CC2530；SHT11

中圖分類號：TP212.9；S126 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）03-0582-04

溫室大棚中作物質(zhì)量和產(chǎn)量的高低與溫室大棚中的溫度、濕度等因素密切相關(guān)， 傳統(tǒng)的溫度、濕度測量一般采用熱電偶、熱敏電阻以及分體的溫度、濕度傳感器等元件。此類元件容易受到測量場所以及環(huán)境的限制，長期使用時(shí)由于環(huán)境的影響會使其性能下降，需要定期檢查與更換；信號線的長距離傳輸時(shí)相互容易產(chǎn)生干擾，而且導(dǎo)線不易鋪設(shè)，給實(shí)際應(yīng)用帶來了很大的不便。

CC2530結(jié)合了ZigBee協(xié)議棧，提供了一套完整的ZigBee解決方案。而且CC2530F256包括了性能優(yōu)越的RF收發(fā)器、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)性8051 MCU，128 kB可編程的閃存、8 kB RAM以及許多其他功能強(qiáng)大的特性，工作在免授權(quán)的2.4 GHz頻段，CC2530相對其他單片機(jī)以較低的總成本能夠建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，并涵蓋了先進(jìn)的射頻器的優(yōu)良性能、8 kB隨機(jī)存儲器、系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存以及8051 CPU等強(qiáng)大的功能。CC2530分別具有32、64、128、256 kB 4種不同的閃存。CC2530能根據(jù)需要切換不同的運(yùn)行模式，具備低能耗、較強(qiáng)的抗干擾性、較好的接收信號能力的優(yōu)點(diǎn)[1]。

1 ZigBee協(xié)議

ZigBee是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信協(xié)議，由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用匯聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成，其結(jié)構(gòu)如圖1[2]。ZigBee協(xié)議工作在868 MHz、915 MHz、2.4 GHz這3個(gè)頻段，采用CSMA-CA信道接入方式，可有效避免通信沖突。

2 節(jié)點(diǎn)總體結(jié)構(gòu)

大棚溫濕度采集節(jié)點(diǎn)的主要功能是采集溫濕度數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至各個(gè)子節(jié)點(diǎn)組成的基站。節(jié)點(diǎn)主要由傳感器模塊、處理器模塊、電源模塊等組成。數(shù)據(jù)采集模塊采用數(shù)字傳感器SHT11，處理器模塊采用CC2530芯片，傳感器模塊負(fù)責(zé)采集監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的相關(guān)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)信號經(jīng)放大后發(fā)送至處理器模塊的I/O端口P 0.6；處理器模塊將接收到的數(shù)據(jù)信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到的數(shù)字信號經(jīng)處理器模塊計(jì)算處理，得到溫濕度結(jié)果數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)再經(jīng)過射頻電路部分發(fā)送出去，電源模塊主要用于給處理器供電[3]，節(jié)點(diǎn)硬件原理如圖2。

3 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

3.1 溫濕度采集模塊

SHT11為瑞士SENSIRION公司出品的具有二線串行接口的單片全校準(zhǔn)數(shù)字式新型相對濕度和溫度傳感器。該傳感器將傳感器技術(shù)與CMOS芯片技術(shù)結(jié)合起來，從而發(fā)揮出強(qiáng)大的優(yōu)勢互補(bǔ)作用。將溫度與濕度感測、A/D轉(zhuǎn)換、信號變換和加熱器等功能集成到一個(gè)芯片上，還包括一個(gè)電容性聚合體濕度敏感元件和一個(gè)溫度敏感元件。其濕度量程為0%～100%RH，溫度量程為-40.0～123.8 ℃，溫度測量可達(dá)14位的分辨率，濕度測量可達(dá)12位的分辨率，在高速或超低功耗的應(yīng)用中也可分別達(dá)到12位和8位的分辨率， 能滿足大棚環(huán)境中溫濕度的測量要求。SHT11傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3。

3.2 處理器模塊

為了增加中心節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)存儲和處理能力，選用帶256 K Flash的射頻芯片，而且有標(biāo)準(zhǔn)的8051增強(qiáng)型處理器，因此選用CC2530作為本設(shè)計(jì)的主芯片。

CC2530是用于2.4 GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)（SOC）解決方案。它能夠以非常低的總材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8 kB RAM和許多其他強(qiáng)大的功能。CC2530具有不同的運(yùn)行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間短，進(jìn)一步確保了低能源消耗。

3.3 電源模塊

由于溫濕度監(jiān)測節(jié)點(diǎn)應(yīng)用在環(huán)境相對惡劣的農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)，節(jié)點(diǎn)的供電電池一般不更換，因此需采用容量大、使用壽命長且免維護(hù)的高性能電池。這里采用2節(jié)5號AA電池供電。節(jié)點(diǎn)總體電路圖設(shè)計(jì)如圖4。

4 軟件設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)分為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序和采集節(jié)點(diǎn)程序，都采用C語言編寫。ZigBee協(xié)議棧運(yùn)行在OSAL層操作系統(tǒng)上，該操作系統(tǒng)基于任務(wù)調(diào)度機(jī)制，通過對任務(wù)的事件觸發(fā)來實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器主要是建立和管理一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)，將網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)通過串口傳送給其上位機(jī)。首先，協(xié)調(diào)器建立一個(gè)無線局域網(wǎng)； 然后，掃描所設(shè)定的信道，接收新的節(jié)點(diǎn)加入，并且會分配給其一個(gè)特定的地址。協(xié)調(diào)器程序流程如圖5。

傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊，將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器。系統(tǒng)中傳感器節(jié)點(diǎn)上電復(fù)位，進(jìn)行系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)配置初始化等，掃描可用的信道來尋找協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，申請加入?yún)f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建的網(wǎng)絡(luò)。在沒有數(shù)據(jù)請求的時(shí)候，傳感器節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)； 而一旦有了數(shù)據(jù)請求，傳感器節(jié)點(diǎn)馬上進(jìn)入工作狀態(tài)。首先對數(shù)據(jù)請求命令解析并回應(yīng)； 然后再進(jìn)行傳感器的啟動、數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)的發(fā)送等； 發(fā)送完畢進(jìn)入睡眠狀態(tài)，等待下一個(gè)數(shù)據(jù)請求命令[4，5]。流程圖如圖6。

5 節(jié)點(diǎn)性能測試

節(jié)點(diǎn)測試主要分為兩部分：第一是測試各個(gè)節(jié)點(diǎn)模塊是否能正常工作，子節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)測試；第二是采集大棚現(xiàn)場環(huán)境的溫濕度數(shù)值進(jìn)行分析。由于時(shí)間的隨機(jī)性，采集測試大棚內(nèi)某一個(gè)點(diǎn)具體一段時(shí)間內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)，測試子節(jié)點(diǎn)每隔10 min采集一次數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再通過串口發(fā)送至PC機(jī)。大棚測試節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)如表1所示。

計(jì)算不同時(shí)刻大棚測試監(jiān)測點(diǎn)溫度的平均值：

不同時(shí)刻大棚測試監(jiān)測點(diǎn)溫度的標(biāo)準(zhǔn)差：

計(jì)算不同時(shí)刻大棚測試監(jiān)測點(diǎn)濕度的平均值：

不同時(shí)刻大棚測試監(jiān)測點(diǎn)濕度的標(biāo)準(zhǔn)差：

監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采用的傳感器SHT11測溫范圍是 -40～123.8 ℃，由于標(biāo)準(zhǔn)差反映對平均值的偏離程度，取3σT、3σH反映溫度、濕度的精度，通過計(jì)算其3倍標(biāo)準(zhǔn)差可知無線采集節(jié)點(diǎn)溫度誤差為0.24 ℃、濕度誤差為1.5%，符合農(nóng)業(yè)大棚溫濕度無線采集的要求[6]。

6 小結(jié)

綜上所述，針對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的不足，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于CC2530的農(nóng)業(yè)大棚無線溫濕度采集節(jié)點(diǎn)，并進(jìn)行了子節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)、農(nóng)業(yè)大棚溫濕度數(shù)據(jù)采集測試。試驗(yàn)表明，溫濕度無線采集子節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)精度高，完全符合農(nóng)業(yè)大棚溫濕度無線監(jiān)測的要求；節(jié)點(diǎn)具有操作簡便、成本低、抗干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，能穩(wěn)定、可靠地監(jiān)測農(nóng)業(yè)大棚溫濕度環(huán)境。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張 濤.基于CC2530的溫度監(jiān)測模塊設(shè)計(jì)與應(yīng)用[D].南昌：南昌大學(xué)，2012.

[2] 陳 旭，方康玲，李曉卉.基于CC2430的ZigBee數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，22（6）：59-61.

[3] 雷 霖，董華莉.基于ZigBee協(xié)議的煤礦瓦斯和溫濕度監(jiān)測節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].工礦自動化，2011（1）：32-34.

[4] 韓玉冰，齊 林，傅澤田，等.水產(chǎn)品冷藏車無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)——基于CC2530[J].農(nóng)機(jī)化研究，2013（4）：174-178.

[5] 袁志強(qiáng).基于ZigBee技術(shù)的溫室大棚無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40（11）：396-397.

[6] 袁 江，曹金偉，邱自學(xué).基于RFID讀寫器網(wǎng)絡(luò)的糧庫溫濕度分布式監(jiān)測[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27（10）：131-136.

摘要：針對目前農(nóng)業(yè)大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)中存在的不足，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于CC2530與數(shù)字式溫濕度傳感器SHT11的農(nóng)業(yè)大棚溫濕度無線采集節(jié)點(diǎn)。介紹了溫濕度無線采集節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)及軟件流程，節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)大棚溫濕度數(shù)據(jù)無線采集和傳輸。節(jié)點(diǎn)性能測試結(jié)果表明，節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)精度高，誤差小，完全適用于農(nóng)業(yè)大棚溫濕度數(shù)據(jù)無線采集系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：大棚；溫濕度；節(jié)點(diǎn)；CC2530；SHT11

中圖分類號：TP212.9；S126 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）03-0582-04

溫室大棚中作物質(zhì)量和產(chǎn)量的高低與溫室大棚中的溫度、濕度等因素密切相關(guān)， 傳統(tǒng)的溫度、濕度測量一般采用熱電偶、熱敏電阻以及分體的溫度、濕度傳感器等元件。此類元件容易受到測量場所以及環(huán)境的限制，長期使用時(shí)由于環(huán)境的影響會使其性能下降，需要定期檢查與更換；信號線的長距離傳輸時(shí)相互容易產(chǎn)生干擾，而且導(dǎo)線不易鋪設(shè)，給實(shí)際應(yīng)用帶來了很大的不便。

CC2530結(jié)合了ZigBee協(xié)議棧，提供了一套完整的ZigBee解決方案。而且CC2530F256包括了性能優(yōu)越的RF收發(fā)器、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)性8051 MCU，128 kB可編程的閃存、8 kB RAM以及許多其他功能強(qiáng)大的特性，工作在免授權(quán)的2.4 GHz頻段，CC2530相對其他單片機(jī)以較低的總成本能夠建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，并涵蓋了先進(jìn)的射頻器的優(yōu)良性能、8 kB隨機(jī)存儲器、系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存以及8051 CPU等強(qiáng)大的功能。CC2530分別具有32、64、128、256 kB 4種不同的閃存。CC2530能根據(jù)需要切換不同的運(yùn)行模式，具備低能耗、較強(qiáng)的抗干擾性、較好的接收信號能力的優(yōu)點(diǎn)[1]。

1 ZigBee協(xié)議

ZigBee是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信協(xié)議，由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用匯聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成，其結(jié)構(gòu)如圖1[2]。ZigBee協(xié)議工作在868 MHz、915 MHz、2.4 GHz這3個(gè)頻段，采用CSMA-CA信道接入方式，可有效避免通信沖突。

2 節(jié)點(diǎn)總體結(jié)構(gòu)

大棚溫濕度采集節(jié)點(diǎn)的主要功能是采集溫濕度數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至各個(gè)子節(jié)點(diǎn)組成的基站。節(jié)點(diǎn)主要由傳感器模塊、處理器模塊、電源模塊等組成。數(shù)據(jù)采集模塊采用數(shù)字傳感器SHT11，處理器模塊采用CC2530芯片，傳感器模塊負(fù)責(zé)采集監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的相關(guān)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)信號經(jīng)放大后發(fā)送至處理器模塊的I/O端口P 0.6；處理器模塊將接收到的數(shù)據(jù)信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到的數(shù)字信號經(jīng)處理器模塊計(jì)算處理，得到溫濕度結(jié)果數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)再經(jīng)過射頻電路部分發(fā)送出去，電源模塊主要用于給處理器供電[3]，節(jié)點(diǎn)硬件原理如圖2。

3 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

3.1 溫濕度采集模塊

SHT11為瑞士SENSIRION公司出品的具有二線串行接口的單片全校準(zhǔn)數(shù)字式新型相對濕度和溫度傳感器。該傳感器將傳感器技術(shù)與CMOS芯片技術(shù)結(jié)合起來，從而發(fā)揮出強(qiáng)大的優(yōu)勢互補(bǔ)作用。將溫度與濕度感測、A/D轉(zhuǎn)換、信號變換和加熱器等功能集成到一個(gè)芯片上，還包括一個(gè)電容性聚合體濕度敏感元件和一個(gè)溫度敏感元件。其濕度量程為0%～100%RH，溫度量程為-40.0～123.8 ℃，溫度測量可達(dá)14位的分辨率，濕度測量可達(dá)12位的分辨率，在高速或超低功耗的應(yīng)用中也可分別達(dá)到12位和8位的分辨率， 能滿足大棚環(huán)境中溫濕度的測量要求。SHT11傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3。

3.2 處理器模塊

為了增加中心節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)存儲和處理能力，選用帶256 K Flash的射頻芯片，而且有標(biāo)準(zhǔn)的8051增強(qiáng)型處理器，因此選用CC2530作為本設(shè)計(jì)的主芯片。

CC2530是用于2.4 GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)（SOC）解決方案。它能夠以非常低的總材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8 kB RAM和許多其他強(qiáng)大的功能。CC2530具有不同的運(yùn)行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間短，進(jìn)一步確保了低能源消耗。

3.3 電源模塊

由于溫濕度監(jiān)測節(jié)點(diǎn)應(yīng)用在環(huán)境相對惡劣的農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)，節(jié)點(diǎn)的供電電池一般不更換，因此需采用容量大、使用壽命長且免維護(hù)的高性能電池。這里采用2節(jié)5號AA電池供電。節(jié)點(diǎn)總體電路圖設(shè)計(jì)如圖4。

4 軟件設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)分為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序和采集節(jié)點(diǎn)程序，都采用C語言編寫。ZigBee協(xié)議棧運(yùn)行在OSAL層操作系統(tǒng)上，該操作系統(tǒng)基于任務(wù)調(diào)度機(jī)制，通過對任務(wù)的事件觸發(fā)來實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器主要是建立和管理一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)，將網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)通過串口傳送給其上位機(jī)。首先，協(xié)調(diào)器建立一個(gè)無線局域網(wǎng)； 然后，掃描所設(shè)定的信道，接收新的節(jié)點(diǎn)加入，并且會分配給其一個(gè)特定的地址。協(xié)調(diào)器程序流程如圖5。

傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊，將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器。系統(tǒng)中傳感器節(jié)點(diǎn)上電復(fù)位，進(jìn)行系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)配置初始化等，掃描可用的信道來尋找協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，申請加入?yún)f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建的網(wǎng)絡(luò)。在沒有數(shù)據(jù)請求的時(shí)候，傳感器節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)； 而一旦有了數(shù)據(jù)請求，傳感器節(jié)點(diǎn)馬上進(jìn)入工作狀態(tài)。首先對數(shù)據(jù)請求命令解析并回應(yīng)； 然后再進(jìn)行傳感器的啟動、數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)的發(fā)送等； 發(fā)送完畢進(jìn)入睡眠狀態(tài)，等待下一個(gè)數(shù)據(jù)請求命令[4，5]。流程圖如圖6。

5 節(jié)點(diǎn)性能測試

節(jié)點(diǎn)測試主要分為兩部分：第一是測試各個(gè)節(jié)點(diǎn)模塊是否能正常工作，子節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)測試；第二是采集大棚現(xiàn)場環(huán)境的溫濕度數(shù)值進(jìn)行分析。由于時(shí)間的隨機(jī)性，采集測試大棚內(nèi)某一個(gè)點(diǎn)具體一段時(shí)間內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)，測試子節(jié)點(diǎn)每隔10 min采集一次數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再通過串口發(fā)送至PC機(jī)。大棚測試節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)如表1所示。

計(jì)算不同時(shí)刻大棚測試監(jiān)測點(diǎn)溫度的平均值：

不同時(shí)刻大棚測試監(jiān)測點(diǎn)溫度的標(biāo)準(zhǔn)差：

計(jì)算不同時(shí)刻大棚測試監(jiān)測點(diǎn)濕度的平均值：

不同時(shí)刻大棚測試監(jiān)測點(diǎn)濕度的標(biāo)準(zhǔn)差：

監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采用的傳感器SHT11測溫范圍是 -40～123.8 ℃，由于標(biāo)準(zhǔn)差反映對平均值的偏離程度，取3σT、3σH反映溫度、濕度的精度，通過計(jì)算其3倍標(biāo)準(zhǔn)差可知無線采集節(jié)點(diǎn)溫度誤差為0.24 ℃、濕度誤差為1.5%，符合農(nóng)業(yè)大棚溫濕度無線采集的要求[6]。

6 小結(jié)

綜上所述，針對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的不足，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于CC2530的農(nóng)業(yè)大棚無線溫濕度采集節(jié)點(diǎn)，并進(jìn)行了子節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)、農(nóng)業(yè)大棚溫濕度數(shù)據(jù)采集測試。試驗(yàn)表明，溫濕度無線采集子節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)精度高，完全符合農(nóng)業(yè)大棚溫濕度無線監(jiān)測的要求；節(jié)點(diǎn)具有操作簡便、成本低、抗干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，能穩(wěn)定、可靠地監(jiān)測農(nóng)業(yè)大棚溫濕度環(huán)境。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張 濤.基于CC2530的溫度監(jiān)測模塊設(shè)計(jì)與應(yīng)用[D].南昌：南昌大學(xué)，2012.

[2] 陳 旭，方康玲，李曉卉.基于CC2430的ZigBee數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，22（6）：59-61.

[3] 雷 霖，董華莉.基于ZigBee協(xié)議的煤礦瓦斯和溫濕度監(jiān)測節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].工礦自動化，2011（1）：32-34.

[4] 韓玉冰，齊 林，傅澤田，等.水產(chǎn)品冷藏車無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)——基于CC2530[J].農(nóng)機(jī)化研究，2013（4）：174-178.

[5] 袁志強(qiáng).基于ZigBee技術(shù)的溫室大棚無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40（11）：396-397.

[6] 袁 江，曹金偉，邱自學(xué).基于RFID讀寫器網(wǎng)絡(luò)的糧庫溫濕度分布式監(jiān)測[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27（10）：131-136.

摘要：針對目前農(nóng)業(yè)大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)中存在的不足，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于CC2530與數(shù)字式溫濕度傳感器SHT11的農(nóng)業(yè)大棚溫濕度無線采集節(jié)點(diǎn)。介紹了溫濕度無線采集節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)及軟件流程，節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)大棚溫濕度數(shù)據(jù)無線采集和傳輸。節(jié)點(diǎn)性能測試結(jié)果表明，節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)精度高，誤差小，完全適用于農(nóng)業(yè)大棚溫濕度數(shù)據(jù)無線采集系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：大棚；溫濕度；節(jié)點(diǎn)；CC2530；SHT11

中圖分類號：TP212.9；S126 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2014）03-0582-04

溫室大棚中作物質(zhì)量和產(chǎn)量的高低與溫室大棚中的溫度、濕度等因素密切相關(guān)， 傳統(tǒng)的溫度、濕度測量一般采用熱電偶、熱敏電阻以及分體的溫度、濕度傳感器等元件。此類元件容易受到測量場所以及環(huán)境的限制，長期使用時(shí)由于環(huán)境的影響會使其性能下降，需要定期檢查與更換；信號線的長距離傳輸時(shí)相互容易產(chǎn)生干擾，而且導(dǎo)線不易鋪設(shè)，給實(shí)際應(yīng)用帶來了很大的不便。

CC2530結(jié)合了ZigBee協(xié)議棧，提供了一套完整的ZigBee解決方案。而且CC2530F256包括了性能優(yōu)越的RF收發(fā)器、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)性8051 MCU，128 kB可編程的閃存、8 kB RAM以及許多其他功能強(qiáng)大的特性，工作在免授權(quán)的2.4 GHz頻段，CC2530相對其他單片機(jī)以較低的總成本能夠建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，并涵蓋了先進(jìn)的射頻器的優(yōu)良性能、8 kB隨機(jī)存儲器、系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存以及8051 CPU等強(qiáng)大的功能。CC2530分別具有32、64、128、256 kB 4種不同的閃存。CC2530能根據(jù)需要切換不同的運(yùn)行模式，具備低能耗、較強(qiáng)的抗干擾性、較好的接收信號能力的優(yōu)點(diǎn)[1]。

1 ZigBee協(xié)議

ZigBee是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信協(xié)議，由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用匯聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成，其結(jié)構(gòu)如圖1[2]。ZigBee協(xié)議工作在868 MHz、915 MHz、2.4 GHz這3個(gè)頻段，采用CSMA-CA信道接入方式，可有效避免通信沖突。

2 節(jié)點(diǎn)總體結(jié)構(gòu)

大棚溫濕度采集節(jié)點(diǎn)的主要功能是采集溫濕度數(shù)據(jù)，并將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至各個(gè)子節(jié)點(diǎn)組成的基站。節(jié)點(diǎn)主要由傳感器模塊、處理器模塊、電源模塊等組成。數(shù)據(jù)采集模塊采用數(shù)字傳感器SHT11，處理器模塊采用CC2530芯片，傳感器模塊負(fù)責(zé)采集監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的相關(guān)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)信號經(jīng)放大后發(fā)送至處理器模塊的I/O端口P 0.6；處理器模塊將接收到的數(shù)據(jù)信號進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，得到的數(shù)字信號經(jīng)處理器模塊計(jì)算處理，得到溫濕度結(jié)果數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)再經(jīng)過射頻電路部分發(fā)送出去，電源模塊主要用于給處理器供電[3]，節(jié)點(diǎn)硬件原理如圖2。

3 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

3.1 溫濕度采集模塊

SHT11為瑞士SENSIRION公司出品的具有二線串行接口的單片全校準(zhǔn)數(shù)字式新型相對濕度和溫度傳感器。該傳感器將傳感器技術(shù)與CMOS芯片技術(shù)結(jié)合起來，從而發(fā)揮出強(qiáng)大的優(yōu)勢互補(bǔ)作用。將溫度與濕度感測、A/D轉(zhuǎn)換、信號變換和加熱器等功能集成到一個(gè)芯片上，還包括一個(gè)電容性聚合體濕度敏感元件和一個(gè)溫度敏感元件。其濕度量程為0%～100%RH，溫度量程為-40.0～123.8 ℃，溫度測量可達(dá)14位的分辨率，濕度測量可達(dá)12位的分辨率，在高速或超低功耗的應(yīng)用中也可分別達(dá)到12位和8位的分辨率， 能滿足大棚環(huán)境中溫濕度的測量要求。SHT11傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3。

3.2 處理器模塊

為了增加中心節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)存儲和處理能力，選用帶256 K Flash的射頻芯片，而且有標(biāo)準(zhǔn)的8051增強(qiáng)型處理器，因此選用CC2530作為本設(shè)計(jì)的主芯片。

CC2530是用于2.4 GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)（SOC）解決方案。它能夠以非常低的總材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8 kB RAM和許多其他強(qiáng)大的功能。CC2530具有不同的運(yùn)行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間短，進(jìn)一步確保了低能源消耗。

3.3 電源模塊

由于溫濕度監(jiān)測節(jié)點(diǎn)應(yīng)用在環(huán)境相對惡劣的農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)，節(jié)點(diǎn)的供電電池一般不更換，因此需采用容量大、使用壽命長且免維護(hù)的高性能電池。這里采用2節(jié)5號AA電池供電。節(jié)點(diǎn)總體電路圖設(shè)計(jì)如圖4。

4 軟件設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)分為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序和采集節(jié)點(diǎn)程序，都采用C語言編寫。ZigBee協(xié)議棧運(yùn)行在OSAL層操作系統(tǒng)上，該操作系統(tǒng)基于任務(wù)調(diào)度機(jī)制，通過對任務(wù)的事件觸發(fā)來實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器主要是建立和管理一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)，將網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)通過串口傳送給其上位機(jī)。首先，協(xié)調(diào)器建立一個(gè)無線局域網(wǎng)； 然后，掃描所設(shè)定的信道，接收新的節(jié)點(diǎn)加入，并且會分配給其一個(gè)特定的地址。協(xié)調(diào)器程序流程如圖5。

傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)與協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊，將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器。系統(tǒng)中傳感器節(jié)點(diǎn)上電復(fù)位，進(jìn)行系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)配置初始化等，掃描可用的信道來尋找協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，申請加入?yún)f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建的網(wǎng)絡(luò)。在沒有數(shù)據(jù)請求的時(shí)候，傳感器節(jié)點(diǎn)處于睡眠狀態(tài)； 而一旦有了數(shù)據(jù)請求，傳感器節(jié)點(diǎn)馬上進(jìn)入工作狀態(tài)。首先對數(shù)據(jù)請求命令解析并回應(yīng)； 然后再進(jìn)行傳感器的啟動、數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)的發(fā)送等； 發(fā)送完畢進(jìn)入睡眠狀態(tài)，等待下一個(gè)數(shù)據(jù)請求命令[4，5]。流程圖如圖6。

5 節(jié)點(diǎn)性能測試

節(jié)點(diǎn)測試主要分為兩部分：第一是測試各個(gè)節(jié)點(diǎn)模塊是否能正常工作，子節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)測試；第二是采集大棚現(xiàn)場環(huán)境的溫濕度數(shù)值進(jìn)行分析。由于時(shí)間的隨機(jī)性，采集測試大棚內(nèi)某一個(gè)點(diǎn)具體一段時(shí)間內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)，測試子節(jié)點(diǎn)每隔10 min采集一次數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再通過串口發(fā)送至PC機(jī)。大棚測試節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)如表1所示。

計(jì)算不同時(shí)刻大棚測試監(jiān)測點(diǎn)溫度的平均值：

不同時(shí)刻大棚測試監(jiān)測點(diǎn)溫度的標(biāo)準(zhǔn)差：

計(jì)算不同時(shí)刻大棚測試監(jiān)測點(diǎn)濕度的平均值：

不同時(shí)刻大棚測試監(jiān)測點(diǎn)濕度的標(biāo)準(zhǔn)差：

監(jiān)測節(jié)點(diǎn)采用的傳感器SHT11測溫范圍是 -40～123.8 ℃，由于標(biāo)準(zhǔn)差反映對平均值的偏離程度，取3σT、3σH反映溫度、濕度的精度，通過計(jì)算其3倍標(biāo)準(zhǔn)差可知無線采集節(jié)點(diǎn)溫度誤差為0.24 ℃、濕度誤差為1.5%，符合農(nóng)業(yè)大棚溫濕度無線采集的要求[6]。

6 小結(jié)

綜上所述，針對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)的不足，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于CC2530的農(nóng)業(yè)大棚無線溫濕度采集節(jié)點(diǎn)，并進(jìn)行了子節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)、農(nóng)業(yè)大棚溫濕度數(shù)據(jù)采集測試。試驗(yàn)表明，溫濕度無線采集子節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)精度高，完全符合農(nóng)業(yè)大棚溫濕度無線監(jiān)測的要求；節(jié)點(diǎn)具有操作簡便、成本低、抗干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，能穩(wěn)定、可靠地監(jiān)測農(nóng)業(yè)大棚溫濕度環(huán)境。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張 濤.基于CC2530的溫度監(jiān)測模塊設(shè)計(jì)與應(yīng)用[D].南昌：南昌大學(xué)，2012.

[2] 陳 旭，方康玲，李曉卉.基于CC2430的ZigBee數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，22（6）：59-61.

[3] 雷 霖，董華莉.基于ZigBee協(xié)議的煤礦瓦斯和溫濕度監(jiān)測節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)[J].工礦自動化，2011（1）：32-34.

[4] 韓玉冰，齊 林，傅澤田，等.水產(chǎn)品冷藏車無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)——基于CC2530[J].農(nóng)機(jī)化研究，2013（4）：174-178.

[5] 袁志強(qiáng).基于ZigBee技術(shù)的溫室大棚無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2012，40（11）：396-397.

[6] 袁 江，曹金偉，邱自學(xué).基于RFID讀寫器網(wǎng)絡(luò)的糧庫溫濕度分布式監(jiān)測[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2011，27（10）：131-136.