基于無線傳感器的養(yǎng)殖場清掃機(jī)器人溫濕度控制

吉武俊+高云

摘要：采用以CC2430芯片為核心的溫濕度檢測系統(tǒng)，將溫濕度傳感器SHT11采集的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)關(guān)進(jìn)行匯總，再通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)送到上位機(jī)中存儲以及分析，由上位機(jī)對清掃工作做出相應(yīng)的調(diào)整，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程智能控制。

關(guān)鍵詞：清掃機(jī)器人；無線傳感器；溫濕度傳感器SHT11；溫濕度控制

中圖分類號：S126文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Ａ文章編號：0439－８114（２０14）08－1921-03

WSN-based Humituｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｆａｒｍ Ｃｌｅａｎｉｎｇ Ｒｏｂｏｔ

ＪＩ Ｗｕ－ｊｕｎ，ＧＡＯ Ｙｕｎ

（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｈｅｎａｎ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ４５００４６，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｃｈｉｐ ＣＣ２４３０ ｗａｓ used ａｓ ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｈｕｍｉｔｕｒｅ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ． Ｔｈｅ ｄａｔａ ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ ｂｙ ＳＨＴ１１ were ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ｖｉａ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｇａｔｅｗａｙ， ｔｒａｎｓｐｏｒｔed ｂｙ ＧＰＲＳ， and ｓｅｎｔ ｔｏ ｔｈｅ ｈｏｓｔ ｆｏｒ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ａｎｄ ｓｔｏｒａｇｅ． Tｈｅ ｒｏｂｏｔs make ｔｈｅ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔｓ ｔｏ ｔｈｅ ｃｌｅａｎ－ｕｐ ｗｏｒｋ， ｅｎａｂｌｉｎｇ ｒｅｍｏｔｅ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｃｌｅａｎｉｎｇ ｒｏｂｏｔ； ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ； ｈｕｍｉｔｕｒｅ ＳＨＴ１１； ｈｕｍｉｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ

養(yǎng)殖場在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生高溫、高濕氣體，而這些氣體對人體是有毒、有害的，人體需要避免接觸這些有毒氣體。所以養(yǎng)殖場的無人操作清掃機(jī)器人就需要檢測環(huán)境中的溫濕度，并把數(shù)據(jù)準(zhǔn)確快速地反饋給管理員，以便實現(xiàn)實時調(diào)控。使用無線傳感器傳輸數(shù)據(jù)，就無須數(shù)據(jù)采集設(shè)備和檢測設(shè)備連接在一起，可以避免大量鋪設(shè)電纜，清掃機(jī)器人在完成清掃工作時就不會存在電纜纏繞等問題，而且無線傳感器可靠性較高，抗干擾能力好，可以有效地降低成本［1］。

1無線傳感器檢測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

1.1無線傳感器

CC2430芯片是挪威半導(dǎo)體公司Chipcon一款最新能夠在嵌入式上實現(xiàn)無線ZigBee技術(shù)的系統(tǒng)。CC2430使用了一個8051系統(tǒng)，其具有PROM以及RAM，還具有數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、看門狗定時器以及上電復(fù)位電路等。引腳主要有P0、P1、P2，它們分別是8位輸入/輸出端口，均是普通的輸入/輸出端口，同時還具有可編程的輸入/輸出端口［2］。

無線傳感器CC2430使用很少的外圍電路就可以實現(xiàn)信號的接受和發(fā)送功能，圖1為CC2430一種典型的應(yīng)用電路，它可以提供兩個天線的應(yīng)用電路，不平衡天線以及差動天線。

由圖1可以看出，基本電路多采用電感以及電容構(gòu)成，降低了成本。電感主要起到低噪聲放大器以及為功率放大器提供直流偏置的作用。無線傳感器CC2430需要XTAL1和XTAL2提供16 MHz的時鐘信號，時鐘信號分別接在引腳XOSC-Q1和XOSC-Q2之間，另外一個時鐘信號接在引腳P2-3和P2-4之間。

1.2溫濕度采集節(jié)點(diǎn)

根據(jù)養(yǎng)殖場對溫度和濕度要求，選擇了瑞士生產(chǎn)的SHT11傳感器。SHT11傳感器是相對濕度和溫度為一體的測量器，能夠?qū)β饵c(diǎn)進(jìn)行精確測量，全量程標(biāo)定，不需要重新標(biāo)定就可以互換測量，響應(yīng)速度超快，SHT11傳感器具有最簡單的系統(tǒng)集成和低廉的價格、尺寸小、高可靠性和穩(wěn)定性，并能防水，可以長期浸泡在水中，還具有濕度傳感器的自檢測功能。

SHT11的工作溫度為-40.0~+123.8 ℃，測量精度±0.5 ℃；工作濕度范圍在0~100% RH，測量精度±3.0% RH，完全符合養(yǎng)殖場的工作要求。

無線傳感器CC2430和溫濕度傳感器SHT11連接原理圖如圖2所示，其中無線傳感器的輸入輸出口是P1.6與P1.7。溫濕度傳感器SHT11使用I2C接口與處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，時鐘信號線SCK主要任務(wù)是與SHT11通信保持同步，DATA主要任務(wù)是進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。

1.3溫濕度顯示儀

溫濕度顯示儀主要有按鍵和液晶模塊等部分組成，按鍵部分的原理圖如圖3所示，共有5個按鍵，分別為 S1、S2、S3、S4、S5。為了節(jié)省輸入、輸出口，按鍵使用數(shù)模方式，每一個按鍵按下后輸出不相同的數(shù)模值S1 2.5 V、S2 2.1 V、S3 1.8 V、S4 1.2 V、S5 0 V。

1.4遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸模塊

為了避免養(yǎng)殖場清掃機(jī)器人出現(xiàn)電纜纏繞等問題，需要使用無需布線，不受通信距離限制的GPRS通訊模塊，所以選擇了SIM300模塊。它可以進(jìn)行傳真、短信、數(shù)據(jù)傳輸?shù)热蝿?wù)，在SIM300模塊中插入SIM卡，在接上天線，就可以使用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)［3-6］。

1.4.1SIM300模塊供電系統(tǒng)SIM300的供電引腳是由VBAT來完成的，電壓為3.4~4.5 V，SIM300啟動瞬間需要2 A的電流。可以采用電源芯片MIC29302進(jìn)行供電，它的輸入電壓最大可以達(dá)到26 V，輸出電壓還可以調(diào)節(jié)，最大輸出電流可以達(dá)到5 A，基本滿足SIM300供電要求。供電原理圖見圖4，1號引腳是使能端，應(yīng)接地；2號引腳是輸入電壓端，輸入電壓為5 V；3號引腳接地；4號引腳接輸出；5號腳接電壓調(diào)節(jié)端，分壓電阻R1和R2，分壓后輸出電壓為4.1 V。

1.4.2SIM300模塊硬件接口SIM300可以接1個有60個引腳的外接插座，這個外接插座包含1個SIM卡插座接口、2個模擬音頻接口、1個鍵盤接口、1個LCD接口以及2個串口接口。圖5為SIM300模塊與CC2430的連接圖。數(shù)據(jù)在兩個串口之間進(jìn)行傳輸時，經(jīng)常會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的問題，或者由于兩臺設(shè)備之間的處理速度不相同，接收數(shù)據(jù)端緩沖區(qū)已滿，都會發(fā)生數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。所以在串口通信上使用流控制，用RTS/CTS做流控制端口，如果緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)量達(dá)到高位時，CTS線就為低電平，如果檢測到CTS為低電平時，就停止發(fā)送數(shù)據(jù)，直到檢測出CTS為高電平時。RTS主要任務(wù)是檢測接收設(shè)備是否做好準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。

SIM300模塊和SIM卡之間的連接使用六線連接（圖6），其中需要注意引腳SIM-PRESENCE接地。

2無線傳感器軟件的設(shè)計

溫濕度采集主程序流程如圖7所示，程序開始需要對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，并對電池進(jìn)行檢測，將檢測到的溫濕度數(shù)據(jù)，以無線方式發(fā)送，包括節(jié)點(diǎn)的號、溫濕度數(shù)據(jù)以及電池的電壓信息，發(fā)送完畢后主控芯片CC2430進(jìn)入休眠狀態(tài)。

3小結(jié)與討論

無線溫濕度傳感器基本能夠完成養(yǎng)殖場在無人操作下對溫濕度的監(jiān)控，避免工作人員在這種環(huán)境中受到污染，完成了智能化的發(fā)展，但是還有需要改進(jìn)的地方。

1）引入相對完整的ZigBee技術(shù)，實現(xiàn)了相對復(fù)雜的一些組網(wǎng)功能，將無線傳感器的優(yōu)勢發(fā)揮到最大。目前該控制系統(tǒng)只能進(jìn)行檢測，不能進(jìn)行控制，在后期的工作中應(yīng)完善這部分，使整個系統(tǒng)更加的完整，實現(xiàn)完整的智能控制。

2）供電部分使用電池，不能滿足復(fù)雜的環(huán)境，耗電量也較大，應(yīng)該向新能源方向發(fā)展，而且能夠適用于更加復(fù)雜的場合，在應(yīng)用領(lǐng)域方面進(jìn)行創(chuàng)新，使之在使用上具有普遍性。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 吳光榮，章劍雄. 基于ZigBee的高壓開關(guān)柜無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)［J］. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，31（20）：169-171.

［2］ 劉玉英，史旺旺. 基于 CC2430 溫濕度監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計［J］. 微計算機(jī)信息，2009，25（10）：130-131.

［3］徐海峰. 基于 Web 技術(shù) GPRS 技術(shù)的遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)設(shè)計［J］. 電力自動化設(shè)備，2009（7）：134-137.

［4］岳振華. 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)溫濕度檢測系統(tǒng)的研究與開發(fā)［D］.長春：吉林大學(xué)，2009.

［5］衣翠平.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的糧庫溫濕度實時監(jiān)控系統(tǒng)研究［D］.長春：長春理工大學(xué)，2012.

［6］ 彭拓.基于TinyOS的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究與

實現(xiàn)［D］.北京：北京郵電大學(xué)，2010.

摘要：采用以CC2430芯片為核心的溫濕度檢測系統(tǒng)，將溫濕度傳感器SHT11采集的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)關(guān)進(jìn)行匯總，再通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)送到上位機(jī)中存儲以及分析，由上位機(jī)對清掃工作做出相應(yīng)的調(diào)整，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程智能控制。

關(guān)鍵詞：清掃機(jī)器人；無線傳感器；溫濕度傳感器SHT11；溫濕度控制

中圖分類號：S126文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Ａ文章編號：0439－８114（２０14）08－1921-03

WSN-based Humituｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｆａｒｍ Ｃｌｅａｎｉｎｇ Ｒｏｂｏｔ

ＪＩ Ｗｕ－ｊｕｎ，ＧＡＯ Ｙｕｎ

（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｈｅｎａｎ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ４５００４６，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｃｈｉｐ ＣＣ２４３０ ｗａｓ used ａｓ ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｈｕｍｉｔｕｒｅ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ． Ｔｈｅ ｄａｔａ ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ ｂｙ ＳＨＴ１１ were ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ｖｉａ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｇａｔｅｗａｙ， ｔｒａｎｓｐｏｒｔed ｂｙ ＧＰＲＳ， and ｓｅｎｔ ｔｏ ｔｈｅ ｈｏｓｔ ｆｏｒ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ａｎｄ ｓｔｏｒａｇｅ． Tｈｅ ｒｏｂｏｔs make ｔｈｅ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔｓ ｔｏ ｔｈｅ ｃｌｅａｎ－ｕｐ ｗｏｒｋ， ｅｎａｂｌｉｎｇ ｒｅｍｏｔｅ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｃｌｅａｎｉｎｇ ｒｏｂｏｔ； ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ； ｈｕｍｉｔｕｒｅ ＳＨＴ１１； ｈｕｍｉｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ

養(yǎng)殖場在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生高溫、高濕氣體，而這些氣體對人體是有毒、有害的，人體需要避免接觸這些有毒氣體。所以養(yǎng)殖場的無人操作清掃機(jī)器人就需要檢測環(huán)境中的溫濕度，并把數(shù)據(jù)準(zhǔn)確快速地反饋給管理員，以便實現(xiàn)實時調(diào)控。使用無線傳感器傳輸數(shù)據(jù)，就無須數(shù)據(jù)采集設(shè)備和檢測設(shè)備連接在一起，可以避免大量鋪設(shè)電纜，清掃機(jī)器人在完成清掃工作時就不會存在電纜纏繞等問題，而且無線傳感器可靠性較高，抗干擾能力好，可以有效地降低成本［1］。

1無線傳感器檢測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

1.1無線傳感器

CC2430芯片是挪威半導(dǎo)體公司Chipcon一款最新能夠在嵌入式上實現(xiàn)無線ZigBee技術(shù)的系統(tǒng)。CC2430使用了一個8051系統(tǒng)，其具有PROM以及RAM，還具有數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、看門狗定時器以及上電復(fù)位電路等。引腳主要有P0、P1、P2，它們分別是8位輸入/輸出端口，均是普通的輸入/輸出端口，同時還具有可編程的輸入/輸出端口［2］。

無線傳感器CC2430使用很少的外圍電路就可以實現(xiàn)信號的接受和發(fā)送功能，圖1為CC2430一種典型的應(yīng)用電路，它可以提供兩個天線的應(yīng)用電路，不平衡天線以及差動天線。

由圖1可以看出，基本電路多采用電感以及電容構(gòu)成，降低了成本。電感主要起到低噪聲放大器以及為功率放大器提供直流偏置的作用。無線傳感器CC2430需要XTAL1和XTAL2提供16 MHz的時鐘信號，時鐘信號分別接在引腳XOSC-Q1和XOSC-Q2之間，另外一個時鐘信號接在引腳P2-3和P2-4之間。

1.2溫濕度采集節(jié)點(diǎn)

根據(jù)養(yǎng)殖場對溫度和濕度要求，選擇了瑞士生產(chǎn)的SHT11傳感器。SHT11傳感器是相對濕度和溫度為一體的測量器，能夠?qū)β饵c(diǎn)進(jìn)行精確測量，全量程標(biāo)定，不需要重新標(biāo)定就可以互換測量，響應(yīng)速度超快，SHT11傳感器具有最簡單的系統(tǒng)集成和低廉的價格、尺寸小、高可靠性和穩(wěn)定性，并能防水，可以長期浸泡在水中，還具有濕度傳感器的自檢測功能。

SHT11的工作溫度為-40.0~+123.8 ℃，測量精度±0.5 ℃；工作濕度范圍在0~100% RH，測量精度±3.0% RH，完全符合養(yǎng)殖場的工作要求。

無線傳感器CC2430和溫濕度傳感器SHT11連接原理圖如圖2所示，其中無線傳感器的輸入輸出口是P1.6與P1.7。溫濕度傳感器SHT11使用I2C接口與處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，時鐘信號線SCK主要任務(wù)是與SHT11通信保持同步，DATA主要任務(wù)是進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。

1.3溫濕度顯示儀

溫濕度顯示儀主要有按鍵和液晶模塊等部分組成，按鍵部分的原理圖如圖3所示，共有5個按鍵，分別為 S1、S2、S3、S4、S5。為了節(jié)省輸入、輸出口，按鍵使用數(shù)模方式，每一個按鍵按下后輸出不相同的數(shù)模值S1 2.5 V、S2 2.1 V、S3 1.8 V、S4 1.2 V、S5 0 V。

1.4遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸模塊

為了避免養(yǎng)殖場清掃機(jī)器人出現(xiàn)電纜纏繞等問題，需要使用無需布線，不受通信距離限制的GPRS通訊模塊，所以選擇了SIM300模塊。它可以進(jìn)行傳真、短信、數(shù)據(jù)傳輸?shù)热蝿?wù)，在SIM300模塊中插入SIM卡，在接上天線，就可以使用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)［3-6］。

1.4.1SIM300模塊供電系統(tǒng)SIM300的供電引腳是由VBAT來完成的，電壓為3.4~4.5 V，SIM300啟動瞬間需要2 A的電流?？梢圆捎秒娫葱酒琈IC29302進(jìn)行供電，它的輸入電壓最大可以達(dá)到26 V，輸出電壓還可以調(diào)節(jié)，最大輸出電流可以達(dá)到5 A，基本滿足SIM300供電要求。供電原理圖見圖4，1號引腳是使能端，應(yīng)接地；2號引腳是輸入電壓端，輸入電壓為5 V；3號引腳接地；4號引腳接輸出；5號腳接電壓調(diào)節(jié)端，分壓電阻R1和R2，分壓后輸出電壓為4.1 V。

1.4.2SIM300模塊硬件接口SIM300可以接1個有60個引腳的外接插座，這個外接插座包含1個SIM卡插座接口、2個模擬音頻接口、1個鍵盤接口、1個LCD接口以及2個串口接口。圖5為SIM300模塊與CC2430的連接圖。數(shù)據(jù)在兩個串口之間進(jìn)行傳輸時，經(jīng)常會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的問題，或者由于兩臺設(shè)備之間的處理速度不相同，接收數(shù)據(jù)端緩沖區(qū)已滿，都會發(fā)生數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。所以在串口通信上使用流控制，用RTS/CTS做流控制端口，如果緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)量達(dá)到高位時，CTS線就為低電平，如果檢測到CTS為低電平時，就停止發(fā)送數(shù)據(jù)，直到檢測出CTS為高電平時。RTS主要任務(wù)是檢測接收設(shè)備是否做好準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。

SIM300模塊和SIM卡之間的連接使用六線連接（圖6），其中需要注意引腳SIM-PRESENCE接地。

2無線傳感器軟件的設(shè)計

溫濕度采集主程序流程如圖7所示，程序開始需要對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，并對電池進(jìn)行檢測，將檢測到的溫濕度數(shù)據(jù)，以無線方式發(fā)送，包括節(jié)點(diǎn)的號、溫濕度數(shù)據(jù)以及電池的電壓信息，發(fā)送完畢后主控芯片CC2430進(jìn)入休眠狀態(tài)。

3小結(jié)與討論

無線溫濕度傳感器基本能夠完成養(yǎng)殖場在無人操作下對溫濕度的監(jiān)控，避免工作人員在這種環(huán)境中受到污染，完成了智能化的發(fā)展，但是還有需要改進(jìn)的地方。

1）引入相對完整的ZigBee技術(shù)，實現(xiàn)了相對復(fù)雜的一些組網(wǎng)功能，將無線傳感器的優(yōu)勢發(fā)揮到最大。目前該控制系統(tǒng)只能進(jìn)行檢測，不能進(jìn)行控制，在后期的工作中應(yīng)完善這部分，使整個系統(tǒng)更加的完整，實現(xiàn)完整的智能控制。

2）供電部分使用電池，不能滿足復(fù)雜的環(huán)境，耗電量也較大，應(yīng)該向新能源方向發(fā)展，而且能夠適用于更加復(fù)雜的場合，在應(yīng)用領(lǐng)域方面進(jìn)行創(chuàng)新，使之在使用上具有普遍性。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 吳光榮，章劍雄. 基于ZigBee的高壓開關(guān)柜無線溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)［J］. 現(xiàn)代電子技術(shù)，2008，31（20）：169-171.

［2］ 劉玉英，史旺旺. 基于 CC2430 溫濕度監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計［J］. 微計算機(jī)信息，2009，25（10）：130-131.

［3］徐海峰. 基于 Web 技術(shù) GPRS 技術(shù)的遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)設(shè)計［J］. 電力自動化設(shè)備，2009（7）：134-137.

［4］岳振華. 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)溫濕度檢測系統(tǒng)的研究與開發(fā)［D］.長春：吉林大學(xué)，2009.

［5］衣翠平.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的糧庫溫濕度實時監(jiān)控系統(tǒng)研究［D］.長春：長春理工大學(xué)，2012.

［6］ 彭拓.基于TinyOS的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究與

實現(xiàn)［D］.北京：北京郵電大學(xué)，2010.

摘要：采用以CC2430芯片為核心的溫濕度檢測系統(tǒng)，將溫濕度傳感器SHT11采集的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)關(guān)進(jìn)行匯總，再通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)送到上位機(jī)中存儲以及分析，由上位機(jī)對清掃工作做出相應(yīng)的調(diào)整，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程智能控制。

關(guān)鍵詞：清掃機(jī)器人；無線傳感器；溫濕度傳感器SHT11；溫濕度控制

中圖分類號：S126文獻(xiàn)標(biāo)識碼：Ａ文章編號：0439－８114（２０14）08－1921-03

WSN-based Humituｒｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｆａｒｍ Ｃｌｅａｎｉｎｇ Ｒｏｂｏｔ

ＪＩ Ｗｕ－ｊｕｎ，ＧＡＯ Ｙｕｎ

（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｈｅｎａｎ Ｖｏｃａｔｉｏｎａｌ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ４５００４６，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｃｈｉｐ ＣＣ２４３０ ｗａｓ used ａｓ ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｈｕｍｉｔｕｒｅ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ． Ｔｈｅ ｄａｔａ ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ ｂｙ ＳＨＴ１１ were ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ｖｉａ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｇａｔｅｗａｙ， ｔｒａｎｓｐｏｒｔed ｂｙ ＧＰＲＳ， and ｓｅｎｔ ｔｏ ｔｈｅ ｈｏｓｔ ｆｏｒ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ａｎｄ ｓｔｏｒａｇｅ． Tｈｅ ｒｏｂｏｔs make ｔｈｅ ａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅ ａｄｊｕｓｔｍｅｎｔｓ ｔｏ ｔｈｅ ｃｌｅａｎ－ｕｐ ｗｏｒｋ， ｅｎａｂｌｉｎｇ ｒｅｍｏｔｅ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｃｌｅａｎｉｎｇ ｒｏｂｏｔ； ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ； ｈｕｍｉｔｕｒｅ ＳＨＴ１１； ｈｕｍｉｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ

養(yǎng)殖場在生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生高溫、高濕氣體，而這些氣體對人體是有毒、有害的，人體需要避免接觸這些有毒氣體。所以養(yǎng)殖場的無人操作清掃機(jī)器人就需要檢測環(huán)境中的溫濕度，并把數(shù)據(jù)準(zhǔn)確快速地反饋給管理員，以便實現(xiàn)實時調(diào)控。使用無線傳感器傳輸數(shù)據(jù)，就無須數(shù)據(jù)采集設(shè)備和檢測設(shè)備連接在一起，可以避免大量鋪設(shè)電纜，清掃機(jī)器人在完成清掃工作時就不會存在電纜纏繞等問題，而且無線傳感器可靠性較高，抗干擾能力好，可以有效地降低成本［1］。

1無線傳感器檢測系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

1.1無線傳感器

CC2430芯片是挪威半導(dǎo)體公司Chipcon一款最新能夠在嵌入式上實現(xiàn)無線ZigBee技術(shù)的系統(tǒng)。CC2430使用了一個8051系統(tǒng)，其具有PROM以及RAM，還具有數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、看門狗定時器以及上電復(fù)位電路等。引腳主要有P0、P1、P2，它們分別是8位輸入/輸出端口，均是普通的輸入/輸出端口，同時還具有可編程的輸入/輸出端口［2］。

無線傳感器CC2430使用很少的外圍電路就可以實現(xiàn)信號的接受和發(fā)送功能，圖1為CC2430一種典型的應(yīng)用電路，它可以提供兩個天線的應(yīng)用電路，不平衡天線以及差動天線。

由圖1可以看出，基本電路多采用電感以及電容構(gòu)成，降低了成本。電感主要起到低噪聲放大器以及為功率放大器提供直流偏置的作用。無線傳感器CC2430需要XTAL1和XTAL2提供16 MHz的時鐘信號，時鐘信號分別接在引腳XOSC-Q1和XOSC-Q2之間，另外一個時鐘信號接在引腳P2-3和P2-4之間。

1.2溫濕度采集節(jié)點(diǎn)

根據(jù)養(yǎng)殖場對溫度和濕度要求，選擇了瑞士生產(chǎn)的SHT11傳感器。SHT11傳感器是相對濕度和溫度為一體的測量器，能夠?qū)β饵c(diǎn)進(jìn)行精確測量，全量程標(biāo)定，不需要重新標(biāo)定就可以互換測量，響應(yīng)速度超快，SHT11傳感器具有最簡單的系統(tǒng)集成和低廉的價格、尺寸小、高可靠性和穩(wěn)定性，并能防水，可以長期浸泡在水中，還具有濕度傳感器的自檢測功能。

SHT11的工作溫度為-40.0~+123.8 ℃，測量精度±0.5 ℃；工作濕度范圍在0~100% RH，測量精度±3.0% RH，完全符合養(yǎng)殖場的工作要求。

無線傳感器CC2430和溫濕度傳感器SHT11連接原理圖如圖2所示，其中無線傳感器的輸入輸出口是P1.6與P1.7。溫濕度傳感器SHT11使用I2C接口與處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，時鐘信號線SCK主要任務(wù)是與SHT11通信保持同步，DATA主要任務(wù)是進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。

1.3溫濕度顯示儀

溫濕度顯示儀主要有按鍵和液晶模塊等部分組成，按鍵部分的原理圖如圖3所示，共有5個按鍵，分別為 S1、S2、S3、S4、S5。為了節(jié)省輸入、輸出口，按鍵使用數(shù)模方式，每一個按鍵按下后輸出不相同的數(shù)模值S1 2.5 V、S2 2.1 V、S3 1.8 V、S4 1.2 V、S5 0 V。

1.4遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸模塊

為了避免養(yǎng)殖場清掃機(jī)器人出現(xiàn)電纜纏繞等問題，需要使用無需布線，不受通信距離限制的GPRS通訊模塊，所以選擇了SIM300模塊。它可以進(jìn)行傳真、短信、數(shù)據(jù)傳輸?shù)热蝿?wù)，在SIM300模塊中插入SIM卡，在接上天線，就可以使用GPRS無線網(wǎng)絡(luò)［3-6］。

1.4.1SIM300模塊供電系統(tǒng)SIM300的供電引腳是由VBAT來完成的，電壓為3.4~4.5 V，SIM300啟動瞬間需要2 A的電流。可以采用電源芯片MIC29302進(jìn)行供電，它的輸入電壓最大可以達(dá)到26 V，輸出電壓還可以調(diào)節(jié)，最大輸出電流可以達(dá)到5 A，基本滿足SIM300供電要求。供電原理圖見圖4，1號引腳是使能端，應(yīng)接地；2號引腳是輸入電壓端，輸入電壓為5 V；3號引腳接地；4號引腳接輸出；5號腳接電壓調(diào)節(jié)端，分壓電阻R1和R2，分壓后輸出電壓為4.1 V。

1.4.2SIM300模塊硬件接口SIM300可以接1個有60個引腳的外接插座，這個外接插座包含1個SIM卡插座接口、2個模擬音頻接口、1個鍵盤接口、1個LCD接口以及2個串口接口。圖5為SIM300模塊與CC2430的連接圖。數(shù)據(jù)在兩個串口之間進(jìn)行傳輸時，經(jīng)常會出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失的問題，或者由于兩臺設(shè)備之間的處理速度不相同，接收數(shù)據(jù)端緩沖區(qū)已滿，都會發(fā)生數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象。所以在串口通信上使用流控制，用RTS/CTS做流控制端口，如果緩沖區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)量達(dá)到高位時，CTS線就為低電平，如果檢測到CTS為低電平時，就停止發(fā)送數(shù)據(jù)，直到檢測出CTS為高電平時。RTS主要任務(wù)是檢測接收設(shè)備是否做好準(zhǔn)備接收數(shù)據(jù)。

SIM300模塊和SIM卡之間的連接使用六線連接（圖6），其中需要注意引腳SIM-PRESENCE接地。

2無線傳感器軟件的設(shè)計

溫濕度采集主程序流程如圖7所示，程序開始需要對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，并對電池進(jìn)行檢測，將檢測到的溫濕度數(shù)據(jù)，以無線方式發(fā)送，包括節(jié)點(diǎn)的號、溫濕度數(shù)據(jù)以及電池的電壓信息，發(fā)送完畢后主控芯片CC2430進(jìn)入休眠狀態(tài)。

3小結(jié)與討論

無線溫濕度傳感器基本能夠完成養(yǎng)殖場在無人操作下對溫濕度的監(jiān)控，避免工作人員在這種環(huán)境中受到污染，完成了智能化的發(fā)展，但是還有需要改進(jìn)的地方。

1）引入相對完整的ZigBee技術(shù)，實現(xiàn)了相對復(fù)雜的一些組網(wǎng)功能，將無線傳感器的優(yōu)勢發(fā)揮到最大。目前該控制系統(tǒng)只能進(jìn)行檢測，不能進(jìn)行控制，在后期的工作中應(yīng)完善這部分，使整個系統(tǒng)更加的完整，實現(xiàn)完整的智能控制。

2）供電部分使用電池，不能滿足復(fù)雜的環(huán)境，耗電量也較大，應(yīng)該向新能源方向發(fā)展，而且能夠適用于更加復(fù)雜的場合，在應(yīng)用領(lǐng)域方面進(jìn)行創(chuàng)新，使之在使用上具有普遍性。

參考文獻(xiàn)：

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