基于CC2530和CC2592集群溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

宋玉琴+姬引飛+朱紫娟

摘 要： 針對(duì)集群溫室大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)困難，有線傳輸系統(tǒng)成本高和網(wǎng)絡(luò)維護(hù)量大等問題，設(shè)計(jì)了針對(duì)溫室大棚內(nèi)濕度、土壤溫度、光照強(qiáng)度、CO2濃度等的無線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(luò)，對(duì)溫室環(huán)境信息進(jìn)行采集、分析、處理和傳輸，最后在上位機(jī)顯示。系統(tǒng)詳細(xì)分析了硬件電路的控制方法并給出了軟件流程圖。實(shí)驗(yàn)表明：系統(tǒng)可以準(zhǔn)確獲取溫室環(huán)境數(shù)據(jù)。增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)輸出功率和低功耗設(shè)計(jì)，不僅提高了溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)的靈活性和移動(dòng)性，而且降低了成本。

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

中圖分類號(hào)： TP911?34； TP274+.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(zhì)，對(duì)環(huán)境的監(jiān)測(cè)尤為重要。環(huán)境監(jiān)測(cè)不僅能及時(shí)反饋?zhàn)魑锏纳L(zhǎng)環(huán)境狀況，還能及時(shí)調(diào)節(jié)環(huán)境因子讓作物在最適宜的環(huán)境下生長(zhǎng)。隨著技術(shù)的發(fā)展，溫室大棚有線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)彌補(bǔ)了人工監(jiān)測(cè)的效率低、控制效果不好的缺點(diǎn)，在文獻(xiàn)[1?2]中出現(xiàn)了采用RS 485總線和現(xiàn)場(chǎng)總線布網(wǎng)來監(jiān)測(cè)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(hù)成本和工作量。因此，迫切需要一種技術(shù)來改善有線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的缺陷。在文獻(xiàn)[3]中提出利用WiFi技術(shù)建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(shù)的低功耗、自組網(wǎng)、低成本等特點(diǎn)使它具有無法替代的優(yōu)勢(shì)。ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[4]已經(jīng)成功應(yīng)用于智能家居[5]、智能電網(wǎng)[6]、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域。本文以ZigBee技術(shù)為背景， 研究無線傳感網(wǎng)絡(luò)在集群溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和功能

設(shè)計(jì)采用ZigBee技術(shù)建立集群溫室無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測(cè)溫室大棚內(nèi)的濕度、土壤溫度、光照強(qiáng)度、CO2濃度以及控制LED燈光和報(bào)警。該系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)采用星型模式組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，即一個(gè)協(xié)調(diào)器連接多個(gè)子節(jié)點(diǎn)，每個(gè)子節(jié)點(diǎn)以CC2530為核心，CC2530主要負(fù)責(zé)對(duì)傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和對(duì)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行智能管理，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)低功耗效果。該系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能是，通過傳感器采集溫室環(huán)境數(shù)據(jù)，CC2530對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后，子節(jié)點(diǎn)通過無線信號(hào)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器接到信號(hào)通過RS 232串口[7]發(fā)送給溫室監(jiān)測(cè)分中心的PC，在PC的上位機(jī)可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，還可以將監(jiān)測(cè)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(cè)中心和相關(guān)機(jī)構(gòu)獲取，進(jìn)行分析后進(jìn)行有效控制。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 無線功能單元

整個(gè)系統(tǒng)將無線功能單元作為核心，其中主要涉及協(xié)調(diào)器和子節(jié)點(diǎn)。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(yīng)的調(diào)試接口構(gòu)成。而其中的子節(jié)點(diǎn)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(diào)器是在處理器模塊和無線通信模塊的基礎(chǔ)上增加串口通信功能。協(xié)調(diào)器通過RS 232與計(jì)算機(jī)相連，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，進(jìn)而在上位機(jī)上顯示和向以太網(wǎng)上傳送。無線功能單元結(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)，在低功耗和靈敏度等性能方面較第一代CC2430芯片有所改進(jìn)[9]。

CC2530集成了RF收發(fā)器和8051微處理器，具有超強(qiáng)的抗干擾性，而且配備TI的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)兼容的Z?Stack網(wǎng)絡(luò)協(xié)議?？s短開發(fā)周期。CC2530的外圍電路設(shè)計(jì)只需要少量輔助元器件。根據(jù)集群溫室的實(shí)際管理經(jīng)驗(yàn)，只用CC2530芯片組建無線，節(jié)點(diǎn)之間的距離將被限制在100 m以內(nèi)，達(dá)不到實(shí)際要求。為了擴(kuò)大無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆秶?，選擇CC2592射頻前端增大節(jié)點(diǎn)的輸出功率。

CC2592應(yīng)用于2.4 GHz低功耗低壓的無線網(wǎng)絡(luò)中，經(jīng)濟(jì)高效而且性能優(yōu)越[10]。它集成了一個(gè)可增加輸出功率的功率放大器和一個(gè)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(kuò)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(shè)計(jì)需要，增大了節(jié)點(diǎn)之間的距離，擴(kuò)展了無線網(wǎng)絡(luò)的范圍。CC2530與CC2592的電路連接如圖3所示。

CC2592有3個(gè)控制引腳分別為PA_EN，LNA_EN和HGM， 通過控制這3個(gè)引腳邏輯電平實(shí)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(duì)CC2592 控制時(shí)，當(dāng)LNA_EN 與PA_EN 引腳為低電平時(shí)，CC2592處于掉電模式，沒有工作；當(dāng)LNA_EN引腳為高電平、HGM引腳為低電平時(shí)，CC2592處于低增益模式。當(dāng)LNA_EN與HGM引腳為高電平時(shí)，CC2592處于高增益模式；當(dāng)LNA_EN引腳為低電平、PA_EN引腳為高電平時(shí)，CC2592處于正常發(fā)送模式。CC2530要實(shí)現(xiàn)對(duì)CC2592的控制，既要遵循控制邏輯，又要設(shè)置RF寄存器，詳細(xì)設(shè)置內(nèi)容如表1所示。

用CC2530 控制CC2592可以在CC2530 設(shè)為低功耗模式，同時(shí)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(hào)增強(qiáng)6倍（不加CC2592點(diǎn)對(duì)點(diǎn)無遮擋傳輸距離為80 m） ，傳輸距離達(dá)到480 m，解決了成本問題和傳統(tǒng)方式的布線復(fù)雜問題。

2.2 傳感器單元

子節(jié)點(diǎn)的傳感器單元主要由傳感器組成，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境因子的數(shù)據(jù)采集，相對(duì)濕度傳感器采用國(guó)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(guó)內(nèi)生產(chǎn)的小型傳感器MH?Z12。

表1 CC2530 RF寄存器設(shè)置

HM1500A使用微處理芯片，內(nèi)置復(fù)位、看門夠及數(shù)據(jù)掉電保護(hù)電路，具有極強(qiáng)的抗干擾能力。本文選擇5 V供電，相對(duì)濕度和輸出電壓的關(guān)系為0～100%RH對(duì)應(yīng)1～3.6 V，而且呈線性關(guān)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(nèi)置DS18B20溫度傳感器，金屬導(dǎo)熱性高的原理保證了傳感器的靈敏度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤溫度的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)。測(cè)量溫度范圍為-55～125 ℃，系統(tǒng)采用3.3 V電源對(duì)其進(jìn)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(nèi)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(duì)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(duì)溫室大棚的光照進(jìn)行采集。光照傳感器On9658的電信號(hào)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(hù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

CO2濃度傳感器采用國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的小型傳感器MH?Z12。內(nèi)置溫度傳感器，能夠進(jìn)行溫度補(bǔ)償；無氧氣依賴性，壽命長(zhǎng)。傳感器節(jié)點(diǎn)采用3.3 V對(duì)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(hào)只需與CC2530的P0_3引腳連接就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。

2.3 電源模塊

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(duì)電源的需求，以及節(jié)點(diǎn)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(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的集群溫室大棚無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要有3種設(shè)備：上位機(jī)、協(xié)調(diào)器和子節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)的建立是由此3種設(shè)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(diào)器和子節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)都是基于Z?Stack 協(xié)議棧開發(fā)的。

3.1 協(xié)調(diào)器和子節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)

在IAR Embedded Workbenchfor 8051 8.10 軟件的支持下，利用Z?stack 協(xié)議棧進(jìn)行應(yīng)用層上的功能開發(fā)。子節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器遵循約定的通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)，通信采用主從式。溫室監(jiān)測(cè)分中心向子節(jié)點(diǎn)發(fā)送命令的時(shí)候遵循一定的格式，如表2所示。為了保證每個(gè)子節(jié)點(diǎn)的正常運(yùn)行，每次開機(jī)運(yùn)行，監(jiān)測(cè)分中心通過發(fā)送握手命令確定子節(jié)點(diǎn)是否聯(lián)機(jī)。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(diǎn)收到監(jiān)測(cè)分中心的命令之后，需要返回相應(yīng)的命令數(shù)值并且也有一定的應(yīng)答格式，如表3所示。子節(jié)點(diǎn)除了需要應(yīng)答規(guī)定的4種上傳命令外，還需主動(dòng)上報(bào)報(bào)警信息，以便保護(hù)溫室大棚的環(huán)境不受外來人員的破壞。

協(xié)調(diào)器連接著監(jiān)測(cè)分中心和子節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)的建立以及上位機(jī)和子節(jié)點(diǎn)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(diào)器掃描并選擇一個(gè)合適的信道建立一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)，子節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)并加入網(wǎng)絡(luò)。組網(wǎng)完畢之后，協(xié)調(diào)器開始接收從監(jiān)測(cè)分中心傳來的命令，并下達(dá)給子節(jié)點(diǎn)，然后將子節(jié)點(diǎn)傳來的數(shù)據(jù)傳輸給監(jiān)測(cè)分中心。協(xié)調(diào)器的工作流程如圖4（a）所示。

子節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后便開始進(jìn)行定時(shí)采集工作，采集數(shù)據(jù)完成后觸發(fā)定時(shí)器中斷并進(jìn)入低功耗模式，節(jié)約能耗，定時(shí)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(shí)，子節(jié)點(diǎn)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(diào)器，協(xié)調(diào)器接到數(shù)據(jù)后發(fā)送給監(jiān)測(cè)分中心，最終在上位機(jī)軟件中對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。子節(jié)點(diǎn)的軟件流程如圖4（b）所示。

3.2 上位機(jī)

溫室監(jiān)測(cè)分中心的上位機(jī)軟件是基于VC++ 6.0開發(fā)的，將上述方案設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)試和實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)在上位機(jī)界面顯示結(jié)果如圖5所示。

通過測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)運(yùn)行正常，能全天候監(jiān)測(cè)溫室內(nèi)的濕度、土壤溫度、光照強(qiáng)度和CO2濃度。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文利用CC2530芯片和CC2592范圍擴(kuò)展器建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并將此網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于集群溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了一種方便快捷的溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)方法，可以為植物提供一個(gè)理想的生長(zhǎng)環(huán)境，節(jié)省了人力物力，降低了成本。該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定，為集群溫室大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)提供了一種有效的解決方案。

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