基于Zigbee技术的温湿度采集系统设计

摘要：本系统采用CC2530芯片为核心配置，以温湿度传感器SHT75、计算机监控系统等部件，通过单片机与智能传感器相连，采集并存储智能传感器的测量数据，并通过RS485总线来实现PC上位机与单片机控制模块半双工串行通信。基于ZigBee技术设计的智能温湿度采集系统，可全天候实时监控温室内的空气温度和湿度信息，具有实时性高、低功耗、有效范围大、成本低、可靠性高等特点。
关键词：温湿度传感器；CC2530；数据采集；实时监控

    温室农业经济效益高，前景被普遍看好，是我国农业的重要发展方向之一。然而在温室的监控方面，目前很大程度上还是处于人工采集、手工处理信息的阶段，效率十分低下。随着信息技术的推广，依托计算机和通信科学的智能化管理温室环境是温室发展的必然趋势。
    ZigBee技术是一种应用于短距离范围内，低传输速率下的各种电子设备之间无线通信技术，是一组基于IEEE批准通过的802．15．4无线标准研制开发的，这就确定了可以在不同制造商之间共享的应用纲要。Zigbee兼容的产品工作在2．4 GHz这个全球通用的免费开放频段，这个频段提供了16个传输信道，每次通信都会自主选择一个最干净干扰最小的信道进行数据传输。同时ZigBee是一个由可多到65 000个无线数据传输模块组成的无线数据传输网络平台。基于ZigBee技术设计的智能温湿度采集系统，可全天候实时监控温室内的空气温湿度等信息，具有实时性高、低功耗、有效范围大、成本低、可靠性高等特点。

1 温湿度采集系统的总体设计
    本系统采用智能传感器SHT75和CC2530芯片构成，通过SHT75对环境内的温度、湿度参数实时检测，经传感器芯片内A／D转换器转换成对应的二进制值存储于芯片的RAM中，CC2530芯片通过发送读取温湿度传感器温湿度命令码，温湿度传感器就返回对应的参数值，本系统带RS4 85通讯接口可连接监控主机或PC，通过监控主机或PC来实时查看当前温度和湿度值，并可在监控主机或PC上设置报警参数以便实时监控环境温度和湿度值。系统功能模块框图如图1所示。

2 温湿度采集系统的硬件设计
2．1 数据采集单元
    鉴于测量环境特殊要求，温湿度检测模块不可能做得很大，而且系统要求响应灵敏，测量精度要高：温度小于等于±0．3℃，湿度小于等于±1．8％，稳定性能良好，因此采用了瑞士生产的SHT75温湿度传感器。SHT75具有精确露点测量、全量程标定、响应时间短、可完全浸没水中、测量精度高和稳定性好等优点。SHT75的供电电压范围为2．4～5．5 V，典型供电电压为3．3 V。在电源引脚之间需加一个100μF的电容，用以去耦滤波。
2．2 无线通信单元
    系统的无线通信模块主要采用CC2530芯片，该芯片采用2．4 GHz频率，IEEE 802．15．4标准，Zigbee技术，具有极高的接收灵敏度和抗干扰性能，能够以非常低的材料成本建立强大的网络节点。CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051 CPU，系统内可编程闪存RAM等功能。C2530具有32／64／128／256KB 4种不同的闪存版本，本系统采用的是256 KB闪存。CC2530在使用时所需的外部元件很少，两个32 MHz的晶振、几个电容和电感元件就可组成一个高可靠性的收发系统，设计简单且成本较低。
    CC2530具有多种运行模式，本设计用到其中的3种模式：发射模式、接收模式和休眠模式。3种运行模式之间的转换时间短以确保了低能耗，CC2530在休眠状态时，电流仅为1μA。CC2530的定时器1是一个16位定时器，具有定时器／脉冲宽度调制(PWM)功能。每个计数器捕获通道可以用作一个PWM输出或捕获输入信号边沿的时序。定时器2是专门为支持IEEE802．15．4 MAC或软件中其他时槽的协议设计。定时器3和定时器4是8位定时器，具有定时器／计数器／PWM功能。
    CC2530芯片的无线射频收发原理为：把接收到的RF信号通过低噪声放大器(LNA)和功率放大器(PA)，进行积分转换，输入到混频器中，再经过频率合成器和90度的相位转换，以及模数转换(ADC)，调制解调(Modem)和同步信号校准(FEC)、信息包处理，然后送入RX／TX中，再通过嵌入式的微控制单元(MCU)进行数据的传输。
2．3 通信接口
    数据采集包括单片机对温湿度传感器数据采集，还包括PC对单片机数据采集和处理。系统采用的是RS485接口，它是一种半双工串行通信接口，采用了平衡差分的传输模式，比RS232接口提高了传输的速率和增加了传输距离，目前广泛运用于数据采集通信系统。
2．4 电源电路
    系统的电源部分采用蓄电池与光能互补供电方式，利用太阳能为电源蓄电池进行充电。为了充分利用电源并减少更换蓄电池次数，本系统多采用低功耗芯片，并在程序中增加休眠程序和无线远程唤醒程序，最大限度地降低系统功耗。
2．5 硬件原理图
    硬件电路的设计采用Protel DXP 2004开发工具，根据CC2530芯片的特性，系统硬件电路原理图如图2所示。在本电路中CC2530既承担着CPU的功能又承担着通信模块的作用。SHT75把采集到的温室环境中的温湿度模拟信号转换成相应的数字信号并传给CPU，CPU将接收到的温湿度数字信号进行储存，等待主机发送广播，得到主机命令后，从机CPU将数据无线发送给主机。
    该原理图的主要外围元件功能为：偏置电阻R3用于设置一个精确的偏置电流；去藕电容C1用于提供PCB板精确的功率供给；C15、C16和C17、C18分别为晶体X1和X2的负载电容。RF端口由C9、C10、L2和L3共同组成不平衡变压器，用于芯片不同RF端口信号转换成单个RF信号，再通过一个π型LC滤波器(C13、C14、L4)的作用，最终输出50欧姆的RF信号，和天线达到最佳的阻抗匹配。

3 温湿度采集系统的软件设计
    本系统软件设计采用结构化和模块化设计方法，便于功能扩展。软件开发环境选择IAR Embedded Workbench for MCS-51 7．51A作为Zigbee开发的IDE，在TI Z Stack协议栈的基础上，编写了系统的应用程序代码，用VC编写上位机程序。

    系统上电以后，初始化I／O口，开启看门狗，读取存在EEPROM中的变送器地址值并将读取的地址值进行校验，如校验正确则进入正常模式运行，温度和湿度采样分开执行，每次只采样一个温度值或一个湿度值，经过定时器累计计时使温度和湿度的读取进行轮巡，主机通过RS485通讯接口可访问变送器的温度和湿度值，还可以设置变送器的物理地址，当多台变送器联机时，可通过自身的物理地址来识别命令码。
3．1 协调器的工作流程
    Z Stack提供了丰富的调试函数调试接口。系统软件主要包括协调器节点程序、路由器节点程序。协调器是第一级节点，负责组建网络，网络组建好后会分配节点ID地址，协调器接收到手持控制终端发送的命令，发送控制命令到节点就可以实施相应控制，协调器的工作流程图如图3所示。
3．2 路由器的工作流程
    将协调器扩展到第2级、第3级甚至多级，只要在同一网络就可以实施相应控制，协调器接收命令同时将控制命令发送到路由器或者终端节点，如果直接发送命令给路由器，路由器就会执行相应命令，也可以通过路由器发送给终端节点，由终端节点执行相应命令。路由器(包含终端节点)工作流程图如图4所示。
3．3 系统功能实现
    控制终端是一手持读写器(PDA)，读写器内设置了无线收发模块，在组建网络时将读写器加入网络，读写器会自动识别每一节点的ID地址，通过对节点发送命令实现控制。可以对单个温湿度采集器进行数据读取，即向单个节点发送控制命令，也可以将部分节点组建一个局域网络存储到读写器中，对这个局域网络发送命令就可以实现局域网内所有节点的温湿度采集器的数据读取。

4 结束语
    通过Zigbee技术实现了对温湿度采集器的无线控制，解决了温室监控系统现阶段人工采集、效率低下和数据采集存在盲区等问题，可全天候实时监控温室内的空气温湿度等信息，实现了温室环境采集的无线通讯，所构建控制系统具有低功耗、低成本，开发方便，易于扩展等特点，而且通过手持读写器进行控制给人们带来了便利。
    由于国家十分重视居民的菜篮子工程，所以基于Zigbee技术的温湿度采集系统具有广阔的市场，同时可以进一步扩展到采集系统远程无线控制。温湿度采集系统未来的研究应侧重于节点数据传输的安全性和稳定性，进一步提高基于无线传感器网络的温室环境采集系统的自动化、智能化程度，使之满足实际环境应用的需求。