基于ZigBee的温室花房环境监测系统设计

摘要：为了实现温室花房环境的实时监测，提出了一种基于ZigBee技术的环境监测系统，并对系统的整体设计进行了研究。通过对ZigBee技术的分析和对CC2430芯片的研究，利用ZigBee技术设计环境监测系统，运用该系统对温室花房的温度、湿度等进行监测，达到实时远程监测的目的。
关键词：温室花房；ZigBee；CC2430；环境监测

0 引言
    温室花房的环境温湿度控制与管理是影响植物生长过程的重要因素。目前，实际使用的各类环境监测系统普遍存在网络布线困难、成本高及实时性差等问题，本文针对上述问题，提出了基于ZigBee无线传感器网络的温室花房环境监测系统。该系统主要由低功耗微小无线传感器通过自组织方式构成，可利用网络节点功耗低、工作时间长、成本低等特点，实现低成本无人连续在线监测。同时，无线传感器网络节点布置密集，对每个监测点都有多个节点进行测量，可以通过数据融合提高数据精度，而单节点失效也不致影响测量效果，这种测量方式使得系统容错性强。另外，无线传感器网络不仅可以进行监测，还可对指定区域进行查询，这些特点是传统在线监测系统所不具备的。

1 Zigaee技术
1．1 ZigBee技术简述
    在工业控制、环境监测、商业监控、汽车电子、家庭数字控制网络等应用中，系统所传输的数据通常为小量的突发信号，即数据特征为数据量小，要求进行实时传送，如采用传统的无线技术，虽然能满足上述要求，但存在着设备的成本高、体积大和能源消耗较大等问题，针对这样的应用场合，人们希望利用具有成本低、体积小、能量消耗小和传输速率低的短距离无线通信技术，ZigBee技术就是在这种需求下产生的。它是具有成本低、体积小、能量消耗小和传输速率低的无线通信技术，其中文译名通常称为“紫蜂”技术。
    ZigBee是一种新兴的短距离、低速率的无线组网通信技术，可以实现使用廉价的电池就能够连续工作多年的无线网络。ZigBee的协议架构建立在IEEE 802．15．4标准基础之上，该标准定义的无线个人区域网络的特征与无线传感器网络有很多相似之处，很多研究机构把它作为无线传感器网络的通信标准。表1详细列出ZigBee的主要特点。

1．2 ZigBee芯片介绍
    CC2430出自挪威Chipcon公司，是一款真正符合IEEE 802．15．4标准的片上ZigBee产品。该芯片延用以往CC2420芯片的结构，在单个芯片上集成ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用一个8位MCU(8051)，具有32／64／128 KB可编程闪存和8 KB的RAM，还包含模／数转换器(ADC)、几个定时器、AES-128安全协处理器、看门狗定时器、32 kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路。CC2430还有21个可编程的I／O口引脚，P0、P1口是完全的8位口，P2口只有5个可使用的位。通过软件设定一组SFR寄存器的位和字节，可使这些引脚作为通常的I／O口或作为连接ADC、计时器或USART部件的外围设备I／O口使用。其I／O口引脚功能如下：
    1～6脚(P1．2～P1．7)：具有4 mA输出驱动能力；
    8，9脚(P1．0，P1．1)：具有20 mA的驱动能力；
    11～18脚(P0．0～P0．7)：具有4 mA输出驱动能力；
    43～46，48脚(P2．0～P2．4)：具有4 mA输出驱动能力。
    CC2430芯片采用0．18μm CMOS工艺生产，工作时的电流损耗为27 mA。
    在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27 mA或25 mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用场合。

2 系统硬件设计
    硬件电路设计包括数据采集终端设计、路由器、ZigBee网络协调器的设计、ZigBee网络的组建、以及控制中心等几个部分，如图1所示。

    该系统采用星状无线网络系统，系统只有一个网络协调器和若干个RFD节点。网络协调器安装在有人值守的监控室，负责建立网络和管理网络，并显示当前整个网络的状况，且把收到的数据发送到计算机中。RFD负责安装在各个温室花房中，负责采集温度和湿度等数据，然后定期或有中断时，把数据发送给网络协调器。监控人员在控制室通过显示器就可以对花房各种数据进行监视，无须到现场。通过GPRS也可以同时把数据以短信的形式发送于手机上，如图2网络协调器由CC2430、串口部分、天线、按键和显示模块组成。CC2430模块通过天线接收到信号后，通过SPI口直接输出到液晶显示器上。串口部分用UART模块，UART再外接一个RS 232模块用于连接计算机，给计算机传输数据，将计算机外部来的串行数据转换为字节，供计算机内部使用并行数据的器件使用。所连接的计算机的作用是用来观察串口输出的数据。

    RFD节点有CC2430、温度传感器和天线组成。节点通过温度传感器检测所处环境的温度，然后通过天线发送给网络协调器。温度传感器使用TC77，它是Mi-crochip公司生产的串联可访问数字温度传感器，特别适合于廉价，小尺寸的应用中。温度数据从内部温度敏感元件转换而来，随时都可以转化成13位数字。
    数据采集终端是由相应的传感器和若干个ZigBee收发模块组成。ZigBee收发模块将采集到的数据打包并传给ZigBee网络协调器。ZigBee通信模块硬件设计采用TI公司的CC2430芯片作为硬件平台进行开发。CC2430主芯片属于典型的System-on-Chip(SoC)芯片，片内集成了高性能、低功耗的增强型8051单片机作为处理器，也集成了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器，仅需少量的外围器件构成时钟电路、射频(R-F)偏置电路即可运行。数据处理模块是无线传感器节点的核心，数据的读取，任务的调度，信息的传输都由该模块控制，因此处理器的选择在节点中尤为重要。微处理器选用的是Atmel公司的Atmegal6L单片机。Atmegal6L是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。A-tmegal6L有2个8位定时计数器、1个16位定时计数器、8路10位ADC、4通道PWM，具有可编程看门狗定时器和片上振荡器、片上模拟比较器、JTAG、USART、SPI等接口。Atmegal6L除正常工作模式，还具有不同等级的低功耗操作模式，选用Atmegal6L对于功耗要求比较苛刻的无线传感器节点非常适合。

3 系统软件流程
    本系统用C语言编程，软件采用模块化结构程序设计方式，总体程序框图如图3所示。

    单片机上电复位，程序开始执行，初始化单片机端口，为驱动温湿度模块、ZigBee模块作准备。初始化显示模块，用来显示接收到的温湿度数据。采集当前的温湿度数据，如果没有采集到数据，或由于外界干扰导致读取错误，则返回继续读取。采集到的温湿度数据经过相应的数据转换后送到ZigBee发送模块进行数据传输，ZigBee接收模块接收温湿度数据，如果没有接收完，则继续接收。接收完数据经过数据处理，传送数据到显示模块进行显示。

4 结语
    基于ZigBee的温室花房环境检测数据实时监测系统具有数据传输安全可靠、组网简易灵活、设备成本低等特点，其自动化、智能化的无线监控系统将越来越受到市场的青睐，是一项极具市场前景的高科技项目，将会创造巨大的经济效益和综合社会效益，具有很好的应用前景。