基于ZigBee的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

糧食是人類賴以生存的基本物質(zhì)，是關(guān)系國計民生的重要物質(zhì)，目前我國地方各大糧庫的溫濕控制，主要采用干溫度表、毛發(fā)濕度計、雙金屬式測量計、濕度測試紙等測量器材進(jìn)行人工檢測。ZigBee技術(shù)具有節(jié)點(diǎn)能耗低、成本低、應(yīng)用簡單、組網(wǎng)能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，本文提出了基于ZigBee 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的糧倉環(huán)境檢測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)框架設(shè)計

本文采用ZigBee 技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過傳感器采集糧倉的溫濕度，并把數(shù)據(jù)傳輸?shù)?FONT style="COLOR: #000000">無線通信節(jié)點(diǎn)中。在系統(tǒng)中，每個糧倉安置幾個發(fā)送模塊作為路由器使用，通過路由器把數(shù)據(jù)無線發(fā)送到協(xié)調(diào)器中，協(xié)調(diào)器通過RS232 與上位機(jī)進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)對糧倉環(huán)境溫濕度的監(jiān)控。同時系統(tǒng)也對糧堆溫度的現(xiàn)場測量，不僅在現(xiàn)場顯示，供現(xiàn)場工作人員監(jiān)控糧堆的溫度，而且通過無線節(jié)點(diǎn)發(fā)送到協(xié)調(diào)器，在上位機(jī)中顯示。圖1 為系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。系統(tǒng)中存在一個節(jié)點(diǎn)作為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，完成網(wǎng)絡(luò)組建、路由功能。糧堆內(nèi)節(jié)點(diǎn)只作為終端節(jié)點(diǎn)，之間互相不通信，因此采用半功能節(jié)點(diǎn)（RFD），完成糧堆溫度采集及發(fā)送。而糧倉節(jié)點(diǎn)采用全功能節(jié)點(diǎn)（FFD），之間可以互相通信并附帶路由器功能，完成網(wǎng)絡(luò)通信及溫濕度采集。

圖1 基于ZigBee 的糧倉溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

　　2 溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

2. 1 糧倉節(jié)點(diǎn)

無線傳感器節(jié)點(diǎn)由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、無線通信和能量供應(yīng)四個模塊組成，節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)溫濕度信息采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換； 數(shù)據(jù)處理模塊由微控制器組成，負(fù)責(zé)控制整個傳感器節(jié)點(diǎn)的操作和數(shù)據(jù)存儲； 無線通信模塊由無線收發(fā)器組成，負(fù)責(zé)與其他傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，能量供應(yīng)模塊為系統(tǒng)其他的三個部分提供能量。SHT11是瑞士Sensirion 公司推出的基于CMOSensTM 技術(shù)的新型溫濕度傳感器。而CC2430 芯片為Chipcon 公司生產(chǎn)的2. 4GHz 射頻系統(tǒng)級芯片，是一款真正符合IEEE802. 15. 4 標(biāo)準(zhǔn)的片上ZigBee 產(chǎn)品。通過SHT11 檢測得到溫濕度，并轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，傳輸至CC2430,由CC2430 負(fù)責(zé)對信號進(jìn)行處理發(fā)送。節(jié)點(diǎn)電源部分使用兩節(jié)AA 電池，為了使系統(tǒng)工作時間持續(xù)長，節(jié)點(diǎn)通常在閑置時快速進(jìn)入休眠模式，其外設(shè)模塊進(jìn)入休眠狀態(tài)，或者電源管理部分不對這些外設(shè)模塊供電。

CC2430 通過I2C 接口定時讀出SHT11 的溫濕度數(shù)據(jù)，并將溫濕度通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送。SHT11 采用串行與處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，SCK 數(shù)據(jù)線負(fù)責(zé)處理器和SHT11 的通訊同步； DATA 三態(tài)門用于數(shù)據(jù)的讀取。為避免信號沖突，微處理器應(yīng)驅(qū)動DATA 在低電平。需要一個外部的上拉電阻將信號提拉至高電平，設(shè)計過程中，將SHT11 溫濕度傳感器與一個拓展插口P7 接在一起，獨(dú)立做成一個小模塊，便于與無線模塊模板的連接，用CC2430 芯片發(fā)送采集數(shù)據(jù)到無線模塊模板上的CC2430 芯片。SHT11 溫濕度傳感器模塊的P7 對應(yīng)CC2430 模板的L7 口，CC2430 模板既用來對SHT11 溫濕度模塊供電也用來對CC2430 芯片供電，無線模塊模板與SHT11 溫濕度傳感模塊的連接電路圖如圖3 所示。

2. 2 糧堆節(jié)點(diǎn)

對于糧庫的監(jiān)控，不僅要監(jiān)控糧倉的溫濕度，而且也要監(jiān)控糧堆的溫度。對溫度傳感器的選型，這里采用DS18B20.DS18B20 是一款全數(shù)字溫度轉(zhuǎn)換及輸出傳感器。從DS18B20 讀出信息或是寫入DS18B20信息僅需要1 根口線（ 即單總線接口） .溫度變換、讀取等所需的能量由總線提供，無需外接電源。使用DS18B20 可以節(jié)省系統(tǒng)資源、使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡單，可靠性更高，更節(jié)能，更適用于溫度緩變場所的長時間溫度監(jiān)測。最高分辨率達(dá)到12 位，精度可達(dá)±0. 5℃?；贒S18B20 溫度傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計如圖4 所示。

圖3 與溫濕度傳感模塊的連接電路圖。

圖4 與溫度傳感模塊的連接電路圖。

3 軟件設(shè)計

糧倉/糧堆溫濕度節(jié)點(diǎn)軟件的實(shí)現(xiàn)： 終端節(jié)點(diǎn)首先通過初始化系統(tǒng)參數(shù)，讀取數(shù)據(jù)。之后立即開始發(fā)送節(jié)點(diǎn)地址，等待路由器響應(yīng)，而后發(fā)送數(shù)據(jù)長度，確認(rèn)長度后路由器可以預(yù)留合適的空間存儲數(shù)據(jù)而后接收數(shù)據(jù)，接收校驗(yàn)碼。至此，本次發(fā)送任務(wù)結(jié)束，進(jìn)入睡眠狀態(tài)，節(jié)省電源。而路由器接收下一發(fā)送模塊的數(shù)據(jù)，并將剛接收的數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器。

經(jīng)過上面的步驟，糧倉溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)可以實(shí)時監(jiān)控糧倉的溫濕度變化，為更便捷地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)觀測，糧倉溫濕度采集系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控界面采用圖形化的編程語言LabVIEW 軟件編寫，實(shí)現(xiàn)對終端監(jiān)測節(jié)點(diǎn)上傳數(shù)據(jù)的采集與處理，并實(shí)時顯示各個節(jié)點(diǎn)的IEEE 號和溫濕度數(shù)據(jù)。糧倉溫濕度采集系統(tǒng)監(jiān)控界面如圖5 所示。在進(jìn)行PC 機(jī)和無線采集模塊串行通信前，首先配置好串口，即串口初始化，使計算機(jī)串口的各種參數(shù)設(shè)置與無線收發(fā)模塊的串口參數(shù)保持一致，以致能夠正確的通信。由圖5 可見，所設(shè)計的界面反映了各節(jié)點(diǎn)所采集的溫度和濕度，圖中，0x6CFCFC5385FC4797 和0xE972B47D46C97E 分別是兩個CC2430 節(jié)點(diǎn)的IEEE 地址，24.6℃和24.4℃表示兩個節(jié)點(diǎn)的溫濕度傳感器所采集到的溫度，66. 5%和67. 6%表示為兩個節(jié)點(diǎn)采集到的濕度。

圖5 糧倉溫濕度采集系統(tǒng)監(jiān)控軟件界面

4 結(jié)論

本文提出基于ZigBee 技術(shù)的糧倉溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計，采用簇狀網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對糧倉環(huán)境溫、濕度的測量，采集并在LabVIEW 平臺上實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的顯示。通過實(shí)驗(yàn)證明這種解決方案有很強(qiáng)的實(shí)用性，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。在實(shí)際的推廣中，可根據(jù)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的需要確定路由器和終端設(shè)備的數(shù)量，解決實(shí)際應(yīng)用中有線網(wǎng)絡(luò)布線成本過高及不便到達(dá)、環(huán)境惡劣地區(qū)環(huán)境溫濕度監(jiān)測的問題。