基于无线通信技术的温度湿度监测系统

　引言
　　
环境温度、湿度等参数在工农业生产和科学研究中是一种十分重要的数据,特别是在粮库、温室、大棚等环境中温度、湿度的测量和控制更为重要。随着科学技术的发展,传统的基于有线通信系统的温度、湿度监测系统需要花费大量的人力物力铺设线路,施工量大,安装时间长,因此基于无线传输技术的环境参数监测系统势在必行。本文介绍了一种基于ZigBee无线传感器网络的环境温度湿度监测系统,可以实时监测粮库或其它对环境参数要求严格的场所,管理者可以在控制室随时了解现场的信息。当参数超过设定值时立即进行声光报警,并在监控主机上显示发生异常情况的地点,工作人员可以马上采取措施,从而使粮库、温室等管理实现自动化、智能化。

　1ZigBee技术

　　ZigBee是一种采用成熟无线通信技术的全球统一标准的、开放的无线传感器网络。它以IEEE802.15.4协议为基础,致力于实现一种适用于固定、便携或移动设备使用的低复杂度、低成本、低功耗、低速率的短距离双向无线通信协议。ZigBee可工作在国际免授权的2.4GHz、欧洲868MHz和美国915MHz3个免费频段上,工作在2.4GHz频段上具有250kbps的最高数据传输率,典型应用的可靠传输距离为10～75m,实际传输距离根据发射功率的大小和应用环境而定。相对于现有的各种无线通信技术,ZigBee技术由于其低功耗、低速率的特点,因而最适合作为传感器网络的标准。

ZigBee网络中的设备分为FFD(全功能设备)和RFD(简化功能设备)两种。其中,FFD设备也可作为协调器使用。FFD是具有路由与中继功能的网络节点,可以与RFD节点通信,也可以与别的FFD节点通信;RFD节点作为网络终端节点,相互间不能直接通信,只能通过FFD节点发送和接收信息,不具有路由和中继功能。RFD和FFD的硬件结构完全相同,只是网络层不一样,协调器是网络组织者,负责网络组建和信息路由。

2系统硬件设计

2.1系统网络结构

　　ZigBee无线传感器网络是由部署在监测区域内大量的微型ZigBee传感器节点(即ZigBeeRFD节点)、ZigBeeFFD节点和网络协调器组成,通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统。

网络协调器安装在中央监控室,负责建立网络和管理网络,并显示当前整个网络的状况,把收到的数据发送到计算机中。RFD安装在需要监测数据的位置,负责采集温度湿度值,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环境参数进行监测,无须到达现场。

为了保证整个系统的可靠性,发射端一部分是RFD节点,一部分是具有路由和中继功能的FFD节点。传感器的数据在ZigBeeRFD或FFD模块中转化为ZigBee通信协议包,传给就近的FFD模块,以多跳通信的方式把数据包传给ZigBee协调器。ZigBee协调器收到数据包后,一方面按原路径返回收到确认信息,以到达发送数据的RFD或FFD模块,实现握手信号,完成一次完整的ZigBee无线通信;另一方面,Zig2Bee协调器收到的数据供显示与管理。

　2.2信号采集电路
　　
温度传感器采用DALLAS公司推出的一线式数字温度传感器DS18B20,该芯片的管脚简单,无需任何外围硬件即可方便地进行温度测量,与单片机交换信息仅需要一根I/0口线,多个DS18B20可以并联到3根或2根线上,CPU只需1根端口线就能与诸多DS18B20通信,占用微处理器的端口较少,可以节省大量的引线和逻辑电路。温度测量范围为-55～125℃,可编程为9～l2位A/D转换精度,被测温度用符号扩展的l6位数字量方式串行输出。因为DS18B20温度传感器芯片尺寸较小,可直接和电缆焊接在一起,外部用热缩管紧固套牢组成测温电缆,电缆的外部套上防鼠咬的套管。监测现场需要测温的地方,直接把电缆布线到测温点即可[2]。

湿度传感器采用HS1101电容式传感器。HS1101电容式传感器将电容的变化量准确地转换为单片机易于接受的信号,可以将湿敏电容置于振荡电路中,组成多谐振荡电路,将电容值的变化转为与其呈反比的电压频率信号,可以直接被单片机计数器所采集[3]。这样电路就可以方便地与单片机相连接,输出信号为频率型,灵敏度高、线性度好,具有优良的重复性、分辨率和稳定性。为了提高系统的灵敏度和线性度,从降低采集电路的成本等因素进行考虑,采用脉冲振荡电路设计湿度采集电路。

　2.3数据传输单元

　　数据传输单元中,无线传输控制器选用Microchip公司生产的具有SPI接口低功耗PIC18F4620芯片,射频芯片选用Chipcon公司生产的满足2.4GHzZigBee产品使用要求的CC2420,这两个芯片是本系统设计中最为关键的两个部件。PIC18F4620微控制器具有丰富的片上存储功能,具有64kBFlash和3968字节RAM的存储空间,而且该微控制器具有多种省电模式供选择。该芯片具有13个10位A/D转换器、多个I/O数据线,可以很容易用软件对其进行编程和仿真,这些接口同时还可以用作与传感单元的接口。

CC2420采用Chipcon公司的SmartRF03技术,以0.18μmCMOS工艺制成,只需极少的外部元器件,性能稳定且功耗极低。CC2420的选择性和敏感性指数超过了IEEE802.15.4标准的要求,可确保短距离通信的有效性和可靠性。利用该芯片开发的无线通信设备支持数据传输速率高达250kbps,可以实现多点对多点的快速组网。CC2420可以通过4线SPI总线(SI,SO,SCK,CSn)设置芯片的工作模式,并实现读/写缓存数据、读/写状态寄存器等。通过控制FIFO和FIFOP管脚接口的状态可设置发射/接收缓存器。在SPI总线接口上进行的地址和数据传输大多是MSB优先。CC2420片内有33个16Bit状态设置寄存器,在每个寄存器的读/写周期中,SI总线上共有24Bit数据,分别为1BitRAM/寄存器选择位(0:寄存器,1:RAM),1Bit读/写控制位(0:写,1:读),6Bit地址选择位,16Bit数据位。在数据传输过程中,CSn必须始终保持低电平。另外,通过CCA管脚状态的设置可以控制清除通道估计,通过SFD管脚状态的设置可以控制时钟/定时信息的输入。这些接口必须与微处理器的相应管脚相连,从而实现系统射频功能的控制与管理。

　3系统软件设计

3.1监控中心软件设计
　　
监控中心软件作为全功能系统,负责网络协调和人机对话。监控系统的使用最终是要面对用户的,因此监控软件的开发将决定系统能否方便高效运行。由于Windows操作系统的普遍流行并且操作方便,所以本系统的数据显示及处理使用Windows操作系统及VisualBasic开发平台。VB支持面向对象的程序设计,具有结构化的事件驱动编程模式,而且可以十分简便地做出良好的人机界面。监控中心软件设计包括系统自检、用户管理、数据读取显示、报警参数设置、历史数据分析等模块。

　3.2监测节点软件设计

　　监测节点软件作为简单功能系统,等待主机命令,传输本机点数据。监测节点数据发送流程图,如图4所示。其中,最关键的部分是对数据的采集判断:如果数据没有异常则发送正常信息;如果有1个数据超标,则发出相应的报警信号;同时,也可以监测信息变化的过程,实时地传输采集的数据,这些都可以由控制中心的具体指令控制。

　4结束语
　　
ZigBee是一种新兴的短距离、低成本和低功耗的无线网络技术,将其应用于粮库、温室等环境温度湿度监测系统中,具有组网简单、系统花费少、扩展网络容易、通讯稳定等优点,在实际中有很好的应用价值。

　参考文献:
　　
[1]鲁照权,黄梅初,杜征,等.基于ZigBee无线网络的大棚种植温度监测系统[J].安徽农业科学,2008,36(13):5682-5684.

[2]叶岑明,姚伯威.粮库多点温度监测系统设计和实现[J].中国测试技术,2005(5):63-64.

[3]贾少锐,李晓东,赵欣.智能温室中多参数无线监测系统的设计[J].农机化研究,2008(5):99-101.