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摘 要: 在ZigBee技术的基础上,设计出温湿度数据无线采集监测系统,实现了监测环境中不同区域的温湿度节点信息实时采集,并将数据信息无线发送给用户,在用户终端界面上对环境的温湿度进行监测。该系统解决了农业监测环境中的通信布线问题,具有成本低、可靠性高、实用性强等优点。
关键词: 现代农业;温湿度监测;无线传感器网络;ZigBee技术
温湿度监测被广泛应用于工农业生产中,如温室、大棚、矿井等场所都会对环境的温度和湿度进行定时监测,以保证生产要求或植物的最优生长条件。如果采用人工定时测量,不但要耗费大量的人力,而且很难做到实时监控,特别是在某些高温场所还有可能造成安全事故。传感器是监测系统中重要的组成部分,但是随之而来的是布线的复杂和施工的困难,大量的数据线缆还存在着短路和断线的隐患,以及成本高、易老化等问题,这都给系统的调试和维护增加了难度。无线数据通信技术在实际应用中具有组网简单、使用方便、扩展性强的优点。其中被广泛采用的是基于ZigBee协议栈的无线通信技术[1-3]。
ZigBee是IEEE 802.15.4协议的代名词,该标准定义了RF射频以及与相邻设备之间的通信,并在IEEE 802.15.4协议(PHY层和MAC层)之上,添加了网络层(NWK)、应用层(APL)和安全服务提供层,如图1所示[4]。
与其他无线通信技术相比,ZigBee技术的特点是距离短、复杂度低、自组织、功耗低、数据速率低、成本低和容量高,适用于对无线传感器网络WSN(Wireless Sensor Network)进行远程数据的采集与控制[5]。为此,本文设计出一种基于ZigBee技术的无线传感器网络温室温湿度采集监测系统。
1 系统构成
基于ZigBee技术的温室温湿度数据无线采集监测系统通过WSN进行温湿度信息的采集和发送,通过上位机监控软件完成数据的存储,并且对温室中每一个节点的温湿度进行监测,即在监控终端设定温湿度期望值区间,当实际值超出该设定范围时,监控界面显示报警。WSN是由部署在监测区域内大量的微型传感器节点组成,通过无线通信方式形成一个多跳自组织网络。它通过各类集成化的微型传感器协同完成对环境信息的实时监测、感知和采集,并将信息通过无线方式发送到用户终端[6]。网络中只允许有一个采集节点充当网关,但允许存在若干个传感器节点来完成信息的采集。
本系统主要由传感器节点、采集节点和监控终端组成。监控终端由一台PC和监控操作界面组成,负责实时显示、存储与处理数据,并能够在温湿度超过设定范围时报警。传感器节点由CC2430-F128芯片、温湿度传感器和电源模块构成,负责采集环境中的温湿度信息和电压值(由于温湿度传感器需要最低2.7 V的供电,因此需要对电源电压进行监测以便及时更换电源),并以无线方式发送至采集节点,以便进行离线的分析和处理。采集节点由CC2430-F128芯片和电源板构成,负责建立网络,接收传感器节点的采集信息,并通过RS232串口将信息发送到监控终端。一个典型的基于ZigBee技术的温湿度数据无线监测系统。共布设9个应用于温室采集温湿度信息的传感器节点。
2 硬件结构
传感器节点由数据处理发送模块、温度传感器、湿度传感器和供电板构成,如图2所示。
数据处理发送模块选用TI公司的CC2430/31-F128芯片,它具有低成本、低功耗的特点,内嵌8 bit的增强型8051单片机、12 bit A/D转换器和2.4 GHz的射频收发器,在接收和发射模式下,电流消耗分别低于27 mA和25 mA[6]。
电源模块由一块供电板和两节AA电池构成,负责给板上的各硬件模块供电。
温度传感器选用AD22103芯片,它的供电电压为3.3 V,适合由电池供电的应用环境。温度量程为0℃~100℃。通过外接1 kΩ电阻,使其输出端与CC2430的P0.1口(内嵌ADC的输入端口为P0.0~P0.7)相连,则传感器的输出电压正比于温度值。当温度为0℃时,其输出电压为0.25 V;当温度为100℃时,其输出电压为3.05 V。温度系数为(Vs/3.3 V)×28 mV/℃,其中Vs为功率电感制造商供电电压。
湿度传感器选用霍尼韦尔公司的HIH5030芯片,其工作电压最低为2.7 V,典型工作电流为200 μA,适合于3 V电池供电系统。通过外接1 kΩ电阻,使其输出端与CC2430的P0.0口相连,对应相对湿度的电压输出接近于线性。利用式(1)和(2)(温度补偿公式),即可由输出电压值求出当前湿度值。