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基于ZigBee技術的無線溫濕度監測系統設計
來源:微型機與應用2013年第11期
劉偉永,王鳳瑛
(山東科技大學 信息與電氣工程學院,山東 青島 266590)
摘要: 針對溫室大棚傳統的溫濕度監測系統存在效率低、功耗大和成本高等問題,設計了一種無線溫濕度監測系統。以SHT11傳感器為溫濕度采集端,采用ZigBee技術可以實現同時對多個溫室大棚的溫濕度進行實時監測,具有成本低、功耗少和傳輸距離遠等優點,為實現大片溫室大棚的溫濕度監測提供了一定的技術支持。
Abstract:
Key words :
</a>摘  要: 針對溫室大棚傳統的溫濕度" title="溫濕度">溫濕度" title="溫濕度">溫濕度" title="溫濕度">溫濕度監測系統存在效率低、功耗大和成本高等問題,設計了一種無線溫濕度監測系統。以SHT11傳感器為溫濕度采集端,采用ZigBee技術可以實現同時對多個溫室大棚的溫濕度進行實時監測,具有成本低、功耗少和傳輸距離遠等優點,為實現大片溫室大棚的溫濕度監測提供了一定的技術支持。
關鍵詞: ZigBee;溫濕度;SHT11

 近年來,隨著溫室農業的推廣與發展,溫室大棚的種植為人們的生活帶來極大的便利。農作物的生長與大棚中的溫度、濕度、光照度等環境因子有很大的關系。因此,能夠及時準確地監測溫室大棚的溫濕度具有重要的現實意義。傳統的溫濕度測量系統一般采用人工值守或有線采集方式,人工方式加大了工作量而且監測效率低[1-2];有線數據采集存在著布線困難、功耗大、成本高等問題。
    針對傳統的數據采集傳輸過程中存在的問題和不足,本文設計了一種基于ZigBee技術的無線溫濕度監測系統。ZigBee技術是針對無線低速傳感器網絡而提出的,具有低成本、低功耗、低復雜度、網絡節點多、傳輸距離遠等優點[3],不僅能夠滿足大片溫室大棚內溫濕度的測量,而且還能滿足低成本設備的要求。
1 系統整體設計方案
 整個無線溫濕度監測系統結構如圖1所示。系統由上位機(PC)監控端和下位機ZigBee網絡兩部分組成。
    下位機ZigBee網絡系統負責采集溫室大棚內的溫濕度數據,上位機負責顯示溫濕度數據并進行實時監控。
    下位機ZigBee網絡系統由溫濕度傳感器模塊、路由器模塊和協調器模塊組成。溫濕度傳感器模塊主要負責采集、存儲和上傳溫濕度信息[4]。路由器模塊主要負責轉發溫濕度信息。協調器模塊主要完成溫濕度數據的匯聚。下位機ZigBee網絡系統和上位機之間通過RS-232串口進行通信。當監測大棚溫濕度信息時,首先通過上位機端監控軟件設置好波特率和串口號等參數,然后協調器開始組建ZigBee網絡,這時路由器節點和溫濕度傳感器節點開始加入ZigBee網絡。分布在各個大棚內的溫濕度傳感模塊開始采集溫濕度信息,并存儲在Flash中,通過單跳或者多跳的方式發送到上位機,上位機監控端接收到溫濕度信息后,把各個大棚內的溫濕度信息顯示出來。當溫濕度信息異常時,在監控端會有異常提示,以便及時處理。

 

 

2 系統硬件設計
2.1 溫濕度傳感器模塊

 傳感器采用Sensirion溫濕度傳感器家族中的SHT11傳感器,它是一款超低功耗的高精度溫濕度傳感器,它的溫度采集精度可達0.4℃,濕度采集精度可達3%RH;溫度測量范圍為-40℃~123.8℃,濕度測量范圍為0%RH~100%RH;可采用的電壓范圍為2.4 V~5.5 V;能耗僅為1 μW~30 μW[5]。
 CC2530與SHT11硬件連接圖如圖2所示。SHT11共有8個引腳,GND、DATA、SCK、VDD,其余4個引腳閑置。為避免信號發生沖突,在DATA與VDD之間接一個上拉電阻。在VDD與GND之間加入一個電容,用以去耦濾波。SHT11應用串行通信直接將數據傳輸至單片機,用CC2530的通用I/O口P0的P0_1/P0_0分別與SHT11的串行時鐘線SCK和串行數據線DATA相連接,用于實現通信同步以及數據傳輸[6]。該設計既簡化了傳感器與單片機之間的接口,又提高了系統的穩定性。

2.2 路由器和協調器模塊的硬件設計
 路由器模塊和協調器模塊在硬件結構上是一樣的,它們不參與溫濕度信息的采集。協調器通過RS-232串口和上位機相連。路由器之所以設計RS-232接口,是因為當協調器發生意外損壞的情況時,可以直接用路由器模塊來替代協調器。路由器和協調器的硬件框圖如圖3所示。

4 溫濕度傳感模塊能耗檢測
 測試連接框圖如圖7所示。其中電池組采用兩節1.5 V干電池串聯的方式。測試前首先給協調器模塊和溫濕度傳感器模塊上電,等系統正常工作后,用示波器測量電阻兩端的電壓。利用測得的電壓值和電阻值計算得到平均功耗。

 通過對設計的基于ZigBee技術的無線溫濕度監控系統的數據誤差進行測試,結果表明本系統的濕度誤差可以控制在3%RH以內,溫度誤差可以控制在0.4 ℃以內,充分說明基于ZigBee技術的無線溫濕度監控系統的溫濕度誤差大小符合要求。通過對SHT11傳感器模塊的能耗測試計算,兩節1.5 V的干電池可以提供一個SHT11模塊正常工作200天以上,說明了該系統具有低功耗的特點,并且可以進行長時間的監測工作。
參考文獻
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[2] 王翥,魏德寶,王玲.基于WSN的溫室大棚溫濕度監測系統的設計[J].儀表技術與傳感器,2010(10):45-48.
[3] 李文仲.ZigBee無線網技術入門與實踐[M].北京:北京航空航天大學出版社,2007.
[4] 駱科學.基于ZigBee協議的無線溫濕度監控系統的設計與實現[D].吉林:吉林大學,2012.
[5] 黃婷婷,劉占良,毛新華.基于ZigBee無線通信的溫度監控系統設計[J].安徽農業科學,2010,38(14):7562-7563.
[6] 樊建明,陳淵睿.基于數字溫度濕度傳感器的溫室多點測量系統設計[J].傳感器與微系統,2007,26(7):89-92.

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