引言
　　
　　環(huán)境溫度、濕度等參數(shù)在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中是一種十分重要的數(shù)據(jù),特別是在糧庫、溫室、大棚等環(huán)境中溫度、濕度的測量和控制更為重要。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)的基于有線通信系統(tǒng)的溫度、濕度監(jiān)測系統(tǒng)需要花費大量的人力物力鋪設(shè)線路,施工量大,安裝時間長,因此基于無線傳輸技術(shù)的環(huán)境參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)勢在必行。本文介紹了一種基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境溫度濕度監(jiān)測系統(tǒng),可以實時監(jiān)測糧庫或其它對環(huán)境參數(shù)要求嚴(yán)格的場所,管理者可以在控制室隨時了解現(xiàn)場的信息。當(dāng)參數(shù)超過設(shè)定值時立即進(jìn)行聲光報警,并在監(jiān)控主機(jī)上顯示發(fā)生異常情況的地點,工作人員可以馬上采取措施,從而使糧庫、溫室等管理實現(xiàn)自動化、智能化。
　　
　　1ZigBee技術(shù)
　　
　　ZigBee是一種采用成熟無線通信技術(shù)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的、開放的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。它以IEEE802.15.4協(xié)議為基礎(chǔ),致力于實現(xiàn)一種適用于固定、便攜或移動設(shè)備使用的低復(fù)雜度、低成本、低功耗、低速率的短距離雙向無線通信協(xié)議。ZigBee可工作在免*的2.4GHz、歐洲868MHz和美國915MHz3個免費頻段上,工作在2.4GHz頻段上具有250kbps的zui高數(shù)據(jù)傳輸率,典型應(yīng)用的可靠傳輸距離為10～75m,實際傳輸距離根據(jù)發(fā)射功率的大小和應(yīng)用環(huán)境而定。相對于現(xiàn)有的各種無線通信技術(shù),ZigBee技術(shù)由于其低功耗、低速率的特點,因而作為傳感器網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)。
　　
　　ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備分為FFD（全功能設(shè)備）和RFD（簡化功能設(shè)備）兩種。其中,FFD設(shè)備也可作為協(xié)調(diào)器使用。FFD是具有路由與中繼功能的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點,可以與RFD節(jié)點通信,也可以與別的FFD節(jié)點通信;RFD節(jié)點作為網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點,相互間不能直接通信,只能通過FFD節(jié)點發(fā)送和接收信息,不具有路由和中繼功能。RFD和FFD的硬件結(jié)構(gòu)*相同,只是網(wǎng)絡(luò)層不一樣,協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)組織者,負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)組建和信息路由。
　　
　　2系統(tǒng)硬件設(shè)計
　　
　　2.1系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
　　
　　ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的微型ZigBee傳感器節(jié)點（即ZigBeeRFD節(jié)點）、ZigBeeFFD節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器組成,通過無線通信方式形成的一個多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
　　
　　網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器安裝在中央監(jiān)控室,負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)和管理網(wǎng)絡(luò),并顯示當(dāng)前整個網(wǎng)絡(luò)的狀況,把收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到計算機(jī)中。RFD安裝在需要監(jiān)測數(shù)據(jù)的位置,負(fù)責(zé)采集溫度濕度值,然后定期或有中斷時把數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。監(jiān)控人員在控制室通過顯示器就可以對環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測,無須到達(dá)現(xiàn)場。
　　
　　為了保證整個系統(tǒng)的可靠性,發(fā)射端一部分是RFD節(jié)點,一部分是具有路由和中繼功能的FFD節(jié)點。傳感器的數(shù)據(jù)在ZigBeeRFD或FFD模塊中轉(zhuǎn)化為ZigBee通信協(xié)議包,傳給就近的FFD模塊,以多跳通信的方式把數(shù)據(jù)包傳給ZigBee協(xié)調(diào)器。ZigBee協(xié)調(diào)器收到數(shù)據(jù)包后,一方面按原路徑返回收到確認(rèn)信息,以到達(dá)發(fā)送數(shù)據(jù)的RFD或FFD模塊,實現(xiàn)握手信號,完成一次完整的ZigBee無線通信;另一方面,Zig2Bee協(xié)調(diào)器收到的數(shù)據(jù)供顯示與管理。
　　
　　2.2信號采集電路
　　
　　溫度傳感器采用DALLAS公司推出的一線式數(shù)字溫度傳感器DS18B20,該芯片的管腳簡單,無需任何外圍硬件即可方便地進(jìn)行溫度測量,與單片機(jī)交換信息僅需要一根I/0口線,多個DS18B20可以并聯(lián)到3根或2根線上,CPU只需1根端口線就能與諸多DS18B20通信,占用微處理器的端口較少,可以節(jié)省大量的引線和邏輯電路。溫度測量范圍為-55～125℃,可編程為9～l2位A/D轉(zhuǎn)換精度,被測溫度用符號擴(kuò)展的l6位數(shù)字量方式串行輸出。因為DS18B20溫度傳感器芯片尺寸較小,可直接和電纜焊接在一起,外部用熱縮管緊固套牢組成測溫電纜,電纜的外部套上防鼠咬的套管。監(jiān)測現(xiàn)場需要測溫的地方,直接把電纜布線到測溫點即可[2]。
　　
　　濕度傳感器采用HS1101電容式傳感器。HS1101電容式傳感器將電容的變化量準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換為單片機(jī)易于接受的信號,可以將濕敏電容置于振蕩電路中,組成多諧振蕩電路,將電容值的變化轉(zhuǎn)為與其呈反比的電壓頻率信號,可以直接被單片機(jī)計數(shù)器所采集[3]。這樣電路就可以方便地與單片機(jī)相連接,輸出信號為頻率型,靈敏度高、線性度好,具有優(yōu)良的重復(fù)性、分辨率和穩(wěn)定性。為了提高系統(tǒng)的靈敏度和線性度,從降低采集電路的成本等因素進(jìn)行考慮,采用脈沖振蕩電路設(shè)計濕度采集電路。
　　
　　2.3數(shù)據(jù)傳輸單元
　　
　　數(shù)據(jù)傳輸單元中,無線傳輸控制器選用Microchip公司生產(chǎn)的具有SPI接口低功耗PIC18F4620芯片,射頻芯片選用Chipcon公司生產(chǎn)的滿足2.4GHzZigBee產(chǎn)品使用要求的CC2420,這兩個芯片是本系統(tǒng)設(shè)計中zui為關(guān)鍵的兩個部件。PIC18F4620微控制器具有豐富的片上存儲功能,具有64kBFlash和3968字節(jié)RAM的存儲空間,而且該微控制器具有多種省電模式供選擇。該芯片具有13個10位A/D轉(zhuǎn)換器、多個I/O數(shù)據(jù)線,可以很容易用軟件對其進(jìn)行編程和仿真,這些接口同時還可以用作與傳感單元的接口。
　　
　　CC2420采用Chipcon公司的SmartRF03技術(shù),以0.18μmCMOS工藝制成,只需極少的外部元器件,性能穩(wěn)定且功耗極低。CC2420的選擇性和敏感性指數(shù)超過了IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的要求,可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用該芯片開發(fā)的無線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸速率高達(dá)250kbps,可以實現(xiàn)多點對多點的快速組網(wǎng)。CC2420可以通過4線SPI總線（SI,SO,SCK,CSn）設(shè)置芯片的工作模式,并實現(xiàn)讀/寫緩存數(shù)據(jù)、讀/寫狀態(tài)寄存器等。通過控制FIFO和FIFOP管腳接口的狀態(tài)可設(shè)置發(fā)射/接收緩存器。在SPI總線接口上進(jìn)行的地址和數(shù)據(jù)傳輸大多是MSB優(yōu)先。CC2420片內(nèi)有33個16Bit狀態(tài)設(shè)置寄存器,在每個寄存器的讀/寫周期中,SI總線上共有24Bit數(shù)據(jù),分別為1BitRAM/寄存器選擇位（0:寄存器,1:RAM）,1Bit讀/寫控制位（0:寫,1:讀）,6Bit地址選擇位,16Bit數(shù)據(jù)位。在數(shù)據(jù)傳輸過程中,CSn必須始終保持低電平。另外,通過CCA管腳狀態(tài)的設(shè)置可以控制清除通道估計,通過SFD管腳狀態(tài)的設(shè)置可以控制時鐘/定時信息的輸入。這些接口必須與微處理器的相應(yīng)管腳相連,從而實現(xiàn)系統(tǒng)射頻功能的控制與管理。
　　　　
　　3系統(tǒng)軟件設(shè)計
　　
　　3.1監(jiān)控中心軟件設(shè)計
　　
　　監(jiān)控中心軟件作為全功能系統(tǒng),負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)和人機(jī)對話。監(jiān)控系統(tǒng)的使用zui終是要面對用戶的,因此監(jiān)控軟件的開發(fā)將決定系統(tǒng)能否方便運行。由于Windows操作系統(tǒng)的普遍流行并且操作方便,所以本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)顯示及處理使用Windows操作系統(tǒng)及VisualBasic開發(fā)平臺。VB支持面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計,具有結(jié)構(gòu)化的事件驅(qū)動編程模式,而且可以十分簡便地做出良好的人機(jī)界面。監(jiān)控中心軟件設(shè)計包括系統(tǒng)自檢、用戶管理、數(shù)據(jù)讀取顯示、報警參數(shù)設(shè)置、歷史數(shù)據(jù)分析等模塊。
　　　　
　　3.2監(jiān)測節(jié)點軟件設(shè)計
　　
　　監(jiān)測節(jié)點軟件作為簡單功能系統(tǒng),等待主機(jī)命令,傳輸本機(jī)點數(shù)據(jù)。監(jiān)測節(jié)點數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖,如圖4所示。其中,zui關(guān)鍵的部分是對數(shù)據(jù)的采集判斷:如果數(shù)據(jù)沒有異常則發(fā)送正常信息;如果有1個數(shù)據(jù)超標(biāo),則發(fā)出相應(yīng)的報警信號;同時,也可以監(jiān)測信息變化的過程,實時地傳輸采集的數(shù)據(jù),這些都可以由控制中心的具體指令控制。
　　　　
　　4結(jié)束語
　　
　　ZigBee是一種新興的短距離、低成本和低功耗的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),將其應(yīng)用于糧庫、溫室等環(huán)境溫度濕度監(jiān)測系統(tǒng)中,具有組網(wǎng)簡單、系統(tǒng)花費少、擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)容易、通訊穩(wěn)定等優(yōu)點,在實際中有很好的應(yīng)用價值。
　　
　　參考文獻(xiàn):
　　
　　[1]魯照權(quán),黃梅初,杜征,等.基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的大棚種植溫度監(jiān)測系統(tǒng)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2008,36（13）:5682-5684.
　　
　　[2]葉岑明,姚伯威.糧庫多點溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計和實現(xiàn)[J].中國測試技術(shù),2005（5）:63-64.
　　
　　[3]賈少銳,李曉東,趙欣.智能溫室中多參數(shù)無線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J].農(nóng)機(jī)化研究,2008（5）:99-101.