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[導(dǎo)讀]摘要:為了實(shí)現(xiàn)溫室花房環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),提出了一種基于ZigBee技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng),并對(duì)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。通過(guò)對(duì)ZigBee技術(shù)的分析和對(duì)CC2430芯片的研究,利用ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng),運(yùn)用該系統(tǒng)對(duì)溫室

摘要:為了實(shí)現(xiàn)溫室花房環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),提出了一種基于ZigBee技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng),并對(duì)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。通過(guò)對(duì)ZigBee技術(shù)的分析和對(duì)CC2430芯片的研究,利用ZigBee技術(shù)設(shè)計(jì)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng),運(yùn)用該系統(tǒng)對(duì)溫室花房的溫度、濕度等進(jìn)行監(jiān)測(cè),達(dá)到實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的目的。
關(guān)鍵詞:溫室花房;ZigBee;CC2430;環(huán)境監(jiān)測(cè)

0 引言
    溫室花房的環(huán)境溫濕度控制與管理是影響植物生長(zhǎng)過(guò)程的重要因素。目前,實(shí)際使用的各類(lèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)普遍存在網(wǎng)絡(luò)布線(xiàn)困難、成本高及實(shí)時(shí)性差等問(wèn)題,本文針對(duì)上述問(wèn)題,提出了基于ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室花房環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由低功耗微小無(wú)線(xiàn)傳感器通過(guò)自組織方式構(gòu)成,可利用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功耗低、工作時(shí)間長(zhǎng)、成本低等特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)低成本無(wú)人連續(xù)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)。同時(shí),無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)布置密集,對(duì)每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)都有多個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量,可以通過(guò)數(shù)據(jù)融合提高數(shù)據(jù)精度,而單節(jié)點(diǎn)失效也不致影響測(cè)量效果,這種測(cè)量方式使得系統(tǒng)容錯(cuò)性強(qiáng)。另外,無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)不僅可以進(jìn)行監(jiān)測(cè),還可對(duì)指定區(qū)域進(jìn)行查詢(xún),這些特點(diǎn)是傳統(tǒng)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所不具備的。

1 Zigaee技術(shù)
1.1 ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)述
    在工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)、商業(yè)監(jiān)控、汽車(chē)電子、家庭數(shù)字控制網(wǎng)絡(luò)等應(yīng)用中,系統(tǒng)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)通常為小量的突發(fā)信號(hào),即數(shù)據(jù)特征為數(shù)據(jù)量小,要求進(jìn)行實(shí)時(shí)傳送,如采用傳統(tǒng)的無(wú)線(xiàn)技術(shù),雖然能滿(mǎn)足上述要求,但存在著設(shè)備的成本高、體積大和能源消耗較大等問(wèn)題,針對(duì)這樣的應(yīng)用場(chǎng)合,人們希望利用具有成本低、體積小、能量消耗小和傳輸速率低的短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù),ZigBee技術(shù)就是在這種需求下產(chǎn)生的。它是具有成本低、體積小、能量消耗小和傳輸速率低的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù),其中文譯名通常稱(chēng)為“紫蜂”技術(shù)。
    ZigBee是一種新興的短距離、低速率的無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)通信技術(shù),可以實(shí)現(xiàn)使用廉價(jià)的電池就能夠連續(xù)工作多年的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。ZigBee的協(xié)議架構(gòu)建立在IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)之上,該標(biāo)準(zhǔn)定義的無(wú)線(xiàn)個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的特征與無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)有很多相似之處,很多研究機(jī)構(gòu)把它作為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信標(biāo)準(zhǔn)。表1詳細(xì)列出ZigBee的主要特點(diǎn)。


1.2 ZigBee芯片介紹
    CC2430出自挪威Chipcon公司,是一款真正符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的片上ZigBee產(chǎn)品。該芯片延用以往CC2420芯片的結(jié)構(gòu),在單個(gè)芯片上集成ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。它使用一個(gè)8位MCU(8051),具有32/64/128 KB可編程閃存和8 KB的RAM,還包含模/數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)、幾個(gè)定時(shí)器、AES-128安全協(xié)處理器、看門(mén)狗定時(shí)器、32 kHz晶振的休眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路、掉電檢測(cè)電路。CC2430還有21個(gè)可編程的I/O口引腳,P0、P1口是完全的8位口,P2口只有5個(gè)可使用的位。通過(guò)軟件設(shè)定一組SFR寄存器的位和字節(jié),可使這些引腳作為通常的I/O口或作為連接ADC、計(jì)時(shí)器或USART部件的外圍設(shè)備I/O口使用。其I/O口引腳功能如下:
    1~6腳(P1.2~P1.7):具有4 mA輸出驅(qū)動(dòng)能力;
    8,9腳(P1.0,P1.1):具有20 mA的驅(qū)動(dòng)能力;
    11~18腳(P0.0~P0.7):具有4 mA輸出驅(qū)動(dòng)能力;
    43~46,48腳(P2.0~P2.4):具有4 mA輸出驅(qū)動(dòng)能力。
    CC2430芯片采用0.18μm CMOS工藝生產(chǎn),工作時(shí)的電流損耗為27 mA。
    在接收和發(fā)射模式下,電流損耗分別低于27 mA或25 mA。CC2430的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間的特性,特別適合那些要求電池壽命非常長(zhǎng)的應(yīng)用場(chǎng)合。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    硬件電路設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)采集終端設(shè)計(jì)、路由器、ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的設(shè)計(jì)、ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組建、以及控制中心等幾個(gè)部分,如圖1所示。


    該系統(tǒng)采用星狀無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),系統(tǒng)只有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和若干個(gè)RFD節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器安裝在有人值守的監(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(gè)網(wǎng)絡(luò)的狀況,且把收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到計(jì)算機(jī)中。RFD負(fù)責(zé)安裝在各個(gè)溫室花房中,負(fù)責(zé)采集溫度和濕度等數(shù)據(jù),然后定期或有中斷時(shí),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(guò)顯示器就可以對(duì)花房各種數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)視,無(wú)須到現(xiàn)場(chǎng)。通過(guò)GPRS也可以同時(shí)把數(shù)據(jù)以短信的形式發(fā)送于手機(jī)上,如圖2網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器由CC2430、串口部分、天線(xiàn)、按鍵和顯示模塊組成。CC2430模塊通過(guò)天線(xiàn)接收到信號(hào)后,通過(guò)SPI口直接輸出到液晶顯示器上。串口部分用UART模塊,UART再外接一個(gè)RS 232模塊用于連接計(jì)算機(jī),給計(jì)算機(jī)傳輸數(shù)據(jù),將計(jì)算機(jī)外部來(lái)的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為字節(jié),供計(jì)算機(jī)內(nèi)部使用并行數(shù)據(jù)的器件使用。所連接的計(jì)算機(jī)的作用是用來(lái)觀(guān)察串口輸出的數(shù)據(jù)。


    RFD節(jié)點(diǎn)有CC2430、溫度傳感器和天線(xiàn)組成。節(jié)點(diǎn)通過(guò)溫度傳感器檢測(cè)所處環(huán)境的溫度,然后通過(guò)天線(xiàn)發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。溫度傳感器使用TC77,它是Mi-crochip公司生產(chǎn)的串聯(lián)可訪(fǎng)問(wèn)數(shù)字溫度傳感器,特別適合于廉價(jià),小尺寸的應(yīng)用中。溫度數(shù)據(jù)從內(nèi)部溫度敏感元件轉(zhuǎn)換而來(lái),隨時(shí)都可以轉(zhuǎn)化成13位數(shù)字。
    數(shù)據(jù)采集終端是由相應(yīng)的傳感器和若干個(gè)ZigBee收發(fā)模塊組成。ZigBee收發(fā)模塊將采集到的數(shù)據(jù)打包并傳給ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。ZigBee通信模塊硬件設(shè)計(jì)采用TI公司的CC2430芯片作為硬件平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。CC2430主芯片屬于典型的System-on-Chip(SoC)芯片,片內(nèi)集成了高性能、低功耗的增強(qiáng)型8051單片機(jī)作為處理器,也集成了ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器,僅需少量的外圍器件構(gòu)成時(shí)鐘電路、射頻(R-F)偏置電路即可運(yùn)行。數(shù)據(jù)處理模塊是無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)的核心,數(shù)據(jù)的讀取,任務(wù)的調(diào)度,信息的傳輸都由該模塊控制,因此處理器的選擇在節(jié)點(diǎn)中尤為重要。微處理器選用的是Atmel公司的Atmegal6L單片機(jī)。Atmegal6L是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。A-tmegal6L有2個(gè)8位定時(shí)計(jì)數(shù)器、1個(gè)16位定時(shí)計(jì)數(shù)器、8路10位ADC、4通道PWM,具有可編程看門(mén)狗定時(shí)器和片上振蕩器、片上模擬比較器、JTAG、USART、SPI等接口。Atmegal6L除正常工作模式,還具有不同等級(jí)的低功耗操作模式,選用Atmegal6L對(duì)于功耗要求比較苛刻的無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)非常適合。

3 系統(tǒng)軟件流程
    本系統(tǒng)用C語(yǔ)言編程,軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)程序設(shè)計(jì)方式,總體程序框圖如圖3所示。


    單片機(jī)上電復(fù)位,程序開(kāi)始執(zhí)行,初始化單片機(jī)端口,為驅(qū)動(dòng)溫濕度模塊、ZigBee模塊作準(zhǔn)備。初始化顯示模塊,用來(lái)顯示接收到的溫濕度數(shù)據(jù)。采集當(dāng)前的溫濕度數(shù)據(jù),如果沒(méi)有采集到數(shù)據(jù),或由于外界干擾導(dǎo)致讀取錯(cuò)誤,則返回繼續(xù)讀取。采集到的溫濕度數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)相應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后送到ZigBee發(fā)送模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,ZigBee接收模塊接收溫濕度數(shù)據(jù),如果沒(méi)有接收完,則繼續(xù)接收。接收完數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理,傳送數(shù)據(jù)到顯示模塊進(jìn)行顯示。

4 結(jié)語(yǔ)
    基于ZigBee的溫室花房環(huán)境檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)傳輸安全可靠、組網(wǎng)簡(jiǎn)易靈活、設(shè)備成本低等特點(diǎn),其自動(dòng)化、智能化的無(wú)線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)將越來(lái)越受到市場(chǎng)的青睞,是一項(xiàng)極具市場(chǎng)前景的高科技項(xiàng)目,將會(huì)創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益和綜合社會(huì)效益,具有很好的應(yīng)用前景。

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要點(diǎn): 有效應(yīng)對(duì)環(huán)境變化,經(jīng)營(yíng)業(yè)績(jī)穩(wěn)中有升 落實(shí)提質(zhì)增效舉措,毛利潤(rùn)率延續(xù)升勢(shì) 戰(zhàn)略布局成效顯著,戰(zhàn)新業(yè)務(wù)引領(lǐng)增長(zhǎng) 以科技創(chuàng)新為引領(lǐng),提升企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力 堅(jiān)持高質(zhì)量發(fā)展策略,塑強(qiáng)核心競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)...

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