基于ZigBee的温湿度监控系统设计

    粮食是人类赖以生存的基本物质，是关系国计民生的重要物质，目前我国地方各大粮库的温湿控制，主要采用干温度表、毛发湿度计、双金属式测量计、湿度测试纸等测量器材进行人工检测。ZigBee技术具有节点能耗低、成本低、应用简单、组网能力强等优点。基于以上优点，本文提出了基于ZigBee 的无线传感器网络的粮仓环境检测系统。
       1 系统框架设计
       本文采用ZigBee 技术的无线传感器网络，通过传感器采集粮仓的温湿度，并把数据传输到无线通信节点中。在系统中，每个粮仓安置几个发送模块作为路由器使用，通过路由器把数据无线发送到协调器中，协调器通过RS232 与上位机进行通讯，实现对粮仓环境温湿度的监控。同时系统也对粮堆温度的现场测量，不仅在现场显示，供现场工作人员监控粮堆的温度，而且通过无线节点发送到协调器，在上位机中显示。图1 为系统的结构示意图。系统中存在一个节点作为协调器节点，完成网络组建、路由功能。粮堆内节点只作为终端节点，之间互相不通信，因此采用半功能节点（RFD），完成粮堆温度采集及发送。而粮仓节点采用全功能节点（FFD），之间可以互相通信并附带路由器功能，完成网络通信及温湿度采集。
   
   图1 基于ZigBee 的粮仓温湿度监控系统结构示意图
   　　2 温湿度监控系统硬件设计
       2. 1 粮仓节点
       无线传感器节点由数据采集、数据处理、无线通信和能量供应四个模块组成，节点结构如图2 所示。
   
   图2 传感器节点结构图
       数据采集模块负责温湿度信息采集和数据转换； 数据处理模块由微控制器组成，负责控制整个传感器节点的操作和数据存储； 无线通信模块由无线收发器组成，负责与其他传感器节点进行通信，能量供应模块为系统其他的三个部分提供能量。SHT11是瑞士Sensirion 公司推出的基于CMOSensTM 技术的新型温湿度传感器。而CC2430 芯片为Chipcon 公司生产的2. 4GHz 射频系统级芯片，是一款真正符合IEEE802. 15. 4 标准的片上ZigBee 产品。通过SHT11 检测得到温湿度，并转化为数字信号，传输至CC2430,由CC2430 负责对信号进行处理发送。节点电源部分使用两节AA 电池，为了使系统工作时间持续长，节点通常在闲置时快速进入休眠模式，其外设模块进入休眠状态，或者电源管理部分不对这些外设模块供电。
       CC2430 通过I2C 接口定时读出SHT11 的温湿度数据，并将温湿度通过无线网络传送。SHT11 采用串行与处理器进行数据通信，SCK 数据线负责处理器和SHT11 的通讯同步； DATA 三态门用于数据的读取。为避免信号冲突，微处理器应驱动DATA 在低电平。需要一个外部的上拉电阻将信号提拉至高电平，设计过程中，将SHT11 温湿度传感器与一个拓展插口P7 接在一起，独立做成一个小模块，便于与无线模块模板的连接，用CC2430 芯片发送采集数据到无线模块模板上的CC2430 芯片。SHT11 温湿度传感器模块的P7 对应CC2430 模板的L7 口，CC2430 模板既用来对SHT11 温湿度模块供电也用来对CC2430 芯片供电，无线模块模板与SHT11 温湿度传感模块的连接电路图如图3 所示。
  
       2. 2 粮堆节点
       对于粮库的监控，不仅要监控粮仓的温湿度，而且也要监控粮堆的温度。对温度传感器的选型，这里采用DS18B20.DS18B20 是一款全数字温度转换及输出传感器。从DS18B20 读出信息或是写入DS18B20信息仅需要1 根口线（ 即单总线接口） .温度变换、读取等所需的能量由总线提供，无需外接电源。使用DS18B20 可以节省系统资源、使系统结构更趋简单，可靠性更高，更节能，更适用于温度缓变场所的长时间温度监测。最高分辨率达到12 位，精度可达±0. 5℃。基于DS18B20 温度传感器节点设计如图4 所示。
   
   图3 与温湿度传感模块的连接电路图。
   
   图4 与温度传感模块的连接电路图。
  
       3 软件设计
       粮仓/粮堆温湿度节点软件的实现： 终端节点首先通过初始化系统参数，读取数据。之后立即开始发送节点地址，等待路由器响应，而后发送数据长度，确认长度后路由器可以预留合适的空间存储数据而后接收数据，接收校验码。至此，本次发送任务结束，进入睡眠状态，节省电源。而路由器接收下一发送模块的数据，并将刚接收的数据发送给协调器。
       经过上面的步骤，粮仓温湿度监控系统可以实时监控粮仓的温湿度变化，为更便捷地实现数据观测，粮仓温湿度采集系统上位机监控界面采用图形化的编程语言LabVIEW 软件编写，实现对终端监测节点上传数据的采集与处理，并实时显示各个节点的IEEE 号和温湿度数据。粮仓温湿度采集系统监控界面如图5 所示。在进行PC 机和无线采集模块串行通信前，首先配置好串口，即串口初始化，使计算机串口的各种参数设置与无线收发模块的串口参数保持一致，以致能够正确的通信。由图5 可见，所设计的界面反映了各节点所采集的温度和湿度，图中，0x6CFCFC5385FC4797 和0xE972B47D46C97E 分别是两个CC2430 节点的IEEE 地址，24.6℃和24.4℃表示两个节点的温湿度传感器所采集到的温度，66. 5%和67. 6%表示为两个节点采集到的湿度。
   
   图5 粮仓温湿度采集系统监控软件界面
       4 结论
       本文提出基于ZigBee 技术的粮仓温湿度监控系统设计，采用簇状网络组网，实现对粮仓环境温、湿度的测量，采集并在LabVIEW 平台上实现了节点数据的显示。通过实验证明这种解决方案有很强的实用性，系统运行稳定。在实际的推广中，可根据实现目标的需要确定路由器和终端设备的数量，解决实际应用中有线网络布线成本过高及不便到达、环境恶劣地区环境温湿度监测的问题。