基于CC2530的大棚温湿度无线采集节点设计与实现

('基于CC2530的大棚温湿度无线采集节点设计与实现庄立运;鲁庆;王晓晖【摘要】针对目前农业大棚温湿度监测系统中存在的不足,设计实现了一种基于CC2530与数字式温湿度传感器SHT11的农业大棚温湿度无线采集节点.介绍了温湿度无线采集节点的硬件设计及软件流程,节点实现了农业大棚温湿度数据无线采集和传输.节点性能测试结果表明,节点采集数据精度高,误差小,完全适用于农业大棚温湿度数据无线采集系统.【期刊名称】《湖北农业科学》【年(卷),期】2014(053)003【总页数】4页(P582-585)【关键词】大棚;温湿度;节点;CC2530;SHT11【作者】庄立运;鲁庆;王晓晖【作者单位】淮阴工学院电子与电气工程学院,江苏淮安223003;淮阴工学院电子与电气工程学院,江苏淮安223003;淮阴工学院电子与电气工程学院,江苏淮安223003【正文语种】中文【中图分类】TP212.9;S126温室大棚中作物质量和产量的高低与温室大棚中的温度、湿度等因素密切相关，传统的温度、湿度测量一般采用热电偶、热敏电阻以及分体的温度、湿度传感器等元件。此类元件容易受到测量场所以及环境的限制，长期使用时由于环境的影响会使其性能下降，需要定期检查与更换；信号线的长距离传输时相互容易产生干扰，而且导线不易铺设，给实际应用带来了很大的不便。CC2530结合了ZigBee协议栈，提供了一套完整的ZigBee解决方案。而且CC2530F256包括了性能优越的RF收发器、工业标准增强性8051MCU，128kB可编程的闪存、8kBRAM以及许多其他功能强大的特性，工作在免授权的2.4GHz频段，CC2530相对其他单片机以较低的总成本能够建立强大的网络节点，并涵盖了先进的射频器的优良性能、8kB随机存储器、系统内可编程闪存以及8051CPU等强大的功能。CC2530分别具有32、64、128、256kB4种不同的闪存。CC2530能根据需要切换不同的运行模式，具备低能耗、较强的抗干扰性、较好的接收信号能力的优点［1］。1ZigBee协议ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信协议，由高层应用规范、应用汇聚层、网络层、数据链路层和物理层组成，其结构如图1［2］。ZigBee协议工作在868MHz、915MHz、2.4GHz这3个频段，采用CSMA－CA信道接入方式，可有效避免通信冲突。图1ZigBee协议结构2节点总体结构大棚温湿度采集节点的主要功能是采集温湿度数据，并将采集到的数据发送至各个子节点组成的基站。节点主要由传感器模块、处理器模块、电源模块等组成。数据采集模块采用数字传感器SHT11，处理器模块采用CC2530芯片，传感器模块负责采集监测区域内的相关数据，数据信号经放大后发送至处理器模块的I／O端口P0.6；处理器模块将接收到的数据信号进行模数转换，得到的数字信号经处理器模块计算处理，得到温湿度结果数据，该数据再经过射频电路部分发送出去，电源模块主要用于给处理器供电［3］，节点硬件原理如图2。图2节点硬件原理3节点硬件设计3.1温湿度采集模块SHT11为瑞士SENSIRION公司出品的具有二线串行接口的单片全校准数字式新型相对湿度和温度传感器。该传感器将传感器技术与CMOS芯片技术结合起来，从而发挥出强大的优势互补作用。将温度与湿度感测、A／D转换、信号变换和加热器等功能集成到一个芯片上，还包括一个电容性聚合体湿度敏感元件和一个温度敏感元件。其湿度量程为0%～100%RH，温度量程为－40.0～123.8℃，温度测量可达14位的分辨率，湿度测量可达12位的分辨率，在高速或超低功耗的应用中也可分别达到12位和8位的分辨率，能满足大棚环境中温湿度的测量要求。SHT11传感器内部结构如图3。图3SHT11传感器内部结构图3.2处理器模块为了增加中心节点的数据存储和处理能力，选用带256KFlash的射频芯片，而且有标准的8051增强型处理器，因此选用CC2530作为本设计的主芯片。CC2530是用于2.4GHzIEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统（SOC）解决方案。它能够以非常低的总材料成本建立强大的网络节点。CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051CPU，系统内可编程闪存，8kBRAM和许多其他强大的功能。CC2530具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短，进一步确保了低能源消耗。3.3电源模块由于温湿度监测节点应用在环境相对恶劣的农业大棚内，节点的供电电池一般不更换，因此需采用容量大、使用寿命长且免维护的高性能电池。这里采用2节5号AA电池供电。节点总体电路图设计如图4。4软件设计节点的软件设计分为协调器节点程序和采集节点程序，都采用C语言编写。ZigBee协议栈运行在OSAL层操作系统上，该操作系统基于任务调度机制，通过对任务的事件触发来实现任务调度。图4节点总体电路网络协调器主要是建立和管理一个无线网络，将网络中的数据通过串口传送给其上位机。首先，协调器建立一个无线局域网；然后，扫描所设定的信道，接收新的节点加入，并且会分配给其一个特定的地址。协调器程序流程如图5。图5协调器程序流程传感器节点负责与协调器节点进行通讯，将采集的数据发送给协调器。系统中传感器节点上电复位，进行系统和网络配置初始化等，扫描可用的信道来寻找协调器节点，申请加入协调器节点创建的网络。在没有数据请求的时候，传感器节点处于睡眠状态；而一旦有了数据请求，传感器节点马上进入工作状态。首先对数据请求命令解析并回应；然后再进行传感器的启动、数据的采集和数据的发送等；发送完毕进入睡眠状态，等待下一个数据请求命令［4，5］。流程图如图6。图6节点温湿度数据采集传输流程图5节点性能测试节点测试主要分为两部分：第一是测试各个节点模块是否能正常工作，子节点之间进行数据收发测试；第二是采集大棚现场环境的温湿度数值进行分析。由于时间的随机性，采集测试大棚内某一个点具体一段时间内的温湿度数据，测试子节点每隔10min采集一次数据发送至协调器，协调器再通过串口发送至PC机。大棚测试节点采集数据如表1所示。表1大棚测试子节点采集数据传感器采集时间10:1010:2010:3010:4010:5011:0011:1011:2011:3011:40温度计读数//℃28.3228.3828.4028.4028.4728.5028.5228.5028.5328.58温度传感器测量数据//℃28.2928.4028.4128.4228.4528.5228.5528.5428.5528.56湿度计读数//%RH72.372.672.472.672.772.973.272.873.573.8湿度传感器测量数据//%RH72.272.772.272.472.972.773.073.073.673.5计算不同时刻大棚测试监测点温度的平均值：不同时刻大棚测试监测点温度的标准差：计算不同时刻大棚测试监测点湿度的平均值：不同时刻大棚测试监测点湿度的标准差：监测节点采用的传感器SHT11测温范围是－40～123.8℃，由于标准差反映对平均值的偏离程度，取3σT、3σH反映温度、湿度的精度，通过计算其3倍标准差可知无线采集节点温度误差为0.24℃、湿度误差为1.5%，符合农业大棚温湿度无线采集的要求［6］。6小结综上所述，针对传统农业大棚温湿度监测系统的不足，设计并实现了一种基于CC2530的农业大棚无线温湿度采集节点，并进行了子节点组网、农业大棚温湿度数据采集测试。试验表明，温湿度无线采集子节点数据精度高，完全符合农业大棚温湿度无线监测的要求；节点具有操作简便、成本低、抗干扰能力强等诸多优点，能稳定、可靠地监测农业大棚温湿度环境。参考文献：［1］张涛.基于CC2530的温度监测模块设计与应用［D］.南昌：南昌大学，2012.［2］陈旭，方康玲，李晓卉.基于CC2430的ZigBee数据采集系统设计［J］.湖南工业大学学报，2008，22（6）：59－61.［3］雷霖，董华莉.基于ZigBee协议的煤矿瓦斯和温湿度监测节点设计［J］.工矿自动化，2011（1）：32－34.［4］韩玉冰，齐林，傅泽田，等.水产品冷藏车无线传感器网络节点设计——基于CC2530［J］.农机化研究，2013（4）：174－178.［5］袁志强.基于ZigBee技术的温室大棚无线监控系统设计［J］.江苏农业科学，2012，40（11）：396－397.［6］袁江，曹金伟，邱自学.基于RFID读写器网络的粮库温湿度分布式监测［J］.农业工程学报，2011，27（10）：131－136.',)