基于Zigbee技术的温室大棚信息采集器的设计

王福艳李国昉马淑英陈立东邓春岩刘胜韬

1、唐山市工业自动化研究所063000 2、河北科技师范学院机电工程学院066600

引言

目前基于G P S、G I S、C D M A的远程无线信息传输技术已在农业相关领域应用，但多数成果侧重于数据远程传输技术的研究，而在监控现场仍采用有线的连接方式实现传感器与数据采集模块的通信，现场安装与布线连接繁琐、设备移动性差、组网复杂、成本较高，甚至在有些场合难以实现[1]。为此，本文设计了基于Z i g B e e技术的用于采集温室环境信息的便携式温室大棚信息采集器。该温室环境无线监测技术将节点采集、数据传输、实时显示合为一体，既可解决数据远程传输技术问题，又避免安装大量传感器和终端设备的弊端，从而满足温室环境监测过程中对多测点、多要素、移动性、便捷性等方面的要求。

1 系统组成及基本原理

便携式温室环境信息无线采集系统由前端数据采集系统（采集节点）、远程传输系统（路由节点）、数据接收与显示系统（中心节点，即手持式显示仪）组成，总体结构如图1所示。

图1 总体结构图

数据采集系统为传感器节点，负责采集温度、土壤含水量、湿度等信息，并以无线方式将采集信息送入中心节点，对于超出有效距离的则通过路由实现多级跳转传输，路由节点在投运前也会搜索当地控制节点或其它路由节点，可做其它路由节点或采集节点的中继站使用[2]。系统采用以Z i g B e e为核心的C C2430芯片实现，软件开发基于C语言。中心节点通过C C2430芯片集成的无线收发模块，与路由节点及部分子节点进行无线收发通讯。系统将若干个子节点分别放置在温室中不同的位置，并对其编号。当无线通讯网络建立之后，中心节点由键盘控制，选择相应的子节点号，向该子节点发出传输指令，该子节点通过各自的传感器对温度、湿度、土壤含水量等进行监测，并把数据送入Z i g B e e的核心芯片。采集数据经过A/D转化，在其自身的显示屏上实时显示，同时由无线发射模块把数据发射出去。数据经过自组网络进而传输到中心节点。中心节点封装在壳体内，制做成掌上电脑形式，采集到的数据可在液晶屏上显示，从而实现数据的采集与实时显示。

2 硬件设计

2.1 中心节点系统结构

中心节点系统硬件结构如图2所示，包含无线通讯模块C C N15(集成)、处理器模块 C C2430、键盘模块 K F C-A03-09、存贮模块A T24 C04、显示模块M z L02-12864和电源模块A M S1117。中心节点相关模块设计好后，对其进行封装，安装壳体，壳体为150*85*20 m m，体积小，移动方便，其上键盘可控制系统相应功能。

图2 节点硬件结构图

2.2 处理器模块

处理器模块是整个监测系统通讯、控制的核心，与所有其它模块连接，接受键盘模块指令，控制无线通讯实现指令无线发送和数据的接受，从储存模块中调取采集数据并向上传输至液晶屏实时显示，处理器模块的核心板采用C C2430芯片。

2.3 键盘输入模块

采用A D C转换实现一个I/O口上挂接多个按键，键盘采用K F C-A03-10贴片键盘，供电电压为典型的3.3 V，其体积小，而且成本低，如图3所示。

2.4 数据存储模块

采用A T24 C04保存设置参数。存储模块在该系统中没有运用，留作以后功能扩展，具体接线原理如图4所示。

2.5 液晶显示模块

图4 AT24C04

所选液晶显示模块型号为M z L02-12864，其尺寸70.1×64.0×10.6 m m，视屏尺寸65.8×38.2 m m，点大小0.45×0.49 m m，像素尺寸0.475×0.515，其显示模块如图5所示。

图5 液晶屏

2.6 电源模块

为了增强工作稳定性，减少电源电压波动对电路的影响，而又不增加太多的功耗，选择5 V直流供电，再通过稳压，转变成电源供电电压3.3 V。

2.7 传感器模块

传感器节点包括温度传感器模块、湿度传感器模块和土壤含水量模块。温度传感器采用数字接口，为单总线工作方式，接在C C2430的P2.0上。P1.2为时钟口，用于接温湿度传感器D H T11，土壤含水量传感器是模拟接口，直接接在C C2430的14位A D转换输入引脚P0.0上。

3 软件系统设计

中心节点程序设计主要由主程序、中断服务程序、数据巡回采集及处理子程序、键盘扫描子程序及显示子程序等组成。中心节点主程序是以主动的方式按照固定顺序周而复始地呼唤采集节点而取得数据，而采集节点以中断的方式应答中心节点从而分组（采集到的不同终端节点数据）传送指令，其控制流程图如图6所示。

图6 中心节点流程图

4 结束语

温室环境信息的及时获取是实现温室现代化精准管理的重要基础，要求温室内温度、湿度、土壤含水量等信息能够快速、精确、连续地测量。本文设计的基于Z i g B e e技术的便携式温室大棚环境信息无线采集器可以满足其要求，其性能可靠，工作稳定。

[1]耿萌，于宏毅，张效义.Zig B ee路由协议分析与性能评估[J].计算机工程与应用，2007，43(26)：116-120.

[2]徐瑞娜，胡方明，仁爱锋.Zig B ee无线传感器网络在远程环境监测中的应用设计[J].电子元器件的应用，2010，7（7）：38-42.