基于zigbee的大棚温湿度实时监测系统

张柏林 王艳梅

摘要：采用干湿球测量湿度方法，嵌入zigbee无线通信协议，以CC2530和DS18B20为核心，设计了一款自组网、低成本的无线温湿度传感器系统，用于温室大棚的环境监测。与电容式湿度传感器相比，具有准确度高、线性度好和寿命长等特点。

关键词：zigbee；湿度；无线传感器网络；干湿球我国是农业大国，目前温室大棚已成为我国一些农村的重要产业，是当地农民的重要经济来源[1]。大棚内的温度和湿度对农作物的生长环境影响极大，需要对大棚内的温湿度进行实时、准确地监测。

目前，我国北方的温室大棚，温湿度监测仍采用人工定时查看温湿度表的落后方式。这种方式劳动强度大、监测效率低。也有部分大棚采用以单片机为核心的传统有线监测系统。这种系统由于受到布线限制，具有一定的局限性，且成本较高，维护困难。笔者提出一种基于zigbee技术的无线温湿度传感器网络。该传感器网络以CC2530和DS18B20温度传感器为核心芯片，采用传统的干湿球测量湿度方法，并嵌入zigbee无线通信协议，具有自组网、功耗低、寿命长等特点。

1概要

Zigbee是一种近距离、低数据传输率、低功耗、低成本的无线半双工自组网技术,使用ISM免费频段，单个网络中最多可容纳65535个节点，适合用于搭建对通信速率要求不高的无线传感器网络。zigbee网络节点可分为三种类型：网络协调器节点、路由节点和终端节点[2]。这三种节点类型都是网络层概念，他们的部署决定了网络拓扑形式。不论zigbee网络采用何种拓扑方式，网络中都需要有一个并且只能有一个网络协调器节点。

数字式温度传感器已经比较成熟，如Dallas公司生产的DS18B20。湿度传感器常采用电容式湿度传感器，目前比较有代表性的如德国Humirel公司生产的HS1101系列湿度传感器。然而，电容式湿度传感器在结露情况下，容易损坏。结露问题是由传感器材料和结构引起的，目前还没有有效的解决方案。干湿球测量温湿度方法由于没有采用湿敏材料作为湿度测量的关键构建，避免了结露所引起的问题。采用干湿球测量湿度，当由空气传入纱布的传热速率等于纱布表面气化水分需要的传热速率时，则两者达到平衡状态，这时湿纱布中的水温即保持恒定，称这恒定或平衡的温度为该空气的湿球温度。此时，空气中的相对湿度可以由（1）式求出[3]。

式中，t为空气的温度，tw为湿球温度，P为当地大气压，A为风速的函数，Ew为湿球温度下的饱和水汽压，E为干球温度下的饱和水汽压。

2系统设计

Zigbee支持树状网、星型网等多种网络拓扑结构。通常情况下，星型网络拓扑结构已经可以覆盖整个蔬菜大棚。本系统采用星型拓扑结构，由一台PC机、一个网络协调器和多个终端设备三部分组成。

终端设备与传感器集成在一起，负责采集大棚内的温度和湿度，将采集到的数据进行打包通过无线电的方式发送给网络协调器。网络协调器对接收到的信号首先进行解包，然后，通過RS232通信线缆传输给PC机。PC机上的管理软件对接收到的数据进行解析，最终显示给用户。

3软硬件设计

终端节点负责干球和湿球的温度采集，将采集结果进行封包后发送给网络协调器。CC2530的P1_0引脚和P1_1引脚分别与两个DS18B20连接，采用单总线串行通信协议，分别测量测试干球温度和湿球温度。

系统启动后，协调器首先选择网络所占用的频道，然后开启网络，等待终端设备的接入。终端设备启动后，搜寻网络协调器所在的频道，然后依次加入由网络协调器开启的网络。网络组建完毕，终端节点每隔三秒钟，采集一次各自的干球温度和湿球温度，并将采集到的数据打包发送给网络协调器。网络协调器收到数据后，解包然后通过RS232发送给PC机。最终PC机根据公式1计算当前的湿度，并将计算结果显示给用户。

4结论

基于zigbee的干湿球温湿度无线传感器网络有效解决了传统有线温湿度监测系统布线困难、成本高、网络节点数量少、不便于维护等问题。单个ZigBee网络即可容纳65535个节点，轻松实现大范围温湿度实时监测。采用干湿球测量湿度方法，与电容式湿度传感器相比，不受结露问题的影响，测试数据更精确，传感器寿命更长。

[参考文献]

[1]陆楠,郭勇.基于zigbee技术的无线大棚温湿监控系统[J].现代电子技术,2008,32(15):98-100.

[2]姚春.zigbee在大数量节点应用中的问题研究[J].嵌入式系统应用,2009,25(1-2):3-5.

[3]吴振宇,毛德祥,吴超.新型数字干湿球湿度传感器[J].传感器技术,2004,23(11):48-50.