基于STM32+ZigBee技术的农业环境监控系统的研究与设计

黄充 汪兆栋 王发良 梅立雪 陈兴盛

(景德镇学院，江西 景德镇 333000)

引言

无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)作为在一块被监测的地方内布置和安装一定数量的低功耗小型传感器节点，区域中所有节点利用无线通信的方法组成的自组织、多跳的网络装置或系统，整个系统的功能是协同地感知、采集并处理监控区中的信息进而发送给观测方。由于WSN具有很高的检测精度、经济性好、组网方便、可靠性好以及操控简单等优点，因而在环境监测、农业现场、智能家居等方面有着非常广阔的发展前景，并且已经有了一定应用。一个典型的WSN网络网关系统如图1所示。本文设计并实现了一个基于STM32+ZigBee技术的农业环境监测系统。通过ZigBee节点组成无线传感器网络，采集农业环境中的温度信息，通过协调器收集汇总温度信息，再通过STM32+W5100网关系统把WSN连入以太网，在远程端发送命令并查看WSN的网络信息和各个节点采集的温度信息。

图1 WSN网关系统框图

1 系统硬件设计

1.1 系统总体框图

系统硬件框图如图2所示，基于ZigBee协议的节点组成自组织的WSN网络。协调器通过UART等总线和网关CPU通信，网关CPU再通过以太网模块把WSN连入以太网，实现远程监控的功能。

图2 系统硬件框图

1.2 ZigBee节点电路

本设计选用的ZigBee通信节点的基本电路(见图3)，电路的核心为TI公司的CC2530芯片。图3中，32.768kHz的晶振主要工作于当节点休眠时工作电流低并且需要精确唤醒的场景；32MHz晶振主要是用于天线的无线数据发送和接收；L1-L2和C4-C7为射频电路的巴伦(Balun)匹配电路。

图3 CC2530核心电路

1.3 网关电路设计

本网关装置采用了STM32F103VBT6主控制器加W5100芯片的硬件平台方案。其中，STM32F103VBT6主控制器是基于ARM Cortex-M3内核的32位CPU，工作频率最高可以到72MHz，片内集成128KB Flash，20KB大小SRAM。W5100芯片是WIZnet公司推出的一款以太网芯片，其片内支持硬件化的TCP/IP协议，片内集成了16KB的发射/接收缓存，并且支持SPI总线接口。

具体的W5100电路如图4所示。电路中，25MHz晶振为系统时钟源，考虑W5100芯片工作的稳定性，芯片的1引脚需要接大小为12.3k精度为1%的片外电阻到地。芯片的TEST_MODE0-3用于选择芯片的工作模式，本系统选用通用模式(0000)。W5100和STM32主控CPU通过SPI总线接口进行通信。

图4 W5100电路

2 系统测试

本系统的ZigBee通信模块如图5所示，红色的为协调器节点。绿色的为路由器节点和终端节点并且用2节5号电池供电，终端节点通过DS18B20测温芯片采集环境温度。

图5 ZigBee节点

STM32加W5100网关装置如图6所示，ZigBee协调器和STM32通过UART总线进行通信，W5100通过网络变压器和网线连入以太网。

本系统中CC2530内运行TI公司的半开源的免费的ZigBee协议栈，实现组网、无线数据的收发功能。PC端通过MFC设计了一个终端监控软件，实现配置网关IP、端口，显示WSN网络结构，接收WSN节点温度信息，向WSN发送命令等功能。

图7 监控软件显示数据和网络拓补

图8 监控软件显示节点采集的温度

3 总结

经测试，本系统中ZigBee无线传感器网络可以正常工作，采集环境中温度信息，通过自组网把数据汇总到协调器节点。协调器节点通过UART接口和STM32进行通信，同时STM32通过W5100芯片实现WSN和以太网互联。通过PC端的监控界面显示WSN的网络状态信息，查看终端节点采集的温度信息。同时向WSN发送相关的控制信息。本系统适用于如农业大棚种植等农业监控方面的应用。