基于无线传感器网络的温室大棚温湿度监控系统研究
摘要：文章提出了一种基于 CC2530 和 SHT75 温湿度传感器的温湿度实时监控系统的实现方案。文中阐述了系统的总体设计，包括硬件设计以及软件设计方法。通过 SHT75 芯片对温湿度数据进行采集，并利用 ZigBee 技术对采集来的数据进行传输，实现了温室大棚温湿度的实时多点检测。
关键词：ZigBee；温湿度；CC2530；SHT75
中图分类号：TP274.2 文献标识码：A 文章编号：1673-1131（2015）10-0098-02.
0 引言
近年来，监控系统在很多行业开始被重视。以前的监控系统采用大量布线的方式进行数据的传输，效率比较低下，相对的成本也比较的昂贵，有些特殊的地方无法大面积布线，因而存在着比较大的限制性。近年来推出的无线监控系统能够有效地解决有线监控系统的很多不足。ZigBee 技术是一种短距离无线通信新技术，具有低功耗、易应用、成本低等特点，可以实现监控系统终端节点间的无线通信 [2]。为了达到远程监控的目的，利用 ZigBee 创建网络，实现与远程监控中心的连接。基于 ZigBee 的无线传感器网络可以被用在比较复杂的情景中，能够满足很多用户的苛刻要求，足以被很多智能化领域所采纳并且应用[5]。
1 系统总体设计
整个温室大棚温湿度，采集装置结构原理图如图 1 所示。
首先通过温湿度传感器获取温室内的温湿度数据，然后把数据传给CC2530 芯片进行处理，接着利用ZigBee协议把数据发送到协调器中，最后通过串口将数据给 PC 机。上位机将温湿度数据显示在可视化的界面中。图 1 为系统结构原理图。
图 1 系统结构原理图
2 硬件设计
2.1 终端模块设计
SHT75、CC2530、电源和 LCD 构成了终端。通过 STH75采集数据，然后由CC2530 来接收并提供处理，其间在LCD上进行显示温湿度，这样管理人员可以很容易地进行观察，最后利用天线将数据往上传输。电源利用电池来提供电，当数据 传好后进入休眠状态，这么做可以很大程度地减少电源消耗。
终端模块的实现框图如图 2 所示。
图 2 终端模块的实现框图
2.2 核心模块设计
核心模块是无线传感器网络的中心模块，用于接收并处理节点传来的数据信息，同时控制着终端，命令其执行一些操作，通过网络将数据给 PC。鉴于核心模块起着举足轻重的作用，既要处理数据又要控制指令等，如果该模块突然无法提供电源的话会给整个系统带来比较严重的后果，因此严格要求其供电的可靠性，因而利用 3.3V 的稳压电源提供电源。核心模块的实现框图如图 3 所示。
图 3 核心模块的实现框图
CC2530 芯片内部有 8051 单片机，射频收发器，8KB 的RAM 以及闪存，系统利用的温湿度传感器 SHT75 是以数字信号方式将温湿度数据进行输出的[3]，所以CC2530 能够有效的控制 SHT75，将温室的数据进行采集，然后进行适当的处理[4]，然后再传输到ZigBee协调器，最后利用串口把数据传输给上位机。
3 程序设计
3.1 系统的流程设计
一开始进行端口的初始化, 启动 SPI，运行各个节点的程序，然后再判断数据是否符合标准，最后通过温湿度控制系统实现控制。
3.2 路由节点程序设计
首先，节点上电初始化，节点对网络进行检测，向父节点发送入网申请，如果收到了入网的确认信息，然后作为路由节点处理接收的数据并转发给父节点，在这个过程中若是有其它的节点申请入网，授权该节点入网，然后为入网节点分配NWK，建立节点间的通信链路。
3.3 协调器程序设计
启动程序，系统初始化，检测与上位机是否连接，节点进行检测网络，若没有检测到网络，则节点设置为协调器组建网络，检测是否有子节点申请入网，根据组网需求增加子节点，为子节点分配 NWK，选择被测子节点，接收终端节点的采集信息并发回给上位机进行处理。如果一开始节点检测到了网络，选择协调器或路由节点作为父节点申请加入网络，直到收到加入网络的确认信息，设备作为路由节点开始工作。图 4 为协调器通信流程图。
图 4 协调器通信流程图
4 上位机软件设计
本系统的界面主要有温室监控开始界面、搜索界面、原有数据查询界面。以下界面都是利用 VC++来完成设计。
4.1 温室监控开始界面
温室监控开始界面重点是为了保证温室的安全性，只有内部管理人员才可以操作上位机。图 5 为温室监控开始界面。
图 5 温室监控开始界面
4.2 搜索界面
温室管理人员进入开始界面后，相应地就进入了搜索界面，如图 6，该界面有此刻的温度、湿度、时间，还有电机启动的指示按钮，当温湿度超过限值时就会引起报警信号，此时，内部人员就会驱动电机改变温室的内部情况，同时该界面还存在原 有数据查询界面，可以随时查看以前的数据。
图 6 温室监控搜索界面
5 系统分析
利用星型拓扑结构，然后通过数传终端模块将采集到的温湿度数据进行上传，汇总到中心模块。接着利用串口将数据传至上位机进行分析。该系统通过电机控制调节温湿度的设备，获得温室内部的细节，最后将网上测量到的数据与之实际获得的温湿度数据进行综合比较，得出下表 1 的结果。
表 1 温湿度对照表
比较其它实验研究获得的情况，温度误差在 0.7℃左右,湿度误差不超过 2.8%RH。本系统实测的数据比较的精细，可靠性比较好。从表 1 的数据可以看出来，对于温度，该系统的误差没超过 0.4℃，对于湿度，数据比较没超过 1.7%RH。该实验取得了不错的预想成果。
6 结语
本系统很好地模拟了温室大棚内部的温湿度情况，通过引入ZigBee技术、CC2530 芯片以及精密度相当不错的SHT75温室度传感器，完成了多个传感器节点的温湿度数据采集与传输，规避了有线传输的诸多缺点，达到了预想的目标。实现了温室大棚的智能化管理与操作。
参考文献：
[1] 李文仲,段朝玉,等. ZigBee无线网络技术入门与实践[M]北京:北京航天大学出版社,2007.
[2] 周贤伟,覃伯平,徐福华.无线传感器网络与安全[M].北京国防工业出版社,2007.
[3] 沈建明. 基于 ZigBee 的温室大棚的温湿度检测系统 [D]西安工业大学,2013.
[4] 李长有,程晓琦,张胜奎.基于SHT75 的矿井救生舱温湿度检测[J].仪器仪表学报,2010(8)[5] 刘瑞玲.基于无线传感网络温室环境监测系统的研究[D]兰州大学,2011.
作者简介：林佳华，吉林长春人，硕士在读，研究方向为光电传感与光电检测。
