杜振宁 DU Zhen-ning
（杨凌职业技术学院，杨凌 712100）
（Yangling Vocational & Technical College，Yangling 712100，China）
摘要： 本文针对当前温室环境监测系统的不足，将无线传感器网络技术[1]、ZigBee技术和嵌入式技术相结合，探索出实现低成本、高效率的温室监测系统，为降低温室监测系统的造价，为提高设施农业发展水平提供必要的支持。
Abstract： Aimed at the shortage of the greenhouse environment monitoring system at present, this paper combines the wireless sensor network, ZigBee technology and embedded technology to explore the implementation of the greenhouse environment monitoring system with low cost and high efficiency, which provides the necessary support for reducing the cost of the greenhouse monitoring system and improving the development level of facility agriculture.
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关键词 ： 无线传感器；温室环境监控系统；方法
Key words： wireless sensor；greenhouse environment monitoring system；method
中图分类号：TN919.72 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）34-0242-03
作者简介：杜振宁（1976-），男，陕西咸阳人，讲师，硕士，研究方向为计算机应用技术。
0 引言
目前，我国温室生产存在着结构简陋、综合环境调控能力差以及管理技术水平落后等缺点。同时，由于我国温室农业种类多，分布地域广，测控设施安装和维护工作量大，采用有线通信方式传输信号存在诸多不便。基于以上背景，本文将无线传感器网络技术、ZigBee技术和嵌入式技术相结合， 设计一种低功耗、低成本、组网灵活、人机界面友好、可方便进行现场和远程管理的温室环境监测系统。
1 系统设计
1.1 系统框架分析 本文设计框架基本分为三个部分相互连接而成。具备完整测量功能的测量点+具备多跳式路由的无线通讯网络+远程上位计算机组成。远程上位计算机通过无线网络获取测量点的温、湿度监测参数，并根据类别进行分析、统计、处理及报表、打印、输出。
1.2 测量点的无线温湿度传感器 传感器节点是温室监测系统的基本组成单元，需要具备环境因子采集、数据处理、无线通信等功能。
1.2.1 无线温湿度传感器 采用ST公司生产的单片机upsd3234A-40U6。该芯片是一个典型的SOC型的单芯片微处理器系统，片内包含构成单片机最大系统的一切必要的存储器（RAM、flash ROM）、译码器、锁存器、I/O扩展、定时器等。只要在外围硬件上提供电源和时钟源就可以执行程序，设计框图如图1所示。
由微处理器负责控制、读取温度、湿度传感器的采样结果，并进行必要的校准后，存储于SRAM存储区，这个过程处理时间相当短，作为全速运行的微处理器而言几乎无事情可干。所以在不采样时，微处理器设计为休眠状态。使用实时时钟芯片各一个固定时间进行唤醒工作，这样可以保证以后的采集器节约能源消耗，方便更改为电池供电。唤醒微处理器后，首先采样温、湿度值、然后将这个值通过自定义的协议打包，通过无线通讯模块（Zigbee）发送到网络中，此时，微处理器又主动进入休眠状态（试验系统目前采用直接供电方式，而上述设计保证了可以使用电池供电），采集器里的ZigBee模块发送数据的目的地址直接指向一个固定的地址，所以，这个协议包不论经过几个中间传递，最终传递到联接在计算机上的特定模块上，并输入到计算机。
DHT11数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。因此该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点。每个DHT11传感器都在极为精确的湿度校验室中进行校准。校准系数以程序的形式储存在OTP内存中，传感器内部在检测信号的处理过程中要调用这些校准系数。单线制串行接口，使系统集成变得简易快捷。超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20米以上，使其成为各类应用甚至最为苛刻的应用场合的最佳选择。
1.2.2 无线通讯网络 网络结构采用MESH网状网络结构，这种网络系统采用多跳式路由通信；网络容量很大；可以跨越很大的物理空间，适合距离较远比较分散的结构[4]。网络的所有实体只要在通信范围之内，都可以互相通信，如果没有直接通路，还可以通过“多级跳”的方式来通信；该拓扑结构还可以组成极为复杂的网络；除此之外，网络还具备自组织、自愈功能。网络结构如图2所示。
图2中的测量点是独立设备，是用单片机为核心配以数字化温湿度传感器和实时时钟，通过程序控制采样，定时将采集的温湿度数据通过ZigBee信号构成的网络传递给计算机。该系统是以单片机为核心，利用温湿度传感器作为采集温、湿度数据的测量点、利用无线传输方式将测量数据传递到远端上位机显示。从而构成组网灵活的纯粹的无线温湿度监测系统。若是利用互联网络/2G/3G则可以无视距离的传递数据信息。
2 硬件设计与实现
2.1 ZigBee网络模块：XBee DigiMesh 2.4是可全球部署的嵌入式无线射频模块，可选低功耗的XBee和长通讯距离的Bee-PRO封装。它结合了快速的2.4 GHz收发器和创新的DigiMesh对等网状网网络协议。
XBee OEM RF模块是与ZigBee/IEEE 802.15.4 兼容的解决方案，满足低成本、低功耗无线传感网络的特殊需求。该模块易于使用，功耗极低，并且可以提供设备间关键数据的可靠传输。而且它小巧的外形条件有效节省了板卡空间。建立简单的点-点、点-多点应用，该模块不需要任何配置，该模块的默认配置支持广泛的数据系统应用。但是作为Mesh网络拓扑关系，则需要重新配置。
首先是用于测量的所有节点模块，模块的DH、DL地址必须写入连接计算机的那一个模块的物理地址。而连接计算机的那个模块的DH、DL地址必须设置为广播方式，即DH设置为0x0000，DL设置为0xFFFF。其次，所有的模块都得使用同一个无线频道，同一个PAND编号。
2.2 DHT11传感器和单片机的硬件连接方式：第2引脚上拉后与微处理器的 I/O端口相连。该器件采用简化的单总线通信方式，控制中的数据交换、控制均由单总线完成。单片机应当通过一个标准I/O口线通过5.1K电阻上拉连接，当总线闲置时，其状态为高电平。如图3所示。
微处理器与DHT11之间的通信和同步的串行双向接口，采用单总线数据格式。每次通信都是以高位先出的顺序传输40位数据。
数据格式为：8位湿度整数数据+8位湿度小数数据+8位温度整数数据+8位温度小数数据+8位校验和数据。数据传送正确时，校验和数据等于“8位湿度整数数据+8位湿度小数数据+8位温度整数数据+8位温度小数数据”所得结果的末8位。微处理器发送一次开始信号后，DHT11从低功耗模式转换到高速模式，等待主机开始信号结束后，DHT11发送响应信号，送出40位的测量数据，并触发一次信号采集，用户可选择读取部分数据。DHT11接收到开始信号触发一次温湿度采集，如果没有接收到主机发送开始信号，DHT11不会主动进行温湿度采集。采集数据后转换到低速模式。
3 上位机监测
上位机监测属于被动接收采集点的无线网络传递过来的温湿度数据[5]。经过通讯协议校验后，将对应编号的采集点温、湿度数据显示到监视界面。切换采集点编号，可以监测到每一个采集点。软件监测运行结果如图4所示。
通讯相关的软件设计：
由于选用的MCU本身具有双路通讯接口，在硬件设计上衍生为一个RS485接口，一个ZigBee通讯接口。ZigBee模块接收到的数据需要单片机进一步判断和执行。则需要相关的判断和执行程序来完成。下面一段是为实现ZigBee数据接收部分的源程序代码。
此段利用MCU中断方式接收、发送数据，RBUF_SIZE、tbuf_datasize1分别是接收、发送缓冲区大小。PACKET_HEADER0是通讯协议当中的帧头。以上3个常数均在头文件里定义。
远程上位机监控软件设计采用 LabV IEW9.0 ( Laboratory Virtual Eng- ineering Workbench)设计监控界面。它是一个使用图形符号来编写程序的编程环境，数据采集是 LabVIEW的核心技术之一。VISA是虚拟仪器软件体系结构的缩写。采用VISA函数库可以方便的开发基于各种数字接口的驱动程序而无需关心连接方式，例如USB、1394、串口、并口等。
4 结束语
本系统选用ZigBee技术作为监测系统通信方式，并利用Mesh网络拓扑结构，确保了可靠通信；数据采集和传输采用周期采集上报和基于中断的超限立即上报工作方式，降低了系统功耗；在实验室搭建了模拟运行环境，就网络拓扑建立、数据采集和传输进行了实际测试，实验结果表明，基于ZigBee协议和Mesh网络拓扑结构的无线传感器网络温室监测系统可以实时、准确、可靠地完成温室环境温湿度监测。
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参考文献：
[1]刘玉英，史旺旺.基于CC2430温湿度监测的无线传感器网络设计[J].微计算机信息，2009（10）.
[2]李昊生，王汝传，沙超.基于CC2431的无线传感器网络节点的设计[J].电子工程师，2008（12）.
[3]庄雄，杨永明，丁唯.基于CC2431的无线传感器网络节点设计[J].电子技术应用，2008（06）.