基于ZigBee的温室无线监测系统设计

    引言

    温室种植技术让农业突破了地域、自然环境等因素的限制，对农业生产有重大意义。温室种植环境，如温度、湿度、二氧化碳浓度、光照强度等是作物的重要影响因素，良好的温室环境监测与控制是保证温室生产的重要措施^［1］。原有有线传感器网络存在布线复杂、传感器位置不灵活、节点延展性差、电缆老化腐蚀等问题，维护较困难［2 －3］。为此设计了基于 ZigBee 技术的温室环境无线监测网络，系统采用低功耗设计，网络协调器通过 RS485 总线与监控中心的上位机通信。

    1 系统总体方案设计

    温室环境无线监测系统由分布于温室中的无线传感器节点和网络协调器节点组成，各温室经网络协调器节点通过 RS － 485 总线连接到监控室的上位机，管理人员通过上位机实时查看各温室环境参数。温室大小在各无线传感器节点的通信覆盖范围内，故本系统无线网络中只设一个网络协调器节点 ( FFD) 和数个传感器节点 ( RFD) ，不设路由器节点，综合考虑无线网络的覆盖能力、功耗、可靠性，选择星型网络拓扑结构^［4］。

    根据温室环境监测的特点和要求，构建了包含一个网络协调器节点以及六个无线传感器节点的无线传感器网络。网络协调器节点和无线传感器节点均基于 CC2430 构建。协调器节点负责网络的建立和管理，并通过485 总线与上位机通信; 传感器节点负责数据采集并将数据传送给协调器节点，并接收通过协调器节点传来的上位机的命令。系统总体方案如图 1 所示。

    2 系统硬件设计

    2. 1 传感器节点硬件设计

    无线传感器网络的传感器节点一般由传感器单元、处理器单元、无线通信单元和电源单元组成^［5］。CC2430 是 Chipcon 公司推出的用来实现嵌入式 ZigBee 应用的芯片，采用增强型 8051MCU、32 /64 /128 KB 闪存、8KB SRAM 等高性能模块，并内置了 ZigBee 协议栈，集成有支持 2. 4GHzIEEE 802. 15. 4 / ZigBee 协议的 RF 收发器。该芯片还包含模拟数字转换器、3 个定时器、AES128 协处理器、看门狗定时器、32 kHz 晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路，以及 21个可编程 I/O 引脚。

    利用 CC2430 组建的基本收发电路包含: 复位电路、晶振时钟电路、射频输入/输出匹配电路和微控制器接口电路。如图 2 所示。

    2. 1. 1 温湿度传感器及接口电路

    温湿度传感采用 SHT10，是基于 CMOSensTM 技术的新型温湿度传感器。该传感器将温湿度传感器、信号放大器、A/D 转换等功能集成于一个芯片，工作电压为2. 4 ～5. 5V，测湿精度为 ±4. 5%RH，25℃时测温精度为 ±0. 5℃。SHT10 采用 2 条串行线与处理器进行数据通信。具有稳定性好，精度高，能耗低的特点。接口电路如图3 所示。