基于CC2530和CC2592集群溫室環境監測系統的設計

宋玉琴+姬引飛+朱紫娟

摘 要： 針對集群溫室大棚環境監測困難，有線傳輸系統成本高和網絡維護量大等問題，設計了針對溫室大棚內濕度、土壤溫度、光照強度、CO2濃度等的無線實時監測系統。以CC2530芯片為核心，以CC2592射頻前端為協助，建立無線傳感器網絡，對溫室環境信息進行采集、分析、處理和傳輸，最后在上位機顯示。系統詳細分析了硬件電路的控制方法并給出了軟件流程圖。實驗表明：系統可以準確獲取溫室環境數據。增強節點輸出功率和低功耗設計，不僅提高了溫室環境監測的靈活性和移動性，而且降低了成本。

關鍵詞： 集群溫室； 環境監測； CC2530； CC2592； 控制方法

中圖分類號： TP911?34； TP274+.5 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）22?0069?04

0 引 言

為了保證溫室大棚作物的產量和品質，對環境的監測尤為重要。環境監測不僅能及時反饋作物的生長環境狀況，還能及時調節環境因子讓作物在最適宜的環境下生長。隨著技術的發展，溫室大棚有線網絡監測系統彌補了人工監測的效率低、控制效果不好的缺點，在文獻[1?2]中出現了采用RS 485總線和現場總線布網來監測溫室環境，雖然提高了作物的產量，但有線布網增加了工程的成本和施工難度，并且系統線路容易老化斷裂，加大了維護成本和工作量。因此，迫切需要一種技術來改善有線網絡系統的缺陷。在文獻[3]中提出利用WiFi技術建立無線傳感器網絡溫室大棚監控系統，但系統功耗大，成本較高。相比于WiFi，ZigBee技術的低功耗、自組網、低成本等特點使它具有無法替代的優勢。ZigBee無線傳感器網絡[4]已經成功應用于智能家居[5]、智能電網[6]、工農業生產等領域。本文以ZigBee技術為背景， 研究無線傳感網絡在集群溫室環境監測中的應用。

1 系統總體結構和功能

設計采用ZigBee技術建立集群溫室無線傳感器網絡，監測溫室大棚內的濕度、土壤溫度、光照強度、CO2濃度以及控制LED燈光和報警。該系統總體設計采用星型模式組成無線傳感器網絡，即一個協調器連接多個子節點，每個子節點以CC2530為核心，CC2530主要負責對傳感器采集的數據進行處理和對節點運行狀態進行智能管理，進而實現低功耗效果。該系統所要實現的功能是，通過傳感器采集溫室環境數據，CC2530對數據進行分析處理后，子節點通過無線信號發送給協調器，協調器接到信號通過RS 232串口[7]發送給溫室監測分中心的PC，在PC的上位機可以對數據進行顯示，還可以將監測數據傳送到以太網，以太網上的數據可以被集群溫室監測中心和相關機構獲取，進行分析后進行有效控制。系統整體結構如圖1所示。

2 系統硬件設計

2.1 無線功能單元

整個系統將無線功能單元作為核心，其中主要涉及協調器和子節點。無線功能單元主要由處理器模塊、無線通信模塊、電源模塊以及相應的調試接口構成。而其中的子節點需要增加傳感器模塊和燈控模塊，用于采集環境因子和控制LED燈的狀態；協調器是在處理器模塊和無線通信模塊的基礎上增加串口通信功能。協調器通過RS 232與計算機相連，將數據傳輸到計算機，進而在上位機上顯示和向以太網上傳送。無線功能單元結構如圖2所示。

處理器模塊選擇第二代ZigBee芯片CC2530 [8]，它支持IEEE 802.15.4標準，在低功耗和靈敏度等性能方面較第一代CC2430芯片有所改進[9]。

CC2530集成了RF收發器和8051微處理器，具有超強的抗干擾性，而且配備TI的一個標準兼容的Z?Stack網絡協議?？s短開發周期。CC2530的外圍電路設計只需要少量輔助元器件。根據集群溫室的實際管理經驗，只用CC2530芯片組建無線，節點之間的距離將被限制在100 m以內，達不到實際要求。為了擴大無線網絡數據傳輸的范圍，選擇CC2592射頻前端增大節點的輸出功率。

CC2592應用于2.4 GHz低功耗低壓的無線網絡中，經濟高效而且性能優越[10]。它集成了一個可增加輸出功率的功率放大器和一個具有低噪聲系數的LNA，以提升接收器靈敏度。CC2530最大的輸出功率為+4.5 dBm，而增加CC2592范圍擴展器之后，輸出功率可以提高到+22 dBm。完全可以滿足系統設計需要，增大了節點之間的距離，擴展了無線網絡的范圍。CC2530與CC2592的電路連接如圖3所示。

CC2592有3個控制引腳分別為PA_EN，LNA_EN和HGM， 通過控制這3個引腳邏輯電平實現4 種模式： 掉電（Power Down）模式、RX低增益（RX Low Gain Mode）模式、RX高增益模式（RX High Gain Mode）、普通發送（ TX） 模式。其中，掉電模式功耗最小，在此狀態下，是沒有工作通路的，直至被激活到其他模式。CC2530 對CC2592 控制時，當LNA_EN 與PA_EN 引腳為低電平時，CC2592處于掉電模式，沒有工作；當LNA_EN引腳為高電平、HGM引腳為低電平時，CC2592處于低增益模式。當LNA_EN與HGM引腳為高電平時，CC2592處于高增益模式；當LNA_EN引腳為低電平、PA_EN引腳為高電平時，CC2592處于正常發送模式。CC2530要實現對CC2592的控制，既要遵循控制邏輯，又要設置RF寄存器，詳細設置內容如表1所示。

用CC2530 控制CC2592可以在CC2530 設為低功耗模式，同時也讓CC2592也工作于低功耗模式，大大地降低了功耗。該工作模式可將發送信號增強6倍（不加CC2592點對點無遮擋傳輸距離為80 m） ，傳輸距離達到480 m，解決了成本問題和傳統方式的布線復雜問題。

2.2 傳感器單元

子節點的傳感器單元主要由傳感器組成，為了實現對環境因子的數據采集，相對濕度傳感器采用國產的HM1500A，土壤溫度傳感器采用SLST1?5型數字溫度傳感器，光照傳感器采用歐恩公司生產的On9658，CO2濃度傳感器采用國內生產的小型傳感器MH?Z12。

表1 CC2530 RF寄存器設置

HM1500A使用微處理芯片，內置復位、看門夠及數據掉電保護電路，具有極強的抗干擾能力。本文選擇5 V供電，相對濕度和輸出電壓的關系為0～100%RH對應1～3.6 V，而且呈線性關系，因此具有很好的精確性和穩定性。傳感器與CC2530的P0_1直接連接。

SLST1?5新型數字溫度傳感器屬于單總線接口器件，內置DS18B20溫度傳感器，金屬導熱性高的原理保證了傳感器的靈敏度，從而實現對土壤溫度的準確監測。測量溫度范圍為-55～125 ℃，系統采用3.3 V電源對其進行供電，非常適合于溫室大棚環境下土壤溫度的采集。所以只需將SLST1?5的單總線接口與CC2530的P0_2引腳相連即可。

On9658內置高精度電壓源和修正電路，工作電壓范圍寬，溫度穩定性好，對可見光極度敏感。On9658采用5 V供電，溫度范圍在-20～75 ℃，因此適用于對溫室大棚的光照進行采集。光照傳感器On9658的電信號輸出通過560 kΩ的電阻與CC2530的P0_0相連，且需要外接10 kΩ的上拉電阻以保護數據傳輸的穩定性。

CO2濃度傳感器采用國內生產的小型傳感器MH?Z12。內置溫度傳感器，能夠進行溫度補償；無氧氣依賴性，壽命長。傳感器節點采用3.3 V對其供電。由于該傳感器具有放大電路和濾波電路，因此，MH?Z12輸出的電壓信號只需與CC2530的P0_3引腳連接就可以進行數據傳送。

2.3 電源模塊

網絡節點中處理器CC2530需要3.3 V供電， 而HM1500A和On9658需要5 V供電。為了滿足不同模塊對電源的需求，以及節點的便捷性，采用多節1.5 V干電池供電，通過LM1117輸出所需的3.3 V和5 V電壓。

3 系統軟件設計

本文設計的集群溫室大棚無線傳感器網絡主要有3種設備：上位機、協調器和子節點。網絡的建立是由此3種設備完成，但環境信息的上傳是通過系統的通信協議控制的。協調器和子節點的軟件設計都是基于Z?Stack 協議棧開發的。

3.1 協調器和子節點的軟件設計

在IAR Embedded Workbenchfor 8051 8.10 軟件的支持下，利用Z?stack 協議棧進行應用層上的功能開發。子節點和協調器遵循約定的通信協議進行數據的收發，通信采用主從式。溫室監測分中心向子節點發送命令的時候遵循一定的格式，如表2所示。為了保證每個子節點的正常運行，每次開機運行，監測分中心通過發送握手命令確定子節點是否聯機。協議規定了4種上傳命令：上傳溫濕度命令、上傳CO2濃度命令、上傳光照命令、上傳LED燈狀態命令。子節點收到監測分中心的命令之后，需要返回相應的命令數值并且也有一定的應答格式，如表3所示。子節點除了需要應答規定的4種上傳命令外，還需主動上報報警信息，以便保護溫室大棚的環境不受外來人員的破壞。

協調器連接著監測分中心和子節點，負責無線網絡的建立以及上位機和子節點之間的數據傳送。系統得電后，首先初始化硬件和協議棧，協調器掃描并選擇一個合適的信道建立一個新網絡，子節點發現網絡并加入網絡。組網完畢之后，協調器開始接收從監測分中心傳來的命令，并下達給子節點，然后將子節點傳來的數據傳輸給監測分中心。協調器的工作流程如圖4（a）所示。

子節點加入網絡后便開始進行定時采集工作，采集數據完成后觸發定時器中斷并進入低功耗模式，節約能耗，定時喚醒之后重新采集數據并更新原有數據。在此同時，子節點處于等待命令狀態，一旦有命令傳來，便將數據發送給協調器，協調器接到數據后發送給監測分中心，最終在上位機軟件中對數據進行顯示。子節點的軟件流程如圖4（b）所示。

3.2 上位機

溫室監測分中心的上位機軟件是基于VC++ 6.0開發的，將上述方案設計進行調試和實驗，系統采集到的數據在上位機界面顯示結果如圖5所示。

通過測試結果表明，系統運行正常，能全天候監測溫室內的濕度、土壤溫度、光照強度和CO2濃度。

4 結 語

本文利用CC2530芯片和CC2592范圍擴展器建立無線傳感器網絡，并將此網絡應用于集群溫室環境監測系統。實現了一種方便快捷的溫室環境監測方法，可以為植物提供一個理想的生長環境，節省了人力物力，降低了成本。該系統操作簡單，運行穩定，為集群溫室大棚環境監測提供了一種有效的解決方案。

參考文獻

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[9] 李樹江，段岳非.基于CC2430的溫室大棚環境信息采集系統設計[J].微型機與應用，2012，13（19）：31?34.

[10] Texas Instruments. CC2592 datasheet [EB/OL]. [2015?03?16]. http：//www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/CC2592.pdf.