基于zigbee的温室环境多参数传感器

基于zigbee的温室环境多参数传感器

0气调与传感节点的配合温室是农业的重要组成部分。通过对温室多参数监测数据的分析,结合作物生长规律,控制环境条件,使作物在不适宜生长的反季节中,可获得比室外生长更优的环境条件,从而达到优质、高产、高效的栽培目的。而传统的温室智能监控系统采用导线连接,在传感器、信号处理器以及控制单元之间需要大量电缆,在大面积的温室群中布线是十分困难的,而且增加了温室的建造成本。新兴的ZigBee技术正是解决这一问题的关键。ZigBee技术具有节点能耗低、成本低、应用简单、组网能力强等优点。在温室监测系统中应用无线传感网络技术,对温室多参数进行监测,摆脱自然环境对农业的影响,提高农产品产量和品质,有着极其重要的意义。同时,为解决传感节点数据发送碰撞的问题,科研工作者设计了好多种防碰撞算法,如ALOHA、时隙ALOHA、动态时隙ALOHA等。但这些防碰撞算法的设计原理都是随机发射数据,系统的可靠性得不到保证,而且在传感节点数量巨大的情况下,发生碰撞的几率也会大幅增加。为此,提出了解决非同步状态的多传感节点要求下的碰撞问题的算法。采用了时间片调度法作为设计无线传感网络的防碰撞的算法,对于降低系统功耗具有实际意义。1基于星型网络的观测系统完整的ZigBee协议栈由物理层(PHY)、介质访问控制层(MAC层)、网络/安全层和应用架构层4部分组成。其中,IEEE802.15.4制定前2层标准,ZigBee联盟在IEEE802.15.4基础上定义了网络、安全层和应用架构层。ZigBee组网灵活,可构造星型网、树型网以及网状网。本系统网络的基本拓扑结构为总线型,其物理结构可进行树型扩展,传感节点与基站之间是星型网络。系统的组成结构,如图1所示。传感节点与汇聚节点之间是星型网络拓扑,每个汇聚节点最多可外接254个传感节点,系统可以外接32个汇聚节点,以满足现有现代化大中型温室的需要。给传感节点加上测量环境参数所需的传感器,采集温室的温湿度数据。传感节点通过无线通信把信息传送给汇聚节点,汇聚节点通过Zigbee网络把数据送到网关,网关通过串口总线RS-232把数据上传到上位机。2系统硬件设计2.1传感采集单元温室无线传感节点主要功能是采集环境参数,然后将数据发送给汇聚节点。它由传感采集模块、数据处理模块、无线通信模块和能量供应模块4个部分组成,如图2所示。同时,设计中根据实际情况增加了报警电路。由于温室环境中主要监测温度、湿度、光强度、二氧化碳浓度等一系列参数,所以本设计传感器分别采用SHT21,TSL2561,SH-300-DH。进行监测的第1步就是要进行数据采集,并且将采集到的数据准确无误地传递给数据处理单元,这就是传感采集单元的主要功能,基本结构如图3所示。传感元件在采集到相应数据后,传送到传感器辅助电路或者前级放大电路,再经滤波电路和后级放大电路,最终送到传感节点的数据处理单元。核心芯片CC2530内嵌了单片机和射频模块,传感节点中的数据处理单元和无线通信单元放在一起。基于CC2530芯片的应用电路如图4所示。CC2530通过插座分别于能量供应单元和传感器单元连接,其主要特点是功耗低、发射功率强、成本低。CC2530采用的直接序列扩频(DSSS)调制解调,IEEE802.15.4标准中2.4GHzDSSSRF调制格式和扩频功能。2.1.1cc2030及sht21芯片的电路设计针对温室环境中的温度和湿度进行测量,选用SHT21芯片。其特点是高集成度、全标定和数字输出。由SHT21芯片构成的温、湿度接口电路,如图3所示。CC2530芯片与SHT21芯片之间通过IC标准总线进行通信,其接口简单可靠。该电路中的主机是CC2530芯片,由它发出对环境参数测量的采集启动信号。SHT21的时钟线SCL和数据线SDA分别接P0_0和P0_1,同时分别接1只10kΩ的上拉电阻。其中,时钟输入线SCL与CC2530保持通讯同步,数据线SDA负责收发通信协议命令和数据,其电路设计如图5所示。2.1.2工作电压工作范围选择TSL2561光强传感器检测温室大棚的光照度。各引脚的功能如下:脚1和脚3分别是电源引脚和信号地。其工作电压工作范围是2.7～3.5V。脚2为器件访问地址选择引脚,由于该引脚电平不同,该器件有3个不同的访问地址。脚4和脚6为总线的时钟信号线和数据线。脚5为中断信号输出引脚。当光强度超过用户编程设置的上下阙值时,器件会输出一个中断信号。TSL2561光强度传感器与I/O相接,电路原理图如图6所示。2.1.3u3000响应面ds采用SH-300-DH监测大棚内的二氧化碳浓度。该模块主要应用于CO2含量的检测,具有体积小、反应灵敏和检测精度高等优点。其主要性能参数如下:①检测范围:0～3000×10-6。②精度:0～3000×10-6,10～50℃。③响应时间:小于30s(0～80%);数据更新时间:2s。④预热:小于90s(25℃)。⑤输出:模拟:0～3V;数字UART:默认波特率9600bps。⑥输入电压:DC7V-12V;该模块具有模拟量输出和数字量输出两种方式。在系统设计中,采用的数字通信方式,该传感器的数字输出脚直连到单片机的RXD管脚上,电路图如图7所示。2.1.4蜂鸣器报警时间系统专门设计了报警电路模块,由晶体管和蜂鸣器组成。由CC2530的I/O口输出信号控制晶体管的导通或截止,晶体管导通,则蜂鸣器报警。当某个监控参数长时间(具体时间有程序设定)超出其合理的上下限范围时,报警系统启动。它与CC2530的连接电路如图8所示。2.1.5电池放电系统本传感节点设计电源供应设计为使用电池直流供电。当用电源供电时,把交流电源220V变到直流5V的电源模块来供电,或直接使用USB供电。由于CC2530的电压范围为2.1～3.6V,因此系统还需要将5V电源稳压为3.3V电源,这里使用电平转换芯片AMS1117来实现。AMS1117无需输入电容,需要在稳压器输入与地线之间连接一个10μF的固态钽电容来维持器件的稳定性;需要0.047pF～0.1μF的电容作为旁路电容,来改善负载瞬态响应和噪声抑制功能。电源电路如图9所示。2.2系统调度管理结合监测方案的设计,考虑到网络架构,本系统的汇聚节点是一个没有检测功能仅带无线通信接口的特殊网关设备,结构如图10所示。其主要包括以下几个部分:1)电源系统。电源产生、电压变换、电源管理等,可采用电池或者市电供电。2)处理器模块。对整个系统进行管理、控制。3)节点通信模块。负责与传感器节点之间交换信息工作。4)无线通信模块。负责与网关之间进行无线通信工作。汇聚节点的核心部件仍选择CC2530芯片,其处理器模块和无线通信模块传感节点的设计相同。汇聚节点的主要功能是接收传感节点发送的数据,并将其通过Zigbee网络上传到网关。2.3栈之间的通信协议转换网关节点实现两个通信网络之间数据的交换和实现两种协议栈之间的通信协议转换的功能,它发布管理节点的监测任务,并把收集到的数据转发到外部网络上。其硬件设计与汇聚节点相同,只需将汇聚节点的无线通信模块改为串口通信模块。3传感节点初始化本文设计的温室无线传感网络的拓扑结构是星型网络,每个传感器节点只能与本星型网络中的汇聚节点进行通信。传感节点的CC2530芯片被分配到一个唯一的网络ID分配成功后,节点可以在这唯一的ID表示的网络中进行收发数据。当传感节点初始化后,首先寻找与其绑定的汇聚节点所建立的ZigBee网络,等待汇聚节点将其加入网络中,进行无线通信,之后汇聚节点将信息无线传给网关,网关再通过RS232传给上位机。软件设计分为网关节点设计、汇聚节点设计和传感器节点设计3部分,具体软件流程分别如图11所示。为了更便捷地实现数据观测,温室监测系统上位机监控界面采用图形化的编程语言Labview软件编写,实现对终端节点上传数据的采集与处理在进行PC机和网关串行通信前,首先配置好串口(即串口初始化),使计算机串口的各种参数设置与无线收发模块的串口参数保持一致,从而能够正确的通信。4传感节点时间片调度算法根据温室面积和节点有效覆盖范围的要求,在一个温室中布置3个汇聚节点,汇聚节点与传感节点组成星型网络。为了保证传感网络的可靠性和测量数据的高精度,每个星型网络中的传感节点不少于30个。本温室监测系统要求30个传感节点同时向汇聚节点发送数据时,尽最大可能减少因传感节点碰撞所造成的丢包,要求汇聚节点的丢包率小于10-4。本文利用外部32kHz的晶振来产生一个4s周期,避免了单片机的WDT或定时器精度不高而带来的误差。4s周期被划分为256个时间区间,每个区间对应一个传感节点,这样最多可容纳256个传感节点,每区间内再划分成256个校正级。由汇聚节点开启一个16位定时器,设置其步长为64μs,求出定时器周期T是4.2s。在接收到一个传感节点发射的信息之后,汇聚节点将定时器的当前值加在传感节点的地址之后,再发送给原传感节点。定时器的值就是传感节点调节自身发射时间的标准,传感节点只能在规定的时间区间内向汇聚节点发送信息。传感节点的发射时间作如下修改:设N是传感节点标号的低字节,并且也为传感节点设置了一个16位的定时器,步长是64μs,MH是汇聚节点的定时器的高字节,ML为低字节。我们要达到如下目标:N=MH,ML=128;时区调整值TH=|N-MH|,时区内校正值TL=|128-ML|。笔者设计了下面的算法:1)当N<MH,ML>128时,此时发射时间已经超过了规定的发射时间,需要把定时器的低字节设为TL,高字节设为TH,启动定时器发射,然后休眠;当N<MH,ML≤128时,需要把定时器的低字节设为128+ML,高字节设为TH-1,启动定时器发射,然后休眠。2)当N≥MH,ML≥128时,此时发射时间已经超前了规定的发射时间,需要把定时器的低字节设为TL,高字节设为256-TH,启动定时器发射,然后休眠;当N≥MH,ML<128时,需要把定时器的低字节设为256-TL,高字节设为256-TH,启动定时器发射,然后休眠。采用该时间片调度算法的前几个4.2s周期内,传感节点发送数据到汇聚节点时,仍有可能发生碰撞,因为还没有调整好;但是全部传感节点都调整完成并进入规定的时隙之后,理论上来讲可以消除全部碰撞,从而满足了系统丢包率的要求。在这种算法的设计中,传感节点不需要因为没有收到汇聚节点的应答信息而重发。发射次数减少,自然节点的功耗就降低了,从而满足了系统低功耗的要求,这也是本算法的意义所在。经过实验研究,可以得出划时间片的算法取得了良好的效果。表1所示的实验结果也验证了这一点。5温室数据采集与测试结果在长50m、宽10m,面积为500m2的标准温室里面做实验,每个温室内布置3个汇聚节点,每个汇聚节点配置30个传感节点,传感节点的监测范围足以覆盖整个温室。选取其中一个汇聚节点和其对应的传感节点来进行测试,网关通过串行接口与上位机相连。数据采集命令由网关发出,采集时间间隔为2s。当传感器节点接收到数据采集命令后,开始执行相应的数据采集子程序。只采集温、湿度和光强度、二氧化碳浓度4个物理量。采集到数据经过无线传输到汇聚节点,汇聚节点执行中转通信程序,将信息传送给网关,网关通过串行接口将数据上传给上位机。上位机主控软件将显示最终的数据。表2显示的是不同时间段温室监测的数据结果。采样结果显示温度的精度为0.1℃,湿度的精度为0.1%,且在一定的时间段内,温室环境比较稳定,测试值也在所预计的范围值之内,测试结果表明设计满足温室多参数监测的需要。所设计的温室多参数监测系统还可以通过外扩完成以下功能:①可以调整PAIN值,使新的传感器节点方