摘  要： 針對現有溫室環境監測系統存在的不足，設計了一種基于ZigBee無線傳感器網絡的監測系統，通過軟硬件相結合實現了溫室環境數據的實時監測。硬件部分以CC2530為核心構建ZigBee無線傳感器網絡，包括傳感器節點、匯聚節點；軟件部分包括傳感器節點的數據采集和發送、匯聚節點數據接收和發送、上位機監測管理3個部分。采用LabVIEW對上位機監測軟件系統進行開發，人機交互界面友好。測試結果表明，該系統工作性能穩定，結構簡單，布點靈活，可以實現溫室內環境數據的無線監測。

　　關鍵詞： 溫室環境；ZigBee；CC2530；無線傳感器網絡；LabVIEW

　　近年來，隨著我國農業科技的發展，以溫室種植技術為代表的現代化農業得到了廣泛的推廣與應用，而溫室內的溫濕度、光照強度以及二氧化碳含量等環境因子直接影響農作物的生長。因此，對溫室環境進行實時監測是非常重要的，可以有效、準確地了解當前農作物生長狀況，并及時采取措施調控溫室環境，使溫室環境達到最佳狀態[1]。

　　目前我國溫室環境監測主要基于有線方式，其存在布線復雜、抗干擾能力差、投資成本高和安裝維護的難度大等缺陷。隨著無線通信技術的發展，ZigBee無線網絡以其近距離、低成本、低速率、低功耗、短時延、高可靠性等特點，在農業溫室中得到了廣泛的應用[2-4]。本文設計的溫室環境監測引入ZigBee無線通信技術，其不但可以降低系統成本和功耗，而且提高了監測網絡的可擴展性，減少設備維護成本，使整個監測系統得到有效的優化。系統采用CC2530芯片為核心設計匯聚節點和傳感器節點，系統根據傳感器節點釆集溫室環境參數，利用ZigBee無線網絡將傳感器釆集的數據信息發送至匯聚節點，匯聚節點通過RS-232串口上傳到監測中心進行信息的存儲、顯示和查詢，同時監測中心可向傳感器節點發出控制指令進行環境參數的采集。

　　1系統總體結構

　　根據溫室環境的應用需求，溫室環境監測系統由ZigBee無線傳感器網絡和上位機監測中心兩部分組成。無線傳感器網絡由分布在溫室中的ZigBee節點組成，包括傳感器節點和匯聚節點，其網絡的拓撲結構采用星型網絡；上位機監測中心由一臺PC充當。系統總體結構如圖1所示。

　　在溫室環境監測網絡中，傳感器節點采用簡化功能設備RFD，可以與匯聚節點進行通信，主要配置一些溫度、濕度、光照強度等類型的傳感器，負責采集溫室內的環境參數，并將釆集到的數據以無線的方式傳遞到匯聚節點；匯聚節點采用全功能設備FFD，主要負責網絡的建立與維護，接收傳感器節點發送的數據，并通過串口RS-232將數據傳送到上位機監測中心，同時發布監測中心的指令；上位機監測中心利用LabVIEW軟件編寫，主要負責數據的接收、顯示和存儲，用戶通過監測中心能夠實時了解到監測區域內環境變化，并據此實時制定相關調控方案。

　　2 系統硬件設計

　　2.1 傳感器節點的硬件設計

　　傳感器節點主要負責環境數據的采集、預處理和無線傳輸，按照模塊化的設計思想，主要由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊、電源管理模塊組成。傳感器節點的硬件結構框圖如圖2所示。

　　處理器模塊和無線通信模塊采用TI公司的CC2530芯片[5]，其片上集成了IEEE802.15.4標準2.4 GHz頻段的RF收發器和高性能低功耗的8051微處理器。CC2530芯片與外圍模塊功能實現包括：（1）通過A/D轉換接口控制傳感器模塊釆集溫室環境參數因子；（2）控制無線通信模塊實現物理數據的接收與發送；（3）通過串口RS-232實現匯聚節點與監測中心的通信。

　　溫濕度傳感器采用瑞士Sensirion公司的STH11芯片，其具有精度高、成本低、體積小、接口簡單等優點且采用數字信號輸出[6]。SHT11和處理器通信采用串行二線接口SCK和DATA，其中時鐘線SCK用于微處理器與SHT11之間通信同步，DATA是雙向串行通信線，負責傳送數據，同時DATA數據線需要外接上拉電阻。CO2傳感器采用T6004芯片，光照強度傳感器采用BH1750芯片，它們均是采用數字信號輸出，提供了簡單的接口電路。

　　考慮到傳感器節點實際工作環境，節點的電源模塊采用3節干電池供電，在設計時應重點考慮節點功耗問題。

　　2.2 匯聚節點的硬件設計

　　匯聚節點同樣以TI公司的CC2530芯片為核心，在接口上增加了與上位機通信的RS-232電平轉換電路，在CC2530芯片中有USART0與USART1兩個通信串口，RS232電平轉換電路采用MAX232芯片。匯聚節點硬件結構框圖如圖3所示。

　　考慮到匯聚節點與上位機相連，因此電源管理模塊采用市電供能，市電220 V通過電源適配器轉換成5 V直流供電，再通過AS1117-3.3線性穩壓芯片將5 V電壓降至3.3 V工作電壓，滿足CC2530芯片所需的3.3 V供電需求。電壓轉換電路如圖4所示。

　　3 系統軟件設計

　　3.1 傳感器節點的軟件設計

　　傳感器節點的主要任務是負責溫室環境數據的采集，并把數據封裝成一定的數據包格式發送至匯聚節點（協調器節點）。節點上電后，首先進行CC2430硬件的初始化和ZigBee協議棧的初始化，并完成相關參數及工作模式的設置；然后申請加入網絡，一旦加入網絡成功，就進入時間輪詢模式。為了降低節點功耗，本設計釆用休眠—喚醒的工作機制，只有在定時時間到時，節點被喚醒并轉入工作模式，完成數據的采集與無線發送。傳感器節點工作流程如圖5所示。

　　3.2 匯聚節點的軟件設計

　　匯聚節點主要負責整個ZigBee網絡的建立和維護、允許傳感器節點的網絡加入以及數據的處理，并通過串口RS-232將數據傳送至上位機。具體過程為：匯聚節點上電后，首先進行CC2430硬件和ZigBee協議棧的初始化；然后進行信道搜索，建立網絡，允許節點的入網申請并為其分配地址；接著接收節點上傳的數據，并通過串口將數據傳送給上位機。同時，匯聚節點也負責接收上位機的相關指令，并傳送至相關的傳感器節點。匯聚節點流程圖如圖6所示。

　　3.3 上位機監測中心的軟件設計

　　監測中心軟件系統采用LabVIEW進行開發，LabVIEW是美國NI公司推出的一種基于圖形化編程語言的虛擬儀器軟件開發平臺。人機接口采用圖標創建，很容易建立友好的人機交互界面，具有編程簡便等特點。監測中心軟件主要包含：數據顯示模塊、串口通信模塊以及數據庫訪問模塊。通過該軟件實現溫室內節點采集到的環境數據因子的存儲、顯示、分析和查詢等功能，實現對溫室環境的監測管理。

　　4 測試與結果分析

　　通過上位機監測界面，很容易將數據簡單易懂地呈現出來。以溫濕度為例來測試系統能否正常工作以及系統的性能是否達到溫室監測的需求，通過標準溫濕度計與SHT10溫濕度傳感器比較測量結果，從早上8：00-15：00每隔1小時采集溫室環境的溫度與濕度，測量數據對比如表1所示。

　　測量的結果表明：監測系統所采集的數據與溫濕度計所測的數據存在一定的誤差，其中溫度誤差不超過 0.5℃，濕度誤差不超過1%RH，整體誤差較小，在允許范圍之內。同時，表1說明采集的數據已經通過ZigBee無線傳感器網絡發送出去，且整個無線網絡數據傳輸穩定可靠。

　　本設計將基于ZigBee的無線傳感器網絡技術應用于農業溫室的環境監測中，改變了傳統有線監測的方式。設計了星狀的無線傳感器監測網絡，對溫室環境因子進行采集；完成了節點硬件設計和軟件設計，設計了基于LabVIEW的上位機監測管理模塊，實現數據顯示和存儲功能，使整個網絡監測可視化。測試結果表明，該系統節點布置靈活、工作穩定、擴展性強，能有效地對溫室中環境因子進行監測。

　　參考文獻

　　[1] 張興偉.基于WSN的溫室環境監測系統研究與設計[D].太原：鄭州大學，2013.

　　[2] 陳曉燕，龐濤.基于ZigBee網絡的溫室節水灌溉系統設計[J].傳感器與微系統，2013（5）：82-85.

　　[3] 苗連強，胡會萍.基于ZigBee技術的溫室環境遠程監測系統設計[J].儀表技術與傳感器，2010（10）：108-110.

　　[4] 韓華峰，杜克明，孫忠富，等.基于ZigBee網絡的溫室環境遠程監控系統設計與應用[J].農業工程學報，2009，25（7）：158-163.

　　[5] 李新慧，俞阿龍，潘苗.基于CC2530的水產養殖監控系統的設計[J].傳感器與微系統，2013（4）：85-88.

　　[6] 陳子龍，張紅雨，李俊斌.CC2540和SHT11的無線溫濕度采集系統設計[J].單片機與嵌入式系統的應用，2013（4）：41-44.