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基于无线传感器网络的大棚环境参数采集系统

作者:时间:2012-06-04来源:网络收藏

摘要:为了实现温室内的温度、湿度和CO2浓度的数据,设计了一种超低功耗的,解决了传统监测布线复杂、维护困难等问题。分析了测量节点所采用微控制器、收发器的工作特点以及功耗,描述了无线节点的结构原理,给出了软件的设计方案和通信方法。实测结果表明,所设计的系统硬件结构简单可靠,功耗较小,通信距离较远,达到了测量的设计要求。
关键词:无线;超低功耗;温室;温湿度;CO2浓度

随着人们对新鲜蔬菜需求的不断提高以及土地资源的日渐紧缺,生产效率较高的温室农业得到了迅速发展。温室大棚内温湿度等因素对农作物的生长有着直接影响,对温室大棚内的温度、湿度及二氧化碳等的检测和控制至关重要。传统的温室数据工作大多是采用人工抄表或预先布线的有线方式。人工方式的缺点是工作量大、费用高、难以保障数据的实时性和有效性,而有线数据采集存在着布线
费用高、测量节点位置变化时需要改变线路走向及长度等诸多不利因素。
文中采用无线技术设计了一种温室大棚温度、湿度及二氧化碳测量系统,具有超低功耗、不需布线、测量节点移动方便等优点,克服了人工抄表和有线数据采集系统的诸多缺点。

1 硬件设计
无线网络节点的电路原理图如图1所示。它主要由MCU控制单元、射频收发单元、温湿度传感器、二氧化碳浓度传感器构成。所有单元均采用低功耗器件,MCU采用中颖电子的具有休眠功能的SH79F64单片机,温度和湿度测量单元采用SENSIRON公司的具有休眠功能的SHT75温湿度传感器,CO2浓度测量采用GSS公司的功率仅为3.5 mW的COZIR传感器,射频收发单元采用SILICON LABS公司的具有休眠功能的SI4432无线收发器。所有器件均采用3.3 V供电,便于电池集中供电。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/160513.htm

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上位机无线模块硬件设计可采用类似结构,取消传感器部分,增加SILICON LABS公司的CP2102单芯片USB与UART桥接单元,通过USB口连接PC机。PC通过USB接口给无线模块供电。
1.1 MCU单元
MCU采用中颖电子生产的SH79F64低功耗单片机,SH79F64是一颗低功耗高性能8位芯片,SH79F64内嵌加强8051核,具有高速高效率特性。在同样振荡频率下,较之传统的8051芯片它具有运行更快速的优越特性。它保留了标准8051芯片的大部分特性。这些特性包括内置256字节RAM和3个16位定时器/计数器,2个EUART,外部中断INT0和INT1。此外,SH79F64还集成了外部2776字节RAM(不包括LCD RAM),1路8位PWM输出,外部中断INT2和INT3,可兼容8052芯片的16位定时器/计数器(Timer3)和适合存储程序和数据的64k字节flash以及1 k字节类EEPROM存储器。
除具有普通单片机的功能,SH79F64还具有其他特点:
1)强大的处理能力 SH79F64虽然是8位单片机,但是机器周期为1个振荡器周期,而传统型51内核机器周期为12个振荡器周期。其指令执行效率约为同频率的传统8051的8~10倍。另外还提供增强型的乘/除法指令,支持16 bitx8bit和16 bit÷8 bit运算,提供双DPTR指针,用户在使用查表,数据搬移等操作时会更方便。
2)丰富的数据存储区域 SH79F64提供64 k字节FLASH ROM,每1 k字节为1个扇区(SECTOR),每个扇区可分别进行加密。如果没有加密,每个扇区可分别单独进行编程和擦除。整体擦除(MASS ERASE)可以擦除所有扇区。SH79F64的全部64 k BYTE都可用于存储程序和数据,存放在FLASH ROM中的程序可以对不在同一扇区的FLASHROM编程(SSP模式),因此可以当作EEROM来使用。另外提供1 k字节的客户信息区/类EEPRO M块区用于存放用户数据,每个扇区(SECTOR)为256字节。
3)高性能模拟技术及丰富的片上外围模块 SH79F64内部集成的有:3个16位定时/计数器T0、T1和T2,1个16位定时器T3,看门狗定时器,1路8位PWM定时器,4/5x40/39段LCD驱动器,EUART、IR、TWI和SPI等标准通信模块,8通道10位AD转换器,蜂鸣器输出等。
4)超低功耗 其供电电压为2.4~3.6 V,内建低电压复位功能和低电压检测功能。系统可采用双时钟方式,支持两种省电模式:IDLE模式和掉电模式。当系统时钟采用高速时钟,外围模块采用32 768 Hz时钟时,掉电模式将停止CPU时钟信号,用于定时器3的时钟可以开启,此时的工作电流不超过20μA。
MCU是无线测量节点的核心,在无事件发生时工作于掉电模式,当无线模块收到数据时会通过IO口唤醒SH79F64进人活动工作状态。SH79 F64功能丰富,编程方式灵活,完全可以满足无线测量节点的设计需求。


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