基于CC2530的温室无线采集与控制系统设计与实现

0 引言

农业是国家发展的基础。中国是农业大国，却不是农业强国，大力发展温室农业是提高我国农业水平的重要途径。温室作为现代农业的重要组成部分，使农业生产可以不受气候、地域的限制，大大地提高了作物产出。目前，我国温室的智能化和信息化水平仍十分落后。采集和控制是现代温室的两个基本构成，目前温室的采集和控制大多采用线缆传输，当传感器和控制设备较多时，线路杂乱，施工难度大、成本高，维护升级困难，而且温室的高温度、高湿度、酸性环境极易造成线路腐蚀老化，影响系统的可靠性和安全性。针对这些问题，本文设计了基于CC2530的温室无线采集与控制系统，该系统不仅实现了温室多点数据的实时采集和无线上传，而且实现了设备控制的无线化和自动化，系统运行过程中几乎不需要人的参与，具有很高的应用价值。

1 系统总体设计

系统结构如图1所示。通过若干分布在温室中的传感器节点采集数据，无线发送至中心节点，中心节点汇集各采集节点的传感数据并上传到监控计算机，监控计算机进行数据处理、显示和存储，根据数据处理结果下达控制命令，并经由中心节点无线发送给控制设备，实现采集与控制的自动化和无线化。

2 硬件设计

2.1 主控芯片

系统采用CC2530无线SOC作为主芯片，它将微处理器和无线射频模块集成到一块芯片上，是TI公司推出的新一代ZigBee解决方案。CC2530的微处理器核心为一款增强型8051单片机，配有8KB的SRAM内存和32/64/128/256KB容量可选的flash闪存，时钟频率达到32MHz，能满足不同应用对数据处理的要求，休眠时自动切换到32KHz低频模式，最大限度地降低能耗：无线射频模块的核心是CC2520芯片，工作在ISM免许可认证频段2.4GHz，采用DSSS扩频技术，具有出色的接收灵敏度(-98dm)和链路预算(103dB)，最大传输速率 250Kbps，完全符合IEEE802.15.4协议标准。

2.2 传感器节点

本系统选用DHT11温室两用型数字传感器，该传感器为单总线数字信号输出，工作电压3.3～5.5V，温度测量范围0～50℃，精度±2℃，湿度测量范围20～90%RH，精度±5%RH。图2是DHT11的电路连接图。

DHT11通过一根数据线与CC2530模块相连接，构成采集模块，一次读取结束后，温度和湿度数据在数据线上按位传输、图3为传感器节点框架图。

2.3 控制节点

由于气候多变，温室经常由于恶劣天气等原因而不得不关闭窗户，此时室内空气不流通，受温室覆盖材料散热等原因影响，室内温度、湿度等重要的环境因子会分布不均，直接影响作物生长的均匀性，因此有必要采取室内循环通风措施，使室内气候均匀、稳定。

本系统的控制对象为温室内循环通风用的风机，风机型号CBF-400防爆型轴流风机，风量2880m3/h，功率0.37kW，试验温室面积为 10*8m2，采用两台这样的风机能很好地满足要求。该风机工作电压220V/AC，采用直流继电器驱动，为提高驱动能力和抗干扰能力，增加了功率放大器和光耦隔离器件。CC2530主控板通过一个I/O引脚控制直流继电器，从而控制风机启、停。图4为控制节点框架图。

3 软件设计

3. 1 节点程序设计

3.1.1 网络协议

目前常用的短距离无线通信协议有ZigBee、Bluetooth、Wi—Fi、UWB等，其中ZigBee以其低功耗、低速率、大网络容量、动态组网、高安全性等特点成为无线传感器网络的最佳选择。ZigBee定义了网络层和应用层规范，物理层和介质访问控制层(MAC)基于 IEEE802.15.4协议标准。

ZigBee网络有三种拓扑形式：星型、树型、网状，其结构如图5所示。星型网络和树型网络不能改变网络拓扑，适合于不需要移动的场合。网状网络中节点能自由地与周围的节点通信，网络拓扑可动态调整，能够满足高移动性的要求，而且网络扩展十分方便。本系统网络规模虽然不大，但为方便移动和后期扩展，采用网状网络拓扑结构。

3.1.2 程序结构

节点的程序基于TI公司的Z-Stack协议栈， 它引入了操作系统抽象层OSAL(Operating System Abstraction Layer)机制来处理多任务。OSAL按优先级从高到低的顺序轮询物理层、MAC层、网络层、应用层是否有任务要执行。若有高优先级任务，立即跳转进入该任务处理子程序，处理结束后再次从最高优先级开始新一轮查询;若查询结束 发现没有任务要执行，系统会转入休眠，以节约能量。图6是OSAL的任务处理流程图。

本系统采用的Z-Stack版本为ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0，在采集节点程序中添加了一个SEND_DATA_EVENT任务，用于执行传感器采集和数据发送功能;在中心节点程序中添加了一个SEND_CMD_EVENT任务，用于发送控制命令，控制节点中添加相应的命令接收与解析程序。

3.2 上位机软件设计

传感器采集到的数据上传到上位机，上位机进行处理、存储。图7为上位机软件显示效果图。该软件由VC++6.0编写完成，能够实时动态显示各采集节点的温湿度数据，并绘制出变化曲线。采集到的数据按设定的格式存储为.txt文本文档，保存到中心计算机的硬盘上，便于后续进行温室建模等深入研究。

4 系统测试

分别在外置电源和电池供电两种模式下测试系统。

在外置电源供电时，节点在1秒采样1次的较高采样频率下一直持续稳定运行;在两节AA电池供电时，节点每2min采样1次，其余时间进入休眠，系统能持续运行一周。考虑到温室一般对采样频率要求不高，可以将采样间隔设置为10分钟甚至更长。若采用大容量电池，续航能力可以延续至数月甚至几年，以适应某些无法提供外置电源的工作环境。图7为测试中的上位机数据显示界面，图8为存储到计算机的数据格式。

在持续两周的观察期内，轴流风机启、停控制准确率为100%，控制可靠性很高。实验表明该系统工作稳定、可靠，低功耗性能卓越，具有很高的实用性。

5 结论

本系统实现了温室环境的无线监测和设备的无线控制。无线采集节点可以方便地布置在温室的不同位置，能够有效地获取整个温室的环境信息。与传统的温室有线测量与控制系统相比，简化了布线任务，节省了人力成本。整个系统的成本较传统有线系统更低，并且维护和升级都非常方便，为未来温室的智能化、无线化提供了一种解决方案。