李建勇,劉雪梅,李 洋

(1.西北工業(yè)大學(xué) 明德學(xué)院,陜西 西安 710124；2.杭州娃哈哈集團(tuán)有限公司 浙江 杭州 310020)

基于SimpliciTI的大棚溫濕度無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李建勇1,劉雪梅1,李 洋2

(1.西北工業(yè)大學(xué) 明德學(xué)院,陜西 西安 710124；2.杭州娃哈哈集團(tuán)有限公司 浙江 杭州 310020)

針對目前溫室大棚溫濕度監(jiān)測大多采用人工監(jiān)測或有線監(jiān)測方式,設(shè)計(jì)了一種基于SimpliciTI的大棚溫濕度無線監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)以遵循SimpliciTI協(xié)議的CC2500無線收發(fā)器組成星型無線傳感器網(wǎng)絡(luò),傳感器節(jié)點(diǎn)采用HTU21D數(shù)字溫濕度傳感器測量各節(jié)點(diǎn)溫濕度值,由OLED12832模塊現(xiàn)場顯示,中央節(jié)點(diǎn)把收到的數(shù)據(jù)經(jīng)串口上傳PC機(jī),并用由VC++6.0制作的監(jiān)視軟件進(jìn)行顯示和記錄。測試表明,該系統(tǒng)具有成本低、組網(wǎng)靈活、測量精度高和實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

SimpliciTI；大棚溫濕度監(jiān)測；CC2500；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；HTU21D

溫度、濕度對溫室大棚中作物的質(zhì)量和產(chǎn)量有著至關(guān)重要的影響,然而目前對溫濕度監(jiān)測大都采用人工監(jiān)測或有線監(jiān)測方式。人工監(jiān)測方式不僅費(fèi)時費(fèi)力、效率低,而且測量誤差大,隨機(jī)性大。有線監(jiān)測方式,當(dāng)監(jiān)測點(diǎn)較多情況下,布線繁瑣、維護(hù)困難,系統(tǒng)的成本高、靈活性差［1］。

現(xiàn)在隨著農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)規(guī)模的提高和大棚數(shù)量的增多,人工監(jiān)測或有線監(jiān)測方式的局限性越來越明顯,因此,基于低功耗射頻協(xié)議SimpliciTI設(shè)計(jì)了一種低成本的大棚溫濕度無線監(jiān)測系統(tǒng)。

1 SimpliciTI協(xié)議

SimpliciTI是TI開發(fā)的一份專門針對其CCxxxx系列無線通信芯片的簡單低功耗射頻網(wǎng)絡(luò)協(xié)議［2-3］,具有支持休眠設(shè)備,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)靈活,支持p2p的連接方式和帶有用于存儲并轉(zhuǎn)發(fā)至終端器件的接入點(diǎn)的星型網(wǎng)絡(luò)通信,使用方便和成本低等特性。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)由傳感器節(jié)點(diǎn)、中央節(jié)點(diǎn)和監(jiān)視軟件3部分組成,系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。傳感器節(jié)點(diǎn)主要由HTU21D溫濕度傳感器、MSP430G2553單片機(jī)、OLED12832顯示模塊和CC2500無線發(fā)射模塊等組成,采用2節(jié)5號電池供電；中央節(jié)點(diǎn)主要由CC2500無線接收模塊、MSP430G2553單片機(jī)和串口電路組成,采用PC機(jī)供電。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the power control unit test system

傳感器節(jié)點(diǎn)以MSP430G2553單片機(jī)為控制核心,采用HTU21D數(shù)字溫濕度傳感器測量各節(jié)點(diǎn)溫度和濕度,使用OLED12832顯示模塊現(xiàn)場顯示,通過由CC2500無線收發(fā)器組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳到中央節(jié)點(diǎn)的無線接收模塊,然后由單片機(jī)通過串口再傳到PC機(jī),并用由VC++6.0制作的監(jiān)控終端軟件進(jìn)行顯示和記錄等功能。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 主控模塊

系統(tǒng)采用TI公司的MSP430G2553單片機(jī)作為控制器。MSP430G2553單片機(jī)是16位超低功耗混合信號微控制器［4］, 1.8～3.6 V的低電源電壓范圍,5種低功耗工作模式,具有I2C和SPI串口通信等資源。

3.2 節(jié)點(diǎn)溫濕度傳感器模塊

溫濕度傳感器模塊采用法國Humirel的HTU21D溫濕度傳感器。HTU21D溫濕度傳感器濕度測量范圍為0-100﹪ RH,溫度測量范圍為-40～125℃［5］,具有很高的溫度精度和濕度精度 （±2﹪RH）,同時具有1.8～3.6 V的寬電壓工作范圍。HTU21D采用I2C接口與節(jié)點(diǎn)單片機(jī)的USCI_B0模塊（I2C模式）進(jìn)行通信。

3.3 無線收發(fā)模塊

中央節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)的無線收發(fā)模塊電路完全一樣,采用TI公司的CC2500無線收發(fā)器來進(jìn)行設(shè)計(jì),其電路圖如圖2所示。CC2500是一種低成本真正單片的2.4 GHz收發(fā)器［6］,數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá) 500 kbps,具有高靈敏度（2.4 kbps,2-FSK,1﹪誤碼率時為-104 dBm）、1.8～3.6 V的工作電壓范圍、多種調(diào)制模式（OOK、GFSK、2-FSK和MSK）等特點(diǎn),專為低功耗無線應(yīng)用而設(shè)計(jì)。CC2500通過SPI接口與MCU相連,只是在傳感器節(jié)點(diǎn)和中央節(jié)點(diǎn)與各自單片機(jī)連接的SPI接口略有不同。傳感器節(jié)點(diǎn)電路中 CC2500通過 SPI接口連接其單片機(jī)的USCI_A0模塊；中央節(jié)點(diǎn)電路中CC2500通過SPI接口連接其單片機(jī)的USCI_B0模塊。

圖2 無線收發(fā)模塊電路圖Fig.2 The circuit of wireless transceiver module

為增加節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控終端的通信距離,在CC2500的后面增添了高性能功率放大及低噪聲放大芯片RFX2401C［7］,外接SMA膠棒天線或小吸盤天線,有效通信距離最遠(yuǎn)可達(dá)1500m左右。

3.4 傳感器節(jié)點(diǎn)顯示模塊

傳感器節(jié)點(diǎn)顯示模塊采用0.96寸OLED12832顯示屏模塊。OLED12832顯示屏具有高分辨率、大于160°的可視角度、超低功耗、3～5 V的寬供電范圍、體積小、操作方便和功能豐富等特點(diǎn)。OLED12832可采用I2C或SPI接口通信,節(jié)點(diǎn)單片機(jī)采用IO口模擬I2C方式與之通信。

3.5 中央節(jié)點(diǎn)串口通信模塊

中央節(jié)點(diǎn)串口通信模塊采用單通道RS232線驅(qū)動器/線接收器MAX3221進(jìn)行設(shè)計(jì)。MAX3221的DIN和ROUT引腳分別與中央節(jié)點(diǎn) MSP430單片機(jī)的 UCA0TXD （P1.2）和UCA0RXD（P1.1）引腳相連,其DOUT和RIN引腳分別與DB9的第3和第2腳相連,然后可通過串口延長線直接與PC機(jī)相連。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要由傳感器節(jié)點(diǎn)程序、中央節(jié)點(diǎn)程序和上位機(jī)監(jiān)視軟件3部分組成。傳感器節(jié)點(diǎn)以中央節(jié)點(diǎn)為核心,遵循SimpliciTI協(xié)議組成星型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。傳感器節(jié)點(diǎn)和中央節(jié)點(diǎn)通信編碼采用 “$節(jié)點(diǎn)地址,溫度值,濕度值, N#”的格式進(jìn)行傳輸。

4.1 傳感器節(jié)點(diǎn)程序

傳感器節(jié)點(diǎn)程序首先對單片機(jī)、CC2500、傳感器和顯示器等硬件初始化,啟動一次加入中心節(jié)點(diǎn)的請求,當(dāng)?shù)玫街行墓?jié)點(diǎn)響應(yīng)后完成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)射端和接收端的握手工作,接著進(jìn)入到低功耗模式LPM3等待每隔1s的時間中斷喚醒,然后對HTU21D溫濕度傳感器讀取溫度值和濕度值,經(jīng)過換算后送到 OLED12832顯示模塊進(jìn)行顯示,和通過CC2500無線發(fā)射模塊向無線接收模塊發(fā)送數(shù)據(jù),最后再進(jìn)入LPM3模式,其流程圖如圖3所示。

圖3 傳感器節(jié)點(diǎn)程序流程圖Fig.3 Flow chart of sensor node program

4.2 中央節(jié)點(diǎn)程序

由于中央節(jié)點(diǎn)在創(chuàng)建無線網(wǎng)絡(luò)之后始終處于監(jiān)聽新節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)、接收節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)和通過串口傳輸數(shù)據(jù)到上位機(jī)的狀態(tài),具備存儲轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制,因此可以對長期工作在休眠模式的傳感器節(jié)點(diǎn)提供較好的支持,其流程圖如圖4所示。

圖4 中央節(jié)點(diǎn)程序流程圖Fig.4 Flow chart of the central node program

4.3 上位機(jī)監(jiān)視軟件

上位機(jī)監(jiān)視軟件采用VC++6.0軟件進(jìn)行設(shè)計(jì),其監(jiān)視界面如圖5所示,主要由節(jié)點(diǎn)溫濕度值的顯示區(qū)域、端口設(shè)置子界面、實(shí)時數(shù)據(jù)子界面和串口打開及關(guān)閉等組成,其中實(shí)時數(shù)據(jù)子界面不僅可以直接顯示接收到不同節(jié)點(diǎn)的溫濕度值,還能以文本格式按時間進(jìn)行存儲數(shù)據(jù)并能隨機(jī)查看。

圖5 上位機(jī)軟件監(jiān)視界面Fig.5 Monitor interface of software on PC

5 系統(tǒng)測試

針對本系統(tǒng)工作的可靠性和通訊性能,制作了3個傳感器節(jié)點(diǎn)和一個中央節(jié)點(diǎn),分別放在12個種植草莓的溫室大棚區(qū)域內(nèi)的測試點(diǎn)進(jìn)行測試。在同一個大棚內(nèi)以30米距離安排3個測試點(diǎn),PC機(jī)放在同一位置,然后一個一個大棚進(jìn)行測試,1號大棚實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)文本保存如圖6所示。測試結(jié)果表明,其平均溫度誤差為0.2℃,濕度誤差為1.5﹪,不僅符合溫室大棚對溫濕度的精度要求,上位機(jī)還能準(zhǔn)確顯示每個測量點(diǎn)的溫濕度值,進(jìn)行文本格式保存和能快速反應(yīng)周圍環(huán)境溫度和濕度的變化。此外本系統(tǒng)采用3 dB的2.4 GHz膠棒天線進(jìn)行測試,發(fā)現(xiàn)無線模塊輸出功率可達(dá)22 dBm,在空曠地帶有效傳輸距離可達(dá)1 600 m,該系統(tǒng)的無線傳輸能力在一家數(shù)量有限的溫室大棚空間內(nèi)是足夠的。

圖6 1號大棚實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)文本保存Fig.6 Experimental data of No.1 greenhouses saved on the text

6 結(jié)束語

實(shí)際測試表明,該系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求,傳感器節(jié)點(diǎn)不僅能準(zhǔn)確獲取溫濕度值和進(jìn)行顯示,通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還能較遠(yuǎn)距離可靠傳輸數(shù)據(jù),中央節(jié)點(diǎn)在收到數(shù)據(jù)后能迅速通過串口把數(shù)據(jù)上傳到PC機(jī),由上位機(jī)監(jiān)視軟件進(jìn)行顯示和記錄。此外還具有測量精度高、功耗低、成本低、組網(wǎng)靈活,人機(jī)界面簡單直觀、實(shí)用性強(qiáng)和穩(wěn)定性高等諸多優(yōu)點(diǎn),同時還能用于其他領(lǐng)域的溫濕度測量。

［1］鄭欣,門順治,秦寧寧,等.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的花卉大棚溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)［J］.自動化與儀表,2014（6）:22-25.ZHENG Xin，MEN Shun-zhi，QIN Ning-ning，et al.Temperature and humidity monitoring system for flower greenhouse based on IOT technology［J］.Automation&Instrumentation，2014（6）:22-25.

［2］趙仁濤,劉賓,張志芳,等.基于SimpliciTI協(xié)議的鋁電解槽電流分布采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.計(jì)算機(jī)測量與控制2014，22（2）:551-553.

ZHAO Ren-tao，LIU Bin，ZHANG Zhi-fang，et al.SimpliciTI protocol used in aluminum reduction cell current distribution acquisition system ［J］.Computer Measurement and Control，2014，22（2）:551-553.

［3］Texes Instuments Incorporated.SimpliciTI Overview［EB/OL］.http://www.ti.com.cn/cn/lit/ml/swru130b/swru130b.pdf.

［4］Texes Instuments Incorporated.MSP430x2xx Family User's Guide ［EB/OL］.（2008-12）.［2014-11］.http://www.ti.com.cn/cn/lit/ug/slau144j/slau144j.pdf keyMatch=MSP430x2xx Family User's Guide&tisearch=Search-CN.

［5］Humirel，INC.HTU21D［EB/OL］.（2014-04）.［2014-11］.http: //www.meas-spec.com/downloads/HTU21D.pdf.

［6］Texes Instuments Incorporated.Low-Cost Low-Power 2.4 GHz RF Transceiver［EB/OL］.（2014-11）.［2014-11］.http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/cc2500.pdf.

［7］RFaxis，INC.RFX2401C Product Brief［EB/OL］.（2014-03）.［2014-11］.http://www.rfaxis.com/downloads/RFX2401C.pdf.

Design of greenhouse temperature and humidity wireless monitoring system based on SimpliciTI

LI Jian-yong1,LIU Xue-mei1,LI Yang2
（1.Ming De College,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710124，China；2.Hangzhou Wahaha Group Company Limited,Hangzhou 310020，China）

Aiming at the greenhouse temperature and humidity monitoring mostly adopts manual monitoring or wired monitoring mode，designed a temperature and humidity wireless monitoring system based on SimpliciTI.The system has made use of CC2500 wireless transceiver which follows SimpliciTI protocol to form a star wireless sensor network，the sensor nodes use the digital temperature and humidity sensor of HTU21D to measure the temperature and humidity values of each node，displays by OLED12832 site，the central node transfers the received data to PC through the serial port，And uses the monitoring software made by VC++6.0 to display and record.The test shows that，this system has the advantages of low cost，flexible networking，high measuring precision and strong practicability etc.

SimpliciTI；greenhouse temperature and humidity wireless monitoring；CC2500；wireless sensor network；HTU21D

TN98

：A

：1674-6236（2015）18-0173-03

2014-12-02稿件編號：201412014

李建勇 （1982—）,男,河南扶溝人,碩士,講師。研究方向:嵌入式系統(tǒng)、機(jī)電一體化和儀器儀表等。