無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在蔬菜大棚中的應(yīng)用

摘要：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用ZigBee技術(shù)，協(xié)議棧使用TI的Z-Stack，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為樹形，文章給出了系統(tǒng)設(shè)計方案，畫出了傳感器節(jié)點和協(xié)調(diào)節(jié)點的硬件框圖，并開發(fā)出PC機(jī)上的管理軟件。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；Z-Stack；CC2531；CC2533；SHT11

0 引言
    在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的推動下，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在社會的各方面取得了很多實際有效的應(yīng)用，相比使用傳統(tǒng)技術(shù)節(jié)省了大量的人力、物力。本文設(shè)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，是一種基于ZigBee技術(shù)的無線監(jiān)測系統(tǒng)，可實時采集蔬菜大棚內(nèi)溫度和濕度，從而便于種植戶根據(jù)檢測到的蔬菜生長環(huán)境做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，提高產(chǎn)量，獲得更大的效益。適用于較大規(guī)模的蔬菜種植基地。
    完整的Zigbee協(xié)議棧由物理層、介質(zhì)訪問控制層、網(wǎng)絡(luò)層、安全層和高層應(yīng)用規(guī)范組成，ZigBee協(xié)議棧的核心部分在網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)絡(luò)層主要實現(xiàn)節(jié)點加入或離開網(wǎng)絡(luò)、接收或拋棄其他節(jié)點、路由查找及傳送數(shù)據(jù)等功能，支持Cluster-Tree、AODVjr、Cluster-Tree+AODVir等多種路由算法，支持星形(Star)、樹形(Cluster-Tree)、網(wǎng)格(Mesh)等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，而應(yīng)用層根據(jù)自己的需要做開發(fā)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計
    本文所設(shè)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)節(jié)點負(fù)責(zé)采用ZigBee組建網(wǎng)絡(luò)，并通過USB接口與PC完成數(shù)據(jù)交換功能；傳感器節(jié)點負(fù)責(zé)采集蔬菜大棚內(nèi)的溫濕度值并發(fā)送和轉(zhuǎn)發(fā)該數(shù)據(jù)至協(xié)調(diào)節(jié)點，相反也可以接收并轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)調(diào)節(jié)點傳送過來的指令信息；整個系統(tǒng)的通信基于ZigBee技術(shù)實現(xiàn)，在該穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)之上實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點與協(xié)調(diào)節(jié)點之間的數(shù)據(jù)和控制信息的交互。圖1系統(tǒng)框圖。

2 傳感器節(jié)點
    傳感器節(jié)點通過傳感器SHT11采集蔬菜大棚內(nèi)的溫度和濕度值，經(jīng)CC2533處理通過2．4G天線傳送出去；相反，天線收到控制指令后交給CC2533芯片，由其做出相應(yīng)操作。
    SHT11是瑞士Sensirion公司推出的基于CMOSensTM技術(shù)的新型溫濕度傳感器。該傳感器將CMOS芯片技術(shù)與傳感器技術(shù)結(jié)合起來，從而發(fā)揮出它們強(qiáng)大的優(yōu)勢互補(bǔ)作用。溫濕度傳感器的主要特性如下：1)將溫濕度傳感器、信號放大、A／D轉(zhuǎn)換、I2C總線接口全部集成于一個芯片(CMOSensTM技術(shù))；2)可給出全校準(zhǔn)相對濕度及溫度值輸出；3)具有露點值計算輸出功能；4)具有卓越的長期穩(wěn)定性；5)濕度值輸出分辨率為14位，溫度值輸出分辨率為12位，并可編程為12位和8位；6)小體積(7．65×5．08×23．5mm)，可表面貼裝；7)具有可靠的CRC數(shù)據(jù)傳輸校驗功能；8)片內(nèi)裝載的校準(zhǔn)系數(shù)可保證100％互換性；9)電流消耗測量時為550μA，平均為28μA，休眠時為3μA。

    CC2533芯片為TI公司生產(chǎn)的2．4GHz射頻系統(tǒng)單芯片，該單芯片上整合了ZigBee RF前端、內(nèi)存和微控制器。其主要特點如下：高性能和低功耗的8051微控制器核；集成符合IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的2．4GHz的RF無線電收發(fā)機(jī)；卓越的無線接收靈敏度和魯棒性；在休眠模式時僅1 μA的流耗；硬件支持CSMA／CA功能；具有I2C接口；數(shù)字化的RSSI(接收信號強(qiáng)度指示)／LQ I(鏈路質(zhì)量指示)支持和強(qiáng)大的5通道DMA(直接存儲器存取)功能；具有電池監(jiān)測功能；集成AES(高級加密標(biāo)準(zhǔn))安全協(xié)處理器；帶有2個強(qiáng)大的支持幾組協(xié)議的USART(通用異步同步收發(fā)器)，以及1個符合IEEE802．15．4規(guī)范的MAC(媒體訪問控制層)計時器，1個常規(guī)的16位計時器和2個8位計時器；23個可編程的I／O引腳。

3 協(xié)調(diào)節(jié)點
    無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)節(jié)點需要承擔(dān)起來無線網(wǎng)絡(luò)組建、上行數(shù)據(jù)和下行指令轉(zhuǎn)發(fā)的工作，在無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器主要處理五方面的工作：1) 將終端設(shè)備添加進(jìn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)中；2)接收終端設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理，然后通過usb口發(fā)給計算機(jī)進(jìn)行處理或顯示；3)接收計算機(jī)通過usb口發(fā)送的指令信息，經(jīng)過處理后發(fā)送給相應(yīng)的終端設(shè)備；4)將終端設(shè)備從無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中移除；5)終端設(shè)備工作狀態(tài)顯示與自動報修。
    CC2531芯片為TI公司生產(chǎn)的2．4GHz射頻系統(tǒng)單芯片，該單芯片上整合了ZigBee RF前端、內(nèi)存和微控制器。其主要特點如下：高性能和低功耗的8051微控制器核；集成符合IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的2．4GHz的RF無線電收發(fā)機(jī)；卓越的無線接收靈敏度和魯棒性；在休眠模式時僅1μA的流耗；硬件支持CSMA／CA功能；USB2.0認(rèn)證的全速設(shè)備(12Mbps)；數(shù)字化的RSSI／LQ I支持和強(qiáng)大的5通道DMA(直接存儲器存取)功能；具有電池監(jiān)測和溫度感測功能；集成了12位ADC；集成AES(高級加密標(biāo)準(zhǔn))安全協(xié)處理器；帶有2個強(qiáng)大的支持幾組協(xié)議的USART(通用異步同步收發(fā)器)，以及1個符合IEEE802．15．4規(guī)范的MAC計時器，1個常規(guī)的16位計時器和2個8位計時器；21個可編程的I／O引腳。圖3協(xié)調(diào)節(jié)點硬件框圖。

4 軟件
    根據(jù)本系統(tǒng)的需要，應(yīng)用層的開發(fā)使用IAREmbedded Workbench軟件修改Z-Stack協(xié)議棧，編譯、下載并調(diào)試。協(xié)調(diào)節(jié)點通過USB口與電腦連接，用C++開發(fā)USB驅(qū)動程序；電腦與協(xié)調(diào)節(jié)點為上下位機(jī)，在協(xié)調(diào)節(jié)點CC2531的RAM中劃分出緩存區(qū)，電腦和協(xié)調(diào)節(jié)點都可以從緩存區(qū)讀寫數(shù)據(jù)；使用VB編寫管理顯示界面，如圖4所示，每一個蔬菜大棚為一個分組，其中放有若干個傳感器節(jié)點，可以對分組和節(jié)點進(jìn)行添加、刪除、對應(yīng)和備注；可以自己設(shè)定時間使傳感器節(jié)點采集并送回溫、濕度數(shù)據(jù)，也可以實時操作。

5 結(jié)束語
    本文設(shè)計的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以滿足種植戶實時監(jiān)測蔬菜大棚內(nèi)溫濕度的基本需要，系統(tǒng)組網(wǎng)簡單，使用方便。為了使系統(tǒng)更加完善，計劃在下一步開發(fā)過程中，重點改進(jìn)以下兩個方面的功能：優(yōu)化節(jié)點間通信的路由算法和節(jié)點能量控制。本文對其它無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計具有一定的參考價值，如森林火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)、礦震監(jiān)測系統(tǒng)等。