基于ZigBee技術(shù)的溫度監(jiān)測系統(tǒng)的研究

0 引言
    目前我國北方大部分地區(qū)都有溫室大棚，而且溫室大棚也隨著自動化監(jiān)測技術(shù)的進(jìn)步來到了現(xiàn)代化遠(yuǎn)程監(jiān)控的時代，農(nóng)產(chǎn)品價格的提升使得溫室大棚采用進(jìn)一步的先進(jìn)技術(shù)成為可能，我們在此背景下將ZigBee技術(shù)用于溫室大棚的溫、濕度監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集，使得系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)分布式監(jiān)測，并且降低了成本，將數(shù)據(jù)匯總后通過PTR2000遠(yuǎn)程傳送至大棚管理者的電腦上，并通過后臺機(jī)的智能化軟件處理給出管理者實時的數(shù)據(jù)和及時的建議，從而讓蔬菜品質(zhì)更好，產(chǎn)量更高。
    要進(jìn)行分布式監(jiān)測就要首先建立分布式網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)通信方式的選擇是很重要的，根據(jù)系統(tǒng)中所傳輸數(shù)據(jù)的特點以及系統(tǒng)節(jié)點多，通信節(jié)點價格要低，并且不能布線的要求我們選擇了一個很新的技術(shù)——ZigBee技術(shù)來作為我們無線網(wǎng)絡(luò)的通信方式。在數(shù)據(jù)通信方面選擇了性價比最好的通信方式。

1 ZigBee簡介
    ZigBee是一種無線連接技術(shù)的商業(yè)化命名，該無線連接技術(shù)主要解決低成本、低功耗、低復(fù)雜度、低傳輸速率、近距離的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。
    ZigBee標(biāo)準(zhǔn)基于802．15．4協(xié)議棧而建立，具備了強(qiáng)大的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)功能，它支持三種主要的自組織無線網(wǎng)絡(luò)類型，即星型結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)(Mesh) 和簇狀結(jié)構(gòu)(Cluster tree)，特別是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)健壯性和系統(tǒng)可靠性。ZigBee是一種強(qiáng)調(diào)極低耗電、極低成本的短距離無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，傳輸速度為20 k～250 kbps，ZigBee采用DSSS技術(shù)。功耗更低，依ZigBee網(wǎng)站公布，以一般電池電力而言，ZigBee產(chǎn)品可使用數(shù)月至數(shù)年之久。它非常適用于那些需要一年甚至更長時間才需更換電池的設(shè)備。這一點非常適合抄表系統(tǒng)。

2 溫室大棚分布式監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理及zigBee網(wǎng)絡(luò)在系統(tǒng)中的工作架構(gòu)
    溫室大棚分布式監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理為：由網(wǎng)狀分布的ZigBee節(jié)點通過溫度傳感器和濕度傳感器采集數(shù)據(jù)然后將數(shù)據(jù)傳送至主節(jié)點，由主節(jié)點再將匯總的數(shù)據(jù)通過PTR2000傳送至上位機(jī)，上位機(jī)將數(shù)據(jù)存入ACCESS數(shù)據(jù)庫表中，上位機(jī)的軟件可以顯示實時數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理對管理者提出合理的建議，并分析歷史數(shù)據(jù)做出智能化的管理。
    其中網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

    基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)平臺的溫室大棚分布式監(jiān)測系統(tǒng)具有以下幾個特點：
    (1)無須布設(shè)通信線路，各設(shè)備之間實現(xiàn)無線自動組網(wǎng)連接，即降低了系統(tǒng)安裝成本。
    (2)由于整個通信系統(tǒng)的各個模塊具有高集成度，高可靠性和低功耗，低成本，體積小等優(yōu)點，維護(hù)保養(yǎng)十分方便。
    (3)卓越的物理性能，整個網(wǎng)絡(luò)所使用的無線頻率是國際通用的免費(fèi)頻段(2．4～2．48 GHz ISM)，傳輸?shù)姆绞绞强垢蓴_能力強(qiáng)的直序擴(kuò)頻方式(DSSS)。
    (4)網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強(qiáng)，ZigBee的自組織功能：無需人工干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能夠感知其他節(jié)點的存在，并確定連接關(guān)系，組成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)。

3 基于CC2430芯片的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計
    CC2430是ChipconAs公司最新推出的符合2．4 GIEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器。利用此芯片開發(fā)的無線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250 kbps可以實現(xiàn)多點對多點的快速組網(wǎng)。
    CC2430芯片只需少量外圍部件配合就能實現(xiàn)信號的收發(fā)功能。圖2為該溫度檢測終端的硬件結(jié)構(gòu)。

    電路使用一個非平衡天線，連接非平衡變壓器可使天線性能更好。電路中的非平衡變壓器由電容C1和電感L1、L2、L3以及一個PCB(印制板)微波傳輸線組成，整個結(jié)構(gòu)滿足RF輸入／輸出匹配電阻(50 Q)的要求。內(nèi)部T／R交換電路完成LNA和PA之問的交換。R1和R2為偏置電阻，R1主要用來為32 MHz的晶振提供一個合適的工作電流。用1個32 MHz的石英諧振器(xTAL1)和2個電容(C2和C3)構(gòu)成一個32 MHz的晶振電路。用1個32．768 kHz的石英諧振器(XTAL2)和2個電容(C4和C5)構(gòu)成一個32．768 kHz的晶振電路。電壓調(diào)節(jié)器為所有要求1．8 V電壓的引腳和內(nèi)部電源供電，電容C6和C7是去耦電容，用來為電源濾波，以提高芯片工作的穩(wěn)定性。溫度傳感器DS18B20的數(shù)據(jù)輸入／輸出端DQ接 P0-0引腳，該引腳具有4 mA的輸出驅(qū)動能力。
    數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點采用PTR2000芯片進(jìn)行無線遠(yuǎn)程傳輸，PTR2000是一種新型的單片無線收發(fā)數(shù)傳MODEM模塊，該器件為超小型模塊器件，具有超低功耗、高速率(19．2 kb-ps)無線收發(fā)數(shù)傳功能，且性能優(yōu)異，使用方便，PTR2000與單片機(jī)組成的數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點硬件連接如圖3所示。

    上位機(jī)軟件采用VB6．0，界面友好，可以顯示歷史數(shù)據(jù)，實時數(shù)據(jù)以及溫度、濕度曲線等。監(jiān)測界面如圖4所示。

4 結(jié)束語
    通過系統(tǒng)的設(shè)計和對于CC2430芯片的使用，感覺到ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用前景非常廣闊，CC2430芯片是真正意義上的SOC芯片，使得我們開發(fā)ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)會更加方便，產(chǎn)品開發(fā)周期會大大縮短。