基于Zigbee的水產(chǎn)養(yǎng)殖溫度監(jiān)控的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：隨著社會(huì)的發(fā)展，傳統(tǒng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖不斷減少，集中型的大規(guī)模水產(chǎn)養(yǎng)殖不斷發(fā)展，對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖的成活率要求越來(lái)越高。水產(chǎn)養(yǎng)殖中，溫度是養(yǎng)殖物成活的最關(guān)鍵因素，控制好溫度就是控制了經(jīng)濟(jì)效益。本文采用的是基于Zigbee的溫度監(jiān)控設(shè)計(jì)，測(cè)溫用的是防水型的DS18B20數(shù)字溫度傳感器。通過(guò)DS18B20傳感器進(jìn)行溫度檢測(cè)，輸出數(shù)字量，通過(guò)CC2530數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行處理后無(wú)線(xiàn)發(fā)送給協(xié)調(diào)端節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)端節(jié)點(diǎn)再通過(guò)串口傳輸給監(jiān)控端，完成系統(tǒng)的監(jiān)控工作。通過(guò)對(duì)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)控，以達(dá)到對(duì)水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)的溫度進(jìn)行估判，從而做出相應(yīng)的措施，保證水產(chǎn)的最高效益。

關(guān)鍵詞：Zigbee;CC2530;智能;溫度監(jiān)控

在近代以及目前發(fā)展的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)中，Zigbee技術(shù)發(fā)展越來(lái)越廣泛。以Zigbee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)方式構(gòu)建的新一代通訊網(wǎng)絡(luò)，在現(xiàn)代生活中已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。目前開(kāi)發(fā)的短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)中，無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)可以說(shuō)是一種具有很大的實(shí)用價(jià)值通信技術(shù)。對(duì)于目前追求低功耗、成本低的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)是非常適宜的。本課題主要研究利用最新的Zigbee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境溫度進(jìn)行采集傳輸，以達(dá)到實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控。課題研究?jī)?nèi)容包括：終端傳感節(jié)點(diǎn)采集養(yǎng)殖場(chǎng)的實(shí)時(shí)溫度，處理后將無(wú)線(xiàn)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再通過(guò)串口傳輸給上位機(jī)終端顯示并預(yù)警。

1 關(guān)鍵技術(shù)及協(xié)議

1.1 ZigBee無(wú)線(xiàn)技術(shù)簡(jiǎn)介

ZigBee技術(shù)的研發(fā)是以IEEE802.15.4為基礎(chǔ)，Zigbee技術(shù)的研發(fā)主要是關(guān)于安全、組網(wǎng)和應(yīng)用軟件。第一份Zigbee規(guī)范“Zigbee Specifcation V1.0”于2005年Zigbee聯(lián)盟公布。該聯(lián)盟定義的標(biāo)準(zhǔn)定義了IEE802.15.4的媒體訪(fǎng)問(wèn)控制層與物理層的支持與網(wǎng)絡(luò)上的應(yīng)用服務(wù)。Zigbee無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)具有以下特點(diǎn)：

1.1.1 成本低功耗低

Zigbee頻段是免費(fèi)使用的，無(wú)需繳納專(zhuān)利費(fèi)，而且Zigbee協(xié)議棧的源代碼是開(kāi)元的，此外，Zigbee射頻芯片價(jià)格低廉，這極大了降低了研究成本。芯片供電3.3 V的供電可以滿(mǎn)足，在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)上，一個(gè)節(jié)點(diǎn)工作半年時(shí)間也只需要2節(jié)5號(hào)干電池提供電源。Zigbee具有工作周期長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，是目前WIFI、藍(lán)牙等無(wú)線(xiàn)技術(shù)無(wú)可媲美的。

1.1.2 速率低延時(shí)短

對(duì)于低速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用要求，Zigbee在2.4GHz提供的的數(shù)據(jù)吞吐率為250 kbps，傳輸速率在20～250 kbps之間。目前的藍(lán)牙技術(shù)與WIFI技術(shù)從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)需要3～10 s和3 s，而Zigbee只需要15 ms，相對(duì)而言，Zigbee的響應(yīng)速率是比較快的。

1.1.3 距離短容量高

Zigbee無(wú)線(xiàn)傳輸在視距理論上是100 m，而增加路由節(jié)點(diǎn)可以增長(zhǎng)傳輸距離。Zigbee可以進(jìn)行多節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)，最多可以設(shè)計(jì)65000個(gè)節(jié)點(diǎn)，每一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)匯聚若干個(gè)254個(gè)節(jié)點(diǎn)，并且可以由高層節(jié)點(diǎn)向下層節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理。在Zigbee整個(gè)傳感網(wǎng)絡(luò)中，我們可以采用星狀、片狀和網(wǎng)狀等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行組網(wǎng)。

1.1.4 安全高免費(fèi)照頻段

ZigBee在無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)中具有很高的安全性，其具有三級(jí)安全模式：采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES 128)的對(duì)稱(chēng)密碼、使用訪(fǎng)問(wèn)控制清單(防止非法獲取數(shù)據(jù))及無(wú)安全設(shè)定。2.4 GHz是全球免費(fèi)工業(yè)、醫(yī)療、科學(xué)使用頻段。2.5 GHz頻段的信道帶寬為5 MHz，具有16個(gè)信道。

2 總體設(shè)計(jì)方案

我國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖正在往集中型的大規(guī)模養(yǎng)殖發(fā)展，針對(duì)有規(guī)模的水產(chǎn)養(yǎng)殖，Zigbee的無(wú)線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)可以發(fā)揮很大作用。通過(guò)在養(yǎng)殖場(chǎng)的分布溫度傳感節(jié)點(diǎn)，傳感節(jié)點(diǎn)可以實(shí)時(shí)

監(jiān)測(cè)水溫，經(jīng)無(wú)線(xiàn)協(xié)議傳輸給協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，距離遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)添加路由節(jié)點(diǎn)以達(dá)到遠(yuǎn)距離的溫度傳輸。協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)在通過(guò)組網(wǎng)接收到各傳感節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后經(jīng)過(guò)串口傳輸給PC機(jī)，供上位機(jī)顯示和預(yù)警。

設(shè)計(jì)中，主要有傳感節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)組成系統(tǒng)，進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸，其中路由節(jié)點(diǎn)和傳感節(jié)點(diǎn)的低功耗可以進(jìn)行電池供電，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)直接連接監(jiān)控端可由監(jiān)控端供電。

2.1 芯片選擇

本設(shè)計(jì)選用的Zigbee芯片為T(mén)I公司的CC2530，CC2530是目前Zigbee設(shè)計(jì)運(yùn)用中使用最多的無(wú)線(xiàn)射頻芯片，它是目前一個(gè)真正用于IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，RF4CE以及Zig bee應(yīng)用的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案。CC2530內(nèi)核結(jié)合了增強(qiáng)型的8051 CPU，同時(shí)具有8KB RAM，其系統(tǒng)可以編程閃存。在設(shè)計(jì)發(fā)展中，CC2530設(shè)計(jì)上有四種不同的閃存版本：CC25 30F32/64/128/256，分別具有32/64/128/256KB的閃存。它是目前同類(lèi)芯片中能夠以非常低的硬件成本設(shè)計(jì)建立一個(gè)龐大的無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，為了適應(yīng)不同功耗要求，CC2530也設(shè)計(jì)有不同的運(yùn)行模式，滿(mǎn)足低功耗要求，在主動(dòng)模式即CPU空閑時(shí)，接收時(shí)電流為24 mA，發(fā)送時(shí)電流為29 mA;供電電壓范圍為2～3.6 V。在滿(mǎn)足低功耗的同時(shí)，它在不同模式的轉(zhuǎn)換時(shí)間也非常短。

2.2 溫度傳感器

DS18B20是一款常用的，可以應(yīng)用于多場(chǎng)合的溫度傳感器，防水型的封裝可以在潮濕、水浸、腐蝕等環(huán)境下使用，精度也高，可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。其性能特性為：DS18B20在實(shí)現(xiàn)與微處理器雙向通信時(shí)只需要一條口線(xiàn)連，這種單線(xiàn)接口方式的獨(dú)特設(shè)計(jì)，非常便于設(shè)計(jì)應(yīng)用;正常測(cè)溫有誤差，一般為1℃，在非極限測(cè)溫范圍-55℃～+125℃，具有一定的精確性;可以進(jìn)行多點(diǎn)組合功能，可以最多八個(gè)DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線(xiàn)上，從而實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測(cè)溫(不能過(guò)多的原因是并聯(lián)多會(huì)使電源的供電電壓低，影響數(shù)據(jù)信號(hào)的的不穩(wěn)定傳輸;適用于DN15～25，DN40～DN250各種介質(zhì)工業(yè)管道和狹小空間設(shè)備測(cè)溫;在設(shè)計(jì)使用中不需要任何外圍元件便可以完成設(shè)計(jì);測(cè)量結(jié)果以串行方式進(jìn)行9到12位數(shù)字量的方式傳送;工作電源：3.0～5.5V/DC。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

ZigBee協(xié)調(diào)器主要用于建立網(wǎng)絡(luò)并組網(wǎng)管理節(jié)點(diǎn)，其電路設(shè)計(jì)包括：一個(gè)CC2530芯片處理模塊、一個(gè)串口模塊、一個(gè)JTAG接口/復(fù)位模塊、一個(gè)電源模塊、LED指示燈模塊等，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

電源模塊：Zigbee模塊工作電壓為3.3 V，外部供電為5 V輸入，需要AMS1117—3.3電源穩(wěn)壓芯片進(jìn)行穩(wěn)壓。

串口模塊：下載程序和調(diào)試通信兩個(gè)作用，采用MAX232做RS232電平與TTL電平的轉(zhuǎn)換芯片，MAX232有兩路電平轉(zhuǎn)換。

3.2 路由節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

路由節(jié)點(diǎn)作用于協(xié)調(diào)器與傳感節(jié)點(diǎn)之間，以達(dá)到更遠(yuǎn)距離的傳輸，其工作主要由協(xié)議完成，電路設(shè)計(jì)只需外接LED指示燈、復(fù)位電路以及電源接入即可。路由節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.3 傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

傳感節(jié)點(diǎn)主要用于檢測(cè)水溫，并無(wú)線(xiàn)發(fā)送給處理端，電路設(shè)計(jì)主要測(cè)溫模塊、復(fù)位模塊、LED指示模塊、電源模塊。傳感節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

測(cè)溫模塊：測(cè)溫傳感器為防水型的DS18B20，其輸出為數(shù)字量，只需要一條線(xiàn)就可以實(shí)現(xiàn)與處理器的通信。電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 軟件系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)采用的組網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為樹(shù)形結(jié)構(gòu)，主要由協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)、傳感節(jié)點(diǎn)組成。傳感節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)并發(fā)誓給協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)主要為遠(yuǎn)距離的傳感節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)給協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)將接收的數(shù)據(jù)再上傳給PC機(jī)。系統(tǒng)的流程圖如圖5所示。

4.2 協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)建立傳感網(wǎng)絡(luò)和管理網(wǎng)絡(luò)，為加入傳感節(jié)點(diǎn)分配地址，其啟動(dòng)工作流程圖如圖6所示。

4.3 路由節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

路由節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)為傳感節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。其流程圖如圖7所示。

5 上位機(jī)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)為VB語(yǔ)言設(shè)計(jì)，Visual Basic是目前一種應(yīng)用于圖形界面比較多的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，它衍生于BASIC編程語(yǔ)言。VB用有快速應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)和圖形用戶(hù)界面開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，它是微軟開(kāi)發(fā)的，用于協(xié)助開(kāi)發(fā)環(huán)境的驅(qū)動(dòng)編程語(yǔ)言。在現(xiàn)在的使用標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說(shuō)，VB是目前世界上使用者對(duì)多的語(yǔ)言，在目前圖形化界面開(kāi)發(fā)來(lái)說(shuō)，VB是比較好的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言較容易應(yīng)用ADO、DAO、RDO輕松創(chuàng)建ActiveX控件和連接數(shù)據(jù)庫(kù)。對(duì)于想快速建立一個(gè)應(yīng)用程序，VB將會(huì)是一個(gè)很好的選擇。本設(shè)計(jì)的上位機(jī)制作，VB是一個(gè)很好的選擇。上位機(jī)設(shè)計(jì)如圖8所示。

6 結(jié)束語(yǔ)

采用的是基于Zigbee的溫度監(jiān)控設(shè)計(jì)，測(cè)溫用的是防水型的DS18B20數(shù)字溫度傳感器。通過(guò)DS18B20傳感器進(jìn)行溫度檢測(cè)，輸出數(shù)字量，CC2530數(shù)據(jù)處理模塊進(jìn)行處理后無(wú)線(xiàn)發(fā)送給協(xié)調(diào)端節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)端節(jié)點(diǎn)再通過(guò)串口傳輸給監(jiān)控端，完成系統(tǒng)的監(jiān)控工作，為了進(jìn)一步提高性能，系統(tǒng)有優(yōu)化和改進(jìn)的空間。