大棚温湿度无线实时监控系统设计

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1、大棚温湿度无线实时监控系统设计摘要：提出了一种基于ZigBee技术的大棚温湿度无线实时监控系统的设计方法。该方法以SOC芯片CC2530和内核为Cortex—M3的STM32F107及温湿度传感器为硬件平台，可实现对大棚内气体和土壤温湿度的实时采集及空间定位功能，同时可将采集到的数据通过ZigBee网络传输到监控中心。关键词：CC2530；STM32F107；温湿度；定位中图分类号：TP29文献标识码：A文章编号：2095—1302(2012)10—0029—030引言随着农业的发展，温室大棚的数量不断增多，规模不断增大，而对温湿度

2、的控制是温室大棚的重要控制环节。温湿度的变化会影响到作物的生长，因此，需要将温湿度控制在适合作物生长的范围内［1］。对于大棚内温湿度的采集，传统的有线传输布线比较麻烦，成本高，可拓展性差。因此，本文提出了一种基于ZigBee无线通信技术的低成本、低功耗、扩展性好、安全性和可靠性高的无线大棚温湿度采集系统。1系统总体设计为了实现对温室大棚的温湿度采集和空间定位，本系统采用基于Z-STACK协议栈组建的树形网。系统网络拓扑结构如图1所示。该无线网络由一个双核协调器、路由器以及终端设备组成。其中，协调器负责建立、维护和管理无线网络，并收集

3、所有终端设备采集的数据，通过以太网与监护终端进行双向通信。路由器负责最佳路由路径的搜寻以及数据的转发，并作为定位系统中的参考节点。系统中的终端设备,作为定位系统中的盲节点，负责温湿度的采集。2系统硬件设计2.1双核协调器的设计协调器是整个无线传感器网络的核心，是实现温湿度采集系统无线网络和有线网络融合的关键设备。图2所示为系统中的协调器硬件的整体框图。该协调器采用双MCU设计，其主控核心是采用Cortex—M3内核的STM32F107,负责协调器的数据存储、处理和远程传输。协处理器由CC2530和CC2591组成，负责协调器的无线收

4、发功能。主控核心与协处理器之间通过串口通信，其接口电路如图3所示。双核协调器通过以太网连接到监控中心。STM32F107的以太网模块包括一个符合802.3协议的MAC（介质访问控制器）和专用DMA控制器。该模块支持默认的、独立于介质的接口（MMI）和精简的、独立于介质的接口（RMII）。本文通过AFI0_MAPR寄存器的选择位来选择RMII接口模式，电路选用集成并符合成本效益的快速以太网PHY控制芯片DM9161AEPo2.2温湿度采集电路ZigBee无线终端对于空气温湿度的采集设备采用的是SHT10数字温湿度传感器，对于土壤温湿度

5、采集设备同样采用的是SHT10土壤专用温湿度传感器。SHT10传感器芯片是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器。该传感器包括一个电容式聚合体测温元件和一个能隙式测温元件，并与一个14位的A/D转换器以及串行接口电路在同一芯片上实现无缝链接。SHT10采用I2C与CC2530处理器进行数据通信。同时，在测量和通讯结束后，SHT10会自动转入休眠模式。因此，该传感器具有精度高、响应速度快、抗干扰能力强、功耗低等优点。SHT10与CC2530的接口电路如图4所不O3系统软件设计系统软件设计主要包括上位机（监控中心）和下位机（Zig

6、Bee无线传感网络）设计两部分，本文重点讲述上位机对所采集温湿度数据的处理算法和下位机的软件设计方法。3.1温湿度监控程序设计终端节点要对大棚中的空气温湿度和土壤温湿度分别进行实时采集，然后经每个子网的中心节点将这些温湿度数据输出，并由协调器接收数据，再经以太网传送数据到监控中心。系统将在监控中心服务器中建立自己的数据库，负责将上传的数据存储到监控中心预警数据库中，然后通过上位机决策软件自主设定符合作物生长的温湿度范围，并对数据进行综合分析以产生相应的预警和决策。其处理流程如图5所示。3.2下位机协调器软件设计由于协调器要完成多任务

7、处理、多任务调度、数据存储、TCP/IP通信协议以及无线通信协议等，需要实现的功能比较复杂，因此，本系统在协调器软件设计中加入了嵌入式实时操作系统uC/OS—II和嵌入式TCP/IP协议栈，以提高系统的运行效率和稳定性。uC/OS-II是一种可移植、可固化、可剪裁、占先式多任务实时内核，它具有占用空间小、执行效率高、实时性能优良和可扩展性强等特点。软件应用层、uC/OS-II操作系统、目标处理器硬件等各个模块之间关系如图6所示。因为uC/OS—II操作系统不支持TCP/IP协议栈，所以,要实现以太网通信，需要移植LwIP(Light

8、WeightIP)协议栈到STM32F107处理器上。移植版本为1.3.1的LwIP协议栈，主要是将LwIP源码文件中的api、core、include和netif文件移植到软件系统中，移植过程中需要修改的几个重要源码文件包括TcpT