《2022年温室温湿度监控系统研究 .pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2022年温室温湿度监控系统研究 .pdf（8页珍藏版）》请在taowenge.com淘文阁网|工程机械CAD图纸|机械工程制图|CAD装配图下载|SolidWorks_CaTia_CAD_UG_PROE_设计图分享下载上搜索。
1、-1- 基于无线传感器网络的温室温湿度监控系统研究赫森，李政，李娇中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院，北京(100083) E-mail：摘要：本文介绍了基于无线传感器网络的温室温湿度监控系统。该系统以CC2430 作为射频单元及处理单元、SHT15 作为温湿度传感器，重点说明了系统的总体设计、结点设计、及软、硬件设计。系统经过严格测试，结果表明：该监控系统具有高精度，低能耗等特点，性能稳定、数据可靠，能够适应多种温室环境。关键词： 温湿度监控；Zigbee；无线传感器网络；CC2430 中图分类号：TP274 文章标识码：A 1 引 言近年来， 随着温室大棚技术的普及，传统农作物已经可以
2、打破地域及气候环境因素的约束，温室在不适宜植物生长的季节为植物提供生长期，在许多低温地区，更是喜温植物、花卉、林木等植物栽培或育苗不可或缺的外部条件。现代化的温室应具有有较高自动化程度的温湿度及光照监测控制系统，以保证为温室植物提供有利的生长条件。基于无线传感器网络的温室温湿度监控系统在其监测区域内，布置有感知、 计算和具备无线通信能力的传感器节点，它们通过自组织方式构成无线传感器网络。一般来说， 典型的传感器结点包括传感单元、处理单元、 通信单元和电源单元4 个部分。 由传感器单元采集温湿度信息， 对信息进行数据转换处理，再交由处理单元处理。处理单元同时运行无线通讯协议，通过控制通信单元使无
3、线传感器节点与PC 机彼此通信， 相互交换控制指令和数据消息；电源单元为各个单元提供所需要的能量。2 监控系统结构温室系统是一庞大的系统，由于光照、 室外天气等不可控因素的影响，室内温湿度环境存在着显著变化，对于人工调控带来了麻烦，若采用无线传感器网络的方案，可以节约大量的人力物力。与传统的有线传感器网络相比，耗资小、安装方便、维护和更新费用更低等，在温室大棚环境监控中，具有十分广阔的前景。系统设计的结构如图1 所示，每个暖房根据实际情况设置1 到 2 节点，从节点采集本地数据，通过Zigbee 传送给 PC 机。每个节点的结构如图2 所示。传感单元：温湿度传感器使用由瑞士Sensirion
4、公司生产的SHT15 型自校准、多功能式智能传感器。该芯片为基于全新CMOSensTM 技术的单片全校准温湿度传感器。处理单元和通信单元：采用Chipcon 公司推出的射频收发器芯片CC2430，它集成符合IEEE802154 标准，可运行在24 GHz 频段1，具有优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性。同时，CC2430 提供一个高性能和低功耗的8051 微控制器核，可用来进行传感器数据的处理、控制和与主机的通讯连接。CC2430 具有超低功耗，非常适合电池供电的场合电源单元：采用3.0V 的电池供电，可采用锂电或普通电池。http:/ 中国 科技论文在线名师资料总结 - - -精品资料欢迎
5、下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 8 页 - - - - - - - - - -2- 节点 1节点 2节点 n图1 系统结构图 Zigbee无线通讯模块内置8051 微控制器温湿度传感器模数转换模块电源模块 CC2430 SHTl5通讯与处理单元传感器模块图2 节点结构图 3 无线传感器网络节点设计3.1 通信和处理单元设计CC2430 芯片是由 Chipcon 公司生产的低功耗、短距离的无线通信模块，它延用了以往CC2420 芯片的架构，在单个芯片上整合了符合IEEE802.15.4 标准的
6、 2.4GHz 的 ZigBee-TM射频 (RF)前端、内存和1 个 8 位的 8051 微控制核（ MCU ） 。作为处理单元， CC2430 芯片集合了优化的8051 核，它的性能为一个标准8051 的 8 倍。CC2430 芯片为系统提供了一个工作状态32MHz 的晶振和一个16MHz 的可选晶振， 特别的，当在超低功耗的情况下，系统，也可以工作在超低频率32.768kHz 。CC2430 在休眠模式时仅 0.9 A 的流耗， 在待机模式则仅需要少于0.6 A 的流耗， 功耗很小， 非常适于电池长期供电。此外，它具有双数据指针，双线串行接口，可以支持嵌入式环境内的指令基址寄存器内置交互
7、调试。提供128KB 可编程闪存和8 KB 的 RAM ，在所有模式下都提供4096byte 的内部 SRAM ，如果工作在0 或 1 模式，还提供额外的4096byte 的 SRAM 。还包含AES-128 协同处理器、看门狗定时器(Watchdog-timer) 、上电复位电路(Power-0n-Reset)、掉电检测电路(Brown out detection) ，以及 21 个可编程IO 引脚。http:/ 中国 科技论文在线名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2
8、 页，共 8 页 - - - - - - - - - -3- 作为通信单元，CC2430 芯片支持2.4GHz 的 IEEE 802.15.4 协议，具有250kbps 的数据传输速率，支持包括ETSI EN 300 328 、EN 300 440 class 2 (欧洲 ), FCCCFR47 Part 15 ( 美国 ) 和 ARIB STD-T66(日本 )在内的多个射频标准2。它很少的外围部件配合就能实现信号的收发功能，具有优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性3。芯片集成了8 通道 14 位模数转换的ADC ，在低功耗的同时保证了极高的精度。CC2430 的运行环境温度范围为 -40
9、+85，电压范围为2V3.6V 。超低功耗工作模式延长了待机时间，降低了电池的功耗。CC2430 芯片具有电池监测和温度感测功能，提高了系统的安全性和可靠性，便于移植于多种温室环境。通信与处理单元的原理图如图3 所示：LED2LED1C10827PC10927PX10032.000ML10122nHC100100nFC11115PC105220NL1008.2nHC106220NC10210nFC11015PC10368PC1125.6pF/*VDD_3.3V1VCC1.8C104220NDDSCL KSDADCC101100nF1VCC 1.8R10256K 1%VDD_3.3VRESET_
10、NAVDD239AVDD338AVDD536AVDD635AVDD731AVDD830AVDD929AVDD1028AVDD1225AVDD140AVDD437AVDD1127RF_P32TXRX W33RF_N3432K_24332K_14432M_12132M_219AV1.8V24BASI122BASI226RFG_IN23DVDD120DVDD241DVDD37DVDD447DVDD542P2.048P2.1/DC46P2.2/DD45P1.09P1.18P1.35P1.44P1.53P1.62P1.71P1.26P0.011P0.213P0.112P0.415P0.516P0.617
11、P0.718P0.314RESE_N10U100CC2430R10143kY10032.768KRLED100220RLE D101220LE100REDLD100LEDLED2LED1VDD_3.3VR10010KC1070.1UP00P01P02P03P04P05P06P07P20P1.2P1.3R?Res21KR?Res21KL?Inductor10mH天线P1.4P1.53.2 传感单元设计传感单元采用瑞士森斯瑞( Sensirion) 公司的 SHT15 型智能传感器， 其中不仅包含基于湿敏电容器的微型相对湿度传感器和基于带隙电路的微型温度传感器, 而且还有14 位的A/D 转换器和
12、标准I2C 总线 , 能输出经过校准的相对湿度和温度的数据全量程标定，两线数字输出。 SHT15 的内部结构，如图4 所示。温度测量范围为相对湿度测量范围是0100%，分辨率达0.03% , 最高精度为 2%RH, 温度测量范围是- 40 +123.8, 分辨率为0.1, 电源电压范围是+2.5V +5.5V, 响应时间小于3s。SHT15 接口电路如图5 所示。图3 通信与处理单元原理图 http:/ 中国 科技论文在线名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 8
13、 页 - - - - - - - - - -4- 图4 SHT15 的内部结构 节点采用电池供电，为了省电，当需要采集数据时，接通SHT15 的电源，否则关闭。VCCGNDSDASCLKSHT15SCLKSDA0.1uF3.3v10KSHT15 与处理单元之间通过串行总线进行通信当发出了温（湿）度测量命令后，控制器就要等到测量完成。使用81214 位的分辨率测量分别需要大约1155210ms 的时间。为表明测量完成，SHT15 会使数据线为低，此时控制器必须重新启动SCK，然后传送两字节的测量数据与字节CRC 校验和。控制器必须通过使DATA 为低来确认每一个字节，所有的量均从右算，MSB 列
14、于第一位。通讯在确认CRC 数据位后停止。如果没有用CRC校验和，则控制器就会在测量数据LSB 后保持 ack 为高来停止通讯，SHT15 在测量和通讯完成后会自动返回睡眠模式。测量温度和湿度命令所对应的时序如图6 所示。图5 传感单元接口电路图6 SHT15测量数据时序http:/ 中国 科技论文在线名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 8 页 - - - - - - - - - -5- 3.3 电源单元设计电源单元的设计， 以实现低能耗为首要目标，本设计首先
15、选用了低功耗的处理通信单元CC2430 和低功耗的传感器SHT15，在保证性能优秀的情况下做到了最低的功耗。传感器在绝大多数时间都处于休眠状态，避免了重复测量和冗余的操作，仅在需要数据采集任务时开启，最大限度的节约了用电量4。设计使用温度、湿度轮流检测机制，温湿度传感器不同时工作，降低了能耗。在软件设计时，同样注意了低能耗设计，采用了中断唤醒机制。3.4 软件设计CC2430 提供了强大的微控制器，支持不仅支持汇编语言，还支持 C 语言，与标准C 语言兼容程度高， 大大提高了软件设计开发的工作效率，增强了程序代码的可靠性、可读性和可移植性。系统软件流程图如图7 所示：开始程序初始化启动湿度监测
16、是否超标？启动温度监测启动升降湿度操作是否超标？启动升降温度操作转入休眠状态是是否否延时半小时系统启动后先进行初始化操作，然后启动湿度监测系统，如果测试结果超过规定值，则根据湿度高于或低于额定值而启动降升湿度机制。而后系统启动温度监测，将温度的数据和规定值比较 , 如果不满足要求, 则启动相应的升温或降温操作，否则系统转入休眠，如无中断，半小时后重新进行一轮操作。此设计可以避免传感器长时间工作和执行重复操作所造成的资源浪费，也延长了系统的使用寿命。4 测试结果4.1 温湿度精度测试该系统前端传感单元采用数字式相对湿度和温度传感器SHT15。系统在实验室环境中图7 系统软件流程图http:/ 中
17、国 科技论文在线名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 8 页 - - - - - - - - - -6- 进行了严格的准确性测试。在整个测试过程中力求温度恒定,但允许存在一定误差。测试严格按照规程进行，待恒温箱温度平衡稳定后开始测试。传感器尽量至于恒温箱中部，尽量减少可能的影响。 待上位机输出结果稳定后，记录数据。 本次测试的恒温箱具有较高的可靠性，固在本系统测试过程中可视为无温湿度偏差。表 1不同温度点下湿度测试准确性实验数据恒温箱设定温度() 设定相对湿度（
18、%RH）N1 结点测量值（%RH）?（ %RH）N2 结点测量值（%RH ）?（%RH）30.0 30.8 0.8 31.0 1.0 10.0 70.0 69.5 -0.5 70.3 0.3 30.0 29.1 -0.9 29.5 -0.5 15.0 70.0 70.6 0.6 70.1 0.1 30.0 31.0 1.0 19.4 -0.6 20.0 70.0 69.5 -0.5 69.5 -0.5 30.0 31.0 1.0 28.9 -1.1 25.0 70.0 70.5 0.5 69.2 -0.8 30.0 31.2 1.2 30.8 0.8 30.0 70.0 70.4 0.4 69
19、.3 -0.7 30.0 31.6 1.6 30.1 0.1 35.0 70.0 70.0 0.0 70.6 0.6 表 2不同温度点下温度测试准确性实验数据T( ) T1 ( ) ? ( ) T2 ( ) ? ( ) 5.0 5.1 0.1 4.8 -0.2 10.0 10.2 0.2 9.9 -0.1 15.0 15.3 0.3 15.0 0.0 20.0 19.9 -0.1 19.7 -0.3 25.0 24.7 -0.3 25.2 0.2 30.0 30.3 0.3 29.9 -0.1 35.0 35.2 0.2 34.8 -0.2 湿度测试数据表明 （见表 1）： 系统湿度测定系统的
20、偏差值在-1.1%RH +1.6%RH 之间，均满足 =|2%RH|的设计要求。表 2 中， T 为恒温箱设定温度，T1，T2 分别为两独立结点测定得到的温度值，? 为实际温度与测试温度之差值。测试结果表明, 温度计量测定装置的误差始终 0.3,满足并优于温度测量允许的最大误差0.4 的设计要求。系统设计温度测量范围为-40+85，测量精度为0.4 ，湿度测量范围为0100RH，最大允许误差2%RH 。从上述实验结果可以推出结论，本系统整体性能优越、测量结果精确可靠。4.2 节点通信距离传输试验无线信号在传输过程中会随着路径衰减,发送端与接收端之间距离的远近和植物遮盖的疏密是影响信号强度的重要
21、因素,对于同一间大棚,节点间距离一般不超过100m， 考虑到植物遮盖及特殊情况，节点间距离不在超过120m 的范围内应保证其信号质量。本设计在实地进行测试（室内温室环境），对不同环境分别设置不同节点，其中，N1 结点为大叶且较密作物覆盖 , N2 结点为大叶较稀疏作物覆盖，N3 结点为小叶且较密作物覆盖，N4 结点为小叶较http:/ 中国 科技论文在线名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 8 页 - - - - - - - - - -7- 稀疏作物覆盖。测试均
22、在温湿度恒定条件下进行（设定湿度50%，温度 20 ）。表 3 节点通信距离传输试验数据L(m) N1 N2 N3 N4 50 良好良好良好良好80 良好良好良好良好120 良好良好良好良好200 良好良好偏弱良好实验结果表明，本系统在传输距离小于120m 情况下，通信信号良好，只有在传输距离200m，且覆盖植物为小叶密度较大时信号偏弱，但由于在温室条件下一般传输距离不超过100m，可以认为达到了设计要求。5 应用范围产品基于无线传感器网络，在实际应用中有较大的灵活性和选择性，特别在温室和大棚中，通过对各个暖房温湿度的实时监测，系统能够做出较快的反应，减少了人力劳动，节约了成本，保证了植物生长
23、必要的温湿度条件，提高了产量，增加了收入。系统具有较大的温湿度测量范围、 测量精密， 抗干扰能力强， 如有需要， 也可以移植于酿酒（酒窖） ，仓储（仓库），医疗卫生等领域，具有很高的实用价值。6 结束语温室温湿度监控系统基于无线传感器网络，使用SHT15 智能传感器，实现了温湿度的数字输出 , 且具有免调试、免标定、无外围电路等特点, 极大地方便了在嵌入式测控领域的应用 , CC2430 是一款高集成度的工业用射频收发器工作于 2.4 GHz 开放频段。 通过添加简单的外设， 可构成功能强大的传感器网络节点设备，可在特殊环境下实现监测区域内信号的采集传输与处理，它们是今后传感器发展的方向。伴随
24、农业现代化进程，无线传感器网络必将广泛而深入的应用5。http:/ 中国 科技论文在线名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 8 页 - - - - - - - - - -8- 参考文献1 Paolo B , Prashcmt P , Vince W,et al. Wireless Sen2sor net - works :A survey on the state of the artand the 802. 15. 4 and ZigBee standards
25、 J . Com2puter Communication , 2007 , 30 (7) :1655 - 1695. 2 Kim Y, Evans R G, Iversen W M , Pierce F J . Instrumentation and control for wireless sensor network for automated irrigation C 2006 ASABEAnnual International Meeting , Portland , 2006. AS2ABE Paper No 061105. 3 王殊 ,阎毓杰 ,胡富平 ,等. 无线传感器网络的理论
26、及应用M . 北京 :北京航空航天人学出版社,2007 4Sinha A, Chandrakasan A, Dynamic power management in wireless sensor networks. IEEE Design and Test of Computer, 2001, 18(2) ：62-74. 5 乔晓军 ,张馨 ,王成 ,等. 无线传感器网络在农业中的应用J . 农业工程学报 ,2005 , 21 (2) :2322234. Design and Implement of a Temperature and Humidity Monitoring System o
27、f Greenhouse based on Wireless Sensor Network He Sen, Li Zheng, Li Jiao China University of Mining and Technology, Beijing（100083）Abstract A greenhouse monitoring system of temperature and humidity based on wireless sensor network is introduced in this paper. CC2430 has been chosen to be the radio f
28、requency Unit and MCU, the temperature and humidity sensor is SHT15 made by SensirionThe software and hardware design process is described. The tests show that this monitoring system is perfect for many kinds of circumstances in greenhouse with features like low power and high precision. Keywords ：Temperature and humidity monitoring; Zigbee; Wireless sensor network; CC2430 http:/ 中国 科技论文在线名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 8 页 - - - - - - - - -