基于CC2530和CC2592集群温室环境监测系统的设计

宋玉琴+姬引飞+朱紫娟

摘 要： 针对集群温室大棚环境监测困难，有线传输系统成本高和网络维护量大等问题，设计了针对温室大棚内湿度、土壤温度、光照强度、CO2浓度等的无线实时监测系统。以CC2530芯片为核心，以CC2592射频前端为协助，建立无线传感器网络，对温室环境信息进行采集、分析、处理和传输，最后在上位机显示。系统详细分析了硬件电路的控制方法并给出了软件流程图。实验表明：系统可以准确获取温室环境数据。增强节点输出功率和低功耗设计，不仅提高了温室环境监测的灵活性和移动性，而且降低了成本。

关键词： 集群温室； 环境监测； CC2530； CC2592； 控制方法

中图分类号： TP911?34； TP274+.5 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）22?0069?04

0 引 言

为了保证温室大棚作物的产量和品质，对环境的监测尤为重要。环境监测不仅能及时反馈作物的生长环境状况，还能及时调节环境因子让作物在最适宜的环境下生长。随着技术的发展，温室大棚有线网络监测系统弥补了人工监测的效率低、控制效果不好的缺点，在文献[1?2]中出现了采用RS 485总线和现场总线布网来监测温室环境，虽然提高了作物的产量，但有线布网增加了工程的成本和施工难度，并且系统线路容易老化断裂，加大了维护成本和工作量。因此，迫切需要一种技术来改善有线网络系统的缺陷。在文献[3]中提出利用WiFi技术建立无线传感器网络温室大棚监控系统，但系统功耗大，成本较高。相比于WiFi，ZigBee技术的低功耗、自组网、低成本等特点使它具有无法替代的优势。ZigBee无线传感器网络[4]已经成功应用于智能家居[5]、智能电网[6]、工农业生产等领域。本文以ZigBee技术为背景， 研究无线传感网络在集群温室环境监测中的应用。

1 系统总体结构和功能

设计采用ZigBee技术建立集群温室无线传感器网络，监测温室大棚内的湿度、土壤温度、光照强度、CO2浓度以及控制LED灯光和报警。该系统总体设计采用星型模式组成无线传感器网络，即一个协调器连接多个子节点，每个子节点以CC2530为核心，CC2530主要负责对传感器采集的数据进行处理和对节点运行状态进行智能管理，进而实现低功耗效果。该系统所要实现的功能是，通过传感器采集温室环境数据，CC2530对数据进行分析处理后，子节点通过无线信号发送给协调器，协调器接到信号通过RS 232串口[7]发送给温室监测分中心的PC，在PC的上位机可以对数据进行显示，还可以将监测数据传送到以太网，以太网上的数据可以被集群温室监测中心和相关机构获取，进行分析后进行有效控制。系统整体结构如图1所示。

2 系统硬件设计

2.1 无线功能单元

整个系统将无线功能单元作为核心，其中主要涉及协调器和子节点。无线功能单元主要由处理器模块、无线通信模块、电源模块以及相应的调试接口构成。而其中的子节点需要增加传感器模块和灯控模块，用于采集环境因子和控制LED灯的状态；协调器是在处理器模块和无线通信模块的基础上增加串口通信功能。协调器通过RS 232与计算机相连，将数据传输到计算机，进而在上位机上显示和向以太网上传送。无线功能单元结构如图2所示。

处理器模块选择第二代ZigBee芯片CC2530 [8]，它支持IEEE 802.15.4标准，在低功耗和灵敏度等性能方面较第一代CC2430芯片有所改进[9]。

CC2530集成了RF收发器和8051微处理器，具有超强的抗干扰性，而且配备TI的一个标准兼容的Z?Stack网络协议栈缩短开发周期。CC2530的外围电路设计只需要少量辅助元器件。根据集群温室的实际管理经验，只用CC2530芯片组建无线，节点之间的距离将被限制在100 m以内，达不到实际要求。为了扩大无线网络数据传输的范围，选择CC2592射频前端增大节点的输出功率。

CC2592应用于2.4 GHz低功耗低压的无线网络中，经济高效而且性能优越[10]。它集成了一个可增加输出功率的功率放大器和一个具有低噪声系数的LNA，以提升接收器灵敏度。CC2530最大的输出功率为+4.5 dBm，而增加CC2592范围扩展器之后，输出功率可以提高到+22 dBm。完全可以满足系统设计需要，增大了节点之间的距离，扩展了无线网络的范围。CC2530与CC2592的电路连接如图3所示。

CC2592有3个控制引脚分别为PA_EN，LNA_EN和HGM， 通过控制这3个引脚逻辑电平实现4 种模式： 掉电（Power Down）模式、RX低增益（RX Low Gain Mode）模式、RX高增益模式（RX High Gain Mode）、普通发送（ TX） 模式。其中，掉电模式功耗最小，在此状态下，是没有工作通路的，直至被激活到其他模式。CC2530 对CC2592 控制时，当LNA_EN 与PA_EN 引脚为低电平时，CC2592处于掉电模式，没有工作；当LNA_EN引脚为高电平、HGM引脚为低电平时，CC2592处于低增益模式。当LNA_EN与HGM引脚为高电平时，CC2592处于高增益模式；当LNA_EN引脚为低电平、PA_EN引脚为高电平时，CC2592处于正常发送模式。CC2530要实现对CC2592的控制，既要遵循控制逻辑，又要设置RF寄存器，详细设置内容如表1所示。

用CC2530 控制CC2592可以在CC2530 设为低功耗模式，同时也让CC2592也工作于低功耗模式，大大地降低了功耗。该工作模式可将发送信号增强6倍（不加CC2592点对点无遮挡传输距离为80 m） ，传输距离达到480 m，解决了成本问题和传统方式的布线复杂问题。

2.2 传感器单元

子节点的传感器单元主要由传感器组成，为了实现对环境因子的数据采集，相对湿度传感器采用国产的HM1500A，土壤温度传感器采用SLST1?5型数字温度传感器，光照传感器采用欧恩公司生产的On9658，CO2浓度传感器采用国内生产的小型传感器MH?Z12。

表1 CC2530 RF寄存器设置

HM1500A使用微处理芯片，内置复位、看门够及数据掉电保护电路，具有极强的抗干扰能力。本文选择5 V供电，相对湿度和输出电压的关系为0～100%RH对应1～3.6 V，而且呈线性关系，因此具有很好的精确性和稳定性。传感器与CC2530的P0_1直接连接。

SLST1?5新型数字温度传感器属于单总线接口器件，内置DS18B20温度传感器，金属导热性高的原理保证了传感器的灵敏度，从而实现对土壤温度的准确监测。测量温度范围为-55～125 ℃，系统采用3.3 V电源对其进行供电，非常适合于温室大棚环境下土壤温度的采集。所以只需将SLST1?5的单总线接口与CC2530的P0_2引脚相连即可。

On9658内置高精度电压源和修正电路，工作电压范围宽，温度稳定性好，对可见光极度敏感。On9658采用5 V供电，温度范围在-20～75 ℃，因此适用于对温室大棚的光照进行采集。光照传感器On9658的电信号输出通过560 kΩ的电阻与CC2530的P0_0相连，且需要外接10 kΩ的上拉电阻以保护数据传输的稳定性。

CO2浓度传感器采用国内生产的小型传感器MH?Z12。内置温度传感器，能够进行温度补偿；无氧气依赖性，寿命长。传感器节点采用3.3 V对其供电。由于该传感器具有放大电路和滤波电路，因此，MH?Z12输出的电压信号只需与CC2530的P0_3引脚连接就可以进行数据传送。

2.3 电源模块

网络节点中处理器CC2530需要3.3 V供电， 而HM1500A和On9658需要5 V供电。为了满足不同模块对电源的需求，以及节点的便捷性，采用多节1.5 V干电池供电，通过LM1117输出所需的3.3 V和5 V电压。

3 系统软件设计

本文设计的集群温室大棚无线传感器网络主要有3种设备：上位机、协调器和子节点。网络的建立是由此3种设备完成，但环境信息的上传是通过系统的通信协议控制的。协调器和子节点的软件设计都是基于Z?Stack 协议栈开发的。

3.1 协调器和子节点的软件设计

在IAR Embedded Workbenchfor 8051 8.10 软件的支持下，利用Z?stack 协议栈进行应用层上的功能开发。子节点和协调器遵循约定的通信协议进行数据的收发，通信采用主从式。温室监测分中心向子节点发送命令的时候遵循一定的格式，如表2所示。为了保证每个子节点的正常运行，每次开机运行，监测分中心通过发送握手命令确定子节点是否联机。协议规定了4种上传命令：上传温湿度命令、上传CO2浓度命令、上传光照命令、上传LED灯状态命令。子节点收到监测分中心的命令之后，需要返回相应的命令数值并且也有一定的应答格式，如表3所示。子节点除了需要应答规定的4种上传命令外，还需主动上报报警信息，以便保护温室大棚的环境不受外来人员的破坏。

协调器连接着监测分中心和子节点，负责无线网络的建立以及上位机和子节点之间的数据传送。系统得电后，首先初始化硬件和协议栈，协调器扫描并选择一个合适的信道建立一个新网络，子节点发现网络并加入网络。组网完毕之后，协调器开始接收从监测分中心传来的命令，并下达给子节点，然后将子节点传来的数据传输给监测分中心。协调器的工作流程如图4（a）所示。

子节点加入网络后便开始进行定时采集工作，采集数据完成后触发定时器中断并进入低功耗模式，节约能耗，定时唤醒之后重新采集数据并更新原有数据。在此同时，子节点处于等待命令状态，一旦有命令传来，便将数据发送给协调器，协调器接到数据后发送给监测分中心，最终在上位机软件中对数据进行显示。子节点的软件流程如图4（b）所示。

3.2 上位机

温室监测分中心的上位机软件是基于VC++ 6.0开发的，将上述方案设计进行调试和实验，系统采集到的数据在上位机界面显示结果如图5所示。

通过测试结果表明，系统运行正常，能全天候监测温室内的湿度、土壤温度、光照强度和CO2浓度。

4 结 语

本文利用CC2530芯片和CC2592范围扩展器建立无线传感器网络，并将此网络应用于集群温室环境监测系统。实现了一种方便快捷的温室环境监测方法，可以为植物提供一个理想的生长环境，节省了人力物力，降低了成本。该系统操作简单，运行稳定，为集群温室大棚环境监测提供了一种有效的解决方案。

参考文献

[1] 魏亭，杨盛泉，刘白林.基于RS 485总线的温室大棚集散控制系统的研究与设计[J].西安工业大学学报，2013，33（9）：706?708.

[2] 彭高丰.温室大棚环境智能自动测量与调节系统研究[J].计算机测量与控制，2012，20（10）：2664?2665.

[3] 刘士敏，杨顺.基于无线传感器网络的农村温室大棚监控系统[J].单片机与嵌入式系统应用，2013（8）：48?51.

[4] 彭燕.基于ZigBee的无线传感器网络研究[J].现代电子技术，2011，34（5）：49?51.

[5] 陶在红，杨宇.基于ZigBee的智能家居控制系统设计[J].现代电子技术，2014，37（23）：9?11.

[6] 华晔，张涛.智能电网环境下ZigBee技术及其安全性研究[J].现代电子技术，2013，36（17）：45?48.

[7] 潘方.RS 232串口通信在PC机与单片机通信中的应用[J].现代电子技术，2012，35（13）：69?71.

[8] Texas Instruments. CC2530 datasheet （Rev.B） [EB/OL]. [2015?03?16]. http：//www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/CC2530.pdf.

[9] 李树江，段岳非.基于CC2430的温室大棚环境信息采集系统设计[J].微型机与应用，2012，13（19）：31?34.

[10] Texas Instruments. CC2592 datasheet [EB/OL]. [2015?03?16]. http：//www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/CC2592.pdf.