基于ZigBee的温室花房环境监测系统设计

摘要：为了实现温室花房环境的实时监测，提出了一种基于ZigBee技术的环境监测系统，并对系统的整体设计进行了研究。通过对ZigBee技术的分析和对CC2430芯片的研究，利用ZigBee技术设计环境监测系统，运用该系统对温室花房的温度、湿度等进行监测，达到实时远程监测的目的。
关键词：温室花房；ZigBee；CC2430；环境监测

0 引言
温室花房的环境温湿度控制与管理是影响植物生长过程的重要因素。目前，实际使用的各类环境监测系统普遍存在网络布线困难、成本高及实时性差等问题，本文针对上述问题，提出了基于ZigBee无线传感器网络的温室花房环境监测系统。该系统主要由低功耗微小无线传感器通过自组织方式构成，可利用网络节点功耗低、工作时间长、成本低等特点，实现低成本无人连续在线监测。同时，无线传感器网络节点布置密集，对每个监测点都有多个节点进行测量，可以通过数据融合提高数据精度，而单节点失效也不致影响测量效果，这种测量方式使得系统容错性强。另外，无线传感器网络不仅可以进行监测，还可对指定区域进行查询，这些特点是传统在线监测系统所不具备的。

1 Zigaee技术
1．1 ZigBee技术简述
在工业控制、环境监测、商业监控、汽车电子、家庭数字控制网络等应用中，系统所传输的数据通常为小量的突发信号，即数据特征为数据量小，要求进行实时传送，如采用传统的无线技术，虽然能满足上述要求，但存在着设备的成本高、体积大和能源消耗较大等问题，针对这样的应用场合，人们希望利用具有成本低、体积小、能量消耗小和传输速率低的短距离无线通信技术，ZigBee技术就是在这种需求下产生的。它是具有成本低、体积小、能量消耗小和传输速率低的无线通信技术，其中文译名通常称为“紫蜂”技术。
ZigBee是一种新兴的短距离、低速率的无线组网通信技术，可以实现使用廉价的电池就能够连续工作多年的无线网络。ZigBee的协议架构建立在IEEE 802．15．4标准基础之上，该标准定义的无线个人区域网络的特征与无线传感器网络有很多相似之处，很多研究机构把它作为无线传感器网络的通信标准。表1详细列出ZigBee的主要特点。

1．2 ZigBee芯片介绍
CC2430出自挪威Chipcon公司，是一款真正符合IEEE 802．15．4标准的片上ZigBee产品。该芯片延用以往CC2420芯片的结构，在单个芯片上集成ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用一个8位MCU(8051)，具有32／64／128 KB可编程闪存和8 KB的RAM，还包含模／数转换器(ADC)、几个定时器、AES-128安全协处理器、看门狗定时器、32 kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路。CC2430还有21个可编程的I／O口引脚，P0、P1口是完全的8位口，P2口只有5个可使用的位。通过软件设定一组SFR寄存器的位和字节，可使这些引脚作为通常的I／O口或作为连接ADC、计时器或USART部件的外围设备I／O口使用。其I／O口引脚功能如下：
1～6脚(P1．2～P1．7)：具有4 mA输出驱动能力；
8，9脚(P1．0，P1．1)：具有20 mA的驱动能力；
11～18脚(P0．0～P0．7)：具有4 mA输出驱动能力；
43～46，48脚(P2．0～P2．4)：具有4 mA输出驱动能力。
CC2430芯片采用0．18μm CMOS工艺生产，工作时的电流损耗为27 mA。
在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27 mA或25 mA。CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用场合。

2 系统硬件设计
硬件电路设计包括数据采集终端设计、路由器、ZigBee网络协调器的设计、ZigBee网络的组建、以及控制中心等几个部分，如图1所示。

该系统采用星状无线网络系统，系统只有一个网络协调器和若干个RFD节点。网络协调器安装在有人值守的监控室，负责建立网络和管理网络，并显示当前整个网络的状况，且把收到的数据发送到计算机中。RFD负责安装在各个温室花房中，负责采集温度和湿度等数据，然后定期或有中断时，把数据发送给网络协调器。监控人员在控制室通过显示器就可以对花房各种数据进行监视，无须到现场。通过GPRS也可以同时把数据以短信的形式发送于手机上，如图2网络协调器由CC2430、串口部分、天线、按键和显示模块组成。CC2430模块通过天线接收到信号后，通过SPI口直接输出到液晶显示器上。串口部分用UART模块，UART再外接一个RS 232模块用于连接计算机，给计算机传输数据，将计算机外部来的串行数据转换为字节，供计算机内部使用并行数据的器件使用。所连接的计算机的作用是用来观察串口输出的数据。

RFD节点有CC2430、温度传感器和天线组成。节点通过温度传感器