基于無線傳感器網絡的大棚環境參數采集系統

摘要：為了實現溫室大棚內的溫度、濕度和CO2濃度的數據采集，設計了一種超低功耗的無線傳感器網絡系統，解決了傳統監測系統布線復雜、維護困難等問題。分析了無線測量節點所采用微控制器、傳感器和無線收發器的工作特點以及功耗，描述了無線節點的結構原理，給出了系統軟件的設計方案和通信方法。實測結果表明，所設計的系統硬件結構簡單可靠，功耗較小，通信距離較遠，達到了大棚環境參數測量的設計要求。
關鍵詞：無線傳感器網絡；超低功耗；溫室大棚；溫濕度；CO2濃度

隨著人們對新鮮蔬菜需求的不斷提高以及土地資源的日漸緊缺，生產效率較高的溫室農業得到了迅速發展。溫室大棚內溫濕度等因素對農作物的生長有著直接影響，對溫室大棚內的溫度、濕度及二氧化碳等參數的檢測和控制至關重要。傳統的溫室數據采集工作大多是采用人工抄表或預先布線的有線采集方式。人工方式的缺點是工作量大、費用高、難以保障數據的實時性和有效性，而有線數據采集存在著布線
費用高、測量節點位置變化時需要改變線路走向及長度等諸多不利因素。
文中采用無線傳感器網絡技術設計了一種溫室大棚溫度、濕度及二氧化碳參數測量系統，具有超低功耗、不需布線、測量節點移動方便等優點，克服了人工抄表和有線數據采集系統的諸多缺點。

1 硬件設計
無線傳感器網絡節點的電路原理圖如圖1所示。它主要由MCU控制單元、射頻收發單元、溫濕度傳感器、二氧化碳濃度傳感器構成。所有單元均采用低功耗器件，MCU采用中穎電子的具有休眠功能的SH79F64單片機，溫度和濕度測量單元采用SENSIRON公司的具有休眠功能的SHT75溫濕度傳感器，CO2濃度測量采用GSS公司的功率僅為3．5 mW的COZIR傳感器，射頻收發單元采用SILICON LABS公司的具有休眠功能的SI4432無線收發器。所有器件均采用3．3 V供電，便于電池集中供電。

上位機無線模塊硬件設計可采用類似結構，取消傳感器部分，增加SILICON LABS公司的CP2102單芯片USB與UART橋接單元，通過USB口連接PC機。PC通過USB接口給無線模塊供電。
1．1 MCU單元
MCU采用中穎電子生產的SH79F64低功耗單片機，SH79F64是一顆低功耗高性能8位芯片，SH79F64內嵌加強8051核，具有高速高效率特性。在同樣振蕩頻率下，較之傳統的8051芯片它具有運行更快速的優越特性。它保留了標準8051芯片的大部分特性。這些特性包括內置256字節RAM和3個16位定時器／計數器，2個EUART，外部中斷INT0和INT1。此外，SH79F64還集成了外部2776字節RAM(不包括LCD RAM)，1路8位PWM輸出，外部中斷INT2和INT3，可兼容8052芯片的16位定時器／計數器(Timer3)和適合存儲程序和數據的64k字節flash以及1 k字節類EEPROM存儲器。
除具有普通單片機的功能，SH79F64還具有其他特點：
1)強大的處理能力 SH79F64雖然是8位單片機，但是機器周期為1個振蕩器周期，而傳統型51內核機器周期為12個振蕩器周期。其指令執行效率約為同頻率的傳統8051的8～10倍。另外還提供增強型的乘／除法指令，支持16 bitx8bit和16 bit÷8 bit運算，提供雙DPTR指針，用戶在使用查表，數據搬移等操作時會更方便。
2)豐富的數據存儲區域 SH79F64提供64 k字節FLASH ROM，每1 k字節為1個扇區(SECTOR)，每個扇區可分別進行加密。如果沒有加密，每個扇區可分別單獨進行編程和擦除。整體擦除(MASS ERASE)可以擦除所有扇區。SH79F64的全部64 k BYTE都可用于存儲程序和數據，存放在FLASH ROM中的程序可以對不在同一扇區的FLASHROM編程(SSP模式)，因此可以當作EEROM來使用。另外提供1 k字節的客戶信息區／類EEPRO M塊區用于存放用戶數據，每個扇區(SECTOR)為256字節。
3)高性能模擬技術及豐富的片上外圍模塊 SH79F64內部集成的有：3個16位定時／計數器T0、T1和T2，1個16位定時器T3，看門狗定時器，1路8位PWM定時器，4／5x40／39段LCD驅動器，EUART、IR、TWI和SPI等標準通信模塊，8通道10位AD轉換器，蜂鳴器輸出等。
4)超低功耗 其供電電壓為2．4～3．6 V，內建低電壓復位功能和低電壓檢測功能。系統可采用雙時鐘方式，支持兩種省電模式：IDLE模式和掉電模式。當系統時鐘采用高速時鐘，外圍模塊采用32 768 Hz時鐘時，掉電模式將停止CPU時鐘信號，用于定時器3的時鐘可以開啟，此時的工作電流不超過20μA。
MCU是無線測量節點的核心，在無事件發生時工作于掉電模式，當無線模塊收到數據時會通過IO口喚醒SH79F64進人活動工作狀態。SH79 F64功能豐富，編程方式靈活，完全可以滿足無線測量節點的設計需求。