基于無線傳感器網(wǎng)絡的大棚環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng)

摘要：為了實現(xiàn)溫室大棚內(nèi)的溫度、濕度和CO2濃度的數(shù)據(jù)采集，設計了一種超低功耗的無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)布線復雜、維護困難等問題。分析了無線測量節(jié)點所采用微控制器、傳感器和無線收發(fā)器的工作特點以及功耗，描述了無線節(jié)點的結(jié)構(gòu)原理，給出了系統(tǒng)軟件的設計方案和通信方法。實測結(jié)果表明，所設計的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單可靠，功耗較小，通信距離較遠，達到了大棚環(huán)境參數(shù)測量的設計要求。
關鍵詞：無線傳感器網(wǎng)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(chǎn)效率較高的溫室農(nóng)業(yè)得到了迅速發(fā)展。溫室大棚內(nèi)溫濕度等因素對農(nóng)作物的生長有著直接影響，對溫室大棚內(nèi)的溫度、濕度及二氧化碳等參數(shù)的檢測和控制至關重要。傳統(tǒng)的溫室數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的實時性和有效性，而有線數(shù)據(jù)采集存在著布線
費用高、測量節(jié)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(wǎng)絡技術設計了一種溫室大棚溫度、濕度及二氧化碳參數(shù)測量系統(tǒng)，具有超低功耗、不需布線、測量節(jié)點移動方便等優(yōu)點，克服了人工抄表和有線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的諸多缺點。

1 硬件設計
無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)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(fā)單元、溫濕度傳感器、二氧化碳濃度傳感器構(gòu)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(fā)單元采用SILICON LABS公司的具有休眠功能的SI4432無線收發(fā)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(jié)構(gòu)，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(chǎn)的SH79F64低功耗單片機，SH79F64是一顆低功耗高性能8位芯片，SH79F64內(nèi)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(tǒng)的8051芯片它具有運行更快速的優(yōu)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(nèi)置256字節(jié)RAM和3個16位定時器／計數(shù)器，2個EUART，外部中斷INT0和INT1。此外，SH79F64還集成了外部2776字節(jié)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(shù)器(Timer3)和適合存儲程序和數(shù)據(jù)的64k字節(jié)flash以及1 k字節(jié)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(tǒng)型51內(nèi)核機器周期為12個振蕩器周期。其指令執(zhí)行效率約為同頻率的傳統(tǒng)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(shù)據(jù)搬移等操作時會更方便。
2)豐富的數(shù)據(jù)存儲區(qū)域 SH79F64提供64 k字節(jié)FLASH ROM，每1 k字節(jié)為1個扇區(qū)(SECTOR)，每個扇區(qū)可分別進行加密。如果沒有加密，每個扇區(qū)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(qū)。SH79F64的全部64 k BYTE都可用于存儲程序和數(shù)據(jù)，存放在FLASH ROM中的程序可以對不在同一扇區(qū)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(jié)的客戶信息區(qū)／類EEPRO M塊區(qū)用于存放用戶數(shù)據(jù)，每個扇區(qū)(SECTOR)為256字節(jié)。
3)高性能模擬技術及豐富的片上外圍模塊 SH79F64內(nèi)部集成的有：3個16位定時／計數(shù)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(qū)動器，EUART、IR、TWI和SPI等標準通信模塊，8通道10位AD轉(zhuǎn)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(nèi)建低電壓復位功能和低電壓檢測功能。系統(tǒng)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(tǒng)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(jié)點的核心，在無事件發(fā)生時工作于掉電模式，當無線模塊收到數(shù)據(jù)時會通過IO口喚醒SH79F64進人活動工作狀態(tài)。SH79 F64功能豐富，編程方式靈活，完全可以滿足無線測量節(jié)點的設計需求。