基于Zigbee的水產(chǎn)養(yǎng)殖溫度監(jiān)控的設計與實現(xiàn)

摘要：隨著社會的發(fā)展，傳統(tǒng)的水產(chǎn)養(yǎng)殖不斷減少，集中型的大規(guī)模水產(chǎn)養(yǎng)殖不斷發(fā)展，對水產(chǎn)養(yǎng)殖的成活率要求越來越高。水產(chǎn)養(yǎng)殖中，溫度是養(yǎng)殖物成活的最關鍵因素，控制好溫度就是控制了經(jīng)濟效益。本文采用的是基于Zigbee的溫度監(jiān)控設計，測溫用的是防水型的DS18B20數(shù)字溫度傳感器。通過DS18B20傳感器進行溫度檢測，輸出數(shù)字量，通過CC2530數(shù)據(jù)處理模塊進行處理后無線發(fā)送給協(xié)調(diào)端節(jié)點，協(xié)調(diào)端節(jié)點再通過串口傳輸給監(jiān)控端，完成系統(tǒng)的監(jiān)控工作。通過對溫度的實時監(jiān)控，以達到對水產(chǎn)養(yǎng)殖場的溫度進行估判，從而做出相應的措施，保證水產(chǎn)的最高效益。

關鍵詞：Zigbee;CC2530;智能;溫度監(jiān)控

在近代以及目前發(fā)展的無線通信技術中，Zigbee技術發(fā)展越來越廣泛。以Zigbee無線傳感網(wǎng)絡方式構建的新一代通訊網(wǎng)絡，在現(xiàn)代生活中已經(jīng)得到了廣泛的應用。目前開發(fā)的短距離無線通信技術中，無線傳感網(wǎng)絡可以說是一種具有很大的實用價值通信技術。對于目前追求低功耗、成本低的無線傳感網(wǎng)絡是非常適宜的。本課題主要研究利用最新的Zigbee無線傳感網(wǎng)絡水產(chǎn)養(yǎng)殖環(huán)境溫度進行采集傳輸，以達到實時遠程監(jiān)控。課題研究內(nèi)容包括：終端傳感節(jié)點采集養(yǎng)殖場的實時溫度，處理后將無線發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再通過串口傳輸給上位機終端顯示并預警。

1 關鍵技術及協(xié)議

1.1 ZigBee無線技術簡介

ZigBee技術的研發(fā)是以IEEE802.15.4為基礎，Zigbee技術的研發(fā)主要是關于安全、組網(wǎng)和應用軟件。第一份Zigbee規(guī)范“Zigbee Specifcation V1.0”于2005年Zigbee聯(lián)盟公布。該聯(lián)盟定義的標準定義了IEE802.15.4的媒體訪問控制層與物理層的支持與網(wǎng)絡上的應用服務。Zigbee無線通信技術具有以下特點：

1.1.1 成本低功耗低

Zigbee頻段是免費使用的，無需繳納專利費，而且Zigbee協(xié)議棧的源代碼是開元的，此外，Zigbee射頻芯片價格低廉，這極大了降低了研究成本。芯片供電3.3 V的供電可以滿足，在節(jié)點設計上，一個節(jié)點工作半年時間也只需要2節(jié)5號干電池提供電源。Zigbee具有工作周期長的優(yōu)勢，是目前WIFI、藍牙等無線技術無可媲美的。

1.1.2 速率低延時短

對于低速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽靡?，Zigbee在2.4GHz提供的的數(shù)據(jù)吞吐率為250 kbps，傳輸速率在20～250 kbps之間。目前的藍牙技術與WIFI技術從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)需要3～10 s和3 s，而Zigbee只需要15 ms，相對而言，Zigbee的響應速率是比較快的。

1.1.3 距離短容量高

Zigbee無線傳輸在視距理論上是100 m，而增加路由節(jié)點可以增長傳輸距離。Zigbee可以進行多節(jié)點組網(wǎng)，最多可以設計65000個節(jié)點，每一個中心節(jié)點匯聚若干個254個節(jié)點，并且可以由高層節(jié)點向下層節(jié)點進行管理。在Zigbee整個傳感網(wǎng)絡中，我們可以采用星狀、片狀和網(wǎng)狀等網(wǎng)絡結(jié)構進行組網(wǎng)。

1.1.4 安全高免費照頻段

ZigBee在無線通信技術中具有很高的安全性，其具有三級安全模式：采用高級加密標準(AES 128)的對稱密碼、使用訪問控制清單(防止非法獲取數(shù)據(jù))及無安全設定。2.4 GHz是全球免費工業(yè)、醫(yī)療、科學使用頻段。2.5 GHz頻段的信道帶寬為5 MHz，具有16個信道。

2 總體設計方案

我國水產(chǎn)養(yǎng)殖正在往集中型的大規(guī)模養(yǎng)殖發(fā)展，針對有規(guī)模的水產(chǎn)養(yǎng)殖，Zigbee的無線監(jiān)控系統(tǒng)可以發(fā)揮很大作用。通過在養(yǎng)殖場的分布溫度傳感節(jié)點，傳感節(jié)點可以實時

監(jiān)測水溫，經(jīng)無線協(xié)議傳輸給協(xié)調(diào)節(jié)點，距離遠的節(jié)點可以通過添加路由節(jié)點以達到遠距離的溫度傳輸。協(xié)調(diào)節(jié)點在通過組網(wǎng)接收到各傳感節(jié)點的數(shù)據(jù)后經(jīng)過串口傳輸給PC機，供上位機顯示和預警。

設計中，主要有傳感節(jié)點、路由節(jié)點和協(xié)調(diào)節(jié)點組網(wǎng)組成系統(tǒng)，進行無線傳輸，其中路由節(jié)點和傳感節(jié)點的低功耗可以進行電池供電，協(xié)調(diào)節(jié)點直接連接監(jiān)控端可由監(jiān)控端供電。

2.1 芯片選擇

本設計選用的Zigbee芯片為TI公司的CC2530，CC2530是目前Zigbee設計運用中使用最多的無線射頻芯片，它是目前一個真正用于IEEE802.15.4協(xié)議標準，RF4CE以及Zig bee應用的片上系統(tǒng)(SoC)解決方案。CC2530內(nèi)核結(jié)合了增強型的8051 CPU，同時具有8KB RAM，其系統(tǒng)可以編程閃存。在設計發(fā)展中，CC2530設計上有四種不同的閃存版本：CC25 30F32/64/128/256，分別具有32/64/128/256KB的閃存。它是目前同類芯片中能夠以非常低的硬件成本設計建立一個龐大的無線節(jié)點網(wǎng)絡。同時，為了適應不同功耗要求，CC2530也設計有不同的運行模式，滿足低功耗要求，在主動模式即CPU空閑時，接收時電流為24 mA，發(fā)送時電流為29 mA;供電電壓范圍為2～3.6 V。在滿足低功耗的同時，它在不同模式的轉(zhuǎn)換時間也非常短。

2.2 溫度傳感器

DS18B20是一款常用的，可以應用于多場合的溫度傳感器，防水型的封裝可以在潮濕、水浸、腐蝕等環(huán)境下使用，精度也高，可滿足設計要求。其性能特性為：DS18B20在實現(xiàn)與微處理器雙向通信時只需要一條口線連，這種單線接口方式的獨特設計，非常便于設計應用;正常測溫有誤差，一般為1℃，在非極限測溫范圍-55℃～+125℃，具有一定的精確性;可以進行多點組合功能，可以最多八個DS18B20可以并聯(lián)在唯一的三線上，從而實現(xiàn)多點測溫(不能過多的原因是并聯(lián)多會使電源的供電電壓低，影響數(shù)據(jù)信號的的不穩(wěn)定傳輸;適用于DN15～25，DN40～DN250各種介質(zhì)工業(yè)管道和狹小空間設備測溫;在設計使用中不需要任何外圍元件便可以完成設計;測量結(jié)果以串行方式進行9到12位數(shù)字量的方式傳送;工作電源：3.0～5.5V/DC。

3 硬件系統(tǒng)設計

3.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點設計

ZigBee協(xié)調(diào)器主要用于建立網(wǎng)絡并組網(wǎng)管理節(jié)點，其電路設計包括：一個CC2530芯片處理模塊、一個串口模塊、一個JTAG接口/復位模塊、一個電源模塊、LED指示燈模塊等，結(jié)構如圖1所示。

電源模塊：Zigbee模塊工作電壓為3.3 V，外部供電為5 V輸入，需要AMS1117—3.3電源穩(wěn)壓芯片進行穩(wěn)壓。

串口模塊：下載程序和調(diào)試通信兩個作用，采用MAX232做RS232電平與TTL電平的轉(zhuǎn)換芯片，MAX232有兩路電平轉(zhuǎn)換。

3.2 路由節(jié)點設計

路由節(jié)點作用于協(xié)調(diào)器與傳感節(jié)點之間，以達到更遠距離的傳輸，其工作主要由協(xié)議完成，電路設計只需外接LED指示燈、復位電路以及電源接入即可。路由節(jié)點結(jié)構如圖2所示。

3.3 傳感節(jié)點設計

傳感節(jié)點主要用于檢測水溫，并無線發(fā)送給處理端，電路設計主要測溫模塊、復位模塊、LED指示模塊、電源模塊。傳感節(jié)點的結(jié)構如圖3所示。

測溫模塊：測溫傳感器為防水型的DS18B20，其輸出為數(shù)字量，只需要一條線就可以實現(xiàn)與處理器的通信。電路設計如圖4所示。

4 軟件系統(tǒng)設計

4.1 軟件系統(tǒng)的總體結(jié)構

本設計采用的組網(wǎng)的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構為樹形結(jié)構，主要由協(xié)調(diào)節(jié)點、路由節(jié)點、傳感節(jié)點組成。傳感節(jié)點負責采集數(shù)據(jù)并發(fā)誓給協(xié)調(diào)節(jié)點，路由節(jié)點主要為遠距離的傳感節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)給協(xié)調(diào)節(jié)點，協(xié)調(diào)節(jié)點將接收的數(shù)據(jù)再上傳給PC機。系統(tǒng)的流程圖如圖5所示。

4.2 協(xié)調(diào)器軟件設計

協(xié)調(diào)器主要負責建立傳感網(wǎng)絡和管理網(wǎng)絡，為加入傳感節(jié)點分配地址，其啟動工作流程圖如圖6所示。

4.3 路由節(jié)點軟件設計

路由節(jié)點負責為傳感節(jié)點的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。其流程圖如圖7所示。

5 上位機設計

本系統(tǒng)上位機設計為VB語言設計，Visual Basic是目前一種應用于圖形界面比較多的開發(fā)語言，它衍生于BASIC編程語言。VB用有快速應用程序開發(fā)和圖形用戶界面開發(fā)系統(tǒng)，它是微軟開發(fā)的，用于協(xié)助開發(fā)環(huán)境的驅(qū)動編程語言。在現(xiàn)在的使用標準來說，VB是目前世界上使用者對多的語言，在目前圖形化界面開發(fā)來說，VB是比較好的開發(fā)語言較容易應用ADO、DAO、RDO輕松創(chuàng)建ActiveX控件和連接數(shù)據(jù)庫。對于想快速建立一個應用程序，VB將會是一個很好的選擇。本設計的上位機制作，VB是一個很好的選擇。上位機設計如圖8所示。

6 結(jié)束語

采用的是基于Zigbee的溫度監(jiān)控設計，測溫用的是防水型的DS18B20數(shù)字溫度傳感器。通過DS18B20傳感器進行溫度檢測，輸出數(shù)字量，CC2530數(shù)據(jù)處理模塊進行處理后無線發(fā)送給協(xié)調(diào)端節(jié)點，協(xié)調(diào)端節(jié)點再通過串口傳輸給監(jiān)控端，完成系統(tǒng)的監(jiān)控工作，為了進一步提高性能，系統(tǒng)有優(yōu)化和改進的空間。