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基于cc2430的温室大棚环境监测系统设计_电子通信网络论文

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简介摘要:为了实现温室大棚环境的实时监测,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。该方案通过对ZigBee技术的无线收发微处理器CC2430以及

摘要:为了实现温室大棚环境的实时监测  ,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 。该方案通过对ZigBee技术的无线收发微处理器CC2430以及协调器节点、传感器节点的硬件设计和软件的设计流程  ,成功对温室大棚的温度、湿度等进行监测  ,达到实时远程监测的目的 。
  关键词:温室大棚 ZigBee CC2430 环境监测
   0.引言
   在日常生活中  ,温室环境种植已经是人们生活中很常见的一个例子  。传统的温室环境种植都是通过在温室内布置复杂的电线及相关的控制设备来实现对温室环境的调控  。这为对农作物进行施肥等活动造成了障碍 ,可能会在这些活动中把电线弄断  ,从而给系统通信带来问题  。而利用无线传感器网络不需要经过布线这个环节  ,避免了相关问题的出现  ,达到了对温室环境进行监控的要求 ,同时由于采用了基于CC2431的无线传感器网络节点进行设计  ,达到了无线传感器网络节点设计时外形小、集成度高、功耗低、速度快、成本低的要求  。
   1.无线传感器网络系统总体结构
   无线传感器网络是对周围环境的温度、湿度、光、加速度等信息进行监控和管理的技术 。这种无线传感器节点中内置了传感器、传感器控制电路、CPU、无线通信模块、天线、电源装置等 ,通过Ad-Hoc通信技术 ,可以与周围的传感器节点一起把数据传输到汇聚节点  。本文介绍的无线传感器网络由一个汇聚节点和多个传感器节点组成  ,通过汇聚节点上传到远程主机  。系统的总体结构如图1所示  。
   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 。
   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
   3.系统硬件设计
   传感器测量节点由传感器模块、微处理器模块、无线通信模块和电源模块组成  。
   (1)传感器模块 。由不同类型的传感芯片组成 ,具有对温度、湿度和光照强度的感知能力  。其中温、湿度传感器采用I2C总线数字式温、湿度传感器SHTll ,其体积小、能耗低、两线数字接口、温度量程为-40℃~85℃、相对湿度量程为0%~100%RH  。光照强度传感器选用TSL2550D ,其功耗可以满足无线传感器低功耗系统设计的要求  ,其总线也易于与CC2431接口  。
   (2)微处理器模块  。采用集成在CC2431内部的8051 CPU  。集成的CPU有4种不同的内存空间:代码区、数据区、扩展数据区和特殊功能寄存器区  ,不同的内存空间有利于代码和数据的分离  ,提高CPU对内存的访问速度 。
   (3)无线通信模块
   ①传感器网络节点在通信时消耗了大量的能量  ,选择一款低功耗的无线通信芯片将有效地降低通信模块的能量消耗  。CC2431是一款符合ZigBee标准的低功耗通信芯片 ,具有快速唤醒和搜索外部设备功能 ,可以使节点更多地处于休眠状态而节约功耗  ,而且其信道频率和功耗等参数可以灵活设置  。CC2431通信模块的天线考虑到无线传感器网络通信质量的要求  ,采用单极性天线  ,单极性天线在差分输出与天线之间要求使用“平衡-不平衡变压器” 。②无线传感器网络节点电源为电池供电系统 ,选用的电池为手机专用锂电池 。为了使系统在电池供电时  ,工作时间持续长  ,在设计电源模块时要考虑到节点的节能问题 。CC2431提供4种电源管理模式:PM0、PM1、PM2和PM3  ,合理地使用这4种模式可有效地降低节点的能耗  。③LED灯用于显示传感器节点的运行状态  。
   (4)电源模块 。为其他模块提供能源  。
   3.系统软件流程
   本系统用C语言编程  ,软件采用模块化结构程序设计方式  。单片机上电复位 ,程序开始执行  ,初始化单片机端口  ,为驱动温湿度模块、ZigBee模块作准备  。初始化显示模块  ,用来显示接收到的温湿度数据  。采集当前的温湿度数据 ,如果没有采集到数据  ,或由于外界干扰导致读取错误 ,则返回继续读取  。采集到的温湿度数据经过相应的数据转换后送到ZigBee发送模块进行数据传输  ,ZigBee接收模块接收温湿度数据  ,如果没有接收完 ,则继续接收 。接收完数据经过数据处理  ,传送数据到显示模块进行显示  。
   4.结语
   基于ZigBee的温室大棚环境检测数据实时监测系统具有数据传输安全可靠、组网简易灵活、设备成本低等特点 ,其自动化、智能化的无线监控系统将越来越受到市场的青睐  ,是一项极具市场前景的高科技项目  ,将会创造巨大的经济效益和综合社会效益  ,具有很好的应用前景  。
  

       

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