无线传感器网络在蔬菜大棚中的应用

摘要：无线传感器网络采用ZigBee技术，协议栈使用TI的Z-Stack，网络拓扑结构为树形，文章给出了系统设计方案，画出了传感器节点和协调节点的硬件框图，并开发出PC机上的管理软件。
关键词：无线传感器网络；Z-Stack；CC2531；CC2533；SHT11

0 引言
    在物联网技术的推动下，无线传感器网络技术在社会的各方面取得了很多实际有效的应用，相比使用传统技术节省了大量的人力、物力。本文设计的无线传感器网络，是一种基于ZigBee技术的无线监测系统，可实时采集蔬菜大棚内温度和湿度，从而便于种植户根据检测到的蔬菜生长环境做适当的调整，提高产量，获得更大的效益。适用于较大规模的蔬菜种植基地。
    完整的Zigbee协议栈由物理层、介质访问控制层、网络层、安全层和高层应用规范组成，ZigBee协议栈的核心部分在网络层，网络层主要实现节点加入或离开网络、接收或抛弃其他节点、路由查找及传送数据等功能，支持Cluster-Tree、AODVjr、Cluster-Tree+AODVir等多种路由算法，支持星形(Star)、树形(Cluster-Tree)、网格(Mesh)等多种拓扑结构，而应用层根据自己的需要做开发。

1 系统总体设计
    本文所设计的无线传感器网络协调节点负责采用ZigBee组建网络，并通过USB接口与PC完成数据交换功能；传感器节点负责采集蔬菜大棚内的温湿度值并发送和转发该数据至协调节点，相反也可以接收并转发协调节点传送过来的指令信息；整个系统的通信基于ZigBee技术实现，在该稳定网络之上实现无线传感器网络中传感器节点与协调节点之间的数据和控制信息的交互。图1系统框图。

2 传感器节点
    传感器节点通过传感器SHT11采集蔬菜大棚内的温度和湿度值，经CC2533处理通过2．4G天线传送出去；相反，天线收到控制指令后交给CC2533芯片，由其做出相应操作。
    SHT11是瑞士Sensirion公司推出的基于CMOSensTM技术的新型温湿度传感器。该传感器将CMOS芯片技术与传感器技术结合起来，从而发挥出它们强大的优势互补作用。温湿度传感器的主要特性如下：1)将温湿度传感器、信号放大、A／D转换、I2C总线接口全部集成于一个芯片(CMOSensTM技术)；2)可给出全校准相对湿度及温度值输出；3)具有露点值计算输出功能；4)具有卓越的长期稳定性；5)湿度值输出分辨率为14位，温度值输出分辨率为12位，并可编程为12位和8位；6)小体积(7．65×5．08×23．5mm)，可表面贴装；7)具有可靠的CRC数据传输校验功能；8)片内装载的校准系数可保证100％互换性；9)电流消耗测量时为550μA，平均为28μA，休眠时为3μA。

    CC2533芯片为TI公司生产的2．4GHz射频系统单芯片，该单芯片上整合了ZigBee RF前端、内存和微控制器。其主要特点如下：高性能和低功耗的8051微控制器核；集成符合IEEE 802．15．4标准的2．4GHz的RF无线电收发机；卓越的无线接收灵敏度和鲁棒性；在休眠模式时仅1 μA的流耗；硬件支持CSMA／CA功能；具有I2C接口；数字化的RSSI(接收信号强度指示)／LQ I(链路质量指示)支持和强大的5通道DMA(直接存储器存取)功能；具有电池监测功能；集成AES(高级加密标准)安全协处理器；带有2个强大的支持几组协议的USART(通用异步同步收发器)，以及1个符合IEEE802．15．4规范的MAC(媒体访问控制层)计时器，1个常规的16位计时器和2个8位计时器；23个可编程的I／O引脚。

3 协调节点
    无线传感器的网络的协调节点需要承担起来无线网络组建、上行数据和下行指令转发的工作，在无线传感网络中，协调器主要处理五方面的工作：1) 将终端设备添加进无线传感网络中；2)接收终端设备发送的数据并进行处理，然后通过usb口发给计算机进行处理或显示；3)接收计算机通过usb口发送的指令信息，经过处理后发送给相应的终端设备；4)将终端设备从无线传感器网络中移除；5)终端设备工作状态显示与自动报修。
    CC2531芯片为TI公司生产的2．4GHz射频系统单芯片，该单芯片上整合了ZigBee RF前端、内存和微控制器。其主要特点如下：高性能和低功耗的8051微控制器核；集成符合IEEE 802．15．4标准的2．4GHz的RF无线电收发机；卓越的无线接收灵敏度和鲁棒性；在休眠模式时仅1μA的流耗；硬件支持CSMA／CA功能；USB2.0认证的全速设备(12Mbps)；数字化的RSSI／LQ I支持和强大的5通道DMA(直接存储器存取)功能；具有电池监测和温度感测功能；集成了12位ADC；集成AES(高级加密标准)安全协处理器；带有2个强大的支持几组协议的USART(通用异步同步收发器)，以及1个符合IEEE802．15．4规范的MAC计时器，1个常规的16位计时器和2个8位计时器；21个可编程的I／O引脚。图3协调节点硬件框图。

4 软件
    根据本系统的需要，应用层的开发使用IAREmbedded Workbench软件修改Z-Stack协议栈，编译、下载并调试。协调节点通过USB口与电脑连接，用C++开发USB驱动程序；电脑与协调节点为上下位机，在协调节点CC2531的RAM中划分出缓存区，电脑和协调节点都可以从缓存区读写数据；使用VB编写管理显示界面，如图4所示，每一个蔬菜大棚为一个分组，其中放有若干个传感器节点，可以对分组和节点进行添加、删除、对应和备注；可以自己设定时间使传感器节点采集并送回温、湿度数据，也可以实时操作。

5 结束语
    本文设计的无线传感器网络可以满足种植户实时监测蔬菜大棚内温湿度的基本需要，系统组网简单，使用方便。为了使系统更加完善，计划在下一步开发过程中，重点改进以下两个方面的功能：优化节点间通信的路由算法和节点能量控制。本文对其它无线监测网络的设计具有一定的参考价值，如森林火灾预警系统、矿震监测系统等。