0 引言

農業是國家發展的基礎。中國是農業大國，卻不是農業強國，大力發展溫室農業是提高我國農業水平的重要途徑。溫室作為現代農業的重要組成部分，使農業生產可以不受氣候、地域的限制，大大地提高了作物產出。目前，我國溫室的智能化和信息化水平仍十分落后。采集和控制是現代溫室的兩個基本構成，目前溫室的采集和控制大多采用線纜傳輸，當傳感器和控制設備較多時，線路雜亂，施工難度大、成本高，維護升級困難，而且溫室的高溫度、高濕度、酸性環境極易造成線路腐蝕老化，影響系統的可靠性和安全性。針對這些問題，本文設計了基于CC2530的溫室無線采集與控制系統，該系統不僅實現了溫室多點數據的實時采集和無線上傳，而且實現了設備控制的無線化和自動化，系統運行過程中幾乎不需要人的參與，具有很高的應用價值。

1 系統總體設計

系統結構如圖1所示。通過若干分布在溫室中的傳感器節點采集數據，無線發送至中心節點，中心節點匯集各采集節點的傳感數據并上傳到監控計算機，監控計算機進行數據處理、顯示和存儲，根據數據處理結果下達控制命令，并經由中心節點無線發送給控制設備，實現采集與控制的自動化和無線化。

2 硬件設計

2.1 主控芯片

系統采用CC2530無線SOC作為主芯片，它將微處理器和無線射頻模塊集成到一塊芯片上，是TI公司推出的新一代ZigBee解決方案。CC2530的微處理器核心為一款增強型8051單片機，配有8KB的SRAM內存和32/64/128/256KB容量可選的flash閃存，時鐘頻率達到32MHz，能滿足不同應用對數據處理的要求，休眠時自動切換到32KHz低頻模式，最大限度地降低能耗：無線射頻模塊的核心是CC2520芯片，工作在ISM免許可認證頻段2.4GHz，采用DSSS擴頻技術，具有出色的接收靈敏度(-98dm)和鏈路預算(103dB)，最大傳輸速率 250Kbps，完全符合IEEE802.15.4協議標準。

2.2 傳感器節點

本系統選用DHT11溫室兩用型數字傳感器，該傳感器為單總線數字信號輸出，工作電壓3.3～5.5V，溫度測量范圍0～50℃，精度±2℃，濕度測量范圍20～90%RH，精度±5%RH。圖2是DHT11的電路連接圖。

DHT11通過一根數據線與CC2530模塊相連接，構成采集模塊，一次讀取結束后，溫度和濕度數據在數據線上按位傳輸、圖3為傳感器節點框架圖。

2.3 控制節點

由于氣候多變，溫室經常由于惡劣天氣等原因而不得不關閉窗戶，此時室內空氣不流通，受溫室覆蓋材料散熱等原因影響，室內溫度、濕度等重要的環境因子會分布不均，直接影響作物生長的均勻性，因此有必要采取室內循環通風措施，使室內氣候均勻、穩定。

本系統的控制對象為溫室內循環通風用的風機，風機型號CBF-400防爆型軸流風機，風量2880m3/h，功率0.37kW，試驗溫室面積為 10*8m2，采用兩臺這樣的風機能很好地滿足要求。該風機工作電壓220V/AC，采用直流繼電器驅動，為提高驅動能力和抗干擾能力，增加了功率放大器和光耦隔離器件。CC2530主控板通過一個I/O引腳控制直流繼電器，從而控制風機啟、停。圖4為控制節點框架圖。

3 軟件設計

3. 1 節點程序設計

3.1.1 網絡協議

目前常用的短距離無線通信協議有ZigBee、Bluetooth、Wi—Fi、UWB等，其中ZigBee以其低功耗、低速率、大網絡容量、動態組網、高安全性等特點成為無線傳感器網絡的最佳選擇。ZigBee定義了網絡層和應用層規范，物理層和介質訪問控制層(MAC)基于 IEEE802.15.4協議標準。

ZigBee網絡有三種拓撲形式：星型、樹型、網狀，其結構如圖5所示。星型網絡和樹型網絡不能改變網絡拓撲，適合于不需要移動的場合。網狀網絡中節點能自由地與周圍的節點通信，網絡拓撲可動態調整，能夠滿足高移動性的要求，而且網絡擴展十分方便。本系統網絡規模雖然不大，但為方便移動和后期擴展，采用網狀網絡拓撲結構。

3.1.2 程序結構

節點的程序基于TI公司的Z-Stack協議棧， 它引入了操作系統抽象層OSAL(Operating System Abstraction Layer)機制來處理多任務。OSAL按優先級從高到低的順序輪詢物理層、MAC層、網絡層、應用層是否有任務要執行。若有高優先級任務，立即跳轉進入該任務處理子程序，處理結束后再次從最高優先級開始新一輪查詢;若查詢結束 發現沒有任務要執行，系統會轉入休眠，以節約能量。圖6是OSAL的任務處理流程圖。

本系統采用的Z-Stack版本為ZStack-CC2530-2.3.0-1.4.0，在采集節點程序中添加了一個SEND_DATA_EVENT任務，用于執行傳感器采集和數據發送功能;在中心節點程序中添加了一個SEND_CMD_EVENT任務，用于發送控制命令，控制節點中添加相應的命令接收與解析程序。

3.2 上位機軟件設計

傳感器采集到的數據上傳到上位機，上位機進行處理、存儲。圖7為上位機軟件顯示效果圖。該軟件由VC++6.0編寫完成，能夠實時動態顯示各采集節點的溫濕度數據，并繪制出變化曲線。采集到的數據按設定的格式存儲為.txt文本文檔，保存到中心計算機的硬盤上，便于后續進行溫室建模等深入研究。

4 系統測試

分別在外置電源和電池供電兩種模式下測試系統。

在外置電源供電時，節點在1秒采樣1次的較高采樣頻率下一直持續穩定運行;在兩節AA電池供電時，節點每2min采樣1次，其余時間進入休眠，系統能持續運行一周。考慮到溫室一般對采樣頻率要求不高，可以將采樣間隔設置為10分鐘甚至更長。若采用大容量電池，續航能力可以延續至數月甚至幾年，以適應某些無法提供外置電源的工作環境。圖7為測試中的上位機數據顯示界面，圖8為存儲到計算機的數據格式。

在持續兩周的觀察期內，軸流風機啟、停控制準確率為100%，控制可靠性很高。實驗表明該系統工作穩定、可靠，低功耗性能卓越，具有很高的實用性。

5 結論

本系統實現了溫室環境的無線監測和設備的無線控制。無線采集節點可以方便地布置在溫室的不同位置，能夠有效地獲取整個溫室的環境信息。與傳統的溫室有線測量與控制系統相比，簡化了布線任務，節省了人力成本。整個系統的成本較傳統有線系統更低，并且維護和升級都非常方便，為未來溫室的智能化、無線化提供了一種解決方案。