基于SimpliciTI的大棚温湿度无线监测系统设计

李建勇,刘雪梅,李 洋

(1.西北工业大学 明德学院,陕西 西安 710124；2.杭州娃哈哈集团有限公司 浙江 杭州 310020)

基于SimpliciTI的大棚温湿度无线监测系统设计

李建勇1,刘雪梅1,李 洋2

(1.西北工业大学 明德学院,陕西 西安 710124；2.杭州娃哈哈集团有限公司 浙江 杭州 310020)

针对目前温室大棚温湿度监测大多采用人工监测或有线监测方式,设计了一种基于SimpliciTI的大棚温湿度无线监测系统。该系统以遵循SimpliciTI协议的CC2500无线收发器组成星型无线传感器网络,传感器节点采用HTU21D数字温湿度传感器测量各节点温湿度值,由OLED12832模块现场显示,中央节点把收到的数据经串口上传PC机,并用由VC++6.0制作的监视软件进行显示和记录。测试表明,该系统具有成本低、组网灵活、测量精度高和实用性强等优点。

SimpliciTI；大棚温湿度监测；CC2500；无线传感器网络；HTU21D

温度、湿度对温室大棚中作物的质量和产量有着至关重要的影响,然而目前对温湿度监测大都采用人工监测或有线监测方式。人工监测方式不仅费时费力、效率低,而且测量误差大,随机性大。有线监测方式,当监测点较多情况下,布线繁琐、维护困难,系统的成本高、灵活性差［1］。

现在随着农业产业规模的提高和大棚数量的增多,人工监测或有线监测方式的局限性越来越明显,因此,基于低功耗射频协议SimpliciTI设计了一种低成本的大棚温湿度无线监测系统。

1 SimpliciTI协议

SimpliciTI是TI开发的一份专门针对其CCxxxx系列无线通信芯片的简单低功耗射频网络协议［2-3］,具有支持休眠设备,网络结构灵活,支持p2p的连接方式和带有用于存储并转发至终端器件的接入点的星型网络通信,使用方便和成本低等特性。

2 系统总体设计

系统由传感器节点、中央节点和监视软件3部分组成,系统总体结构图如图1所示。传感器节点主要由HTU21D温湿度传感器、MSP430G2553单片机、OLED12832显示模块和CC2500无线发射模块等组成,采用2节5号电池供电；中央节点主要由CC2500无线接收模块、MSP430G2553单片机和串口电路组成,采用PC机供电。

图1 系统总体结构图Fig.1 Structure diagram of the power control unit test system

传感器节点以MSP430G2553单片机为控制核心,采用HTU21D数字温湿度传感器测量各节点温度和湿度,使用OLED12832显示模块现场显示,通过由CC2500无线收发器组成无线传感器网络传到中央节点的无线接收模块,然后由单片机通过串口再传到PC机,并用由VC++6.0制作的监控终端软件进行显示和记录等功能。

3 系统硬件设计

3.1 主控模块

系统采用TI公司的MSP430G2553单片机作为控制器。MSP430G2553单片机是16位超低功耗混合信号微控制器［4］, 1.8～3.6 V的低电源电压范围,5种低功耗工作模式,具有I2C和SPI串口通信等资源。

3.2 节点温湿度传感器模块

温湿度传感器模块采用法国Humirel的HTU21D温湿度传感器。HTU21D温湿度传感器湿度测量范围为0-100﹪ RH,温度测量范围为-40～125℃［5］,具有很高的温度精度和湿度精度 （±2﹪RH）,同时具有1.8～3.6 V的宽电压工作范围。HTU21D采用I2C接口与节点单片机的USCI_B0模块（I2C模式）进行通信。

3.3 无线收发模块

中央节点和传感器节点的无线收发模块电路完全一样,采用TI公司的CC2500无线收发器来进行设计,其电路图如图2所示。CC2500是一种低成本真正单片的2.4 GHz收发器［6］,数据传输率可达 500 kbps,具有高灵敏度（2.4 kbps,2-FSK,1﹪误码率时为-104 dBm）、1.8～3.6 V的工作电压范围、多种调制模式（OOK、GFSK、2-FSK和MSK）等特点,专为低功耗无线应用而设计。CC2500通过SPI接口与MCU相连,只是在传感器节点和中央节点与各自单片机连接的SPI接口略有不同。传感器节点电路中 CC2500通过 SPI接口连接其单片机的USCI_A0模块；中央节点电路中CC2500通过SPI接口连接其单片机的USCI_B0模块。

图2 无线收发模块电路图Fig.2 The circuit of wireless transceiver module

为增加节点和监控终端的通信距离,在CC2500的后面增添了高性能功率放大及低噪声放大芯片RFX2401C［7］,外接SMA胶棒天线或小吸盘天线,有效通信距离最远可达1500m左右。

3.4 传感器节点显示模块

传感器节点显示模块采用0.96寸OLED12832显示屏模块。OLED12832显示屏具有高分辨率、大于160°的可视角度、超低功耗、3～5 V的宽供电范围、体积小、操作方便和功能丰富等特点。OLED12832可采用I2C或SPI接口通信,节点单片机采用IO口模拟I2C方式与之通信。

3.5 中央节点串口通信模块

中央节点串口通信模块采用单通道RS232线驱动器/线接收器MAX3221进行设计。MAX3221的DIN和ROUT引脚分别与中央节点 MSP430单片机的 UCA0TXD （P1.2）和UCA0RXD（P1.1）引脚相连,其DOUT和RIN引脚分别与DB9的第3和第2脚相连,然后可通过串口延长线直接与PC机相连。

4 系统软件设计

系统软件主要由传感器节点程序、中央节点程序和上位机监视软件3部分组成。传感器节点以中央节点为核心,遵循SimpliciTI协议组成星型无线传感器网络进行通信。传感器节点和中央节点通信编码采用 “$节点地址,温度值,湿度值, N#”的格式进行传输。

4.1 传感器节点程序

传感器节点程序首先对单片机、CC2500、传感器和显示器等硬件初始化,启动一次加入中心节点的请求,当得到中心节点响应后完成无线传感器网络发射端和接收端的握手工作,接着进入到低功耗模式LPM3等待每隔1s的时间中断唤醒,然后对HTU21D温湿度传感器读取温度值和湿度值,经过换算后送到 OLED12832显示模块进行显示,和通过CC2500无线发射模块向无线接收模块发送数据,最后再进入LPM3模式,其流程图如图3所示。

图3 传感器节点程序流程图Fig.3 Flow chart of sensor node program

4.2 中央节点程序

由于中央节点在创建无线网络之后始终处于监听新节点加入网络、接收节点数据和通过串口传输数据到上位机的状态,具备存储转发机制,因此可以对长期工作在休眠模式的传感器节点提供较好的支持,其流程图如图4所示。

图4 中央节点程序流程图Fig.4 Flow chart of the central node program

4.3 上位机监视软件

上位机监视软件采用VC++6.0软件进行设计,其监视界面如图5所示,主要由节点温湿度值的显示区域、端口设置子界面、实时数据子界面和串口打开及关闭等组成,其中实时数据子界面不仅可以直接显示接收到不同节点的温湿度值,还能以文本格式按时间进行存储数据并能随机查看。

图5 上位机软件监视界面Fig.5 Monitor interface of software on PC

5 系统测试

针对本系统工作的可靠性和通讯性能,制作了3个传感器节点和一个中央节点,分别放在12个种植草莓的温室大棚区域内的测试点进行测试。在同一个大棚内以30米距离安排3个测试点,PC机放在同一位置,然后一个一个大棚进行测试,1号大棚实验数据文本保存如图6所示。测试结果表明,其平均温度误差为0.2℃,湿度误差为1.5﹪,不仅符合温室大棚对温湿度的精度要求,上位机还能准确显示每个测量点的温湿度值,进行文本格式保存和能快速反应周围环境温度和湿度的变化。此外本系统采用3 dB的2.4 GHz胶棒天线进行测试,发现无线模块输出功率可达22 dBm,在空旷地带有效传输距离可达1 600 m,该系统的无线传输能力在一家数量有限的温室大棚空间内是足够的。

图6 1号大棚实验数据文本保存Fig.6 Experimental data of No.1 greenhouses saved on the text

6 结束语

实际测试表明,该系统达到了设计要求,传感器节点不仅能准确获取温湿度值和进行显示,通过无线传感器网络还能较远距离可靠传输数据,中央节点在收到数据后能迅速通过串口把数据上传到PC机,由上位机监视软件进行显示和记录。此外还具有测量精度高、功耗低、成本低、组网灵活,人机界面简单直观、实用性强和稳定性高等诸多优点,同时还能用于其他领域的温湿度测量。

［1］郑欣,门顺治,秦宁宁,等.基于物联网技术的花卉大棚温湿度监测系统［J］.自动化与仪表,2014（6）:22-25.ZHENG Xin，MEN Shun-zhi，QIN Ning-ning，et al.Temperature and humidity monitoring system for flower greenhouse based on IOT technology［J］.Automation&Instrumentation，2014（6）:22-25.

［2］赵仁涛,刘宾,张志芳,等.基于SimpliciTI协议的铝电解槽电流分布采集系统的设计［J］.计算机测量与控制2014，22（2）:551-553.

ZHAO Ren-tao，LIU Bin，ZHANG Zhi-fang，et al.SimpliciTI protocol used in aluminum reduction cell current distribution acquisition system ［J］.Computer Measurement and Control，2014，22（2）:551-553.

［3］Texes Instuments Incorporated.SimpliciTI Overview［EB/OL］.http://www.ti.com.cn/cn/lit/ml/swru130b/swru130b.pdf.

［4］Texes Instuments Incorporated.MSP430x2xx Family User's Guide ［EB/OL］.（2008-12）.［2014-11］.http://www.ti.com.cn/cn/lit/ug/slau144j/slau144j.pdf keyMatch=MSP430x2xx Family User's Guide&tisearch=Search-CN.

［5］Humirel，INC.HTU21D［EB/OL］.（2014-04）.［2014-11］.http: //www.meas-spec.com/downloads/HTU21D.pdf.

［6］Texes Instuments Incorporated.Low-Cost Low-Power 2.4 GHz RF Transceiver［EB/OL］.（2014-11）.［2014-11］.http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/cc2500.pdf.

［7］RFaxis，INC.RFX2401C Product Brief［EB/OL］.（2014-03）.［2014-11］.http://www.rfaxis.com/downloads/RFX2401C.pdf.

Design of greenhouse temperature and humidity wireless monitoring system based on SimpliciTI

LI Jian-yong1,LIU Xue-mei1,LI Yang2
（1.Ming De College,Northwestern Polytechnical University,Xi’an 710124，China；2.Hangzhou Wahaha Group Company Limited,Hangzhou 310020，China）

Aiming at the greenhouse temperature and humidity monitoring mostly adopts manual monitoring or wired monitoring mode，designed a temperature and humidity wireless monitoring system based on SimpliciTI.The system has made use of CC2500 wireless transceiver which follows SimpliciTI protocol to form a star wireless sensor network，the sensor nodes use the digital temperature and humidity sensor of HTU21D to measure the temperature and humidity values of each node，displays by OLED12832 site，the central node transfers the received data to PC through the serial port，And uses the monitoring software made by VC++6.0 to display and record.The test shows that，this system has the advantages of low cost，flexible networking，high measuring precision and strong practicability etc.

SimpliciTI；greenhouse temperature and humidity wireless monitoring；CC2500；wireless sensor network；HTU21D

TN98

：A

：1674-6236（2015）18-0173-03

2014-12-02稿件编号：201412014

李建勇 （1982—）,男,河南扶沟人,硕士,讲师。研究方向:嵌入式系统、机电一体化和仪器仪表等。