论文研究-基于无线传感器网络的温室温湿度监控系统研究 .pdf

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基于无线传感器网络的温室温湿度监控系统研究,赫森,李政,本文介绍了基于无线传感器网络的温室温湿度监控系统。该系统以CC2430作为射频单元及处理单元、SHT15作为温湿度传感器,重点说明了系�
国科技论义在线 http://www.paper.edu.cn 作为通信单元,CC2430芯片支持24GHz的IEE802154协议,具有250kbps的数据 传输速率,文持包括 ETSIEN300328、EN300440cass2(欧洲), FCCCFR47Part15(美国) 和 ARIB STD-166(日本)在内的多个射频标准2。它很少的外围部件配合就能实现信号的收 发功能,具有优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性。芯片集成了8通道14位模数转 换的ADC,在低功耗的同时保证了极高的精度。CC2430的运行环境温度范围为-40 +85℃,电压范围为2V~3.6V。超低功耗工作模式延长了待权时间,降低了电池的功耗。 CC2430芯片具有电池监测和温度感测功能,提高了系统的安仝性和可靠性,便于栘植于多 种温室环境 通信与处理单元的原理图如图3所小: P2 C 图3通信与处理单元原理图 32传感单元设计 传感单元采用瑞士森斯瑞( Sensirion)公司的SHTl5型智能传感器,其屮不仅包含基于 湿敏电容器的微型相对湿度传感器和基于带隙电路的微型温度传感器,而且还有14位的 AD转換器和标准rC总线,能输出经过校准的相对湿度和温度的数据全量程标定,两线数 字输出。SHT15的内部结构,如图4所示。温度测量范闱为相对湿度测量范闱是0~100%, 分辨率达0.03%,最高精度为±2%RH,温度测量范围是-40℃~+123.8℃,分辨率为0.1℃, 电源电压范围是+2.5V~+5.5V,响应时间小于3s。SHT15接口电路如图5所小 国科技论义在线 http://www.paper.edu.cn 校准存储器 < SCK 相对湿度 易失RAM 传感器 串 R DATA 放大器 14位A/D 温度 转换器 接 传感器 HGND 控制单元|CRC寄存器 HVDD 低压检测电路-状态寄存器→ 图4SHT15的内部结构 节点采用电池供电,为了省电,当需要采集数据时,接通SHT15的电源,否则关闭。 SHTI5 VCC SCI SCIK 0.1u I OK GND SDA 图5传感单元接口电路 SHT15与处理单元之问通过串行总线进行通信当发出了温(湿)度测量命令后,控制 器就要等到测量完成。使用8/12/14位的分辨率测量分别需要大约11/55/210ms的时 间。为衣明测量完成,SHT15会使数据线为低,此时控制器必须重新启动SCK,然后传送 两字节的测量数据与1字节CRC校验和。控制器必须通过使DATA为低来确认每一个字节, 所有的量均从右算,MSB列于第一位。通讯在确认CRC数据位后停止。如果没有用CRC 8校验和,则控制器就会在测量数据LSB后保持ack为高来停止通讯,SHT15在测量和 通讯完成后会自动返回睡眠模式。测量温度和湿度命令听对应的时序如图6所示。 wait for data ready 0,010 SB LSB ⊥Phes 图6SHT15测量数据时序 国科技论义在线 http://www.paper.edu.cn 33电源单元设计 电源单元的设计,以实现低能耗为首要目标,本设计首先选用了低功耗的处理通信单元 CC2430和低功耗的传感器SHT15,在保证性能优秀的情况下做到了最低的功耗。传感器在 绝大多数时间都处于休眠状态,避免了重复测量和冗余的操作,仅在需要数据采集任务时开 启,最大限度的节约了用电量。设计使用温度、湿度轮流检测杌制,温湿度传感器不同时 工作,降低了能耗。在软件设计时,同样注意了低能耗设计,采用了中断唤醒机制。 34软件设计 CC2430提供了强大的微控制器,支持不仅支持汇编语言,还支持C语言,与标准C语 言兼容程度高,人人提高了软件设计开发的工作效率,增强了程序代码的可靠性、可读性和 可移植性。系统软件流程图如图7所小: 开始 程序初始化 启动湿度监测 启动升降湿度 操作 是否超标?> 启动温度监测 启动升降温度是 摸作 是否超标? 转入休眠状态 延时半小时 图7系统软作流程佟 系统启动后先进行初始化操作,然后启动湿度监测系统,如果测试结果超过规定值,则 根据湿度高于或低于额定值而启动降升湿度机制。而后系统启动温度监测,将温度的数据和 规定值比较,如果不满足要求,则启动相应的升温或降温操作,否则系统转入休眠,如无中 断,半小时后重新进行一轮操作。此设计可以避免传感器长时间工作和执行重复操作所造成 的资源浪费,也延长了系统的使用寿命 4测试结果 41温湿度精度测试 该系统前端传感单元釆用数字式相对湿度和温度传感器SHT15。系统在实验室环境中 山国科技论义在线 http://www.paper.edu.cn 进行了严格的准确性测试。在整个测试过程中力求温度恒定但允许存在定误差。测试严 格按照规程进行,待恒温箱温度平衡稳定后开始测试。传感器尽量至于恒温箱中部,尽量诚 少可能的影响。待上位机输岀结果稳定后,记录数据。本次测试的恒温箱具有较髙的可靠性, 固在本系统测试过程屮可视为无温湿度偏差 表1不同温度点下湿度测试准确性实验数据 恒温箱设定温|设定相对湿度N1结点测量值 N2结点测量值 △ 度(℃) (%RH) (%RH) (%ORH) (%RH) ORH) 10.0 30.0 30.8 0.8 31.0 1.0 70.0 69.5 -0.5 70.3 0.3 15.0 30.0 29.1 0.9 9.5 -0.5 70.0 70.6 0.6 70.1 0.1 20.0 30.0 194 -0.6 70.0 695 -0.5 695 30.0 1.0 28.9 70.0 70.5 0.5 69.2 -0.8 30.0 31.2 30.8 0.8 70.0 70.4 0.4 69.3 -0.7 35.0 30.0 30.l 0).1 70.0 70.0 0.0 70.6 0.6 表2不同温度点下温度测试准确性实验数据 TO Tl(℃) △(℃) T2(C A(C) 5.0 4.8 0.2 10.0 10.2 0.2 9.9 15.0 15.3 0.3 15.0 0.0 20.0 199 ).1 197 0.3 25.0 24.7 -0.3 25.2 0.2 30.0 30.3 0.3 29.9 -0.1 35.0 0.2 34.8 湿度测试数据袤明(见表1):系统湿度测定系统的偏差值在-1.1%RH~+1.6%RH之间, 均满足←=2%RH的设计要求。 表2中,T为恒温箱设定温度,T1,T2分别为两独立结点测定得到的温度值,△为实 际温度与测试温度之差值。测试结果衣明,温度计量测定装置的误差始终≤0.3℃,满足并优于 温度测量允许的最大误差+04℃的设计要求。 系统设计温度测量范围为-40~+85℃,测量精度为04℃,湿度测量范围为0~100% RH,最大允许误差±2%RH。从上述实验结果可以推出结论,本系统整体性能优越、测量结 果精确可靠 4.2节点通信距离传输试验 无线信号在传输过程中会随着眳径衰减,发送端与接收端之间距离的远近和植物遮盖的 疏密是影响信号强度的重要因素,对于同一间大棚,节点问距离一股不超过100m,考虑到植物 遮盖及特殊情况,节点间距离不在超过120m的范围内应伓证其信号质量。本设计在实地进 行测试(室内温室环境),对不同环境分别设置不同节点,其屮,NI结点为大叶且较密作 物覆盖,N2结点为大叶较稀疏作物覆盖,N3结点为小叶且较密作物覆盖,N4结点为小叶较 国科技论义在线 http://www.paper.edu.cn 稀疏作物覆盖。测试均在温湿度怛定条件卜进行(设定湿度50%,温度20℃)。 表3节点通信距离传输试验数据 L(m) NI N N4 良好 良好 良好 良好 80 良好 良好 良好 良好 120 良好 良好 良好 良好 200 良好 良好 偏弱 良好 实验结果表明,本系统在传输距离小于120m情况下,通信信号良好,只有在传输距离 200m,且覆盖植物为小叶密度较大时信号偏弱,但由于在温室条件下一般传输距离不超过 100m,可以认为达到了设计要求 5应用范围 产品基于无线传感器网络,在实际应用中有铰大的灵活性和选择性,特别在温室和大棚 中,通过对各个暖房温湿度的实时监沨,系统能够做出较快的反应,减少了人力劳动,节约 了成本,保证了植物生长必要的温湿度条件,提高了产量,增加了收入。系统具有较大的温 湿度测量范围、测量精密,抗干扰能力强,如冇需要,也可以移植于酿酒(酒窖),仓储(仓 库),医疗卫生等领域,具有很高的实用价值 6结束语 温室温湿度监控系统基于无线传感器网络,使用SH15智能传感器,实现了温湿度的 数字输岀,且具有免调试、免标定、无外围电路等特点,极大地方便了在嵌入式测控领域的 应用,CC2430是一款高集成度的工业用射频收发器.工作于24GHLz开放频段。通过添加简 单的外设,可构成功能强大的传感器网终节点设备,可在特殊环境下实现监测区域内信号的 采集传输与处珥,它们是今后传感器发展的方向。伴随农业现代化进程,无线传感器网络必 将广泛而深入的应用。 国科技论义在线 http://www.paper.edu.cn 参考文献 1 Paolo B, Prashcmt P, vince w,et al. Wireless Sen2sor net-works A survey on the state of the artand the 802.15. 4 and ZigBee standards []. Computer Communication, 2007, 30(7): 1655-1695 [2] Kim Y, Evans R G, Iversen WM, Pierce F J. Instrumentation and control for wireless sensor network for automated irrigation[C]//2006 ASABEAnnual International Meeting, Portland, 2006. AS2ABE Paper No 061105 [3]王殊,阎毓杰胡富平,等.无线传感器网络的理论及应用[M].北京:北京航空航天人学出版社,2007 [41 Sinha A, Chandrakasan A, Dynamic power management in wireless sensor networks. IEEE Design and Test of Computer,2001,18(2):62-74. [S]乔哓车,张馨,王成等.无线传感器冈络在农业中的应用[].农业工程学报2005,21(2):232224 Design and Implement of a Temperature and humidity Monitoring System of Greenhouse based on Wireless Sensor Network He Sen, Li Zheng, Li Jiao China University of Mining and Technology, Bcijing (100083) Abstract A greenhouse monitoring system of temperature and humidity based on wireless sensor network is introduced in this paper. CC2430 has been chosen to be the radio frequency Unit and MCU, the temperature and humidity sensor is ShT15 made by Sensirion. The software and hardware design process is described. The tests show that this monitoring system is perfect for many kinds of circumstances in greenhouse with features like low power and high precision Keywords: Temperature and humidity monitoring; Zigbee; Wireless sensor network; CC2430 -8

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