ZigBee控制系统论文

1系统总体设计

本设计是以AT89S52单片机为核心，包括数字式温湿度传感器的一套控制系统。系统包括单片机、复位电路、空气温度检测、空气湿度检测、土壤温度检测、土壤水分检测、键盘及显示及控制电路等，对空气中的温湿度、土壤温度以及土壤水分等的采集是通过数字式传感器实现的。数字传感器监测到的数值通过JM12864F显示。同时，设置了4个按键控制卷帘电机，当监测到的数值超出了系统所设定数值的上下限范围时，单片机开始对电路进行控制。该系统支持节电模式设置。节电模式包括空闲模式和断电保护模式:空闲模式启动时，单片机停止工作，而RAM、定时器/计数器、串口、中断工作继续;掉电保护模式启动时，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位方可恢复正常。在掉电模式下，单片机的片内程序存储器允许重复在线编程，允许通过SPI串行口改写数据，并将8位CPU与可在线下载的Flash集成在一个芯片上。此时，单片机AT89S52便成为一个高效的微型计算机，优点是成本低、应用范围广，并可以解决复杂的控制问题。

2系统硬件设计

1个大棚内布置了3个采集节点，采集节点对大棚内的空气温湿度、土壤温度、土壤湿度、光照强度以及CO2浓度进行采集。大棚的数据采集节点是通过单片机实现的。每一个节点对应一组采集模块，共有3组采集模块，每组采集模块由若干个传感器组成。数据采集模块的作用和功能是利用单片机对各个传感器进行不间断的巡回监测，并将模拟信号通过A/D转换模块转换为数字信号，将转换的数字信号传输到单片机上进行数据采集;单片机会将大棚内每个数据采集模块采集到的数据全都传输到无线网络的子节点上;子节点再将接收到的信息传给主节点。主节点再根据接收到的数据建立基于ZigBee的星型网络结构。可见，在这个传输的过程中子节点起到了对大棚内的环境参数进行采集以及转换的作用，主节点起到了一个调节器的作用。主节点把子节点传输给它的数据负责传输到该系统的控制核心部分单片机上，单片机对接收到的数据进行处理和分析进而来控制卷帘电机、喷灌系统的开启与闭合，合理地调控大棚内作物生长的最适环境。系统流程图。

2．1信息采集模块信息采集模块由单片机、数字温湿度传感器、土壤温度传感器、SM2802M土壤水分传感器和A/D转换5个模块组成，可实现对大棚内的空气温湿度、土壤温度、土壤水份、光照度及CO2浓度等数据进行实时的监测和控制。

1)单片机:AT89S52单片机的特点是功耗低，具有高性能的8位微控制器，采用其作为系统的核心部分。由于该单片机的芯片上具有8位的CPU和可编程Flash的性能，为系统提供了灵活有效的解决方案。此外，AT89S52单片机可降到0Hz静态逻辑操作，并支持两种可选择的节电模式软件，即空闲模式和掉电保护模式。单片机还具有重复写程序和记忆的功能，是一个高效的微型计算机，可解决一些复杂的控制问题。与其他单片机相比，需要的成本很低。

2)数字温湿度传感器:该传感器采用的是DB420型智能传感元件设计开发的，具有其他类似的传感器不具备的特点，如测量准确、工作稳定、使用寿命长等优点。传感器的探头采用铜烧结开孔护管，这种结构透气功能和防尘功能比较好。传感器内置的数字温湿度传感器可以将数字信号通过变送器内部的中央处理器和数模转化器转换成4～20mA电流信号输出出来3)土壤温度传感器:数字传感器采用的是DS18B20型数字传感器，是由美国的DALLAS半导体公司推出的。这种传感器与热敏电阻相比具有直接读出被测温度和可以根据实际要求实现9～12位的数字值读数方式的简单编程方法的优点，9位和12位的数字量分别是在93．75ms和750ms内实现的，且通过DS18B20读出和写入的信息只需一根单线接口完成。数据总线为温度的变换提供一个功率，无需外接电源，总线也可以为DS18B20供电。因此，使用DS18B20型数字传感器在简洁系统结构的同时，提高了系统的可靠性。4)SM2802M土壤水分传感器:SM2802M土壤水分传感器采用世界上最新的FDR原理制作，如图4所示。与TDR型和FD型土壤水分传感器相比，SM2802M土壤水分传感器不仅在性能和精度上具有可比性，可靠性与测量速度要比TDR型和FD型更具优势。光照度传感器的探头采用的型号是GZD－015)A/D转换模块:A/D转换模块采用的是8路的ADC0809，具有逐次渐近的特性。其供电方式是采用单一的+5V电压，同时片内具有8选1的锁存功能模拟开关。单片机采用中断方式的接口电路来控制ADC。信号的传输是通过光照传感器和CO2传感器把非电的物理量转换成电信号，然后把转换成的电信号送到模拟转换模块ADC0809中，再经过A/D转换后转换成数字信号，最后将转换成的数字信号送到单片机中进行相应的处理。单片机通过I/O口由经MAX232电平转换芯片把TTL电平转换成RS232电平，将转换的数据传送给上位机进行存储，并通过液晶显示器将存储的数据实时的显示出来，实现了人机交互的功能。为了提高单片机应用系统的可靠性和抗干扰能力，在单片机系统中加入了微处理器监控器芯片，集成了看门狗电路和掉电保护电路。

2．2ZigBee无线传输模块设计ZigBee网络具有以下9个优点:低功耗、低成本低速率、支持大量节点、支持多种网络拓扑、低复杂度、快速、可靠和安全。ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络协议。该网络协议自上而下分为很多个层，具有代表性的是:物理层、媒体访问控制层、传输层、网络层以及应用层。ZigBee网络3种角色的设备分别为:协调器、汇聚节点和传感器节点。Zig-Bee网络与单片机是通过星型网络连接的，向指定节点发送数据的时间是由单片机控制的;同时，单片机根据设置的温度上下限值来给控制器发送消息，当控制器接收到的消息之后立即传给星型网络，星型网络再传给单片机，然后由单片机做出相应的处理。

3系统软件设计

首先，将各种传感器以及外部设备进行设置，对温湿度的传感器和光照传感器进行上下限数值的设置，将其他外部的设备初始化。初始化之后温湿度传感器和光照传感器开始进行数据采集，由于采集到的数据是数字信号，可直接用单片机来监测环境值的变化;单片机将监测到的数值进行分析，将分析的温度和湿度以及光照强度的最终值传给液晶显示器进行显示;显示的分屏可以通过按键进行改变，也可以通过按键对温度和湿度以及光照的上下限值进行调整。当温湿度以及关照强度值超过了上下限值的时候，单片机会送出一个控制继电器动作的标志信号，进而达到控制效果。软件主程序流程图。

4结语

基于单片机的温湿度控制器系统由单片机、液晶屏显示器、空气温湿度传感器，土壤温度传感器，土壤水分传感器，以及其他电路共同组成。该系统不但可以对空气温湿度、土壤温度以及土壤水分含量进行实时监测，而且还可以对监测到的数据进行统计分析处理。同时，能够根据育苗温度设置程序的上下限数值，通过远程控制实现对温室通风和换气等操作。通过ZigBee星型网络可查询现场某采集点的数据信息，该点的信息可以通过无线传输模块传给终端。同时，各个采集点也可以向终端定时发送信息，实现温室大棚现场与远程控制端的实时通信，使温室大棚的管理更加趋于现代化。

作者：董淏鸣衣淑娟赵斌刘英楠秦雯魏晓晖单位：黑龙江八一农垦大学信息技术学院