隨著人們對新鮮蔬菜需求的不斷提高以及土地資源的日漸緊缺，生產效率較高的溫室農業(yè)得到了迅速發(fā)展。溫室大棚內溫濕度等因素對農作物的生長有著直接影響，對溫室大棚內的溫度、濕度及二氧化碳等參數(shù)的檢測和控制至關重要。傳統(tǒng)的溫室數(shù)據(jù)采集工作大多是采用人工抄表或預先布線的有線采集方式。人工方式的缺點是工作量大、費用高、難以保障數(shù)據(jù)的實時性和有效性，而有線數(shù)據(jù)采集存在著布線費用高、測量節(jié)點位置變化時需要改變線路走向及長度等諸多不利因素。
文中采用無線傳感器網(wǎng)絡技術設計了一種溫室大棚溫度、濕度及二氧化碳參數(shù)測量系統(tǒng)，具有超低功耗、不需布線、測量節(jié)點移動方便等優(yōu)點，克服了人工抄表和有線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的諸多缺點。
1 硬件設計
無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的電路原理圖如圖1所示。它主要由MCU控制單元、射頻收發(fā)單元、溫濕度傳感器、二氧化碳濃度傳感器構成。所有單元均采用低功耗器件，MCU采用中穎電子的具有休眠功能的SH79F64單片機，溫度和濕度測量單元采用SENSIRON公司的具有休眠功能的SHT75溫濕度傳感器，CO2濃度測量采用GSS公司的功率僅為3.5 mW的COZIR傳感器，射頻收發(fā)單元采用SILICON LABS公司的具有休眠功能的SI4432無線收發(fā)器。所有器件均采用3.3 V供電，便于電池集中供電。
圖1 無線測量節(jié)點的電路結構圖
上位機無線模塊硬件設計可采用類似結構，取消傳感器部分，增加Silicon LABS公司的CP2102單芯片USB與UART橋接單元，通過USB口連接PC機。PC通過USB接口給無線模塊供電。
1.1 MCU單元
MCU采用中穎電子生產的SH79F64低功耗單片機，SH79F64是一顆低功耗高性能8位芯片，SH79F64內嵌加強8051核，具有高速高效率特性。在同樣振蕩頻率下，較之傳統(tǒng)的8051芯片它具有運行更快速的優(yōu)越特性。它保留了標準8051芯片的大部分特性。這些特性包括內置256字節(jié)RAM和3個16位定時器/計數(shù)器，2個EUART,外部中斷INT0和INT1.此外，SH79F64還集成了外部2776字節(jié)RAM（不包括LCD RAM），1路8位PWM輸出，外部中斷INT2和INT3,可兼容8052芯片的16位定時器/計數(shù)器（Timer3）和適合存儲程序和數(shù)據(jù)的64k字節(jié)flash以及1 k字節(jié)類EEPROM存儲器。
除具有普通單片機的功能，SH79F64還具有其他特點：
1）強大的處理能力 SH79F64雖然是8位單片機，但是機器周期為1個振蕩器周期，而傳統(tǒng)型51內核機器周期為12個振蕩器周期。其指令執(zhí)行效率約為同頻率的傳統(tǒng)8051的8~10倍。另外還提供增強型的乘/除法指令，支持16 bitx8bit和16 bit÷8 bit運算，提供雙DPTR指針，用戶在使用查表，數(shù)據(jù)搬移等操作時會更方便。
2）豐富的數(shù)據(jù)存儲區(qū)域 SH79F64提供64 k字節(jié)FLASH ROM,每1 k字節(jié)為1個扇區(qū)（SECTOR），每個扇區(qū)可分別進行加密。如果沒有加密，每個扇區(qū)可分別單獨進行編程和擦除。整體擦除（MASS ERASE）可以擦除所有扇區(qū)。SH79F64的全部64 k BYTE都可用于存儲程序和數(shù)據(jù)，存放在FLASH ROM中的程序可以對不在同一扇區(qū)的FLASHROM編程（SSP模式），因此可以當作EEROM來使用。另外提供1 k字節(jié)的客戶信息區(qū)/類EEPRO M塊區(qū)用于存放用戶數(shù)據(jù)，每個扇區(qū)（SECTOR）為256字節(jié)。
3）高性能模擬技術及豐富的片上外圍模塊 SH79F64內部集成的有：3個16位定時/計數(shù)器T0、T1和T2,1個16位定時器T3,看門狗定時器，1路8位PWM定時器，4/5x40/39段LCD驅動器，EUART、IR、TWI和SPI等標準通信模塊，8通道10位AD轉換器，蜂鳴器輸出等。
4）超低功耗 其供電電壓為2.4~3.6 V,內建低電壓復位功能和低電壓檢測功能。系統(tǒng)可采用雙時鐘方式，支持兩種省電模式：IDLE模式和掉電模式。當系統(tǒng)時鐘采用高速時鐘，外圍模塊采用32.768 Hz時鐘時，掉電模式將停止CPU時鐘信號，用于定時器3的時鐘可以開啟，此時的工作電流不超過20μA.
MCU是無線測量節(jié)點的核心，在無事件發(fā)生時工作于掉電模式，當無線模塊收到數(shù)據(jù)時會通過IO口喚醒SH79F64進人活動工作狀態(tài)。SH79 F64功能豐富，編程方式靈活，完全可以滿足無線測量節(jié)點的設計需求。
1.2 無線收發(fā)單元
Si4432芯片是Silicon Labs公司推出的一款高集成度、低功耗、多頻段的EZRadioPRO系列無線收發(fā)芯片，早期生產的V2版本不太穩(wěn)定，改進后的B1版本性能比較穩(wěn)定。其工作電壓為1.8~3.6 V,20引腳QFN封裝（4 mmx4 mm），可工作在240~930 MHz的頻段；內部集成分集式天線、功率放大器、喚醒定時器、數(shù)字調制解調器、64字節(jié)的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)FIFO,以及可配置的GPIO等。Si4432在使用時所需的外部元件很少，1個30 MHz的晶振、幾個電容和電感就可組成一個高可靠性的收發(fā)系統(tǒng)，設計簡單，且成本低。
Si4432的接收靈敏度達到-121 dB,可提供極佳的鏈路質量，在擴大傳輸范圍的同時將功耗降至最低；最小濾波帶寬達2.6 kHz,具有極佳的頻道選擇性；在240~930 MHz頻段內，不加外部功率放大器時的最大輸出功率就可達+20 dBm,設計良好時收發(fā)距離最遠可達2km.Si443 2可適用于無線數(shù)據(jù)通信、無線遙控系統(tǒng)、小型無線網(wǎng)絡、小型無線數(shù)據(jù)終端、無線抄表、門禁系統(tǒng)、無線遙感監(jiān)測、水文氣象監(jiān)控、機器人控制等諸多領域。
Si4432有多種工作模式，本設計用到其中的3種模式：發(fā)射模式，接收模式，睡眠模式。當芯片工作在睡眠模式時，外部晶振關閉，喚醒定時器采用內部的32.768 kHz晶振作為時鐘源，它每周期在nIRQ腳上產生一個低電平，這個信號可以通過外部中斷喚醒SH79F64,SH79F64通過SPI口讀取相關寄存器狀態(tài)就可發(fā)現(xiàn)Si4432是否收到前導碼或同步碼，從而決定是否讓Si4432進入接收狀態(tài)。Si4432在睡眠狀態(tài)時，電流僅為1μA。
為了防止射頻干擾，無線收發(fā)單元采用射頻板材單獨制版，并用金屬罩對其進行屏蔽。本文的設計方案中，GP1接單片機的INT0口，GP2接P5.1口，GP3接P0.6口，GP4接P0.6.GP5接P5.0。
圖2 射頻收發(fā)單元電路圖
1.3 低功耗傳感器單元
溫度和濕度測量單元采用SENSIRON公司的具有休眠功能的SHT75溫濕度傳感器，傳感器包括一個電容式聚合體測濕元件和一個能隙式測溫元件，并與一個14位的A/D轉換器以及串行接口電路在同一芯片上實現(xiàn)無縫連接。SHT75采用串行接口，它的分辨率可以根據(jù)現(xiàn)場的采集速率進行調整，一般情況下默認的測量分辨率分別為14 bit（溫度）、12bit（濕度），如果在高速采集中就可分別降至12 bit和8 bit,溫度的量程范圍：-40~123.8℃，濕度的量程范圍：0~100%RH.它操作比較簡單，只需用一組"啟動傳輸"時序，就能實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟?，同時，在測量和通訊結束后，SHT75會自動轉入休眠模式，這大大減少了功耗。
文中對SHT75采用3.3 V供電，SHT75的SCK腳接單片機的SCL口，DATA腳接單片機的SDA口。
CO2濃度測量采用GSS公司的COZIR-W-100型傳感器，其功耗僅3.5 mW,可溫度補償，濕度補償，以及感知白天黑夜的環(huán)境狀態(tài)。預熱時間僅10 s,量程100%.性能：1）功耗3.5 mW;2）峰值電流33 mA;3）平均電流小于1.1 mA;4）電源3.3 V;5）T90小于4 s;6）標準型號溫度范圍0~50℃（可擴展-25~55℃）；7）濕度適用范圍0~95%RH;8）存儲溫度-30~+70℃；9）尺寸：傳感器18 mmx20 mm.
COZIR連接簡單，除了3.3 V電源和地線外，還有RX和TX引腳可直接連接單片機的UART口。所有的通信均使用ASCII碼，命令格式按照文獻的規(guī)定執(zhí)行。傳感器有3種工作模式：命令模式（Command Mode），流模式（Streaming Mode）和查詢模式（Polling Mode）。
命令模式適用于從傳感器提取大批量數(shù)據(jù)時使用，此時傳感器處于停止測量狀態(tài)，其功耗小于3.5 mW.流模式是工廠默認模式，此時傳感器每秒產生2個測量數(shù)據(jù)，除了正處于測量的過程中以外，傳感器會及時處理收到的命令，所以傳感器在處理命令時可能會出現(xiàn)100 ms的延遲，這種工作模式的功耗為3.5 mW.查詢模式時傳感器并不產生數(shù)據(jù)，但是周期性的測量在后臺繼續(xù)，當傳感器收到讀取命令時，會將最近的測量值轉換成數(shù)據(jù)送出。查詢模式的功耗與查詢頻率有關，但是幾乎接近3.5mW.
文中將COZIR的通訊口接到單片機的EUART0口，COZIR工作在查詢模式（Polling Mode）。
2 軟件設計
軟件的開發(fā)環(huán)境為Keil uVision3,使用C51語言。系統(tǒng)的無線通信部分采用標準MODBUS協(xié)議，為點對多點的通信方式。主機采用同樣的電路，去除傳感器部分，增加USB與UART橋接芯片CP2102,通過USB口連接PC機。PC機在安裝Silicon Labs公司提供的免費驅動程序后，通過USB接口虛擬出一個COM口。從機為無線測量節(jié)點，每一個節(jié)點都擁有一個唯一的地址，工作方式為主站輪詢，從站監(jiān)聽的方式。節(jié)點軟件的主要流程如圖3所示。
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