基于无线传感器的养殖场清扫机器人温湿度控制

摘要：采用以CC2430芯片为核心的温湿度检测系统，将温湿度传感器SHT11采集的数据通过无线网关进行汇总，再通过无线网络进行数据传输，发送到上位机中存储以及分析，由上位机对清扫工作做出相应的调整，从而实现远程智能控制。

　　关键词：清扫机器人；无线传感器；温湿度传感器SHT11；温湿度控制

　　中图分类号：S126文献标识码：Ａ文章编号：0439－８114（２０14）08－1921-03

　　WSN-basedHumituｒｅＣｏｎｔｒｏｌｏｆＦａｒｍＣｌｅａｎｉｎｇＲｏｂｏｔ

　　ＪＩＷｕ－ｊｕｎ，ＧＡＯＹｕｎ

　　（ＤｅｐａｒｔｍｅｎｔｏｆＡｕｔｏｍｏｔｉｖｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｅｎａｎＶｏｃａｔｉｏｎａｌＴｅｃｈｎｉｃａｌＣｏｌｌｅｇｅ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ４５００４６，Ｃｈｉｎａ）

　　Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＣｈｉｐＣＣ２４３０ｗａｓusedａｓｔｈｅｃｏｒｅｏｆｔｈｅｈｕｍｉｔｕｒｅｄｅｔｅｃｔｉｎｇｓｙｓｔｅｍ．ＴｈｅｄａｔａｃｏｌｌｅｃｔｅｄｂｙＳＨＴ１１wereｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｖｉａｗｉｒｅｌｅｓｓｇａｔｅｗａｙ，ｔｒａｎｓｐｏｒｔedｂｙＧＰＲＳ，andｓｅｎｔｔｏｔｈｅｈｏｓｔｆｏｒａｎａｌｙｚｉｎｇａｎｄｓｔｏｒａｇｅ．Tｈｅｒｏｂｏｔsmakeｔｈｅａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅａｄｊｕｓｔｍｅｎｔｓｔｏｔｈｅｃｌｅａｎ－ｕｐｗｏｒｋ，ｅｎａｂｌｉｎｇｒｅｍｏｔｅｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌ．

　　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｌｅａｎｉｎｇｒｏｂｏｔ；ｗｉｒｅｌｅｓｓｓｅｎｓｏｒ；ｈｕｍｉｔｕｒｅＳＨＴ１１；ｈｕｍｉｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌ

　　养殖场在生产过程中会产生高温、高湿气体，而这些气体对人体是有毒、有害的，人体需要避免接触这些有毒气体。所以养殖场的无人操作清扫机器人就需要检测环境中的温湿度，并把数据准确快速地反馈给管理员，以便实现实时调控。使用无线传感器传输数据，就无须数据采集设备和检测设备连接在一起，可以避免大量铺设电缆，清扫机器人在完成清扫工作时就不会存在电缆缠绕等问题，而且无线传感器可靠性较高，抗干扰能力好，可以有效地降低成本［1］。

　　1无线传感器检测系统的硬件结构

　　1.1无线传感器

　　CC2430芯片是挪威半导体公司Chipcon一款最新能够在嵌入式上实现无线ZigBee技术的系统。CC2430使用了一个8051系统，其具有PROM以及RAM，还具有数模转换电路、看门狗定时器以及上电复位电路等。引脚主要有P0、P1、P2，它们分别是8位输入/输出端口，均是普通的输入/输出端口，同时还具有可编程的输入/输出端口［2］。

　　无线传感器CC2430使用很少的外围电路就可以实现信号的接受和发送功能，图1为CC2430一种典型的应用电路，它可以提供两个天线的应用电路，不平衡天线以及差动天线。

　　由图1可以看出，基本电路多采用电感以及电容构成，降低了成本。电感主要起到低噪声放大器以及为功率放大器提供直流偏置的作用。无线传感器CC2430需要XTAL1和XTAL2提供16MHz的时钟信号，时钟信号分别接在引脚XOSC-Q1和XOSC-Q2之间，另外一个时钟信号接在引脚P2-3和P2-4之间。

　　1.2温湿度采集节点

　　根据养殖场对温度和湿度要求，选择了瑞士生产的SHT11传感器。SHT11传感器是相对湿度和温度为一体的测量器，能够对露点进行精确测量，全量程标定，不需要重新标定就可以互换测量，响应速度超快，SHT11传感器具有最简单的系统集成和低廉的价格、尺寸小、高可靠性和稳定性，并能防水，可以长期浸泡在水中，还具有湿度传感器的自检测功能。

　　SHT11的工作温度为-40.0~+123.8℃，测量精度±0.5℃；工作湿度范围在0~100%RH，测量精度±3.0%RH，完全符合养殖场的工作要求。

　　无线传感器CC2430和温湿度传感器SHT11连接原理图如图2所示，其中无线传感器的输入输出口是P1.6与P1.7。温湿度传感器SHT11使用I2C接口与处理器进行数据通信，时钟信号线SCK主要任务是与SHT11通信保持同步，DATA主要任务是进行数据读取。

　　1.3温湿度显示仪

　　温湿度显示仪主要有按键和液晶模块等部分组成，按键部分的原理图如图3所示，共有5个按键，分别为S1、S2、S3、S4、S5。为了节省输入、输出口，按键使用数模方式，每一个按键按下后输出不相同的数模值S12.5V、S22.1V、S31.8V、S41.2V、S50V。

　　1.4远程数据传输模块

　　为了避免养殖场清扫机器人出现电缆缠绕等问题，需要使用无需布线，不受通信距离限制的GPRS通讯模块，所以选择了SIM300模块。它可以进行传真、短信、数据传输等任务，在SIM300模块中插入SIM卡，在接上天线，就可以使用GPRS无线网络［3-6］。

　　1.4.1SIM300模块供电系统SIM300的供电引脚是由VBAT来完成的，电压为3.4~4.5V，SIM300启动瞬间需要2A的电流。可以采用电源芯片MIC29302进行供电，它的输入电压最大可以达到26V，输出电压还可以调节，最大输出电流可以达到5A，基本满足SIM300供电要求。供电原理图见图4，1号引脚是使能端，应接地；2号引脚是输入电压端，输入电压为5V；3号引脚接地；4号引脚接输出；5号脚接电压调节端，分压电阻R1和R2，分压后输出电压为4.1V。

　　1.4.2SIM300模块硬件接口SIM300可以接1个有60个引脚的外接插座，这个外接插座包含1个SIM卡插座接口、2个模拟音频接口、1个键盘接口、1个LCD接口以及2个串口接口。图5为SIM300模块与CC2430的连接图。数据在两个串口之间进行传输时，经常会出现数据丢失的问题，或者由于两台设备之间的处理速度不相同，接收数据端缓冲区已满，都会发生数据丢失现象。所以在串口通信上使用流控制，用RTS/CTS做流控制端口，如果缓冲区内的数据量达到高位时，CTS线就为低电平，如果检测到CTS为低电平时，就停止发送数据，直到检测出CTS为高电平时。RTS主要任务是检测接收设备是否做好准备接收数据。

　　SIM300模块和SIM卡之间的连接使用六线连接（图6），其中需要注意引脚SIM-PRESENCE接地。

　　2无线传感器软件的设计

　　温湿度采集主程序流程如图7所示，程序开始需要对系统进行初始化，并对电池进行检测，将检测到的温湿度数据，以无线方式发送，包括节点的号、温湿度数据以及电池的电压信息，发送完毕后主控芯片CC2430进入休眠状态。

　　3小结与讨论

　　无线温湿度传感器基本能够完成养殖场在无人操作下对温湿度的监控，避免工作人员在这种环境中受到污染，完成了智能化的发展，但是还有需要改进的地方。

　　1）引入相对完整的ZigBee技术，实现了相对复杂的一些组网功能，将无线传感器的优势发挥到最大。目前该控制系统只能进行检测，不能进行控制，在后期的工作中应完善这部分，使整个系统更加的完整，实现完整的智能控制。

　　2）供电部分使用电池，不能满足复杂的环境，耗电量也较大，应该向新能源方向发展，而且能够适用于更加复杂的场合，在应用领域方面进行创新，使之在使用上具有普遍性。

　　参考文献：

　　［1］吴光荣，章剑雄.基于ZigBee的高压开关柜无线温湿度监测系统［J］.现代电子技术，2008，31（20）：169-171.

　　［2］刘玉英，史旺旺.基于CC2430温湿度监测的无线传感器网络设计［J］.微计算机信息，2009，25（10）：130-131.

　　［3］徐海峰.基于Web技术GPRS技术的远程测控系统设计［J］.电力自动化设备，2009（7）：134-137.

　　［4］岳振华.基于无线传感器网络温湿度检测系统的研究与开发［D］.长春：吉林大学，2009.

　　［5］衣翠平.基于无线传感器网络的粮库温湿度实时监控系统研究［D］.长春：长春理工大学，2012.

　　［6］彭拓.基于TinyOS的无线传感器网络环境监测系统的研究与

　　实现［D］.北京：北京邮电大学，2010.