1系统设计思路
系统组成如图1所示。传感器节点负责对环境信息(温湿度、光照度、CO2浓度、H2S浓度、NH3浓度)的采集、处理和发送;路由器(网关节点)与若干个传感器节点构成一个子网，通过ZigBee协议进行通信，获取各个传感器节点发送来的数据，各个子网监测到的数据通过协调器串口送到监管中心;监管中心负责对从无线网络送来的信息进行显示和存储，并能进行环境参数阈值的设定;接收值与阈值比较后，发送指令去控制环境调节设备。
2系统硬件电路设计
2．1协调器节点硬件设计
协调器节点硬件结构如图2所示。选用TI公司CC2530和高性价比、高集成度的2．4GHZ射频前端CC2591芯片，以保证网络传输质量，扩大网路覆盖面积［2］。CC2530芯片整合了2．4GHZIEEE802．15．4/ZigBeeＲF收发机以及工业标准的增强型8051MCU，具有超低功耗、高灵敏度、抗噪声及抗干扰能力。CC2591内置有功率放大器(PA)和低噪声放大器(LNA)，输出功率大(可达+22dBm)，传输距离远(无障碍可传输500～800m)，很好地满足了规模化奶牛场网络传输的要求。CC2530芯片与CC2591射频前端的硬件连接如图3所示。电源系统采用锂电池供电，由单节锂电池经TPS63011电压转换芯片转为3．3V稳定电压给该节点供电(具体电路参考传感器节点电源系统)。
2．2传感器节点硬件设计
传感器节点硬件结构如图4所示。数据采集模块(包括传感器和信号调理电路)负责对奶牛场舍内监测区域环境信息的采集和信号调理，供微处理器接收和处理。微处理器仍采用TI公司的CC2530，射频方案与协调器节点相同，即采用CC2530加CC2591的方案。CC2530和CC2591负责对从数据采集模块送来数据的接收、处理和发送。电源系统模块负责为该节点系统供电。2．2．1电源系统设计电源系统如图5所示。由于用到多种类型传感器，所需电压不尽相同，所以电源系统需提供多种电压值。系统采用锂电池组供电，由8．4V锂电池组经过L7805稳压电后输出5V电压，一方面为部分传感器供电，另一方面再经过TPS63011电压转换芯转为3．3V为系统其他部分供电。TPS63011是宽电压输入(输入值:1．8～5．5V)，高效稳压输出(输出值:3．3V)的稳压芯片，转换效率高达96%，最大输出电流可达1200mA［3］。2．2．2数据采集电路设计2．2．2．1温湿度采集电路设计温湿度采集电路如图6所示。选用体积小、功耗低、单总线接口的数字复合传感器AM2302。该传感器可靠性高、稳定性好、精度高(测温精度为±0．5℃，湿度测量精度±0．2%ＲH)，所需电压宽(3．3～5．5V)，测温范围宽(－40～80℃)，很适合奶牛场舍内温湿度采集。2．2．2．2光照强度采集电路光照强度采集电路如图7所示。选用欧恩公司的光电集成传感器On9658。该传感器对可见光十分敏感，典型波长为520nm，可以在－20～+75℃温度下稳定工作;可以用2．4～15V为其供电，方便电源系统设计，而且输出电流大。2．2．2．3CO2浓度检测电路选用郑州炜盛电子科技公司生产的小型红外二氧化碳传感器MH－Z12［4］。该传感器选择性好，没有氧气依赖性，质量可靠，能自动进行温度补偿;同时，具有多种信号输出方式(模拟、数字、UAＲT)，方便连接;测量范围为0～5000×10－6(量程可选择);分辨率为5×10－6(0～2000×10－6)、10×10－6(2000～5000×10－6);精确度为±50×10－6;工作所需电压为4～6V;工作环境要求:温度为0～60℃，湿度为0～90%ＲH。2．2．2．4H2S浓度采集电路H2S浓度采集电路如图8所示。采用英国Al-phasenseH2S－AE电化学传感器，信号调理选用TI公司可编程放大增益的LMP91000芯片。H2S－AE传感器具有低功耗、抗干扰强的优势，而且灵敏度和精度非常高;测量范围为0～2000×10－6;灵敏度为70～100nA/×10－6;分辨率为0．5×10－6。工作环境要求:温度为－30～60℃，湿度为15%～90%ＲH。该传感器适合奶牛场内部环境条件。LMP91000芯片是可编程低功耗化学传感器模拟前端(AFE)，提供传感器和MCU间完整的信号通路解决方案。LMP91000芯片功耗非常低，电压范围宽(2．7～5．25V)，并且可编程放大增益;可将气体灵敏度从0．5～9500nA/10－6转换成5μA～750μA的电流，通过设置可将信号放大到2V，以便CC2530自带的ADC进行模数转换。此芯片不但能自动进行温度补偿，而且能根据自带的温度传感器所测环境温度对所测H2S浓度数据进行校正。2．2．2．5NH3浓度采集电路NH3浓度采集电路如图9所示。选择MQ－137电阻控制型气敏传感器，其负载电阻两端电压随环境NH3浓度变化而变化，将此变化电压送入微处理器(CC2530芯片)处理即可检测环境中NH3含量。该传感器电路连接简单、可靠性好、反应速度快、灵敏度高，广泛应用于工厂、大气环境中氨气的探测。其探测范围为(10～300)×10－6，工作电压(回路电压)5V±0．1V，加热电压5V±0．1V，加热功耗＜900mW。工作环境要求:温度为－20～50℃，相对湿度为＜95%ＲH。
3系统工作流程设计
工作流程如图10所示。系统上电，首先进行初始化;初始化一旦完成，数据采集模块开始有条不紊地采集数据;数据经ZigBee无线网络发送给监管中心，监管中心对所接收数据进行显示和储存;同时与设定的阈值进行比较，发出指令对环境调节设备实施控制。数据采集模块的初始化主要完成所有传感器的程序驱动，由中断程序设定各传感器采集信息的时间，让所有传感器有序采集数据，便于微处理器(CC2530)接收和处理。监管中心的初始化主要进行Access数据库的启动。数据库中预设有所监测环境参数的阈值，便于系统进入工作状态后将所接收数据与阈值比较;数据库中还存放有历史数据，便于后续对数据的分析。ZigBee网路采用ZigBee2007协议栈，通过网络层函数NLME_NetworkFormationＲequest()建立，由协调器与其所有子节点的“绑定”来实现。ZigBee网路初始化由TI公司提供的Z－Stack完成［6］。监管中心PC机采用VisualBasic和Access数据库组合方式编写上位机软件，对从ZigBee网路获取的信息进行分析处理，并实时显示;同时，将相应信息存入数据库中以便后续利用，并能通过设定的安全阈值，发出控制指令。
4结语
基于ZigBee技术，设计了以CC2530为核心节点的硬件电路，构建了由协调器、路由器、传感器节点等组成的、以ZigBee2007协议栈为支撑的无线网络系统，实现了规模化奶牛场舍内环境多种参数无线自动监测、自动调节，为奶牛健康生长和牛奶的品质提供了保障。试验结果表明，系统稳定可靠，不受场内区域、时域的限制，具有全方位、全天候监控能力。同时，系统安装方便，操作便捷，运行成本低廉，设计适用性强，具有一定应用价值。
作者：王廷江 杨丽珊 单位：西南大学荣昌校区 基础部
