基于ZigBee技術的無線溫濕度監測系統設計

劉偉永，王鳳瑛

（山東科技大學 信息與電氣工程學院，山東 青島266590）

近年來，隨著溫室農業的推廣與發展，溫室大棚的種植為人們的生活帶來極大的便利。農作物的生長與大棚中的溫度、濕度、光照度等環境因子有很大的關系。因此，能夠及時準確地監測溫室大棚的溫濕度具有重要的現實意義。傳統的溫濕度測量系統一般采用人工值守或有線采集方式，人工方式加大了工作量而且監測效率低[1-2]；有線數據采集存在著布線困難、功耗大、成本高等問題。

針對傳統的數據采集傳輸過程中存在的問題和不足，本文設計了一種基于ZigBee技術的無線溫濕度監測系統。ZigBee技術是針對無線低速傳感器網絡而提出的，具有低成本、低功耗、低復雜度、網絡節點多、傳輸距離遠等優點[3]，不僅能夠滿足大片溫室大棚內溫濕度的測量，而且還能滿足低成本設備的要求。

1 系統整體設計方案

整個無線溫濕度監測系統結構如圖1所示。系統由上位機（PC）監控端和下位機ZigBee網絡兩部分組成。

圖1 基于ZigBee協議的無線溫濕度監控系統結構圖

下位機ZigBee網絡系統負責采集溫室大棚內的溫濕度數據，上位機負責顯示溫濕度數據并進行實時監控。

下位機ZigBee網絡系統由溫濕度傳感器模塊、路由器模塊和協調器模塊組成。溫濕度傳感器模塊主要負責采集、存儲和上傳溫濕度信息[4]。路由器模塊主要負責轉發溫濕度信息。協調器模塊主要完成溫濕度數據的匯聚。下位機ZigBee網絡系統和上位機之間通過RS-232串口進行通信。當監測大棚溫濕度信息時，首先通過上位機端監控軟件設置好波特率和串口號等參數，然后協調器開始組建ZigBee網絡，這時路由器節點和溫濕度傳感器節點開始加入ZigBee網絡。分布在各個大棚內的溫濕度傳感模塊開始采集溫濕度信息，并存儲在Flash中，通過單跳或者多跳的方式發送到上位機，上位機監控端接收到溫濕度信息后，把各個大棚內的溫濕度信息顯示出來。當溫濕度信息異常時，在監控端會有異常提示，以便及時處理。

2 系統硬件設計

2.1 溫濕度傳感器模塊

傳感器采用Sensirion溫濕度傳感器家族中的SHT11傳感器，它是一款超低功耗的高精度溫濕度傳感器，它的溫度采集精度可達0.4℃，濕度采集精度可達3%RH；溫度測量范圍為-40℃～123.8℃，濕度測量范圍為0%RH～100%RH；可采用的電壓范圍為2.4 V～5.5 V；能耗僅為1μW～30μW[5]。

CC2530與SHT11硬件連接圖如圖2所示。SHT11共有8個引腳，GND、DATA、SCK、VDD，其余4個引腳閑置。為避免信號發生沖突，在DATA與VDD之間接一個上拉電阻。在VDD與GND之間加入一個電容，用以去耦濾波。SHT11應用串行通信直接將數據傳輸至單片機，用CC2530的通用I/O口P0的P0_1/P0_0分別與SHT11的串行時鐘線SCK和串行數據線DATA相連接，用于實現通信同步以及數據傳輸[6]。該設計既簡化了傳感器與單片機之間的接口，又提高了系統的穩定性。

圖2 CC2530與SHT11硬件連接圖

2.2 路由器和協調器模塊的硬件設計

路由器模塊和協調器模塊在硬件結構上是一樣的，它們不參與溫濕度信息的采集。協調器通過RS-232串口和上位機相連。路由器之所以設計RS-232接口，是因為當協調器發生意外損壞的情況時，可以直接用路由器模塊來替代協調器。路由器和協調器的硬件框圖如圖3所示。

圖3 路由器、協調器模塊硬件框圖

3 系統軟件設計

系統軟件部分包括溫濕度信息采集和發送部分、溫濕度信息接收和顯示部分。流程圖分別如圖4和圖5所示。

圖4 溫濕度信息采集和發送流程圖

圖5 溫濕度信息接收和顯示流程圖

上位機主要負責溫室大棚的監控功能，溫濕度監控界面如圖6所示。

圖6 數據監控界面

4 溫濕度傳感模塊能耗檢測

測試連接框圖如圖7所示。其中電池組采用兩節1.5 V干電池串聯的方式。測試前首先給協調器模塊和溫濕度傳感器模塊上電，等系統正常工作后，用示波器測量電阻兩端的電壓。利用測得的電壓值和電阻值計算得到平均功耗。

圖7 溫濕度傳感模塊能耗測試連線框圖

通過對設計的基于ZigBee技術的無線溫濕度監控系統的數據誤差進行測試，結果表明本系統的濕度誤差可以控制在3%RH以內，溫度誤差可以控制在0.4℃以內，充分說明基于ZigBee技術的無線溫濕度監控系統的溫濕度誤差大小符合要求。通過對SHT11傳感器模塊的能耗測試計算，兩節1.5 V的干電池可以提供一個SHT11模塊正常工作200天以上，說明了該系統具有低功耗的特點，并且可以進行長時間的監測工作。

[1]郭清華.蔬菜大棚智能溫度控制系統應用研究[J].安徽農業科學，2008，36（11）：4487-4488.

[2]王翥，魏德寶，王玲.基于WSN的溫室大棚溫濕度監測系統的設計[J].儀表技術與傳感器，2010（10）：45-48.

[3]李文仲.ZigBee無線網技術入門與實踐[M].北京：北京航空航天大學出版社，2007.

[4]駱科學.基于ZigBee協議的無線溫濕度監控系統的設計與實現[D].吉林：吉林大學，2012.

[5]黃婷婷，劉占良，毛新華.基于ZigBee無線通信的溫度監控系統設計[J].安徽農業科學，2010，38（14）：7562-7563.

[6]樊建明，陳淵睿.基于數字溫度濕度傳感器的溫室多點測量系統設計[J].傳感器與微系統，2007，26（7）：89-92.