一種智能溫濕度測控系統的設計

河南牧業經濟學院信息與電子工程系　劉　博

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一種智能溫濕度測控系統的設計

河南牧業經濟學院信息與電子工程系劉博

本設計通過利用ZigBee無線通信技術來構建一個無線傳感器網絡。該網絡通過協調器來處理分析路由器傳輸的終端節點信息，然后通過上位機顯示處理結果，以此達到無線監測溫度的目的。該系統可以應用于農業生產中對溫度的檢測和控制，有效避免了有線網絡的布線問題和成本問題。

ZigBee；溫濕度監測

1　引言

隨著無線網絡通信技術的不斷發展，新的理論、標準、技術開始大量涌現。在這眾多的通信技術中，ZigBee技術表現尤為突出。ZigBee是一種廉價的低功耗近距離無線組網通訊技術，具有自組織、低功耗、低延時、高網絡容量、低成本等特點。目前，其已優良的技術特性廣泛應用于無線網絡通信領域。ZigBee是一種具有統一技術標準的短距離無線通信技術，其PHY層和MAC層協議為IEEE 802.15.4協議標準，網絡層由ZigBee技術聯盟制定，應用層的開發應用可以根據用戶自己的需求訂制。該技術主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數據傳輸以及典型的有周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據傳輸的應用。

在傳統的溫度監測系統中，節點一般采用有線連接，此方法布線繁瑣、移植性和擴展性較差。對于廣闊空間環境中的溫度采集，采用有線方式的話，成本和功耗問題就顯得尤為突出。因此，設計可靠并實用的溫度無線監測系統就顯得尤為重要。基于此，本文設計了一種智能溫濕度監測系統，并從軟件和硬件實現了系統的信息采集，該系統可以應用于農業生產中對溫度的監測和控制，由于該系統是無線組網，從一定程度上解決了有線網絡的布線問題和成本問題，具有一定的實際應用意義。

2　系統設計

2.1總體設計

本系統采用星型網絡結構，由一個協調器和多個終端節點組成。節點采用模塊化設計，主要包括微處理器模塊、無線射頻模塊、數據采集模塊和電源模塊。終端節點主要是通過溫度傳感器測量溫度數據，對采集到的數據信息進行處理，并通過無線收發芯片發送給協調器。協調器的主要功能是組建網絡和加入節點，并將傳感器節點發送的數據通過串口發送給PC機，從而進行實時監測。

2.2節點芯片介紹

節點采用了CC2530芯片，它是專門針對IEEE 802.15.4和ZigBee應用的一個片上系統（SoC）解決方案，具有強大的功能。它能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網絡節點，并且擁有RF4CE收發器的優良性能。

2.2.1芯片參數特性

（1）可最大化通信范圍的101dBm鏈路預算；

（2）可最小化干擾源影響的業界一流的選擇性；

（3）可最大化電池供電器件使用壽命的靈活低功耗模式；

（4）功能強大的5通道DMA引擎；

（5）用于遠程控制應用的IR生成電路；

（6）高達256K的閃存。

2.2.2CC2530外設簡介

（1）強大的5 通道DMA；

（2）IEEE 802.5.4 MAC 定時器，通用定時器（一個16 位定時器，一個8 位定時器）；

（3）IR 發生電路；

（4）具有捕獲功能的32-kHz 睡眠定時器；（5）硬件支持CSMA/CA；

（6）支持精確的數字化RSSI/LQI；

（7）電池監視器和溫度傳感器；

（8）具有8 路輸入和可配置分辨率的12 位ADC；（9）AES 安全協處理器；

（10）2 個支持多種串行通信協議的強大USART；（11）21 個通用I/O 引腳（19×4 mA，2×20 mA）；

（12）看門狗定時器。

2.3溫濕度傳感器DHT11

DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。圖1是DHT11的電路工作原理圖，其中引腳3連接的電阻R652不起任何作用，這里保留。DHT11的引腳2通過10K電阻上拉到VCC，此上拉電阻的作用是保證數據線在單片機復位狀態時的可確定性。其中C652/C653是去耦電容。

圖1　DHT11的電路工作原理圖

2.4數據采集和傳輸

對DHT11數據進行采集，處理器需要控制I/O口產生單總線起始信號，然后處理器釋放該總線等待DHT11回傳數據。回傳數據結束后處理器將該I/O口拉高即停止此次數據傳輸。

3　系統測試

根據本文溫濕度數據無線監測系統的設計要求，重點測試傳感節點：網絡協調器，傳感器節點，計算機和相關的軟件（如上位機軟件、串口調試助手等）。在給協調器供電之后，按下S1鍵，協調器會自動組建網絡。數據傳輸測試結果如圖2所示。

圖2　測試結果

該系統已經通過實驗測試，工作穩定，基于ZigBee的溫濕度監測系統具有如下特點：

（1）監測范圍廣闊，通過對節點個數的增加可以極大的擴展監測網絡的范圍。

（2）信息傳輸穩定高效，在2.4GHZ的頻段下工作，不易被干擾且時延短。

（3）超低功耗，極大的減輕了運行成本。

（4）適應性強，可應用于多種領域和極端環境。

4　設計小結

本設計通過對在無線通信領域處于前沿地位的ZigBee技術和專門為IEEE802.15.4和ZigBee應用的片上系統解決方案即CC2530的有機結合，通過軟件和硬件的設計，實現了溫濕度無線網絡數據傳輸的網絡化、智能化，可應用于現代農業智能化生產領域。

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