基于ZigBee技術(shù)的溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄧 然，朱 勇，詹 念，張 猛，代家為

(黑龍江大學(xué) 電子工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

基于ZigBee技術(shù)的溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄧 然，朱 勇，詹 念，張 猛，代家為

(黑龍江大學(xué) 電子工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080)

基于ZigBee技術(shù)的低功耗、低復(fù)雜度及傳輸安全等特點(diǎn)，運(yùn)用軟件和硬件相結(jié)合的方式，提出了一種基于ZigBee技術(shù)的溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。應(yīng)用ZigBee技術(shù)通過(guò)溫濕度傳感器對(duì)溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并傳輸給無(wú)線系統(tǒng)核心模塊，最后顯示在PC機(jī)上。測(cè)試結(jié)果表明，基于ZigBee技術(shù)的溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功耗更低、穩(wěn)定性更高，可以廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、軍事及醫(yī)療等領(lǐng)域。

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)；ZigBee技術(shù)；溫濕度采集；穩(wěn)定性

0 引言

隨著社會(huì)不斷的進(jìn)步與發(fā)展，不僅在現(xiàn)實(shí)生活中人們需要通過(guò)先進(jìn)的技術(shù)來(lái)隨時(shí)隨地、更快捷、更穩(wěn)定地獲取信息，工業(yè)、醫(yī)療及軍事等領(lǐng)域也不斷地引入先進(jìn)技術(shù)來(lái)提高工作效率、降低作業(yè)難度?，F(xiàn)代通信技術(shù)已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域極為廣泛地應(yīng)用[1]，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)本身存在很多的局限性，導(dǎo)致許多特殊環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)覆蓋和網(wǎng)絡(luò)支持仍然是個(gè)難題[2]，而運(yùn)用無(wú)線通信技術(shù)則能夠快速有效地解決這些難題。但監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)仍采用有線的連接方式實(shí)現(xiàn)傳感器與數(shù)據(jù)采集模塊的通信[3]，這種連接方式大大增加了施工難度，造成了設(shè)備移動(dòng)性差、維護(hù)困難及組網(wǎng)復(fù)雜等問(wèn)題，其缺點(diǎn)顯而易見(jiàn)，甚至在某些場(chǎng)合難以實(shí)現(xiàn)。在這種情況下，無(wú)線傳輸?shù)玫搅孙@著發(fā)展。目前用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議主要有無(wú)線局域網(wǎng)(Wireless Fidelity，WiFi)、超寬帶通信(Ultra WideBand，UWB)、藍(lán)牙(Bluetooth)、紅外線數(shù)據(jù)通信(Infrared Data Association，IrDA)及ZigBee技術(shù)等[4]。包含 IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)[5]的ZigBee技術(shù)具有低復(fù)雜度、低功耗和低成本等特點(diǎn)，主要適合于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備中，并支持地理定位等功能[6]。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本文研究的系統(tǒng)主要用于溫濕度的采集、傳輸和顯示，系統(tǒng)包括終端節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)以及上位機(jī)。系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)2部分，該系統(tǒng)的核心處理器選用的是CC2530，溫濕度傳感器選用的是DHT11。

1.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)由終端節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和上位機(jī)構(gòu)成，終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，通過(guò)連接將數(shù)據(jù)逐級(jí)傳遞直至上位機(jī)。終端節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在所要監(jiān)測(cè)的區(qū)域進(jìn)行自動(dòng)組網(wǎng)，周期性地對(duì)溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器的主要功能是建立并維護(hù)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，傳遞上位機(jī)命令給傳感器節(jié)點(diǎn)以及返回采集的數(shù)據(jù)給上位機(jī)[7]。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口將溫濕度數(shù)據(jù)傳遞給上位機(jī)，上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，顯示到應(yīng)用界面，系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

1.2 ZigBee節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

硬件節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)選用CC2530作為核心處理器，CC2530是TI公司在2.4 GHz頻段推出的第2代支持IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議的片上系統(tǒng)(System on a Chip，SoC)芯片。其內(nèi)部集成了高性能射頻(Radio Frequency，RF)收發(fā)器、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)型8051 MCU內(nèi)核、256 KB Flash ROM(Read．Only Memory)和8 KB RAM(Random Access Memory)[8]。該芯片不僅提供了JTAG接口用于程序的下載與調(diào)試，還包含了大量的I/O接口，RS232串口和USB接口方便上位機(jī)讀取串口數(shù)據(jù)，主要負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單處理、數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸以及繼電器控制等功能[9]。該芯片同時(shí)具有低功耗、能建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)等優(yōu)勢(shì)[10]。該系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)使用CC2530-EB核心板，該核心板主要包括CC2530單片機(jī)、天線接口和晶振等；溫濕度傳感器采用DHT11；無(wú)線傳感器由3個(gè)模塊構(gòu)成，分別是傳感模塊、處理模塊和通信模塊，節(jié)點(diǎn)模型如圖2所示。

終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)均包含電源模塊和調(diào)試電路模塊，除此之外，終端節(jié)點(diǎn)還包含溫濕度傳感器DHT11，結(jié)構(gòu)如圖1所示。溫濕度傳感器DHT11具有校準(zhǔn)功能，用于數(shù)據(jù)的采集，電源模塊有4種供電模式，均可以為節(jié)點(diǎn)提供3.3 V電源，調(diào)試電路采用的是JTAG協(xié)議，用于芯片內(nèi)部測(cè)試。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

由于實(shí)現(xiàn)功能不同，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)被劃分為3個(gè)模塊：終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集模塊、協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)管理模塊和串口通信模塊。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)選用業(yè)界領(lǐng)先的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)軟件IAR。選用全球領(lǐng)先的TI 公司研發(fā)的Z-Stack作為協(xié)議棧。Z-stack協(xié)議棧由7層構(gòu)成，分別是物理層、協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)層、控制層、協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)層安全服務(wù)規(guī)范層、設(shè)備對(duì)象、應(yīng)用支持子層以及協(xié)議棧應(yīng)用層，各層之間通過(guò)相互提供的接口進(jìn)行通信[11]。終端節(jié)點(diǎn)程序模塊和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序模塊組成了下位機(jī)程序設(shè)計(jì)，它們是根據(jù)功能的不同進(jìn)行劃分的。協(xié)調(diào)器以及普通節(jié)點(diǎn)之間的網(wǎng)絡(luò)建立主要利用Z-stack協(xié)議棧內(nèi)部提供的路由協(xié)議來(lái)完成，協(xié)調(diào)器與上位機(jī)的串口通信則可以調(diào)用Z-stack提供的API。

2.1 DHT11溫濕度采集

DHT11采用單線雙向的串行接口，一次通信時(shí)間4 ms左右。數(shù)據(jù)格式包括5個(gè)8位數(shù)據(jù)，從高位到低位依次是：濕度數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)、校驗(yàn)數(shù)據(jù)、濕度數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)，都是由8位整數(shù)數(shù)據(jù)和8位小數(shù)數(shù)據(jù)組成的，校驗(yàn)數(shù)據(jù)由1個(gè)8位數(shù)據(jù)組成。單片機(jī)CC2530轉(zhuǎn)換成低電平即發(fā)送一次開(kāi)始信號(hào)，此低電平延時(shí)必須大于18 ms，然后主機(jī)由低電平變成高電平，持續(xù)30 s左右的時(shí)間，即主機(jī)發(fā)送的開(kāi)始信號(hào)。當(dāng)DHT11檢測(cè)到這個(gè)信號(hào)后，就會(huì)從初始的低功耗模式轉(zhuǎn)換成高速模式，發(fā)送數(shù)據(jù)并進(jìn)行一次信號(hào)采集的觸發(fā)。數(shù)據(jù)采集完成后，DHT11就會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換成低功耗模式，等待主機(jī)再次觸發(fā)。如果DHT11沒(méi)有檢測(cè)到主機(jī)發(fā)送的開(kāi)始信號(hào)，就會(huì)保持低功耗模式。

2.2 節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

在ZigBee通信棧協(xié)議中，能夠組成的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有星狀網(wǎng)、樹(shù)狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)[12]。在本文無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)中，一個(gè)功能強(qiáng)大的全功能器件作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者位于網(wǎng)絡(luò)的中心[13]，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的樞紐，在建立和管理網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)又可以和終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。終端節(jié)點(diǎn)主要任務(wù)就是數(shù)據(jù)采集，并將采集的數(shù)據(jù)傳遞給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的大致步驟為：協(xié)調(diào)器開(kāi)始建立網(wǎng)絡(luò)，建立成功后，終端節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)并發(fā)送申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求，協(xié)調(diào)器響應(yīng)該請(qǐng)求，最后節(jié)點(diǎn)間開(kāi)始進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。這里主要介紹終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，2類(lèi)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)如下。

2.2.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器起到網(wǎng)絡(luò)樞紐的作用，負(fù)責(zé)給加入的節(jié)點(diǎn)分配地址，并協(xié)調(diào)各節(jié)點(diǎn)相互之間的聯(lián)系。協(xié)調(diào)器部分主要進(jìn)行無(wú)線射頻通信及串口通信程序設(shè)計(jì)。協(xié)調(diào)器上電之后，首先對(duì)軟硬件進(jìn)行初始化，然后開(kāi)始建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)，隨后主程序進(jìn)入查詢(xún)進(jìn)程列表狀態(tài)，等待事件的發(fā)生。事件包括串口事件和無(wú)線事件，串口事件是上位機(jī)發(fā)來(lái)的消息，無(wú)線事件是終端節(jié)點(diǎn)或者協(xié)調(diào)器發(fā)來(lái)的消息，如加入網(wǎng)絡(luò)或者發(fā)送溫濕度數(shù)據(jù)等。協(xié)調(diào)器的流程圖如圖3所示。

2.2.2 終端節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)中，終端節(jié)點(diǎn)的作用主要是進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和傳輸。在監(jiān)測(cè)環(huán)境中可能會(huì)存在很多的ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)采集環(huán)境中的溫濕度數(shù)據(jù)，并傳遞給匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)再將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行處理。

設(shè)備上電后，首先對(duì)軟硬件進(jìn)行初始化，如果收到加入網(wǎng)絡(luò)的通知，則加入網(wǎng)絡(luò)并接受協(xié)調(diào)器分配的網(wǎng)絡(luò)地址；反之，則向協(xié)調(diào)器發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求，申請(qǐng)通過(guò)后，入網(wǎng)進(jìn)入調(diào)度策略，查詢(xún)進(jìn)程列表中的進(jìn)程，進(jìn)入相關(guān)進(jìn)程。再判斷查詢(xún)器是否到期，如果到期了，發(fā)送數(shù)據(jù)即可；如果沒(méi)到期則繼續(xù)查詢(xún)。流程圖如圖4所示。

圖4 終端節(jié)點(diǎn)流程圖

3 系統(tǒng)性能分析與測(cè)試

在測(cè)試之前要排除硬件的各種問(wèn)題，比如接觸不良、短路或電源不穩(wěn)定等，然后開(kāi)始上電調(diào)試。在測(cè)試中，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)漕?lèi)型選擇星型網(wǎng)絡(luò)，2個(gè)終端節(jié)點(diǎn)采用3節(jié)1.5 V電池供電，協(xié)調(diào)器采用USB供電，并通過(guò)串口與計(jì)算機(jī)連接。把終端節(jié)點(diǎn)的電源模式設(shè)定為完全功能模式，協(xié)調(diào)器沒(méi)有休眠模式，因此不用設(shè)置。盡管基于ZigBee協(xié)議的傳感器網(wǎng)絡(luò)是比較穩(wěn)定的，但該系統(tǒng)也會(huì)受到雷電、障礙物及電源污染等影響，所以選擇空曠場(chǎng)地進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)的溫度為25℃，相對(duì)濕度大約為38%，連續(xù)觀察，測(cè)得數(shù)據(jù)結(jié)果如圖5所示。

圖5 溫濕度數(shù)據(jù)采集折線圖

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)能夠?qū)崟r(shí)地接收到終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，并且通過(guò)和實(shí)際溫度對(duì)比，可以看出，采集到的數(shù)據(jù)基本準(zhǔn)確，證明了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。隨著實(shí)驗(yàn)的逐漸深入，發(fā)現(xiàn)如下現(xiàn)象：

① 在65 m的距離內(nèi)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基本吻合，并且不存在丟包的現(xiàn)象，整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定；② 在超出65 m的距離后，溫度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際數(shù)據(jù)存在±1℃的誤差，濕度的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際數(shù)據(jù)存在±1%的誤差，并且會(huì)伴隨丟包現(xiàn)象的發(fā)生。隨著距離的不斷增加，丟包率不斷增大，因此丟包率和距離成正比。

4 結(jié)束語(yǔ)

簡(jiǎn)要介紹了基于ZigBee技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本原理、硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，并對(duì)其準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性進(jìn)行了測(cè)試和分析。

此次研究中，將ZigBee協(xié)議應(yīng)用到了溫濕度的數(shù)據(jù)采集和傳輸，并且得到了較理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，目前，ZigBee被認(rèn)為是最適合傳感器網(wǎng)絡(luò)接入端的短距離無(wú)線通信技術(shù)[14]。這項(xiàng)技術(shù)不僅解決了農(nóng)業(yè)、工業(yè)、軍事以及醫(yī)學(xué)上一些作業(yè)難題，還極大地提高了應(yīng)用系統(tǒng)的可靠性、實(shí)時(shí)性，降低了系統(tǒng)開(kāi)發(fā)成本，并且大大提高了各行各業(yè)的生產(chǎn)工作效率和自動(dòng)化程度。下一步研究可以在組網(wǎng)中加入路由器節(jié)點(diǎn)以增大測(cè)量范圍，進(jìn)行更充分的實(shí)驗(yàn)，得到更準(zhǔn)確的結(jié)論。

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Design of Temperature and Humidity Data Acquisition System Based on ZigBee Technology

DENG Ran，ZHU Yong，ZHAN Nian，ZHANG Meng，DAI Jia-wei

(School of Electronic Engineering，Heilongjiang University，Harbin Heilongjiang 150080，China)

Based on the low power consumption，low complexity and transmission security of ZigBee technology，a design method of temperature and humidity data acquisition system based on ZigBee technology is proposed by combining software and hardware.The temperature and humidity data are collected and transmitted to the core module of the wireless system by ZigBee technology，and finally displayed on PC.The test results show that the temperature and humidity data acquisition system based on ZigBee technology has lower power consumption and higher stability，and can be widely used in agriculture，military and medical fields.

wireless sensor network；temperature and humidity sampling；ZigBee；stability

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.03.20

鄧 然,朱 勇,詹 念,等.基于ZigBee技術(shù)的溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].無(wú)線電通信技術(shù)，2017，43(3):81-84.

[DENG Ran，ZHU Yong，ZHAN Nian,et al.Design of Temperature and Humidity Data Acquisition System Based on ZigBee Technology[J].Radio Communications Technology，2017，43(3)：81-84.]

2016-12-01

鄧 然(1991—)，女，碩士研究生，主要研究方向：通信與信息處理。朱 勇(1974—)，男，教授，主要研究方向：通信與信息處理。

TN911.7

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1003-3114(2017)03-81-4