基于太陽能的ZigBee無線校園網絡環境監測系統

柏小艷，郭禮偉，祝加雄（樂山師范學院，四川樂山，614000）

基于太陽能的ZigBee無線校園網絡環境監測系統

柏小艷，郭禮偉，祝加雄
（樂山師范學院，四川樂山，614000）

本項目結合各高校的特點和供電要求，設計了一種基于太陽能供電的ZigBee無線校園網絡環境監測系統，可以實現對多實驗樓、多個校區的環境等信息進行實時的管理和監控功能。整個監測系統由太陽能供電系統、ZigBee模塊、PM2.5傳感器模塊、溫濕度傳感器模塊、Labview上位機模塊等幾個部分組成。經過多次測試后的實驗結果表明，此系統運行可靠、穩定，具有廣泛的推廣價值和一定的實用性。

網絡環境監測;太陽能供電;ZigBee;單片機最小系統

0 引言

在當今的社會中，隨著我們生活水平質量的逐步提高，各高校對生活環境的質量同時也提出了更加高的要求；但是現如今各高校的環境監測系統比較少，而且環境監測的點的位置比較分散、無人值守、地理的環境復雜等，所以人工監測環境質量數據很不方便，執行的效率同時也很低，并且都采用有線的方式收集數據，因此會造成投入大，布線繁瑣，傳輸距離有限，固然沒有形成完善方便的監控網。

為了解決這些問題，首先，本項目結合了實際情況，利用ZigBee 無線網絡技術的低成本、低功耗等特點，改變了傳統冗雜的有線檢測方式，避免了布線的繁瑣；其次，利用太陽能供電，在不易鋪設電力線路的地域也能夠實現電力供給，并且節能、環保。可以進行實時地監測到各高校的環境質量等情況。

1 總體設計

整個環境監測系統由太陽能供電系統、溫濕度傳感器模塊、PM2.5傳感器模塊、ZigBee模塊、LCD顯示模塊、Labview上位機模塊等幾部分組成，系統的總體結構框圖如圖1所示。

2 各功能模塊的設計

本設計采取模塊化策略,將各個功能部分開來設計，最后組合起來，各模塊介紹分別如下。

2.1 蓄電池太陽能板供電模塊

電源模塊對于一個系統來說非常重要，關系到該系統能不能正常工作，不管是溫濕度傳感器、PM2.5傳感器模塊還是51單片機都需要5V穩定的電壓。

圖1 系統總體結構框圖

2.2 PM2.5粉塵傳感器

PM2.5空氣質量粉塵傳感器它具備性能穩定、測試精度高、多功能性強、方便安裝于儀器設備等特點,能夠廣泛地用于公共場所環境以及大氣環境的各種測定儀器中，而且PM2.5速測儀中，它同時也可以用作空調，空氣凈化器，環境監測，換氣扇等等。

2.3 溫濕度傳感器

DHT11是一種新型的單總線溫濕度數字傳感器，具備更多的優勢，它使體系計劃加倍簡略，控制便利而且易于實現。DHT11傳感器包含了1個NTC測溫元件和1個電阻式感濕元件，并且與1個高性能8位51單片機相互連接。單線制串行接口可以使系統的連接可以更加簡潔。功耗極低，信號的傳輸間隔可以高達20 m以上。作為一種新型的單總線數字溫濕度傳感器，DHT11擁有了體積小、性價比高、功耗低、抗干擾能力強、響應速度快、控制簡單等優點。

2.4 無線傳輸模塊ZigBee

ZigBee是一種可靠性十分高的無線數據傳輸網絡，ZigBee數據傳輸模塊類似于無線收集基站。通信間隔從標準的75m到幾百米、幾千米，而且允許無限擴大.

3 客戶端和服務器程序設計

3.1 客戶端設計

客戶端的設計思想：ZigBee模塊初始化完成后就可以傳輸采集到的溫濕度和粉塵的數據到服務器。

3.2 服務器的設計

服務器程序開始之后接著是程序初始化，初始化之后是ZigBee接收器接收數據，把數值傳送值串口，判斷串口是否有值，如果串口沒有數值，返回程序初始化之后。如果串口有值，則與上位機通信，把串口數值發送至上位機。

4 上位機設計

上位機采用的是labview方法編程。本系統的上位機設計思想是：把下位機采集回來的溫濕度值和粉塵的質量值通過串口與上位機通信，上位機把每一次讀的值分別存儲下來，然后對它們進行分析處理，與標準的值進行比較從而進一步作出處理，其中d為下位機采集到的數據，d1為正常范圍的下限值，d2為正常范圍的上限值。

5 測試結果

5.1 無線網絡監控系統主控板

采用了太陽能供電的方法，起到節能的作用，而且還利用了PM2.5傳感器和溫濕度傳感器，從而實現了對各高校環境的數據進行采集，從而達到監控的效果。

5.2 Labview上位機前面板

客戶端采集到的數據通過服務器發送到上位機，上位機可進行實時監測和報警，也可以通過上位機將數據發送到客戶端；在上位機中，可以對下位機的最大值最小值進行設定，可以實時地顯示當前采集到數值，報警指示燈在不同的情況可以顯示不同的顏色，若低于了設定值，報警指示燈顯示藍色，正常則顯示綠色，高于了則顯示紅色。在前面板上，還可以顯示接收到的歷史數據并保存在文本中，方便以后的查詢。

6 總結

采用 ZigBee 無線傳感器網絡技術和太陽能電池板供電,設計出了一種基于太陽能的ZigBee無線校園網絡環境監測系統。該系統易于實現、應用、范圍廣 ,充分地利用了學校現有的資源來降低構建成本，可以實現對多實驗樓、多校區的環境等信息進行即時監控和管理功能 。對改善高校的環境狀態和提高科研效率起著重要的作用。

[1]劉鐵超,基于ZigBee的校園路燈控制系統的設計與實現[D]．大連：大連海事大學，2014.

[2]黃三偉,周熠.基于校園網的實驗室安全監控系統[J].實驗技術與管理,2007, 24(9):78-81.

[3]林振強.基于網絡技術的實驗室溫濕度監測系統[J].化學分析計量，2006.04.

[4]黃志偉編著.無線數字收發電路設計[M].北京：電子工業出版社，2003.

[5]沈紅衛編著.基于單片機的智能系統設計與實現[M].北京：電子工業出版社，2005.

ZigBee wireless campus network system based on solar energy

Bai Xiaoyan,Guo Liwei,Zhu Jiaxiong
（School of Physics And Electronic Engineering of Leshan Normal university, Leshan Sichuan,614000）

The project is according to the characteristics of the universities and the power supply requirements, we design a ZigBee wireless campus network environment based on solar power monitoring system,which can realize to the lab building, multiple campus environment information such as real-time management and monitoring functions.The whole monitoring system by solar energy power supply system, ZigBee module, STC89C51 SCM smallest system, PM2.5 sensor module, temperature and humidity sensor module, LCD display module, Labview upper desktop module and so on several parts.After multiple tests, the experimental results show that this system is reliable, stable and has wide popularization value and practical.

Network environment monitoring;solar power supply;ZigBee;microcomputer minimum system

四川省大學生創新實踐項目（項目編號201610649022）。

柏小艷(1994-)，女，四川廣安人，大學本科。

郭禮偉(1993-)，男，甘肅隴西人，大學本科。

祝加雄(1980-)，男，四川樂山人，講師，副教授，研究方向為模式識別與智能系統。