基于ZigBee的溫濕度監測系統

李艷麗+廖曉娟

摘要：文章介紹了一種基于ZigBee的溫濕度監測系統，系統以無線射頻芯片CC2530為核心設計了用于溫濕度監測的無線傳感器網絡，對系統的硬件電路設計和溫濕度傳感器DHT11的選擇作了說明，給出了協調器和終端設備的軟件結構圖，設計了上位機監測平臺軟件。經測試表明系統運行穩定、節點硬件接收靈敏度高、溫濕度測量準確，且具有可視化特點，可廣泛用于環境監測。

關鍵詞：ZigBee；CC2530；無線傳感器網絡；DHT11；協調器；終端設備；溫濕度

環境中的溫濕度與工農業生產及人民生活息息相關，如企業生產、倉庫存儲、溫室大棚，家居生活。濕度過大會引起糧食霉變；溫度變化會影響生產生活質量；精密儀器、半導體器件會因環境過溫、過濕而性能降低[1]，并且隨著人們對家居生活舒適度的要求越來越高，對室內室外的溫濕度往往需要實時了解或監測。

由于溫濕度監測一般存在著監測點分散、需遠程控制等困難，為此，文本提出了基于ZigBee技術的無線溫濕度監測方案，在監測區域放置傳感器節點來采集溫濕度數據，經處理后通過自組織無線網絡將溫濕度數據傳輸到監控端，由監控端對采集的信息進行統一管理分析。該方案改變了傳統的有線監測方式，具有低成本、低功耗，可擴展性，布線簡單等特點。目前藍牙、WiH等無線通信技術應用日益廣泛，但其復雜的設備系統，高功耗、高成本，不適合應用在一些低數據速率、低成本和通信范圍較小的場合等領域，因此為了滿足類似于溫濕度傳感器這樣小型、低成本設備無線聯網的要求，ZigBee技術正符合這種需求[2]。

1 ZigBee技術

ZigBee技術是一種短距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信技術，是一組基于IEEE802.15.4無線標準研制開發的有關組網、安全和應用軟件方面的通信技術。ZigBee協議規范使用了IEEE802.15.4定義的物理層（PHY）和媒體介質訪問層（MAC），并在此基礎上定義了網絡層（NWK）和應用層（APL）架構[3]。

在ZigBee網絡中存在3種邏輯設備類型：Coordinator（協調器），Router（路由器）和EndDevice（終端設備）。ZigBee網絡由一個Coordinator以及多個Router和多個EndDevice組成。Coordinator（協調器），協調器主要負責配置網絡參數、啟動整個網絡，接收發送數據。協調器也可以用來協助建立網絡中安全層和應用層的綁定（bindings）。Router（路由器）的功能主要是允許其他設備加入網絡，多跳路由和協助它自己的由電池供電的終端設備的通信。

EndDevice（終端設備）沒有特定的維持網絡結構的責任，往往連接不同的傳感器進行數據采集[4]。

2 系統總體設計方案

本系統框架如圖1所示。監測系統由ZigBee無線傳感器網絡（WirelessSensorNetworks，WSN）和上位機監測平臺兩部分組成。ZigBee無線傳感網是由分布在監測區域中的協調器、路由器和多個終端設備組成。其中，終端設備帶有溫濕度傳感器，分布在監測區域實時感知和處理數據，并將這些數據通過無線射頻信號發射出去；路由器主要將傳感數據路由到協調器；協調器對整個無線個域網（WirelessPersonalAreaNetwork，WPAN）屮各個傳感器節點發出的無線射頻信號進行接收和處理，并通過RS232串行總線送入上位機[5]。上位機監測平臺軟件采用高級語言開發環境MicrosoftVisualStudio2010（簡寫VS2010）來編寫，負責接收、顯示和存儲協調器發過來的溫度、濕度無線傳感器數據。

DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有己校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。DHT11傳感器部分技術參數如表1所示，它應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，具有超快響應、抗干擾能力強、精度高等優點[8]。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。DHT11與CC2530的引腳連接如圖5所示，圖中VCC接電源，GND接地，數據引腳DATA接CC2530芯片的P0_7引腳來獲取環境中的溫濕度數據。

2.1 系統硬件設計

WSN中的傳感節點由數據采集模塊、信號處理模塊、無線射頻模塊和電源模塊4部分組成。其中數據采集模塊負責監測區域內信息的采集和數據的轉換；信號處理模塊，負責控制整個傳感節點的操作，存儲和處理本身采集的數據以及其他節點發來的數據；無線射頻模塊，負責與其他傳感節點進行無線通信，收發采集的數據[6]；電源模塊，為傳感節點提供運行所需的能量，通常采用微型電池。WSN中傳感器節點的結構如圖2所示。

在本系統中，所有網絡節點中的信號處理模塊和無線射頻模塊采用CC2530片上系統（System-on-chip，SoC），所謂片上系統一般是指在單個芯片上集成一個完整的系統，一般包括中央處理器（CPU）、存儲器以及外圍電路等。CC2530是用于IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE應用的一個真正的片上系統（SoC）解決方案。CC2530結合了領先的RF收發器的優良性能，業界標準的增強型8051CPU，系統內可編程閃存，8-KBRAM和許多其他強大的功能。CC2530有4種不同的閃存版本：CC2530F32/64/128/256，分別具有32/64/128/256KB的閃存[7]。CC2530具有不同的運行模式，運行模式之間的轉換時間短進一步確保了低能源消耗，使得它尤其適應超低功耗要求的系統。

另外需要說明的是，考慮到網絡中的終端設備需要驅動傳感器進行數據采集，因此本系統中的終端設備設計簡化圖如圖3所示。其中，數據采集模塊的傳感器采用溫濕度傳感器DHT11，實物圖如圖4所示。

2.2 系統軟件設計endprint

本系統中的網絡節點間通信采用ZigBee技術，因此軟件應用程序開發是在TIZigBee協議棧（簡寫TIZ-Stack）基礎上進行編寫，采用的軟件開發環境是IAR8.10。由于Z-Stack己經編寫了從MAC層（macEventloop）到ZigBee設備應用層（ZDApp_event_loop）這5層任務的事件處理函數，因此，筆者主要編寫了協調器應用層和終端設備應用層的任務及事件處理函數。根據前文1ZigBee技術中對ZigBee網絡的3種設備角色的功能，再結合本系統中ZigBee網絡中設備的功能需求，對協調器和終端設備的軟件結構設計如圖6—7所示，路由器主要路由轉發協調器和終端設備的數據，此處暫不對路由器進行軟件設計。

協調器和終端而設備上電后，首先對系統初始化，主要初始化硬件平臺和軟件架構所需要的各個模塊，然后執行操作系統入口程序〇sal_start_system（）。其中協調器開始廣播Beacon信標幀，組建一個WPAN并允許新節點加入網絡，對申請入網成功的新節點分配16位的網絡短地址作為網絡中唯一的身份標識。協調器通過SamPleAPP_MessageMSGCB（）函數捕獲空氣中的信號，若信號是溫濕度數據則通過串口上傳給上位機。若又有新節點入網，則依舊處理入網請求[9]。

圖7中終端設備在入網成功后，調用數據采集函數來驅動溫濕度傳感器DHT11進行溫濕度數據采集，然后調用無線發送函數AF_DataRequest（）將采集的數據形成數據包，再利用CC2530無線射頻模塊的發送器發送到空氣中，發送地址模式分為單播、廣播和組播3種模式。其中AF+DataRequest（）的函數原型為：

afStatus_tAF_DataRequest（afAddrType_t*dstAddr，

endPointDesct*srcEP，

uintl6cID，

uintl6len，

uint8*buf，

uint8*transID？

2.3 上位機監測平臺設計

上位機監測平臺負責接收、顯示和存儲協調器發過來的溫度、濕度無線傳感器數據。在該平臺中，需要具有以下功能。

功能1：可對通信串口的端口、波特率、數據位、停止位、校驗位進行設置；功能2：可以打開和關閉己經存在的串口；功能3：可以接收和發送數據，接收到的數據在接收文本框中可以顯示；功能4：發送和接收的字符可顯示為十六進制數；功能5：對接收的數據進行判斷處理，并可以判斷出接收的數據是否為溫度或濕度數據；功能6：顯示相應的溫度或濕度。

上位機監測平臺設計如圖8所示。

3 系統實現

3.1 ZigBee無線傳輸硬件平臺實現

ZlgBee無線傳輸硬件平臺的搭建實物圖如圖9所示，協調器和終端設備（由于實驗距離短，此處不考慮使用路由器）組成了ZigBee無線傳感網，協調器由于無RS232串口，故使用USB轉COM線連接上位機（注意需要安裝USB轉COM驅動，否則串口無法識別相應的COM口）。終端設備使用電源供電，每個終端設備上連接有DHT11溫濕度傳感器。此系統具有體積小和功耗低的特點。

3.2 上位機監測平臺實現

在高級語言開發環境VS2010來開發的上位機監測平臺軟件一溫濕度監測系統如圖10所示。在該系統中，首先設置端口號、波特率、數據位，停止位和校驗位相關串口參數，然后打開串口，串口成功打開后即可接收數據了。協調器接收到的溫度或濕度數據通過串口上傳到上位機，并用兩條不同的曲線實時顯示出來。本軟件也可以查看到最新的溫度和濕度數據，其中濕度為相對濕度值，用百分比表示。

4 結語

基于傳統有線傳感網的局限性，本文提出了基于ZigBee技術的溫濕度監測系統，本系統無線傳感網中各節點采用Chipcon公司生產的CC2530芯片，該芯片集成了ZigBee射頻前端、內存、微控制器等，ZigBee終端節點利用DHT11進行溫濕度采集，實現數據在ZigBee無線網絡中傳輸。

開發的上位機監測平臺，通過串口與協調器連接，實現數據顯示和存儲功能，使溫濕度數據監測可視化。測試結果表明，該系統組網速度快、節點靈活、顯示清晰。

該系統具有低成本、低功耗，布線簡單、可視化等優點，可以廣泛應用于企業生產、倉庫存儲、溫室大棚，家居生活

[參考文獻]

[1]梁冠杰，陳因.倉庫的溫度濕度微機化監控[J].電力學報，1994（9）：44-47.

[2]辛穎，謝光忠，蔣亞東.基于ZigBee協議的溫度濕度無線傳感器網絡[J].傳感器與微系統，2006（7）：82-83.

[3]蔣挺，趙成林.紫峰技術及其應用[M].北京：北京郵電大學出版社，2006.

[4]高守瑋，吳燦陽.ZigBee技術實踐教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009.

[5]龐娜，程德福.基于ZigBee無線傳感器網絡的溫室監測系統設計[J].吉林大學學報（信息科學版），2010（1）：57.

[6]劉雅舉，蔡振江，張莉，等.基于射頻芯片的ZigBee無線傳感器網絡節點的設計[J].微計算機信息，2007（8）：167-168.

[7]芯片q274035496.CC2530[EB/OL].（2015-07-28）[2017-07-10].http：//baike.baidu.com/link？ud=2qi49a98NGeRb0xIv4xe-mbgV26t6LPNwlPFm63mhPlG-d4pw3bvzRvxlABZ5GBs043D4sRiCOurABqirxpbOa.

[8]顏麗娜，王順忠，張鐵民.基于DHT11溫濕度測控系統的設計[J].海南師范大學學報（自然科學版），2013（4）：397-399.

[9]饒云華，代莉，趙存成，等基于無線傳感器網絡的環境監測系統[J].武漢大學學報，2006（3）：345-348.endprint