基于ZigBee的無線溫濕度監控系統的設計

龍光利

摘 要： 針對傳統環境溫濕度檢測系統傳輸距離短、高功耗、布線雜亂的現狀，設計一種基于ZigBee的無線溫濕度監控系統，它由終端傳感器模塊和協調器模塊組成。無線終端傳感器模塊的主要功能是采集溫度和濕度信息，協調器模塊建立并維護ZigBee網絡，ZigBee網絡經終端模塊和協調器模塊將數據上傳到上位機，達到實時監測的效果。實驗表明，終端模塊可以正常采集溫度和濕度，協調器模塊可無線接收數據并通過串口通信，在上位機上能正確顯示溫濕度信息。

關鍵詞： 溫度監控; 濕度監控; ZigBee; 終端傳感器模塊; 協調器模塊; 信息采集

中圖分類號： TN948.64?34; TN919.72 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）12?0036?04

Abstract： In view of the status quos of short transmission distance， high power consumption， and disordered wiring existing in the traditional environment temperature and humidity detection system， a wireless temperature and humidity monitoring system based on ZigBee is designed. The system is composed of the terminal sensor module and coordinator module. The main function of the wireless terminal sensor module is to collect temperature and humidity information. The coordinator module is used to establish and maintain ZigBee network， which uploads data to the host computer via the terminal module and coordinator module， so as to achieve real?time monitoring. The experimental results show that the terminal module can collect temperature and humidity information normally， the coordinator module can wirelessly receive data and communicate via the serial port， and the temperature and humidity information can be displayed correctly on the host computer.

Keywords： temperature monitoring; humidity monitoring; ZigBee; terminal sensor module; coordinator module; information acquisition

0 引 言

近年來，隨著農業規模化和工業自動化的發展，溫濕度監測系統越來越多地應用于糧食儲存[1]、農業生產中的種植大棚 [2]、工業生產中的環境控制、生物化學制藥[3]等領域中，建立監測溫濕度網絡是十分重要的技術環節。溫濕度監測系統采用有線監測設備，布線比較雜亂，檢修維護困難，靈活性不高。無線溫濕度監測系統結合了傳感器和無線通信技術，不需要鋪設線路，周圍環境影響小，擴展用途容易， 維護檢修比較方便。低速率和短距離的ZigBee無線通信技術容易推廣應用，工作頻段比較靈活，成本和功耗比較小，運行比較可靠，同時具有自恢復能力和自組網功能。

1 硬件設計

基于ZigBee的無線溫濕度監控系統原理框圖如圖1所示，系統由溫濕度傳感器、單片機、終端模塊、協調器模塊、PC上位機等組成。單片機采用STM32芯片，以ZigBee為技術支撐向遠距離上位機傳輸信息，分為ZigBee普通節點與ZigBee匯聚節點兩部分[4]。所有節點使用相同信道進行通信，在上電啟動后會形成ZigBee網絡，普通節點即作為終端模塊采集信息，也可作為路由節點轉發數據。在普通節點中，通過控制多種傳感器采集環境信息，以多跳方式送給協調器。在協調器模塊中，各個節點傳輸數據經該信道接收，傳輸給上位機進行顯示。

1.1 單片機最小系統設計

單片機最小系統主要由單片機[5]、復位電路、時鐘電路組成。單片機采用STM32F103C8T6微控制器，它具有低電壓和節能特點，工作電壓為2.0～3.6 V。其時鐘電路由兩個晶振和電容組成，兩個晶振頻率分別是8 MHz和32 MHz，8 MHz系晶振接在單片機5管腳OSC_IN和6管腳OSC_OUT上，經鎖相環倍頻后，為單片機提供系統時鐘基準頻率;32 MHz晶振接在單片機3管腳PC13?OSC_IN和4管腳PC15?OSC_OUT上。單片機7管腳NRST為復位管腳。由于系統內部有數/模轉換模擬電路，故需對整個系統進行分開供電，有三路電源，分別為單片機工作電源、模擬電路電源和數/模變換參考電壓輸入。

1.2 終端模塊電路設計

終端模塊主要由CC2530芯片、微控制器STM32以及溫度傳感器DHT11等組成。終端模塊主要負責完成對溫濕度數據的采集。選擇身份啟動后啟動終端模塊，終端模塊建立一個端點，若端點與協調器信息描述一致，終端模塊和協調器就成功綁定，可進行通信。終端模塊組成圖如圖2所示。

啟動設備進入低功耗模式，通過按鍵傳送綁定請求，終端模塊將綁定協調器，定時采集溫濕度數據時間將被操作系統自動觸發，定時時間到則開始采集溫濕度數據并按一定的格式發送出去，如果定時沒到，

則終端節點將一直處于低功耗狀態，直到定時到或者有其他用戶時間發生。在采集溫濕度數據后，將會自動與報警溫度數據比較，如果超限則打開定時器，開始發出一定頻率的蜂鳴器鳴叫。在狀態指示上可采用LED燈指示，如啟動成功就打開LED1，綁定成功就打開LED2，正在發送數據可用LED1閃爍表示。

1.2.1 溫濕度傳感器

溫濕度傳感器采用DHT11，其工作電壓為 3～5.5 V。通電后，等待1 s以跨過不穩定狀態，這期間沒有任何指令發送。在電源引腳（VDD和GND）可加一個100 nF的電容，用于去耦濾波。DHT11實際上只有3引腳可以連接工作，其測量的濕度范圍（相對濕度）為20%～90%，溫度為0～50 ℃。DHT11通信方式為串行單線雙向通信，數據40 bit，分為整數和小數兩部分。當啟動后的信號發送給用戶時，DHT11響應將切換到高速模式，傳輸數據和校驗數據將被切換到低功耗模式。

1.2.2 CC2530電路設計

CC2530芯片是由TI公司設計開發的SoC芯片[6]，它支持IEEE 802.15.4標準/ZigBee/ZigBee RF4CE，包括一個無線收發器、一個8051微處理器、RAM有8 kB、閃存分為32/64/128/256 kB、4種供電模式以及包括8通道12位數/模轉換器、2個通用串口模塊、21個通用GPIO等。設計的CC2530電路如圖3所示。

1.2.3 電源電路設計

STM32F103C8T6單片機和CC2530的供電電源為3.3 V，其誤差范圍[7]為±0.5 V。5 V直流電源可通過3.3 V穩壓芯片AMS1117使5 V電壓降到3.3 V，設計的電源電路如圖4所示。

1.3 協調器模塊電路設計

協調器模塊組成圖如圖5所示，其主要由串口通信電路、CC2530芯片、單片機STM32等組成[8]。可應用USB接口將搜集到的數據通過串口助手傳送到上位機。協調器可設置一些指示燈用來指示其工作狀態，如設備啟動成功點亮LED1，打開允許綁定點亮LED2，關閉綁定則熄滅LED2，接收到了數據就閃爍LED1等，這樣可從視覺上感覺到協調器一直處于工作狀態中。

2 軟件設計

軟件包括終端模塊軟件和協調器模塊軟件兩部分。

2.1 終端模塊的軟件設計

本文設計的終端模塊程序流程圖如圖6所示。采集溫濕度數據由終端模塊負責完成，發送給協調器，并能夠實時檢測。

2.2 協調器模塊的軟件設計

本文設計的協調器模塊程序流程圖如圖7所示。首先建立ZigBee網絡，判定是否接收到綁定請求，啟動協調器后，自動設置網絡地址為0x0000，發送采集命令，接收采集數據，串口發送到上位機進行顯示。

根據流程圖，用C語言編程，在IAR的C語言開發環境下編譯[9]，當編譯完成，出現零錯誤、零警告后，利用IAR輸出文件SampleApp.hex，采用FlyMcu下載軟件，將SampleApp.hex燒錄到單片機STM32F103C8T6中，可根據燒錄環境顯示的燒錄進度判定燒錄是否完成。

3 實驗結果

將下載軟件的單片機和相關元器件分別焊接在兩塊PCB板上，組成1個協調器和1個（可多個）終端設備（溫濕度傳感節點），協調器通過串口與PC機相連，由上位機（PC機）顯示最終結果 [10]。協調器和終端設備合上電源后，協調器和終端模塊的LED燈開始閃爍，表明設備正在綁定，閃爍時間5 s左右。LED燈不閃爍并一直點亮時，表示協調器和終端模塊已綁定成功。緊接著，傳感器開始采集數據，終端模塊向協調器周期性發送溫濕度數據，溫濕度在上位機顯示。改變環境溫濕度可進行多次測量，以便使設備狀態達到最佳。串口調試助手中溫濕度顯示結果如圖8所示。在圖8中，當前的溫度為24 ℃，濕度為41%。

4 結 語

本文設計的無線溫濕度監控系統，由協調器模塊完成ZigBee網絡的建立和維護，由終端模塊完成溫濕度信息的采集，數據經過ZigBee網絡傳送到上位機。模塊無線傳輸時，系統無需布線，功耗低;同時由于采用STM32單片機，存儲容量大，可連接接口多，數據精度高。若加入WiFi模塊，可將數據發送到手機客戶端，可遠距離觀察[11]。為進一步拓展應用，電源部分還可采用太陽能供電系統[12]增加傳感器，還可以監測傳輸更多相關參數。

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