基于ZigBee技術的溫濕度采集系統

陳歡，秦懷宇，李旋

（1.無錫科技職業學院，江蘇無錫，212000；2.江蘇科技大學，江蘇張家港，215600）

0 引言

溫度和濕度作為環境監測的一項重要指標，對生產、生活有著重大影響。本文利用ZigBee無線傳輸技術，采集溫濕度指標。以CC2530為主芯片，使用數字溫濕度傳感器采集數據，采用串口傳輸實現上位機和下位機之間的通信，并利用閉環反饋確保系統穩定性[1-6]。

1 主要研究內容

圖1 系統框圖

本設計可實現周圍環境溫度與濕度的采集、傳輸、顯示等。硬件部分包含微處理器芯片、溫濕度傳感器、顯示屏和步進電機等；軟件部分利用監測軟件進行數據的顯示，最終實現的功能如下：（1）數據采集：利用溫濕度傳感器采集周圍環境中的相關數據。（2）數據傳輸：終端設備利用無線通訊協議將數據信息傳送給協調器，協調器通過USB串口上傳到上位機。（3）數據顯示：串口傳輸的數據在上位機中數字化顯示并提供信息保存功能。（4）反饋調節：當數據信息超出設定范圍時，反饋系統自動運行以保持系統穩定性。（5）系統測試：實時獲取數據后，對其進行分析、評估，驗證系統的基本功能。

2 系統硬件設計

2.1 CC2530核心模塊設計

CC2530芯片是美國德州儀器公司研發的新一代ZigBee片上系統解決方案，建立在基于IEEE802.15.4標準協議之上。CC2530核心模塊由主控芯片CC2530和外圍設備組成，是ZigBee節點的核心部分。它集成RF收發器的優良性能，增強型8051內核，8KB RAM等強大功能[7-12]。

2.2 溫濕度傳感器模塊接口設計

本設計采用DHT11溫濕度傳感器，其包含一個電阻式感濕元件和NTC測溫元件，并與高性能8位單片機相連。該傳感器性能穩定、響應快，抗干擾能力強，性價比高。測量范圍是：溫度0－50℃，濕度20%~90%；測溫精度±2℃，測濕精度±5%，分辨力為1[13-17]。傳感器為4針單排引腳封裝，引腳說明見表1。

表1 DHT11數字溫濕度傳感器引腳說明

圖2 DHT11溫濕度傳感器接口

2.3 串口通信模塊設計

本文采用CH340串口通信模塊，它是一個USB 總線的轉接芯片，可實現USB 轉串口、USB 轉IrDA 紅外或者USB轉打印口。在串口方式下，CH340 提供常用的MODEM聯絡信號，為計算機擴展異步串口，或將普通的串口設備直接升級到USB 總線。CH340模塊有4個外接引腳，具體說明見表2。

表2 CH340串口通信模塊引腳說明

3 軟件設計

3.1 下位機軟件設計

系統進入主函數后，先對主控芯片和外圍設備進行初始化設置。初始化完成進入循環檢測。傳感器開始采集溫濕度數據，然后將數據傳輸給終端的CC2530芯片，終端接收到數據后會把數據發送給協調器，經歷短暫的延時后終端還會給傳感器一個再次采集數據的信號。協調器接收數據后會將數據通過串口發送至上位機同時顯示屏會顯示測量的數據。當溫濕度數據超過系統設定的設定值時，系統會驅動步進電機工作，直到溫濕度參數在設定值之內停止。主程序流程圖如圖3所示。

CC2530芯片向DHT11發送開始信號后，DHT11從低功耗模式喚醒，進入高速模式，并且會對開始信號進行響應。DHT11將采集的數據打包發送給主控芯片的控制器中，在發送結束后會再次接收到采集信號繼續進行數據采集。以此往復進行。當主控制芯片向傳感器發送結束信號后，傳感器停止數據采集，然后進入低功耗模式。傳感器控制流程圖如圖4所示。

3.2 上位機軟件設計

本文采用LabView設計上位機軟件，利用其VISA資源庫選擇串口和配置參數，通過串口通訊協議將串口中的數據傳送到上位機中。數據經過若干編程模塊的處理，在前面板顯示控件按鈕。圖5是系統上位機的總體設計框圖。前面板如圖6所示。

圖3 主程序流程圖

圖4 傳感器控制流程圖

圖5 上位機設計框圖

圖6 前面板效果圖

4 測試結果分析

4.1 無障礙測試

該測試在一長廊進行，節點高出地面1米，每10米取測量點，測試傳輸質量與距離的關系，結果如表3所示，可見當距離大于60米后，掉包率顯著增加，傳輸質量下降。

表3 無阻礙掉包率測試

4.2 有障礙測試

在實際應用中，數據傳輸會遇到障礙物。本文為模擬這一場景，在終端與協調器之間放置壁壘，壁壘間距設為5米，評估傳輸性能，表4是其實驗結果。可見，面對一道壁壘時，ZigBee能以較高質量傳輸數據，但是面對多層壁壘，幾乎無法實現有效傳輸。

表4 有阻礙掉包率測試

5 結束語

本文以CC2530模塊為基礎搭建溫濕度監測控制系統，分別設計了硬件接口電路、下位機控制軟件和上位機測試軟件，測試結果證實設計合理。多終端多協調器是開展后期工作的主要方向。