基于zigbee智能無線溫濕度采集系統設計

詹曉蕓，朱娟（通訊作者）

（湖北文理學院，湖北襄陽，441053）

0 引言

隨著物聯網時代的到來，傳統數字設備的有線連接已經不再便利，在一定程度上反而限制了人們的生活。無線傳感器網絡是物聯網技術的關鍵，多個無線傳感器可以對各種參數進行實時監測、感知，以便采集各種信息和解決各類復雜細小的問題。zigbee技術是近距離無線傳感網絡采用的主流技術，目前，zigbee技術已經開始應用在智能農業、醫療、工業生產等各方面，均構建了可靠、穩定的無線傳感網絡數據采集處理解決方案，實現了各個領域的智能化、精準化、數字化監控，為人們的生活帶來了極大便利。

1 系統總體構成

本系統主要分為溫濕度數據采集和遠程數據傳輸兩部分。如圖1所示，zigbee無線網絡的第一部分主要由協調器和傳感器構成的終端設備組成。在數據采集過程中，終端設備不斷從環境中采集溫濕度，并將結果發送到協調器。同時，協調器將全方位處理接收到的數據并將其以數據包的形式傳輸至STM32單片機中。單片機將使用預先設計的算法處理、保存、顯示數據，以提高系統數據遠程傳輸的效率和安全性。每次GPRS模塊從STM32接收數據包時，都會將數據傳輸到數據庫中。數據管理中心進行維護，通過這種方式，用戶可以輕松訪問數據管理平臺以獲取有關當時環境溫度和濕度的實時信息。

圖1 溫濕度采集系統的整體框架圖

■1.1 zigbee網絡的協調器

所謂協調器，就是網絡組織的管理者。對于一般的應用模型，一旦形成了zigbee網絡，其主要功能是根據掃描選擇合適的參數來建立網絡，每個zigbee網絡僅允許一個協調器在此網絡中找一條通道，隨后建立一個網絡信號以便于啟動網絡[1]。由于整個網絡的起點是協調器，負責維護整個網絡，并且還可以間接地址表，以及設計安全中心并執行其他操作以維持與網絡其他成員的通信。如圖2所示，本系統以STM32為中心，電源給系統供電后，若想從OLED顯示屏上進行某些操作時，STM32會向CC2530發出相關指令，后續操作均由CC2530來控制，指令執行完畢之后，以數據包的形式將數據發送給STM32，顯示于OLED顯示屏上。

圖2 zigbee協調器的硬件框圖

■1.2 溫濕度傳感器模塊

DHT11數字溫濕度傳感器是一款含有已校準數字輸出的溫濕度復合傳感器[2]。它通過采集當前環境的溫濕度，同時將數據發送至協調器以便于協調器的進一步處理。此傳感器的優勢在于它將電阻式感濕元件和NTC測溫元件。兩器件相結合從而確保傳感器能高質量準確運行。所以基于其優勢的合理運用，此傳感器不僅可用于醫療、家庭自動控制也可以在軍事等領域發揮獨特作用。DHT11元器件的引腳說明：PIN1用于提供電量3V至5V；PIN2用于串行傳輸數據；PIN3懸空即可；PIN4接地即可。DHT11電路原理圖如圖3所示。

圖3 DHT11電路原理圖

2 系統軟件設計

系統軟件設計分為兩部分，一部分是發射部分，另一部分是接收部分。如圖4所示，發射部分用于采集數據，接收部分用于處理傳感器經過zigbee網絡傳輸過來的溫度數據（數字信號），若發送成功，接收部分會對數據進行進一步處理，若發送失敗，數據會等待下一個周期進行重發，數據經過單片機的有效處理后，有效信息將會顯示在OLED液晶屏上。

圖4 主程序的收發流程圖

■2.1 協調器工作過程及節點流程圖

如圖5所示，協調器上電后，首先完成對STM32、OLED和UART串行通信口的初始化，并在節點被設置為協調器之后，開始建立網絡，等待傳感器、溫度采集終端加入網絡后，協調器將開始處理來自終端設備發射過來的采集數據，單片機對是否接收到數據進行一次判斷，若正確接收即對數據進行處理和保存；若接受失敗，數據將會在等待四個機械周期后進行重發并等待單片機接收。在單片機對數據處理和保存之后，它會將處理過的數據發送至OLED顯示屏上，隨后進行無線傳輸直至結束。

■2.2 傳感器工作過程及節點流程圖

如圖6所示，系統的溫度采集傳感器節點上電啟動后，它將會主動掃描指定的網絡，并且向協調器發出入網請求和嘗試加入網絡，如果不成功，則將等待下一次掃描周期的到來，再次掃描加入網絡。加入成功后，就與協調器分配的網絡地址進行綁定，當傳感器沒有任務時就進入休眠狀態，用以降低系統功耗，可以增加系統使用時間；當系統出現任務時，將會喚醒系統，傳感器節點會每隔一段時間周期性的采集數據、讀取周圍環境溫度值，并將數據打包傳給父節點[4]。如果數據傳輸成功，傳感器則會進入休眠模式，之后則等待定時喚醒；反之如若未傳輸成功，則會需要等待數據再次傳輸，直至傳輸成功進入循環。

圖5 協調器接收過程流程圖

溫度和濕度是滿足居住和生活舒適度的最低要求，溫濕度硬件電路主要是由CC2530無線收發模塊、溫度和濕度傳感器、電源模塊幾大部分組成。溫濕度采集分為兩個部分，第一部分為室內所有終端設備內的溫濕度傳感器對溫濕度進行采集，若采集成功就通過ADC電壓轉換，將采集到的電壓數據（模擬數據）轉換為10進制的數據，同時將數據發送給協調器；若采集不成功就等待兩個機械周期重新對數據進行采集并通過ADC轉換，在zigbee設備節點進行數據發送，需經過zigbee終端設備檢測是否發射成功，發射成功則由zigbee協調器接受，發射不成功則由zigbee設備節點重新發送。第二部分是協調器接收到數據后對所有的數據進行整理，并通過串口將數據傳送到外接單片機STM32進行數據處理和保存，同時傳給OLED進行顯示。

圖6 傳感器節點流程圖

3 系統測試

本系統在IAR EW8051環境下完成基于zigbee2007協議棧的軟件開發，實現了星型組網下傳感器節點(左)到協調器節點(右)的無線溫度傳輸，測試過程如圖7所示。

圖7 系統測試圖

由測試結果可知，系統上電后傳感器節點和協調器節點成功組網后便可以獲取 zigbee 網絡中的通信節點MAC地址、網絡域名、信號強度、鏈路質量等信息。進一步初始化后，便可對環境的溫濕度信息進行實時采集，經測試采集距離可達10米，溫濕度數據精度可達0.01。

4 結論

本文實現了基于zigbee智能無線溫濕度采集系統設計，運用zigbee無線傳感網絡技術、STM32嵌入式技術對室內溫濕度進行實時監測，具有組網靈活、功耗低，成本低等優點。該系統經擴展后可應用于各種復雜溫度監測場景中，解決實時性差、精度低、成本高等問題，具有良好市場應用價值。