基于ZigBee的温湿度监测系统

    李艳丽+廖晓娟

    

    

    

    摘要：文章介绍了一种基于ZigBee的温湿度监测系统，系统以无线射频芯片CC2530为核心设计了用于温湿度监测的无线传感器网络，对系统的硬件电路设计和温湿度传感器DHT11的选择作了说明，给出了协调器和终端设备的软件结构图，设计了上位机监测平台软件。经测试表明系统运行稳定、节点硬件接收灵敏度高、温湿度测量准确，且具有可视化特点，可广泛用于环境监测。

    关键词：ZigBee；CC2530；无线传感器网络；DHT11；协调器；终端设备；温湿度

    环境中的温湿度与工农业生产及人民生活息息相关，如企业生产、仓库存储、温室大棚，家居生活。湿度过大会引起粮食霉变；温度变化会影响生产生活质量；精密仪器、半导体器件会因环境过温、过湿而性能降低[1]，并且随着人们对家居生活舒适度的要求越来越高，对室内室外的温湿度往往需要实时了解或监测。

    由于温湿度监测一般存在着监测点分散、需远程控制等困难，为此，文本提出了基于ZigBee技术的无线温湿度监测方案，在监测区域放置传感器节点来采集温湿度数据，经处理后通过自组织无线网络将温湿度数据传输到监控端，由监控端对采集的信息进行统一管理分析。该方案改变了传统的有线监测方式，具有低成本、低功耗，可扩展性，布线简单等特点。目前蓝牙、WiH等无线通信技术应用日益广泛，但其复杂的设备系统，高功耗、高成本，不适合应用在一些低数据速率、低成本和通信范围较小的场合等领域，因此为了满足类似于温湿度传感器这样小型、低成本设备无线联网的要求，ZigBee技术正符合这种需求[2]。

    1 ZigBee技术

    ZigBee技术是一种短距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术，是一组基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的通信技术。ZigBee协议规范使用了IEEE802.15.4定义的物理层（PHY）和媒体介质访问层（MAC），并在此基础上定义了网络层（NWK）和应用层（APL）架构[3]。

    在ZigBee网络中存在3种逻辑设备类型：Coordinator（协调器），Router（路由器）和EndDevice（终端设备）。ZigBee网络由一个Coordinator以及多个Router和多个EndDevice组成。Coordinator（协调器），协调器主要负责配置网络参数、启动整个网络，接收发送数据。协调器也可以用来协助建立网络中安全层和应用层的绑定（bindings）。Router（路由器）的功能主要是允许其他设备加入网络，多跳路由和协助它自己的由电池供电的终端设备的通信。

    EndDevice（终端设备）没有特定的维持网络结构的责任，往往连接不同的传感器进行数据采集[4]。

    2 系统总体设计方案

    本系统框架如图1所示。监测系统由ZigBee无线传感器网络（WirelessSensorNetworks，WSN）和上位机监测平台两部分组成。ZigBee无线传感网是由分布在监测区域中的协调器、路由器和多个终端设备组成。其中，终端设备带有温湿度传感器，分布在监测区域实时感知和处理数据，并将这些数据通过无线射频信号发射出去；路由器主要将传感数据路由到协调器；协调器对整个无线个域网（WirelessPersonalAreaNetwork，WPAN）屮各个传感器节点发出的无线射频信号进行接收和处理，并通过RS232串行总线送入上位机[5]。上位机监测平台软件采用高级语言开发环境MicrosoftVisualStudio2010（简写VS2010）来编写，负责接收、显示和存储协调器发过来的温度、湿度无线传感器数据。

    DHT11数字温湿度传感器是一款含有己校准数字信号输出的温湿度复合传感器。DHT11传感器部分技术参数如表1所示，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，具有超快响应、抗干扰能力强、精度高等优点[8]。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并與一个高性能8位单片机相连接。DHT11与CC2530的引脚连接如图5所示，图中VCC接电源，GND接地，数据引脚DATA接CC2530芯片的P0_7引脚来获取环境中的温湿度数据。

    2.1 系统硬件设计

    WSN中的传感节点由数据采集模块、信号处理模块、无线射频模块和电源模块4部分组成。其中数据采集模块负责监测区域内信息的采集和数据的转换；信号处理模块，负责控制整个传感节点的操作，存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据；无线射频模块，负责与其他传感节点进行无线通信，收发采集的数据[6]；电源模块，为传感节点提供运行所需的能量，通常采用微型电池。WSN中传感器节点的结构如图2所示。

    在本系统中，所有网络节点中的信号处理模块和无线射频模块采用CC2530片上系统（System-on-chip，SoC），所谓片上系统一般是指在单个芯片上集成一个完整的系统，一般包括中央处理器（CPU）、存储器以及外围电路等。CC2530是用于IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统（SoC）解决方案。CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051CPU，系统内可编程闪存，8-KBRAM和许多其他强大的功能。CC2530有4种不同的闪存版本：CC2530F32/64/128/256，分别具有32/64/128/256KB的闪存[7]。CC2530具有不同的运行模式，运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。

    另外需要说明的是，考虑到网络中的终端设备需要驱动传感器进行数据采集，因此本系统中的终端设备设计简化图如图3所示。其中，数据采集模块的传感器采用温湿度传感器DHT11，实物图如图4所示。

    2.2 系统软件设计

    本系统中的网络节点间通信采用ZigBee技术，因此软件应用程序开发是在TIZigBee协议栈（简写TIZ-Stack）基础上进行编写，采用的软件开发环境是IAR8.10。由于Z-Stack己经编写了从MAC层（macEventloop）到ZigBee设备应用层（ZDApp_event_loop）这5层任务的事件处理函数，因此，笔者主要编写了协调器应用层和终端设备应用层的任务及事件处理函数。根据前文1ZigBee技术中对ZigBee网络的3种设备角色的功能，再结合本系统中ZigBee网络中设备的功能需求，对协调器和终端设备的软件结构设计如图6—7所示，路由器主要路由转发协调器和终端设备的数据，此处暂不对路由器进行软件设计。

    协调器和终端而设备上电后，首先对系统初始化，主要初始化硬件平台和软件架构所需要的各个模块，然后执行操作系统入口程序〇sal_start_system（）。其中协调器开始广播Beacon信标帧，组建一个WPAN并允许新节点加入网络，对申请入网成功的新节点分配16位的网络短地址作为网络中唯一的身份标识。协调器通过SamPleAPP_MessageMSGCB（）函数捕获空气中的信号，若信号是温湿度数据则通过串口上传给上位机。若又有新节点入网，则依旧处理入网请求[9]。

    图7中终端设备在入网成功后，调用数据采集函数来驱动温湿度传感器DHT11进行温湿度数据采集，然后调用无线发送函数AF_DataRequest（）将采集的数据形成数据包，再利用CC2530无线射频模块的发送器发送到空气中，发送地址模式分为单播、广播和组播3种模式。其中AF+DataRequest（）的函数原型为：

    afStatus_tAF_DataRequest（afAddrType_t*dstAddr，

    endPointDesct*srcEP，

    uintl6cID，

    uintl6len，

    uint8*buf，

    uint8*transID？

    2.3 上位機监测平台设计

    上位机监测平台负责接收、显示和存储协调器发过来的温度、湿度无线传感器数据。在该平台中，需要具有以下功能。

    功能1：可对通信串口的端口、波特率、数据位、停止位、校验位进行设置；功能2：可以打开和关闭己经存在的串口；功能3：可以接收和发送数据，接收到的数据在接收文本框中可以显示；功能4：发送和接收的字符可显示为十六进制数；功能5：对接收的数据进行判断处理，并可以判断出接收的数据是否为温度或湿度数据；功能6：显示相应的温度或湿度。

    上位机监测平台设计如图8所示。

    3 系统实现

    3.1 ZigBee无线传输硬件平台实现

    ZlgBee无线传输硬件平台的搭建实物图如图9所示，协调器和终端设备（由于实验距离短，此处不考虑使用路由器）组成了ZigBee无线传感网，协调器由于无RS232串口，故使用USB转COM线连接上位机（注意需要安装USB转COM驱动，否则串口无法识别相应的COM口）。终端设备使用电源供电，每个终端设备上连接有DHT11温湿度传感器。此系统具有体积小和功耗低的特点。

    3.2 上位机监测平台实现

    在高级语言开发环境VS2010来开发的上位机监测平台软件一温湿度监测系统如图10所示。在该系统中，首先设置端口号、波特率、数据位，停止位和校验位相关串口参数，然后打开串口，串口成功打开后即可接收数据了。协调器接收到的温度或湿度数据通过串口上传到上位机，并用两条不同的曲线实时显示出来。本软件也可以查看到最新的温度和湿度数据，其中湿度为相对湿度值，用百分比表示。

    4 结语

    基于传统有线传感网的局限性，本文提出了基于ZigBee技术的温湿度监测系统，本系统无线传感网中各节点采用Chipcon公司生产的CC2530芯片，该芯片集成了ZigBee射频前端、内存、微控制器等，ZigBee终端节点利用DHT11进行温湿度采集，实现数据在ZigBee无线网络中传输。

    开发的上位机监测平台，通过串口与协调器连接，实现数据显示和存储功能，使温湿度数据监测可视化。测试结果表明，该系统组网速度快、节点灵活、显示清晰。

    该系统具有低成本、低功耗，布线简单、可视化等优点，可以广泛应用于企业生产、仓库存储、温室大棚，家居生活

    [参考文献]

    [1]梁冠杰，陈因.仓库的温度湿度微机化监控[J].电力学报，1994（9）：44-47.

    [2]辛颖，谢光忠，蒋亚东.基于ZigBee协议的温度湿度无线传感器网络[J].传感器与微系统，2006（7）：82-83.

    [3]蒋挺，赵成林.紫峰技术及其应用[M].北京：北京邮电大学出版社，2006.

    [4]高守玮，吴灿阳.ZigBee技术实践教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009.

    [5]庞娜，程德福.基于ZigBee无线传感器网络的温室监测系统设计[J].吉林大学学报（信息科学版），2010（1）：57.

    [6]刘雅举，蔡振江，张莉，等.基于射频芯片的ZigBee无线传感器网络节点的设计[J].微计算机信息，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]颜丽娜，王顺忠，张铁民.基于DHT11温湿度测控系统的设计[J].海南师范大学学报（自然科学版），2013（4）：397-399.

    [9]饶云华，代莉，赵存成，等基于无线传感器网络的环境监测系统[J].武汉大学学报，2006（3）：345-348.