一種Zigbee技術(shù)的溫濕度檢測

黃光華 王俊淵

摘 要 本文利用ZigBee協(xié)議建立一個(gè)簡易的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)兩點(diǎn)之間無線傳輸，DHT11高精度數(shù)字傳感器對溫濕度進(jìn)行采集，以O(shè)LED作為數(shù)據(jù)圖像顯示。再加上溫濕度超標(biāo)報(bào)警模塊，形成了一個(gè)簡單的點(diǎn)對點(diǎn)無線傳輸?shù)膶?shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】ZigBee協(xié)議棧；數(shù)字溫濕度傳感器；OLED液晶屏

1 前言

藥品、糧食以及某些食物存放在倉庫中，保存是對其環(huán)境的要求嚴(yán)格，它們都要求溫濕度在一定的范圍內(nèi)，這樣才能保證不會(huì)出現(xiàn)物品變質(zhì)。本設(shè)計(jì)無線通信網(wǎng)絡(luò)由ZigBee協(xié)議構(gòu)建，以此傳輸倉庫中數(shù)據(jù)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸速度快，覆蓋范圍廣，構(gòu)建的節(jié)點(diǎn)數(shù)目多，成本低，操作簡單，適合各類倉庫檢測。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

在本設(shè)計(jì)采用點(diǎn)對點(diǎn)的方式數(shù)據(jù)傳輸，一個(gè)節(jié)點(diǎn)作為從機(jī)設(shè)備發(fā)送信號，另一節(jié)點(diǎn)作為主機(jī)進(jìn)行接收。在電源模塊，晶振模塊，RF模塊等一些基礎(chǔ)模塊主要是形成一個(gè)有效的無線收發(fā)信號系統(tǒng)，因此兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都需要加入這些基本模塊。從機(jī)模塊由溫濕度采集模塊采集數(shù)據(jù)， CC2530主芯片數(shù)據(jù)處理，再由RF模塊將8字節(jié)數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。主機(jī)數(shù)據(jù)接收由CC2530構(gòu)成的核心電路完成，經(jīng)處理后發(fā)送到OLED上顯示。采集到的溫濕度超過超出設(shè)定值后啟動(dòng)報(bào)警模塊。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 Zigbee 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

ZigBee最小系統(tǒng)主要是以CC2530芯片為核心，由32.768KHz晶振構(gòu)成的基準(zhǔn)時(shí)鐘，以32M晶振設(shè)計(jì)作為震蕩時(shí)鐘，加上RF射頻電路形成一個(gè)穩(wěn)定的無線傳輸系統(tǒng)。電路中電容和電感組成濾波電路防止高頻干擾。

3.2 電源穩(wěn)壓模塊設(shè)計(jì)

由于CC2530芯片工作電壓為3.3V，選用一款高效的線性穩(wěn)壓器AMS1117，可高效地將5V電壓轉(zhuǎn)換成3.3V輸出。

3.3 溫濕度采集模塊

溫濕度模塊采用數(shù)字傳感器DHT11為核心，DHT11傳感器內(nèi)部包含了一個(gè)精密的電阻式測濕度元器件和一個(gè)精密NTC測溫度元器件，如圖1。 在外部電路設(shè)計(jì)上，由于DATA數(shù)據(jù)引腳采用CMOS漏極開路，本身不具備驅(qū)動(dòng)能力，因此需要上拉一個(gè)電阻R3；保證時(shí)序的穩(wěn)定性。

3.4 顯示模塊

顯示模塊主要是采用0.98寸OLED液晶屏作為顯示數(shù)據(jù)的屏幕，該液晶屏雖然只有0.98寸，但分辨率是128*64，因此可以清晰的顯示出設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)；且該液晶屏采用串口輸入數(shù)據(jù)，大大減少了I/O的使用，如圖2。

3.5 RF射頻模塊

在無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建中，天線和巴倫配置電路的設(shè)計(jì)是至關(guān)重要，這涉及到射頻信號傳輸能否達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對通訊距離、系統(tǒng)作用都有很大的影響。天線的選擇可以是PCB天線這一類，例如倒F形天線，螺旋形天線等。還可以使用SMA接口這一類的長桿形狀天線。根據(jù)個(gè)人的需求可以選擇而定，這里選擇的是長桿狀天線。巴倫配置電路設(shè)計(jì)如圖3。

3.6 震蕩電路設(shè)計(jì)

CC2530核心電路有2個(gè)晶振電路，32MHz晶振電路可以為整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)提供高頻率的時(shí)鐘提升運(yùn)行速度，而32.768KHz晶振電路則是給芯片內(nèi)部提供一個(gè)Base_time，可用于時(shí)序的穩(wěn)定。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 Z-Stack體系架構(gòu)及工作流程

Z-Stack協(xié)議棧是Zigbee無線通訊協(xié)議，它的體系架構(gòu)如下。

①Z-Stack軟件架構(gòu)。

在整個(gè)程序運(yùn)行中，首先從main（）主函數(shù)開始，在函數(shù)中，首先要做的是對整個(gè)電路實(shí)現(xiàn)初始化，之后進(jìn)入OSAL操作系統(tǒng)，按照設(shè)定事件的順序開始運(yùn)行整個(gè)系統(tǒng)。

②Z-Stack操作系統(tǒng)初始化。

當(dāng)程序中的基本配置初始化完成后，進(jìn)入操作系統(tǒng)，開始對系統(tǒng)進(jìn)行初始化，其中OSAL_Init_System（）包含系統(tǒng)上電啟動(dòng)后的各個(gè)模式的初始化，當(dāng)初始化完成整個(gè)系統(tǒng)才開始進(jìn)行工作。

③執(zhí)行操作系統(tǒng)。

當(dāng)系統(tǒng)正式進(jìn)入工作后，需要將要執(zhí)行的事件的ID發(fā)送到主機(jī)，然后以輪番查詢的方式進(jìn)行事件處理，其中SampleApp_ProcessEvent（）函數(shù)是主要的事件處理函數(shù)，將一個(gè)個(gè)的事件按照taskevent[id]這個(gè)序列號的順序進(jìn)行處理。

4.2 網(wǎng)絡(luò)通信過程

當(dāng)終端模塊上電后查詢到周圍存在ZigBee的協(xié)調(diào)器時(shí)，將自動(dòng)與之組網(wǎng)，兩端都確定了ID后，終端將向協(xié)調(diào)器連續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，直到復(fù)位，或者一方斷電才停止，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)初始化，協(xié)調(diào)器建網(wǎng)，終端設(shè)備入網(wǎng)。

4.3 溫濕度測量和數(shù)據(jù)傳輸

溫濕度采集程序在主要是根據(jù)DHT11的時(shí)序進(jìn)行設(shè)置處理，最后取出數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取出所需要的溫濕度數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)發(fā)送到終端顯示，再有終端發(fā)送到協(xié)調(diào)器，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的提取到無線傳輸?shù)囊粋€(gè)過程。

5 測試結(jié)果

溫濕度的測量在相對密閉的環(huán)境測量，因此受到外部的干擾比較小，下表為測量結(jié)果的對照表。

6 結(jié)束語

本文主要介紹通過ZigBee無線傳輸技術(shù)實(shí)現(xiàn)遙控方式采集和處理溫濕度數(shù)據(jù)，它的優(yōu)點(diǎn)主要是實(shí)際消耗的能量非常低，對構(gòu)建的拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)中的端點(diǎn)具有高容量，信號傳輸延時(shí)短，所在的傳輸頻段免執(zhí)照等。

參考文獻(xiàn)

[1]劉慧，王鳴.基于CC2530的溫度監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，2012

[2]蔣佳君.淺談ZigBee技術(shù).wenku.baidu.com，2007（05）.

[3]王鋒.FS_ZigBee協(xié)議棧實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書[Z].鋒碩電子科技有限公司，2010.

作者單位

贛南師范大學(xué)科技學(xué)院 江西省贛州市 341000