基于ZigBee的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

李艷麗+廖曉娟

摘要：文章介紹了一種基于ZigBee的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)以無(wú)線射頻芯片CC2530為核心設(shè)計(jì)了用于溫濕度監(jiān)測(cè)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，對(duì)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)和溫濕度傳感器DHT11的選擇作了說(shuō)明，給出了協(xié)調(diào)器和終端設(shè)備的軟件結(jié)構(gòu)圖，設(shè)計(jì)了上位機(jī)監(jiān)測(cè)平臺(tái)軟件。經(jīng)測(cè)試表明系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、節(jié)點(diǎn)硬件接收靈敏度高、溫濕度測(cè)量準(zhǔn)確，且具有可視化特點(diǎn)，可廣泛用于環(huán)境監(jiān)測(cè)。

關(guān)鍵詞：ZigBee；CC2530；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；DHT11；協(xié)調(diào)器；終端設(shè)備；溫濕度

環(huán)境中的溫濕度與工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及人民生活息息相關(guān)，如企業(yè)生產(chǎn)、倉(cāng)庫(kù)存儲(chǔ)、溫室大棚，家居生活。濕度過(guò)大會(huì)引起糧食霉變；溫度變化會(huì)影響生產(chǎn)生活質(zhì)量；精密儀器、半導(dǎo)體器件會(huì)因環(huán)境過(guò)溫、過(guò)濕而性能降低[1]，并且隨著人們對(duì)家居生活舒適度的要求越來(lái)越高，對(duì)室內(nèi)室外的溫濕度往往需要實(shí)時(shí)了解或監(jiān)測(cè)。

由于溫濕度監(jiān)測(cè)一般存在著監(jiān)測(cè)點(diǎn)分散、需遠(yuǎn)程控制等困難，為此，文本提出了基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線溫濕度監(jiān)測(cè)方案，在監(jiān)測(cè)區(qū)域放置傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)采集溫濕度數(shù)據(jù)，經(jīng)處理后通過(guò)自組織無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將溫濕度數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控端，由監(jiān)控端對(duì)采集的信息進(jìn)行統(tǒng)一管理分析。該方案改變了傳統(tǒng)的有線監(jiān)測(cè)方式，具有低成本、低功耗，可擴(kuò)展性，布線簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。目前藍(lán)牙、WiH等無(wú)線通信技術(shù)應(yīng)用日益廣泛，但其復(fù)雜的設(shè)備系統(tǒng)，高功耗、高成本，不適合應(yīng)用在一些低數(shù)據(jù)速率、低成本和通信范圍較小的場(chǎng)合等領(lǐng)域，因此為了滿足類似于溫濕度傳感器這樣小型、低成本設(shè)備無(wú)線聯(lián)網(wǎng)的要求，ZigBee技術(shù)正符合這種需求[2]。

1 ZigBee技術(shù)

ZigBee技術(shù)是一種短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無(wú)線通信技術(shù)，是一組基于IEEE802.15.4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)研制開(kāi)發(fā)的有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的通信技術(shù)。ZigBee協(xié)議規(guī)范使用了IEEE802.15.4定義的物理層（PHY）和媒體介質(zhì)訪問(wèn)層（MAC），并在此基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)層（NWK）和應(yīng)用層（APL）架構(gòu)[3]。

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中存在3種邏輯設(shè)備類型：Coordinator（協(xié)調(diào)器），Router（路由器）和EndDevice（終端設(shè)備）。ZigBee網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)Coordinator以及多個(gè)Router和多個(gè)EndDevice組成。Coordinator（協(xié)調(diào)器），協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、啟動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，接收發(fā)送數(shù)據(jù)。協(xié)調(diào)器也可以用來(lái)協(xié)助建立網(wǎng)絡(luò)中安全層和應(yīng)用層的綁定（bindings）。Router（路由器）的功能主要是允許其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)，多跳路由和協(xié)助它自己的由電池供電的終端設(shè)備的通信。

EndDevice（終端設(shè)備）沒(méi)有特定的維持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的責(zé)任，往往連接不同的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集[4]。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)框架如圖1所示。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetworks，WSN）和上位機(jī)監(jiān)測(cè)平臺(tái)兩部分組成。ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)是由分布在監(jiān)測(cè)區(qū)域中的協(xié)調(diào)器、路由器和多個(gè)終端設(shè)備組成。其中，終端設(shè)備帶有溫濕度傳感器，分布在監(jiān)測(cè)區(qū)域?qū)崟r(shí)感知和處理數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線射頻信號(hào)發(fā)射出去；路由器主要將傳感數(shù)據(jù)路由到協(xié)調(diào)器；協(xié)調(diào)器對(duì)整個(gè)無(wú)線個(gè)域網(wǎng)（WirelessPersonalAreaNetwork，WPAN）屮各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)出的無(wú)線射頻信號(hào)進(jìn)行接收和處理，并通過(guò)RS232串行總線送入上位機(jī)[5]。上位機(jī)監(jiān)測(cè)平臺(tái)軟件采用高級(jí)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)環(huán)境MicrosoftVisualStudio2010（簡(jiǎn)寫(xiě)VS2010）來(lái)編寫(xiě)，負(fù)責(zé)接收、顯示和存儲(chǔ)協(xié)調(diào)器發(fā)過(guò)來(lái)的溫度、濕度無(wú)線傳感器數(shù)據(jù)。

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有己校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。DHT11傳感器部分技術(shù)參數(shù)如表1所示，它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，具有超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、精度高等優(yōu)點(diǎn)[8]。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接。DHT11與CC2530的引腳連接如圖5所示，圖中VCC接電源，GND接地，數(shù)據(jù)引腳DATA接CC2530芯片的P0_7引腳來(lái)獲取環(huán)境中的溫濕度數(shù)據(jù)。

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

WSN中的傳感節(jié)點(diǎn)由數(shù)據(jù)采集模塊、信號(hào)處理模塊、無(wú)線射頻模塊和電源模塊4部分組成。其中數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)信息的采集和數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換；信號(hào)處理模塊，負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)的操作，存儲(chǔ)和處理本身采集的數(shù)據(jù)以及其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)；無(wú)線射頻模塊，負(fù)責(zé)與其他傳感節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信，收發(fā)采集的數(shù)據(jù)[6]；電源模塊，為傳感節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的能量，通常采用微型電池。WSN中傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

在本系統(tǒng)中，所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中的信號(hào)處理模塊和無(wú)線射頻模塊采用CC2530片上系統(tǒng)（System-on-chip，SoC），所謂片上系統(tǒng)一般是指在單個(gè)芯片上集成一個(gè)完整的系統(tǒng)，一般包括中央處理器（CPU）、存儲(chǔ)器以及外圍電路等。CC2530是用于IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8-KBRAM和許多其他強(qiáng)大的功能。CC2530有4種不同的閃存版本：CC2530F32/64/128/256，分別具有32/64/128/256KB的閃存[7]。CC2530具有不同的運(yùn)行模式，運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間短進(jìn)一步確保了低能源消耗，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。

另外需要說(shuō)明的是，考慮到網(wǎng)絡(luò)中的終端設(shè)備需要驅(qū)動(dòng)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，因此本系統(tǒng)中的終端設(shè)備設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化圖如圖3所示。其中，數(shù)據(jù)采集模塊的傳感器采用溫濕度傳感器DHT11，實(shí)物圖如圖4所示。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)endprint

本系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間通信采用ZigBee技術(shù)，因此軟件應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)是在TIZigBee協(xié)議棧（簡(jiǎn)寫(xiě)TIZ-Stack）基礎(chǔ)上進(jìn)行編寫(xiě)，采用的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境是IAR8.10。由于Z-Stack己經(jīng)編寫(xiě)了從MAC層（macEventloop）到ZigBee設(shè)備應(yīng)用層（ZDApp_event_loop）這5層任務(wù)的事件處理函數(shù)，因此，筆者主要編寫(xiě)了協(xié)調(diào)器應(yīng)用層和終端設(shè)備應(yīng)用層的任務(wù)及事件處理函數(shù)。根據(jù)前文1ZigBee技術(shù)中對(duì)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的3種設(shè)備角色的功能，再結(jié)合本系統(tǒng)中ZigBee網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的功能需求，對(duì)協(xié)調(diào)器和終端設(shè)備的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖6—7所示，路由器主要路由轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)調(diào)器和終端設(shè)備的數(shù)據(jù)，此處暫不對(duì)路由器進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。

協(xié)調(diào)器和終端而設(shè)備上電后，首先對(duì)系統(tǒng)初始化，主要初始化硬件平臺(tái)和軟件架構(gòu)所需要的各個(gè)模塊，然后執(zhí)行操作系統(tǒng)入口程序〇sal_start_system（）。其中協(xié)調(diào)器開(kāi)始廣播Beacon信標(biāo)幀，組建一個(gè)WPAN并允許新節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，對(duì)申請(qǐng)入網(wǎng)成功的新節(jié)點(diǎn)分配16位的網(wǎng)絡(luò)短地址作為網(wǎng)絡(luò)中唯一的身份標(biāo)識(shí)。協(xié)調(diào)器通過(guò)SamPleAPP_MessageMSGCB（）函數(shù)捕獲空氣中的信號(hào)，若信號(hào)是溫濕度數(shù)據(jù)則通過(guò)串口上傳給上位機(jī)。若又有新節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)，則依舊處理入網(wǎng)請(qǐng)求[9]。

圖7中終端設(shè)備在入網(wǎng)成功后，調(diào)用數(shù)據(jù)采集函數(shù)來(lái)驅(qū)動(dòng)溫濕度傳感器DHT11進(jìn)行溫濕度數(shù)據(jù)采集，然后調(diào)用無(wú)線發(fā)送函數(shù)AF_DataRequest（）將采集的數(shù)據(jù)形成數(shù)據(jù)包，再利用CC2530無(wú)線射頻模塊的發(fā)送器發(fā)送到空氣中，發(fā)送地址模式分為單播、廣播和組播3種模式。其中AF+DataRequest（）的函數(shù)原型為：

afStatus_tAF_DataRequest（afAddrType_t*dstAddr，

endPointDesct*srcEP，

uintl6cID，

uintl6len，

uint8*buf，

uint8*transID？

2.3 上位機(jī)監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)

上位機(jī)監(jiān)測(cè)平臺(tái)負(fù)責(zé)接收、顯示和存儲(chǔ)協(xié)調(diào)器發(fā)過(guò)來(lái)的溫度、濕度無(wú)線傳感器數(shù)據(jù)。在該平臺(tái)中，需要具有以下功能。

功能1：可對(duì)通信串口的端口、波特率、數(shù)據(jù)位、停止位、校驗(yàn)位進(jìn)行設(shè)置；功能2：可以打開(kāi)和關(guān)閉己經(jīng)存在的串口；功能3：可以接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，接收到的數(shù)據(jù)在接收文本框中可以顯示；功能4：發(fā)送和接收的字符可顯示為十六進(jìn)制數(shù)；功能5：對(duì)接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷處理，并可以判斷出接收的數(shù)據(jù)是否為溫度或濕度數(shù)據(jù)；功能6：顯示相應(yīng)的溫度或濕度。

上位機(jī)監(jiān)測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)如圖8所示。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 ZigBee無(wú)線傳輸硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

ZlgBee無(wú)線傳輸硬件平臺(tái)的搭建實(shí)物圖如圖9所示，協(xié)調(diào)器和終端設(shè)備（由于實(shí)驗(yàn)距離短，此處不考慮使用路由器）組成了ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)，協(xié)調(diào)器由于無(wú)RS232串口，故使用USB轉(zhuǎn)COM線連接上位機(jī)（注意需要安裝USB轉(zhuǎn)COM驅(qū)動(dòng)，否則串口無(wú)法識(shí)別相應(yīng)的COM口）。終端設(shè)備使用電源供電，每個(gè)終端設(shè)備上連接有DHT11溫濕度傳感器。此系統(tǒng)具有體積小和功耗低的特點(diǎn)。

3.2 上位機(jī)監(jiān)測(cè)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)

在高級(jí)語(yǔ)言開(kāi)發(fā)環(huán)境VS2010來(lái)開(kāi)發(fā)的上位機(jī)監(jiān)測(cè)平臺(tái)軟件一溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖10所示。在該系統(tǒng)中，首先設(shè)置端口號(hào)、波特率、數(shù)據(jù)位，停止位和校驗(yàn)位相關(guān)串口參數(shù)，然后打開(kāi)串口，串口成功打開(kāi)后即可接收數(shù)據(jù)了。協(xié)調(diào)器接收到的溫度或濕度數(shù)據(jù)通過(guò)串口上傳到上位機(jī)，并用兩條不同的曲線實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。本軟件也可以查看到最新的溫度和濕度數(shù)據(jù)，其中濕度為相對(duì)濕度值，用百分比表示。

4 結(jié)語(yǔ)

基于傳統(tǒng)有線傳感網(wǎng)的局限性，本文提出了基于ZigBee技術(shù)的溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，本系統(tǒng)無(wú)線傳感網(wǎng)中各節(jié)點(diǎn)采用Chipcon公司生產(chǎn)的CC2530芯片，該芯片集成了ZigBee射頻前端、內(nèi)存、微控制器等，ZigBee終端節(jié)點(diǎn)利用DHT11進(jìn)行溫濕度采集，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)在ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中傳輸。

開(kāi)發(fā)的上位機(jī)監(jiān)測(cè)平臺(tái)，通過(guò)串口與協(xié)調(diào)器連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示和存儲(chǔ)功能，使溫濕度數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)可視化。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)組網(wǎng)速度快、節(jié)點(diǎn)靈活、顯示清晰。

該系統(tǒng)具有低成本、低功耗，布線簡(jiǎn)單、可視化等優(yōu)點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于企業(yè)生產(chǎn)、倉(cāng)庫(kù)存儲(chǔ)、溫室大棚，家居生活

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