基于ZigBee的無線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)設計

袁思捷 鄒云峰

摘 要：本設計利用ZigBee協(xié)議構建一個無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)。傳感器節(jié)點采集各位置的溫濕度數(shù)值，通過ZigBee協(xié)議經(jīng)無線網(wǎng)絡傳輸?shù)缴衔粰C，上位機可以實時顯示各傳感器節(jié)點的溫濕度值，并根據(jù)各監(jiān)控點不同的溫濕度要求設置不同的溫濕度報警值。

關鍵詞：ZigBee 無線溫度監(jiān)控 系統(tǒng)設計

中圖分類號：TP274.4 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）02（a）-0022-02

隨著計算機技術、信息技術以及無線移動通信技術的迅速發(fā)展，各種新的無線網(wǎng)絡通信技術不斷涌現(xiàn)，如2G、3G、4G等移動通信技術以及Bluetooth、Z-wave、WiFi、RFID、ZigBee等無線短距離通信技術，它們越來越被人們所熟悉和應用。然而，這些無線通信技術的設備系統(tǒng)復雜度不同，功耗差異較大、成本差異較大，它們有各自的使用領域。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、智能家居等領域ZigBee是最好的選擇。其中ZigBee作為一種低復雜度、低功耗、低成本的低速率無線連接技術越來越被人們所重視，應用ZigBee技術的無線設備已成為業(yè)界的一個熱點。本文設計一種基于ZigBee的溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)，利用CC2530通信模塊組建無線個域網(wǎng)絡，并實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的傳輸與保存。

1 基于ZigBee的無線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)方案設計

無線網(wǎng)絡有多種，比如藍牙、WiFi。但是用藍牙或WiFi用于溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)中傳輸數(shù)據(jù)缺點非常明顯，若用藍牙4.0組網(wǎng)節(jié)點數(shù)非常有限不能超過15個節(jié)點，沒有網(wǎng)絡自愈功能。若用WiFi組網(wǎng)能力差、功耗高、安全性低。本設計用ZigBee構建樹形拓撲結構無線個域網(wǎng)，其優(yōu)勢在于功耗低，自組網(wǎng)能力強，抗干擾能力比藍牙強。ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點硬件的核心是微處理器。微處理器模塊在無線收發(fā)模塊的協(xié)作下完成ZigBee網(wǎng)絡的建立與維護，數(shù)據(jù)采集與處理。本設計采用TI公司的最新的CC2530f256芯片，它集微處理器模塊和無線收發(fā)模塊于一體。系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

2 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件部分

系統(tǒng)由協(xié)調(diào)器、路由器、終端和上位機組成。其中協(xié)調(diào)器由無線收發(fā)模塊CC2530、電源、CH340轉換電路組成。其作用是建立無線個域網(wǎng)，匯聚終端收集的溫濕度數(shù)據(jù)，通過CH340轉換電路與上位機進行串口通信。路由器由無線收發(fā)模塊CC2530、電源組成，其作用是為數(shù)據(jù)傳輸提供多跳，提高數(shù)據(jù)的傳輸距離。終端由無線收發(fā)模塊CC2530、電源、DHT11溫濕度傳感器組成，負責數(shù)據(jù)的采集。上位機實時顯示來自串口的數(shù)據(jù)和監(jiān)控節(jié)點的運行情況。

3 軟件部分

首先初始化整個系統(tǒng)，啟動協(xié)調(diào)器建立一個個域網(wǎng)，然后路由節(jié)點和傳感器節(jié)點尋找并加入網(wǎng)絡，協(xié)調(diào)器即可與終端節(jié)點進行綁定。綁定完成后傳感器節(jié)點即可采集數(shù)據(jù)并發(fā)送數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)器節(jié)點負責接收數(shù)據(jù)，并通過CH340傳至PC顯示。

協(xié)調(diào)器是整個個域網(wǎng)的核心，協(xié)調(diào)器負責創(chuàng)建和維護整個網(wǎng)絡，為每個加入網(wǎng)絡的設備分配一個網(wǎng)絡地址。協(xié)調(diào)器啟動時其網(wǎng)絡地址自動設置為0×0000，所以路由和終端要跟協(xié)調(diào)器通信時設置其目標地址為0×0000即可。

路由器的編程較協(xié)調(diào)器和終端的編程簡單，設置啟動類型后負責轉發(fā)協(xié)調(diào)器與終端的數(shù)據(jù)只起中繼的作用。當然路由的PANID和選擇的信道必須與協(xié)調(diào)器保持一致這樣才能加入網(wǎng)絡進行通信。主要程序如下。

uint16 GenericApp_ProcessEvent（ uint8 task_id， uint16 events ）//事件處理函數(shù)，當路由器成功加入網(wǎng)絡后調(diào)用aps_AddGroup（）函數(shù)加到組中。

終端負責采集溫濕度發(fā)送給路由或協(xié)調(diào)器。因此終端節(jié)點的軟件設計除了本身的終端節(jié)點的功能外還要設計溫濕度采集部分。其信道選擇需跟協(xié)調(diào)器保持一致否則無法進行通信。

在PC端用VB6.0編寫兩個上位機程序，一個是服務器上位機程序，另一個是客戶端上位機程序，兩程序可以在局域網(wǎng)內(nèi)通過IP地址進行通信。服務器上位機讀取來自串口的數(shù)據(jù)實時顯示在文本框中并保存起來供過后查看?？蛻舳伺c服務器連接成功后接收來自服務器的數(shù)據(jù)并實時顯示出來，與服務器一樣有數(shù)據(jù)保存功能。

4 測試結果

打開上位機程序后選擇合適的串口與波特率后打開串口此時我只用了3個終端節(jié)點。打開串口后設置報警值實時畫面如圖2所示，報警時指示燈為紅色正常時指示燈為綠色。在客戶端輸入服務器的IP地址連接成功后能接受來自服務器的數(shù)據(jù)。目前服務器跟客戶端只能在局域網(wǎng)內(nèi)通信，后期筆者會改進服務器與客戶端實現(xiàn)兩者在以太網(wǎng)進行通信，這樣可以大大提高監(jiān)控距離。

5 結語

本文介紹了基于ZigBee無線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)的設計過程，系統(tǒng)分軟件和硬件部分。本設計是以ZigBee無線通信為基礎結合局域網(wǎng)通信實現(xiàn)遠程監(jiān)控。同時ZigBee組網(wǎng)方便，網(wǎng)絡容量大可以滿足工農(nóng)業(yè)多點監(jiān)控的需求有廣泛的應用前景。在設計時也考慮了使用的便捷性，充分體現(xiàn)在上位機的友好界面上。當然本設計也存在缺陷不能連接互聯(lián)網(wǎng)，數(shù)據(jù)保存容量有限，這些以后都會進行研究和改善。

參考文獻

[1] 王小強.ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡設計與實現(xiàn)[M].北京：化學工業(yè)出版社，2012.

[2] 廉小親，楊曉玲，張曉力，等.空調(diào)遠程控制系統(tǒng)終端控制器的低功耗設計[J].自動化與儀器表，2012，27（10）：57-60.

[3] 周游，方濱，王普.基于ZigBee技術的智能家居無線網(wǎng)絡系統(tǒng)[J].電子技術應用，2005，31（9）：37-40.

[4] 蔣挺，趙成林.紫峰技術及應用[M].北京：北京郵電大學出版社，2006.

[5] 李新.基于CC2530的ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點設計[J].可編程控制器與工廠自動化，2011（3）：97-98.

[6] 高輝.ZigBee技術在智能公交調(diào)度系統(tǒng)上的應用研究[D].長安大學，2008.

[7] 孫靜林，徐鋒，趙明忠.基于ZigBee技術的溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代電子技術，2011，34（21）：163-164.

[8] 蔣泰，蔣莉.基于ZigBee技術的低成本無線數(shù)傳系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].廣西大學學報：自然科學版，2005，30（4）：332-336.