基于zigbee智能無線溫濕度采集系統(tǒng)設(shè)計

詹曉蕓，朱娟（通訊作者）

（湖北文理學(xué)院，湖北襄陽，441053）

0 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)時代的到來，傳統(tǒng)數(shù)字設(shè)備的有線連接已經(jīng)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(wǎng)絡(luò)是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的關(guān)鍵，多個無線傳感器可以對各種參數(shù)進行實時監(jiān)測、感知，以便采集各種信息和解決各類復(fù)雜細小的問題。zigbee技術(shù)是近距離無線傳感網(wǎng)絡(luò)采用的主流技術(shù)，目前，zigbee技術(shù)已經(jīng)開始應(yīng)用在智能農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、工業(yè)生產(chǎn)等各方面，均構(gòu)建了可靠、穩(wěn)定的無線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集處理解決方案，實現(xiàn)了各個領(lǐng)域的智能化、精準化、數(shù)字化監(jiān)控，為人們的生活帶來了極大便利。

1 系統(tǒng)總體構(gòu)成

本系統(tǒng)主要分為溫濕度數(shù)據(jù)采集和遠程數(shù)據(jù)傳輸兩部分。如圖1所示，zigbee無線網(wǎng)絡(luò)的第一部分主要由協(xié)調(diào)器和傳感器構(gòu)成的終端設(shè)備組成。在數(shù)據(jù)采集過程中，終端設(shè)備不斷從環(huán)境中采集溫濕度，并將結(jié)果發(fā)送到協(xié)調(diào)器。同時，協(xié)調(diào)器將全方位處理接收到的數(shù)據(jù)并將其以數(shù)據(jù)包的形式傳輸至STM32單片機中。單片機將使用預(yù)先設(shè)計的算法處理、保存、顯示數(shù)據(jù)，以提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)遠程傳輸?shù)男屎桶踩浴Ｃ看蜧PRS模塊從STM32接收數(shù)據(jù)包時，都會將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫中。數(shù)據(jù)管理中心進行維護，通過這種方式，用戶可以輕松訪問數(shù)據(jù)管理平臺以獲取有關(guān)當時環(huán)境溫度和濕度的實時信息。

圖1 溫濕度采集系統(tǒng)的整體框架圖

■1.1 zigbee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器

所謂協(xié)調(diào)器，就是網(wǎng)絡(luò)組織的管理者。對于一般的應(yīng)用模型，一旦形成了zigbee網(wǎng)絡(luò)，其主要功能是根據(jù)掃描選擇合適的參數(shù)來建立網(wǎng)絡(luò)，每個zigbee網(wǎng)絡(luò)僅允許一個協(xié)調(diào)器在此網(wǎng)絡(luò)中找一條通道，隨后建立一個網(wǎng)絡(luò)信號以便于啟動網(wǎng)絡(luò)[1]。由于整個網(wǎng)絡(luò)的起點是協(xié)調(diào)器，負責(zé)維護整個網(wǎng)絡(luò)，并且還可以間接地址表，以及設(shè)計安全中心并執(zhí)行其他操作以維持與網(wǎng)絡(luò)其他成員的通信。如圖2所示，本系統(tǒng)以STM32為中心，電源給系統(tǒng)供電后，若想從OLED顯示屏上進行某些操作時，STM32會向CC2530發(fā)出相關(guān)指令，后續(xù)操作均由CC2530來控制，指令執(zhí)行完畢之后，以數(shù)據(jù)包的形式將數(shù)據(jù)發(fā)送給STM32，顯示于OLED顯示屏上。

圖2 zigbee協(xié)調(diào)器的硬件框圖

■1.2 溫濕度傳感器模塊

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準數(shù)字輸出的溫濕度復(fù)合傳感器[2]。它通過采集當前環(huán)境的溫濕度，同時將數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器以便于協(xié)調(diào)器的進一步處理。此傳感器的優(yōu)勢在于它將電阻式感濕元件和NTC測溫元件。兩器件相結(jié)合從而確保傳感器能高質(zhì)量準確運行。所以基于其優(yōu)勢的合理運用，此傳感器不僅可用于醫(yī)療、家庭自動控制也可以在軍事等領(lǐng)域發(fā)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(shù)據(jù)；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(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計分為兩部分，一部分是發(fā)射部分，另一部分是接收部分。如圖4所示，發(fā)射部分用于采集數(shù)據(jù)，接收部分用于處理傳感器經(jīng)過zigbee網(wǎng)絡(luò)傳輸過來的溫度數(shù)據(jù)（數(shù)字信號），若發(fā)送成功，接收部分會對數(shù)據(jù)進行進一步處理，若發(fā)送失敗，數(shù)據(jù)會等待下一個周期進行重發(fā)，數(shù)據(jù)經(jīng)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(fā)流程圖

■2.1 協(xié)調(diào)器工作過程及節(jié)點流程圖

如圖5所示，協(xié)調(diào)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(jié)點被設(shè)置為協(xié)調(diào)器之后，開始建立網(wǎng)絡(luò)，等待傳感器、溫度采集終端加入網(wǎng)絡(luò)后，協(xié)調(diào)器將開始處理來自終端設(shè)備發(fā)射過來的采集數(shù)據(jù)，單片機對是否接收到數(shù)據(jù)進行一次判斷，若正確接收即對數(shù)據(jù)進行處理和保存；若接受失敗，數(shù)據(jù)將會在等待四個機械周期后進行重發(fā)并等待單片機接收。在單片機對數(shù)據(jù)處理和保存之后，它會將處理過的數(shù)據(jù)發(fā)送至OLED顯示屏上，隨后進行無線傳輸直至結(jié)束。

■2.2 傳感器工作過程及節(jié)點流程圖

如圖6所示，系統(tǒng)的溫度采集傳感器節(jié)點上電啟動后，它將會主動掃描指定的網(wǎng)絡(luò)，并且向協(xié)調(diào)器發(fā)出入網(wǎng)請求和嘗試加入網(wǎng)絡(luò)，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(wǎng)絡(luò)。加入成功后，就與協(xié)調(diào)器分配的網(wǎng)絡(luò)地址進行綁定，當傳感器沒有任務(wù)時就進入休眠狀態(tài)，用以降低系統(tǒng)功耗，可以增加系統(tǒng)使用時間；當系統(tǒng)出現(xiàn)任務(wù)時，將會喚醒系統(tǒng)，傳感器節(jié)點會每隔一段時間周期性的采集數(shù)據(jù)、讀取周圍環(huán)境溫度值，并將數(shù)據(jù)打包傳給父節(jié)點[4]。如果數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)再次傳輸，直至傳輸成功進入循環(huán)。

圖5 協(xié)調(diào)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(fā)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(nèi)所有終端設(shè)備內(nèi)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(zhuǎn)換，將采集到的電壓數(shù)據(jù)（模擬數(shù)據(jù)）轉(zhuǎn)換為10進制的數(shù)據(jù)，同時將數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器；若采集不成功就等待兩個機械周期重新對數(shù)據(jù)進行采集并通過ADC轉(zhuǎn)換，在zigbee設(shè)備節(jié)點進行數(shù)據(jù)發(fā)送，需經(jīng)過zigbee終端設(shè)備檢測是否發(fā)射成功，發(fā)射成功則由zigbee協(xié)調(diào)器接受，發(fā)射不成功則由zigbee設(shè)備節(jié)點重新發(fā)送。第二部分是協(xié)調(diào)器接收到數(shù)據(jù)后對所有的數(shù)據(jù)進行整理，并通過串口將數(shù)據(jù)傳送到外接單片機STM32進行數(shù)據(jù)處理和保存，同時傳給OLED進行顯示。

圖6 傳感器節(jié)點流程圖

3 系統(tǒng)測試

本系統(tǒng)在IAR EW8051環(huán)境下完成基于zigbee2007協(xié)議棧的軟件開發(fā)，實現(xiàn)了星型組網(wǎng)下傳感器節(jié)點(左)到協(xié)調(diào)器節(jié)點(右)的無線溫度傳輸，測試過程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)測試圖

由測試結(jié)果可知，系統(tǒng)上電后傳感器節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點成功組網(wǎng)后便可以獲取 zigbee 網(wǎng)絡(luò)中的通信節(jié)點MAC地址、網(wǎng)絡(luò)域名、信號強度、鏈路質(zhì)量等信息。進一步初始化后，便可對環(huán)境的溫濕度信息進行實時采集，經(jīng)測試采集距離可達10米，溫濕度數(shù)據(jù)精度可達0.01。

4 結(jié)論

本文實現(xiàn)了基于zigbee智能無線溫濕度采集系統(tǒng)設(shè)計，運用zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、STM32嵌入式技術(shù)對室內(nèi)溫濕度進行實時監(jiān)測，具有組網(wǎng)靈活、功耗低，成本低等優(yōu)點。該系統(tǒng)經(jīng)擴展后可應(yīng)用于各種復(fù)雜溫度監(jiān)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(yīng)用價值。