基于ZigBee技術的溫濕度數據采集系統設計

鄧 然，朱 勇，詹 念，張 猛，代家為

(黑龍江大學 電子工程學院，黑龍江 哈爾濱 150080)

基于ZigBee技術的溫濕度數據采集系統設計

鄧 然，朱 勇，詹 念，張 猛，代家為

(黑龍江大學 電子工程學院，黑龍江 哈爾濱 150080)

基于ZigBee技術的低功耗、低復雜度及傳輸安全等特點，運用軟件和硬件相結合的方式，提出了一種基于ZigBee技術的溫濕度數據采集系統設計方法。應用ZigBee技術通過溫濕度傳感器對溫濕度數據進行采集并傳輸給無線系統核心模塊，最后顯示在PC機上。測試結果表明，基于ZigBee技術的溫濕度數據采集系統功耗更低、穩定性更高，可以廣泛應用于農業、軍事及醫療等領域。

無線傳感網絡；ZigBee技術；溫濕度采集；穩定性

0 引言

隨著社會不斷的進步與發展，不僅在現實生活中人們需要通過先進的技術來隨時隨地、更快捷、更穩定地獲取信息，工業、醫療及軍事等領域也不斷地引入先進技術來提高工作效率、降低作業難度。現代通信技術已經在各個領域極為廣泛地應用[1]，傳統網絡本身存在很多的局限性，導致許多特殊環境下的網絡覆蓋和網絡支持仍然是個難題[2]，而運用無線通信技術則能夠快速有效地解決這些難題。但監控現場仍采用有線的連接方式實現傳感器與數據采集模塊的通信[3]，這種連接方式大大增加了施工難度，造成了設備移動性差、維護困難及組網復雜等問題，其缺點顯而易見，甚至在某些場合難以實現。在這種情況下，無線傳輸得到了顯著發展。目前用于無線傳感器網絡的網絡協議主要有無線局域網(Wireless Fidelity，WiFi)、超寬帶通信(Ultra WideBand，UWB)、藍牙(Bluetooth)、紅外線數據通信(Infrared Data Association，IrDA)及ZigBee技術等[4]。包含 IEEE802.15.4標準[5]的ZigBee技術具有低復雜度、低功耗和低成本等特點，主要適合于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備中，并支持地理定位等功能[6]。

1 系統硬件設計

本文研究的系統主要用于溫濕度的采集、傳輸和顯示，系統包括終端節點、協調器節點以及上位機。系統的硬件設計主要包括終端節點和協調器節點2部分，該系統的核心處理器選用的是CC2530，溫濕度傳感器選用的是DHT11。

1.1 ZigBee網絡系統的整體設計

系統硬件結構由終端節點、協調器節點和上位機構成，終端節點負責采集數據，通過連接將數據逐級傳遞直至上位機。終端節點隨機分布在所要監測的區域進行自動組網，周期性地對溫濕度數據進行實時采集，并將采集到的數據傳輸給協調器節點。協調器的主要功能是建立并維護ZigBee網絡，傳遞上位機命令給傳感器節點以及返回采集的數據給上位機[7]。協調器節點通過串口將溫濕度數據傳遞給上位機，上位機對數據進行處理后，顯示到應用界面，系統整體結構圖如圖1所示。

圖1 系統整體結構圖

1.2 ZigBee節點硬件設計

硬件節點的設計選用CC2530作為核心處理器，CC2530是TI公司在2.4 GHz頻段推出的第2代支持IEEE 802.15.4/ZigBee協議的片上系統(System on a Chip，SoC)芯片。其內部集成了高性能射頻(Radio Frequency，RF)收發器、工業標準增強型8051 MCU內核、256 KB Flash ROM(Read．Only Memory)和8 KB RAM(Random Access Memory)[8]。該芯片不僅提供了JTAG接口用于程序的下載與調試，還包含了大量的I/O接口，RS232串口和USB接口方便上位機讀取串口數據，主要負責傳感器數據采集、數據簡單處理、數據無線傳輸以及繼電器控制等功能[9]。該芯片同時具有低功耗、能建立強大的網絡節點等優勢[10]。該系統中的節點使用CC2530-EB核心板，該核心板主要包括CC2530單片機、天線接口和晶振等；溫濕度傳感器采用DHT11；無線傳感器由3個模塊構成，分別是傳感模塊、處理模塊和通信模塊，節點模型如圖2所示。

終端節點和協調器節點均包含電源模塊和調試電路模塊，除此之外，終端節點還包含溫濕度傳感器DHT11，結構如圖1所示。溫濕度傳感器DHT11具有校準功能，用于數據的采集，電源模塊有4種供電模式，均可以為節點提供3.3 V電源，調試電路采用的是JTAG協議，用于芯片內部測試。

2 系統軟件設計

由于實現功能不同，系統軟件設計被劃分為3個模塊：終端節點數據采集模塊、協調器數據管理模塊和串口通信模塊。系統軟件設計的開發平臺選用業界領先的嵌入式系統開發軟件IAR。選用全球領先的TI 公司研發的Z-Stack作為協議棧。Z-stack協議棧由7層構成，分別是物理層、協議棧網絡層、控制層、協議棧網絡層安全服務規范層、設備對象、應用支持子層以及協議棧應用層，各層之間通過相互提供的接口進行通信[11]。終端節點程序模塊和協調器節點程序模塊組成了下位機程序設計，它們是根據功能的不同進行劃分的。協調器以及普通節點之間的網絡建立主要利用Z-stack協議棧內部提供的路由協議來完成，協調器與上位機的串口通信則可以調用Z-stack提供的API。

2.1 DHT11溫濕度采集

DHT11采用單線雙向的串行接口，一次通信時間4 ms左右。數據格式包括5個8位數據，從高位到低位依次是：濕度數據、溫度數據、校驗數據、濕度數據和溫度數據，都是由8位整數數據和8位小數數據組成的，校驗數據由1個8位數據組成。單片機CC2530轉換成低電平即發送一次開始信號，此低電平延時必須大于18 ms，然后主機由低電平變成高電平，持續30 s左右的時間，即主機發送的開始信號。當DHT11檢測到這個信號后，就會從初始的低功耗模式轉換成高速模式，發送數據并進行一次信號采集的觸發。數據采集完成后，DHT11就會自動轉換成低功耗模式，等待主機再次觸發。如果DHT11沒有檢測到主機發送的開始信號，就會保持低功耗模式。

2.2 節點程序設計

在ZigBee通信棧協議中，能夠組成的網絡拓撲結構有星狀網、樹狀網和網狀網[12]。在本文無線通信網絡設計中，采用星形拓撲結構，在該結構中，一個功能強大的全功能器件作為網絡協調者位于網絡的中心[13]，協調器節點是整個傳感器網絡的樞紐，在建立和管理網絡的同時又可以和終端節點進行數據交互。終端節點主要任務就是數據采集，并將采集的數據傳遞給協調器節點。

ZigBee網絡實現的大致步驟為：協調器開始建立網絡，建立成功后，終端節點發現網絡并發送申請加入網絡的請求，協調器響應該請求，最后節點間開始進行數據通信。這里主要介紹終端節點和協調器節點，2類節點的軟件設計如下。

2.2.1 協調器節點程序設計

協調器起到網絡樞紐的作用，負責給加入的節點分配地址，并協調各節點相互之間的聯系。協調器部分主要進行無線射頻通信及串口通信程序設計。協調器上電之后，首先對軟硬件進行初始化，然后開始建立ZigBee網絡，隨后主程序進入查詢進程列表狀態，等待事件的發生。事件包括串口事件和無線事件，串口事件是上位機發來的消息，無線事件是終端節點或者協調器發來的消息，如加入網絡或者發送溫濕度數據等。協調器的流程圖如圖3所示。

2.2.2 終端節點程序設計

該設計中，終端節點的作用主要是進行數據的采集和傳輸。在監測環境中可能會存在很多的ZigBee終端節點，這些節點采集環境中的溫濕度數據，并傳遞給匯聚節點，匯聚節點再將數據發送給上位機進行處理。

設備上電后，首先對軟硬件進行初始化，如果收到加入網絡的通知，則加入網絡并接受協調器分配的網絡地址；反之，則向協調器發送入網請求，申請通過后，入網進入調度策略，查詢進程列表中的進程，進入相關進程。再判斷查詢器是否到期，如果到期了，發送數據即可；如果沒到期則繼續查詢。流程圖如圖4所示。

圖4 終端節點流程圖

3 系統性能分析與測試

在測試之前要排除硬件的各種問題，比如接觸不良、短路或電源不穩定等，然后開始上電調試。在測試中，網絡拓撲類型選擇星型網絡，2個終端節點采用3節1.5 V電池供電，協調器采用USB供電，并通過串口與計算機連接。把終端節點的電源模式設定為完全功能模式，協調器沒有休眠模式，因此不用設置。盡管基于ZigBee協議的傳感器網絡是比較穩定的，但該系統也會受到雷電、障礙物及電源污染等影響，所以選擇空曠場地進行測試，測試現場的溫度為25℃，相對濕度大約為38%，連續觀察，測得數據結果如圖5所示。

圖5 溫濕度數據采集折線圖

實驗數據表明，協調器節點能夠實時地接收到終端節點發送的數據，并且通過和實際溫度對比，可以看出，采集到的數據基本準確，證明了系統的準確性。隨著實驗的逐漸深入，發現如下現象：

① 在65 m的距離內，實驗數據基本吻合，并且不存在丟包的現象，整個系統運行穩定；② 在超出65 m的距離后，溫度的實驗數據和實際數據存在±1℃的誤差，濕度的實驗數據和實際數據存在±1%的誤差，并且會伴隨丟包現象的發生。隨著距離的不斷增加，丟包率不斷增大，因此丟包率和距離成正比。

4 結束語

簡要介紹了基于ZigBee技術的數據采集系統的基本原理、硬件設計和軟件設計，并對其準確性和穩定性進行了測試和分析。

此次研究中，將ZigBee協議應用到了溫濕度的數據采集和傳輸，并且得到了較理想的實驗結果，目前，ZigBee被認為是最適合傳感器網絡接入端的短距離無線通信技術[14]。這項技術不僅解決了農業、工業、軍事以及醫學上一些作業難題，還極大地提高了應用系統的可靠性、實時性，降低了系統開發成本，并且大大提高了各行各業的生產工作效率和自動化程度。下一步研究可以在組網中加入路由器節點以增大測量范圍，進行更充分的實驗，得到更準確的結論。

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Design of Temperature and Humidity Data Acquisition System Based on ZigBee Technology

DENG Ran，ZHU Yong，ZHAN Nian，ZHANG Meng，DAI Jia-wei

(School of Electronic Engineering，Heilongjiang University，Harbin Heilongjiang 150080，China)

Based on the low power consumption，low complexity and transmission security of ZigBee technology，a design method of temperature and humidity data acquisition system based on ZigBee technology is proposed by combining software and hardware.The temperature and humidity data are collected and transmitted to the core module of the wireless system by ZigBee technology，and finally displayed on PC.The test results show that the temperature and humidity data acquisition system based on ZigBee technology has lower power consumption and higher stability，and can be widely used in agriculture，military and medical fields.

wireless sensor network；temperature and humidity sampling；ZigBee；stability

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.03.20

鄧 然,朱 勇,詹 念,等.基于ZigBee技術的溫濕度數據采集系統設計[J].無線電通信技術，2017，43(3):81-84.

[DENG Ran，ZHU Yong，ZHAN Nian,et al.Design of Temperature and Humidity Data Acquisition System Based on ZigBee Technology[J].Radio Communications Technology，2017，43(3)：81-84.]

2016-12-01

鄧 然(1991—)，女，碩士研究生，主要研究方向：通信與信息處理。朱 勇(1974—)，男，教授，主要研究方向：通信與信息處理。

TN911.7

A

1003-3114(2017)03-81-4