基于ZigBee的實驗室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

范啟富，邱力軍，劉 歡

（西京學院，陜西 西安 710123）

基于ZigBee的實驗室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

范啟富，邱力軍，劉 歡

（西京學院，陜西 西安 710123）

社會在快速發(fā)展，人們的安全意識也在不斷提高，在這個智能化應(yīng)用越來越廣泛的時代，人們對安全舒適的生產(chǎn)環(huán)境提出了越來越高的要求。因此，對生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)進行監(jiān)測是十分重要的。文章設(shè)計的中小企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，可實現(xiàn)對生產(chǎn)環(huán)境中的溫濕度和幾種有毒有害氣體濃度的實時采集。文章主要由硬件設(shè)計、軟件設(shè)計和系統(tǒng)的測試與調(diào)試3大部分組成。硬件電路設(shè)計包括ZigBee終端節(jié)點電路設(shè)計、CC2530主控制電路設(shè)計、電源電路設(shè)計。軟件設(shè)計包括數(shù)據(jù)采集節(jié)點程序設(shè)計、協(xié)調(diào)器節(jié)點程序設(shè)計、上位機界面設(shè)計、手機終端設(shè)計。系統(tǒng)的測試與調(diào)試包括ZigBee模塊的參數(shù)測量、ZigBee組網(wǎng)測試、系統(tǒng)程序調(diào)試等。

ZigBee；環(huán)境監(jiān)測；實時采集

1 中小企業(yè)存在的問題

隨著社會的發(fā)展，科技的進步，我國中小型企業(yè)越來越多。但是，大多數(shù)中小型企業(yè)都存在很多現(xiàn)實問題。例如，幾乎所有的中小型企業(yè)的工作場所都是租賃來的，辦公室以及生產(chǎn)車間的設(shè)置，還有室內(nèi)設(shè)備都不是很合理，生產(chǎn)車間的有害氣體任其飄散，對員工的身心造成了一定的傷害。倉庫以及辦公室的溫濕度無法控制，容易造成設(shè)備的生銹或者損壞。再加上中小型企業(yè)員工主要以雇傭為主，人員流動性大、員工思想散漫、工作不積極、沒有集體榮譽感，公司的設(shè)計、管理以及生產(chǎn)環(huán)境沒有形成規(guī)模。所以，提高中小企業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境，給員工營造一個良好的工作環(huán)境是所有中小企業(yè)都應(yīng)該考慮并解決的重要任務(wù)之一，為了達到上述目的，本課題將研究一個基于ZigBee的中小企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1 ZigBee組網(wǎng)類型

ZigBee技術(shù)是一種建立在IEEE802.15.4標準之上的近距離、低功耗、低速率、低成本的雙向無線技術(shù)。它主要應(yīng)用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有中期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)有星形、簇狀型和網(wǎng)狀型，根據(jù)該系統(tǒng)的設(shè)計要求以及預期結(jié)果，我們選擇了網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)可以通過多跳級的方式來通信，網(wǎng)絡(luò)還具備自組織，自愈功能，網(wǎng)狀型拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 ZigBee總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

本課題是研究一種基于ZigBee的適用于中小企業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，需要實現(xiàn)對生產(chǎn)環(huán)境的實時監(jiān)測以及預警提示的功能，為了達到此目標，本系統(tǒng)需要對傳感器進行選型，ZigBee數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計，ZigBee協(xié)調(diào)器設(shè)計，上位機設(shè)計、手機終端設(shè)計以及相對應(yīng)的硬件程序設(shè)計。

本選題旨在已有的ZigBee技術(shù)和環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，預期設(shè)計出一個基于ZigBee的中小型企業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，最終實現(xiàn)對生產(chǎn)環(huán)境的實時監(jiān)測以及預警提示的功能。系統(tǒng)整體框架如圖2所示。

圖1 網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

圖2 生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)整體

3 硬件電路設(shè)計

本系統(tǒng)選用的主控制芯片是CC2530，CC2530是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4，ZigBee和RF4CE應(yīng)用的一個真正的片上系統(tǒng)解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。CC2530 結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標準的增強型8051CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8-KB RAM和許多其他強大的功能。CC2530 具有不同的運行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。運行模式之間的轉(zhuǎn)換時間短進一步確保了低能源消耗。主控制芯片電路如圖3所示。

圖3 主控制芯片電路

溫度傳感器使用DS18b20，DS18b20具有體積小、抗干擾能力強和精度高等特點。煙霧濃度傳感器與CO濃度傳感器分別為MQ-2和MQ-7，MQ-2穩(wěn)定性高，發(fā)現(xiàn)火情時響應(yīng)時間短，工作性能表現(xiàn)良好。MQ-7對一氧化碳具有很高的靈敏度，使用壽命長，定性可靠等優(yōu)點，MQ系列傳感器的電路硬件圖設(shè)計都是相同的，如圖4所示。

圖4 MQ傳感器電路原理

4 軟件設(shè)計

4.1 數(shù)據(jù)采集節(jié)點程序設(shè)計

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器節(jié)點上電啟動后負責建立網(wǎng)絡(luò)，并開啟允許綁定功能；數(shù)據(jù)采集節(jié)點上電啟動后加入網(wǎng)絡(luò)，并自動發(fā)起綁定請求，待協(xié)調(diào)器節(jié)點建立綁定后，將采集到的溫度、CO濃度、煙霧濃度值周期性地發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點。數(shù)據(jù)采集模塊部分程序如圖5所示。

4.2 上位機界面設(shè)計

該界面在Microsoft Visual C++6.0環(huán)境下使用C++語言編寫設(shè)計的，整個界面包括溫度計、濕度數(shù)據(jù)顯示框、氣體顯示圖標燈泡圖標還有溫濕度變化折線圖，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)在計算機上的實時顯示。上位機界面圖及某時刻實驗數(shù)據(jù)如圖6所示。

5 結(jié)語

經(jīng)過多次試驗以及系統(tǒng)測試表明，該系統(tǒng)以低功耗、低成本、低復雜度、低傳輸速率的特點實現(xiàn)實驗室環(huán)境實時監(jiān)測以及預警提示功能，并且適用于任何室內(nèi)環(huán)境，不但保證了室內(nèi)環(huán)境的安全性，還為實驗工作人員營造了一個舒適的實驗環(huán)境，具有一定的實用性。

圖5 數(shù)據(jù)采集模塊程序

圖6 上位機界面

[1]王立鑫.論環(huán)境監(jiān)測對于環(huán)境質(zhì)量評價的重要意義[J].資源節(jié)約與環(huán)保，2013（6）：68-96.

[2]楊晨曦.全球環(huán)境治理的結(jié)構(gòu)與過程研究[D].長春：吉林大學，2013.

[3]錢衛(wèi)星.基于ZigBee技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)智能家居構(gòu)建[J].電子工程師，2008（12）：72-74.

Design of environment monitoring system for laboratory based on ZigBee

Fan Qifu, Qiu Lijun, Liu Huan
（Xijing University, Xi’an 710123, China）

With the rapid development of society, people’s security awareness is also improving, in this era of intelligent applications booming, higher requirements on production of safe and comfortable environment has been put forward. Therefore, to monitor the quality of production data is very important.The production environment monitoring system of small and medium-sized enterprises designed in this paper can realize the real-time collection of temperature, humidity and the concentration of several poisonous and harmful gases in the production environment.The article mainly consists of 3 parts：hardware design, software design and system testing and debugging. Hardware circuit design includes circuit design of ZigBee terminal node, CC2530 main control circuit design, power circuit design. Software design includes data acquisition node programming design, coordinator node programming design, host computer interface design, cellphone terminal design. System testing and debugging includes the ZigBee module parameter measurement, ZigBee network testing, system program debugging, etc.

ZigBee; environmental monitoring; real-time collection

范啟富（1990— ），男，陜西西安，碩士研究生；研究方向：信息監(jiān)測與處理。