基于ZigBee的實驗室環境監測系統設計

范啟富，邱力軍，劉 歡

（西京學院，陜西 西安 710123）

基于ZigBee的實驗室環境監測系統設計

范啟富，邱力軍，劉 歡

（西京學院，陜西 西安 710123）

社會在快速發展，人們的安全意識也在不斷提高，在這個智能化應用越來越廣泛的時代，人們對安全舒適的生產環境提出了越來越高的要求。因此，對生產環境數據進行監測是十分重要的。文章設計的中小企業生產環境監測系統，可實現對生產環境中的溫濕度和幾種有毒有害氣體濃度的實時采集。文章主要由硬件設計、軟件設計和系統的測試與調試3大部分組成。硬件電路設計包括ZigBee終端節點電路設計、CC2530主控制電路設計、電源電路設計。軟件設計包括數據采集節點程序設計、協調器節點程序設計、上位機界面設計、手機終端設計。系統的測試與調試包括ZigBee模塊的參數測量、ZigBee組網測試、系統程序調試等。

ZigBee；環境監測；實時采集

1 中小企業存在的問題

隨著社會的發展，科技的進步，我國中小型企業越來越多。但是，大多數中小型企業都存在很多現實問題。例如，幾乎所有的中小型企業的工作場所都是租賃來的，辦公室以及生產車間的設置，還有室內設備都不是很合理，生產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，容易造成設備的生銹或者損壞。再加上中小型企業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，公司的設計、管理以及生產環境沒有形成規模。所以，提高中小企業的生產環境，給員工營造一個良好的工作環境是所有中小企業都應該考慮并解決的重要任務之一，為了達到上述目的，本課題將研究一個基于ZigBee的中小企業生產環境監測系統設計。

2 系統總體設計

2.1 ZigBee組網類型

ZigBee技術是一種建立在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。它主要應用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數據傳輸以及典型的有中期性數據、間歇性數據和低反應時間數據傳輸的應用。ZigBee網絡拓撲結構有星形、簇狀型和網狀型，根據該系統的設計要求以及預期結果，我們選擇了網狀型網絡拓撲結構。MESH網狀網絡拓撲結構可以通過多跳級的方式來通信，網絡還具備自組織，自愈功能，網狀型拓撲結構如圖1所示。

2.2 ZigBee總體結構設計

本課題是研究一種基于ZigBee的適用于中小企業的生產環境監測系統，需要實現對生產環境的實時監測以及預警提示的功能，為了達到此目標，本系統需要對傳感器進行選型，ZigBee數據采集模塊設計，ZigBee協調器設計，上位機設計、手機終端設計以及相對應的硬件程序設計。

本選題旨在已有的ZigBee技術和環境監測系統的基礎上，預期設計出一個基于ZigBee的中小型企業生產環境監測系統，最終實現對生產環境的實時監測以及預警提示的功能。系統整體框架如圖2所示。

圖1 網狀型網絡拓撲結構

圖2 生產環境監測系統整體

3 硬件電路設計

本系統選用的主控制芯片是CC2530，CC2530是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4，ZigBee和RF4CE應用的一個真正的片上系統解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網絡節點。CC2530 結合了領先的RF收發器的優良性能，業界標準的增強型8051CPU，系統內可編程閃存，8-KB RAM和許多其他強大的功能。CC2530 具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統。運行模式之間的轉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穩定性高，發現火情時響應時間短，工作性能表現良好。MQ-7對一氧化碳具有很高的靈敏度，使用壽命長，定性可靠等優點，MQ系列傳感器的電路硬件圖設計都是相同的，如圖4所示。

圖4 MQ傳感器電路原理

4 軟件設計

4.1 數據采集節點程序設計

ZigBee網絡中的協調器節點上電啟動后負責建立網絡，并開啟允許綁定功能；數據采集節點上電啟動后加入網絡，并自動發起綁定請求，待協調器節點建立綁定后，將采集到的溫度、CO濃度、煙霧濃度值周期性地發送到協調器節點。數據采集模塊部分程序如圖5所示。

4.2 上位機界面設計

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

5 結語

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

圖5 數據采集模塊程序

圖6 上位機界面

[1]王立鑫.論環境監測對于環境質量評價的重要意義[J].資源節約與環保，2013（6）：68-96.

[2]楊晨曦.全球環境治理的結構與過程研究[D].長春：吉林大學，2013.

[3]錢衛星.基于ZigBee技術的無線網絡智能家居構建[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：信息監測與處理。