基于ZigBee技術的溫濕度采集系統(tǒng)

陳歡，秦懷宇，李旋

（1.無錫科技職業(yè)學院，江蘇無錫，212000；2.江蘇科技大學，江蘇張家港，215600）

0 引言

溫度和濕度作為環(huán)境監(jiān)測的一項重要指標，對生產、生活有著重大影響。本文利用ZigBee無線傳輸技術，采集溫濕度指標。以CC2530為主芯片，使用數字溫濕度傳感器采集數據，采用串口傳輸實現(xiàn)上位機和下位機之間的通信，并利用閉環(huán)反饋確保系統(tǒng)穩(wěn)定性[1-6]。

1 主要研究內容

圖1 系統(tǒng)框圖

本設計可實現(xiàn)周圍環(huán)境溫度與濕度的采集、傳輸、顯示等。硬件部分包含微處理器芯片、溫濕度傳感器、顯示屏和步進電機等；軟件部分利用監(jiān)測軟件進行數據的顯示，最終實現(xiàn)的功能如下：（1）數據采集：利用溫濕度傳感器采集周圍環(huán)境中的相關數據。（2）數據傳輸：終端設備利用無線通訊協(xié)議將數據信息傳送給協(xié)調器，協(xié)調器通過USB串口上傳到上位機。（3）數據顯示：串口傳輸的數據在上位機中數字化顯示并提供信息保存功能。（4）反饋調節(jié)：當數據信息超出設定范圍時，反饋系統(tǒng)自動運行以保持系統(tǒng)穩(wěn)定性。（5）系統(tǒng)測試：實時獲取數據后，對其進行分析、評估，驗證系統(tǒng)的基本功能。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 CC2530核心模塊設計

CC2530芯片是美國德州儀器公司研發(fā)的新一代ZigBee片上系統(tǒng)解決方案，建立在基于IEEE802.15.4標準協(xié)議之上。CC2530核心模塊由主控芯片CC2530和外圍設備組成，是ZigBee節(jié)點的核心部分。它集成RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，增強型8051內核，8KB RAM等強大功能[7-12]。

2.2 溫濕度傳感器模塊接口設計

本設計采用DHT11溫濕度傳感器，其包含一個電阻式感濕元件和NTC測溫元件，并與高性能8位單片機相連。該傳感器性能穩(wěn)定、響應快，抗干擾能力強，性價比高。測量范圍是：溫度0－50℃，濕度20%~90%；測溫精度±2℃，測濕精度±5%，分辨力為1[13-17]。傳感器為4針單排引腳封裝，引腳說明見表1。

表1 DHT11數字溫濕度傳感器引腳說明

圖2 DHT11溫濕度傳感器接口

2.3 串口通信模塊設計

本文采用CH340串口通信模塊，它是一個USB 總線的轉接芯片，可實現(xiàn)USB 轉串口、USB 轉IrDA 紅外或者USB轉打印口。在串口方式下，CH340 提供常用的MODEM聯(lián)絡信號，為計算機擴展異步串口，或將普通的串口設備直接升級到USB 總線。CH340模塊有4個外接引腳，具體說明見表2。

表2 CH340串口通信模塊引腳說明

3 軟件設計

3.1 下位機軟件設計

系統(tǒng)進入主函數后，先對主控芯片和外圍設備進行初始化設置。初始化完成進入循環(huán)檢測。傳感器開始采集溫濕度數據，然后將數據傳輸給終端的CC2530芯片，終端接收到數據后會把數據發(fā)送給協(xié)調器，經歷短暫的延時后終端還會給傳感器一個再次采集數據的信號。協(xié)調器接收數據后會將數據通過串口發(fā)送至上位機同時顯示屏會顯示測量的數據。當溫濕度數據超過系統(tǒng)設定的設定值時，系統(tǒng)會驅動步進電機工作，直到溫濕度參數在設定值之內停止。主程序流程圖如圖3所示。

CC2530芯片向DHT11發(fā)送開始信號后，DHT11從低功耗模式喚醒，進入高速模式，并且會對開始信號進行響應。DHT11將采集的數據打包發(fā)送給主控芯片的控制器中，在發(fā)送結束后會再次接收到采集信號繼續(xù)進行數據采集。以此往復進行。當主控制芯片向傳感器發(fā)送結束信號后，傳感器停止數據采集，然后進入低功耗模式。傳感器控制流程圖如圖4所示。

3.2 上位機軟件設計

本文采用LabView設計上位機軟件，利用其VISA資源庫選擇串口和配置參數，通過串口通訊協(xié)議將串口中的數據傳送到上位機中。數據經過若干編程模塊的處理，在前面板顯示控件按鈕。圖5是系統(tǒng)上位機的總體設計框圖。前面板如圖6所示。

圖3 主程序流程圖

圖4 傳感器控制流程圖

圖5 上位機設計框圖

圖6 前面板效果圖

4 測試結果分析

4.1 無障礙測試

該測試在一長廊進行，節(jié)點高出地面1米，每10米取測量點，測試傳輸質量與距離的關系，結果如表3所示，可見當距離大于60米后，掉包率顯著增加，傳輸質量下降。

表3 無阻礙掉包率測試

4.2 有障礙測試

在實際應用中，數據傳輸會遇到障礙物。本文為模擬這一場景，在終端與協(xié)調器之間放置壁壘，壁壘間距設為5米，評估傳輸性能，表4是其實驗結果。可見，面對一道壁壘時，ZigBee能以較高質量傳輸數據，但是面對多層壁壘，幾乎無法實現(xiàn)有效傳輸。

表4 有阻礙掉包率測試

5 結束語

本文以CC2530模塊為基礎搭建溫濕度監(jiān)測控制系統(tǒng)，分別設計了硬件接口電路、下位機控制軟件和上位機測試軟件，測試結果證實設計合理。多終端多協(xié)調器是開展后期工作的主要方向。