基于ZigBee技術(shù)的小型環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置的設(shè)計(jì)

蘇繼恒 劉 翼 黨舒俊 張 旭 冉 濤

（1.綏化學(xué)院電氣工程學(xué)院 黑龍江綏化 152061；2.國(guó)網(wǎng)河南省電力公司鄭州供電公司 河南鄭州 450000；3.招商銀行股份有限公司哈爾濱分行 黑龍江哈爾濱 150010）

我國(guó)現(xiàn)階段環(huán)境數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)一般采用有線的數(shù)據(jù)傳輸形式，其線路投資較大，而且不利于工作人員維護(hù)，特別在面對(duì)農(nóng)村復(fù)雜多變的地理環(huán)境時(shí)，這種缺點(diǎn)尤為突出[1]。本裝置設(shè)計(jì)通過(guò)ZigBee技術(shù)傳輸所采集的數(shù)據(jù)，其不僅克服了有線通信的缺點(diǎn)，還具有低功耗、成本低、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，能夠很好監(jiān)測(cè)地表環(huán)境[2]。

本裝置采用Arduino Mega2560作為下位機(jī)的核心控制器來(lái)處理溫濕度傳感器、光照傳感器、粉塵傳感器所采集到的物理量，并將其顯示ST7735S驅(qū)動(dòng)的TFTLCD（薄膜晶體管液晶顯示屏）屏上，相比較于LED顯示屏還具備保護(hù)眼睛、高可靠性、不易損壞的優(yōu)點(diǎn)。

而ZigBee技術(shù)作為整個(gè)設(shè)計(jì)的核心，其終端以無(wú)線的方式接收以Arduino Mega2560為核心的下位機(jī)所發(fā)送的數(shù)據(jù)，再打包發(fā)送至ZigBee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器經(jīng)串口將數(shù)據(jù)發(fā)給上位機(jī)PC[3]，上位機(jī)合理化解析串行數(shù)據(jù)，將下位機(jī)采集的物理量保存在PC中，方便使用者通過(guò)上位機(jī)軟件分析環(huán)境物理量的變化情況。

上位機(jī)軟件采用LabVIEW作為開(kāi)發(fā)工具，設(shè)計(jì)了用戶登錄界面、終端選擇界面、數(shù)據(jù)展示界面等部分。用戶登錄界面非設(shè)定的使用者不能登陸，保證了采集信息的安全；數(shù)據(jù)展示界面采用各種儀表和曲線圖顯示數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單便于用戶理解，方便用戶的使用。此外，該界面還具有生成Excel報(bào)表的功能，方便維修調(diào)試人員對(duì)裝置進(jìn)行分析。

一、裝置設(shè)計(jì)方案的選擇

（一）本裝置的設(shè)計(jì)目標(biāo)。針對(duì)傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置布線繁瑣、不易擴(kuò)充、功能單一等缺點(diǎn)，本團(tuán)隊(duì)提出了一種采用無(wú)線通信方式，用于監(jiān)測(cè)環(huán)境相關(guān)物理信息的小型裝置。要求該裝置全天候自動(dòng)采集所在環(huán)境的濕度、溫度、粉塵濃度、光照等4個(gè)物理信息；用戶可以通過(guò)上位機(jī)監(jiān)控軟件實(shí)時(shí)查看各個(gè)監(jiān)測(cè)裝置的信息采集情況，為用戶生產(chǎn)生活提供實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的環(huán)境數(shù)據(jù)。并且所有數(shù)據(jù)均可生成電子報(bào)表，用戶可以依據(jù)監(jiān)測(cè)信息，合理調(diào)整生產(chǎn)生活計(jì)劃，保證其效率的最大化。

（二）各部分方案的選擇。

1.無(wú)線通信技術(shù)的選擇。ZigBee技術(shù)是一種節(jié)點(diǎn)體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低速率、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)，底層采用的是IEEE 802.15.4協(xié)議[4]。根據(jù)不同的工作頻率，數(shù)據(jù)傳輸距離在200到1500米之間[5]。相較于Bluetooth，ZigBee更簡(jiǎn)單、功耗及設(shè)備成本更低、長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸速率卻更快。而相比于2.4GHz無(wú)線通信，ZigBee技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸方式更為多樣，傳輸頻率范圍更廣，距離也更廣。因此，本裝置的無(wú)線通信方式選取為ZigBee技術(shù)。

2.ZigBee控制核心的選擇。ZigBee的控制核心采用的是CC2530F256芯片，該芯片芯片結(jié)合了性能優(yōu)良的射頻收發(fā)器、增強(qiáng)型的8051單片機(jī)內(nèi)核、系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存、8KBRAM和許多其它強(qiáng)大的功能于一體，因其可以滿足不同的功耗需求，而且運(yùn)行模式的切換速度較快，能夠完美的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)功能[6]。

3.下位機(jī)控制器的選擇。Arduino Mega2560是一塊以ATmega2560為核心的微控制器開(kāi)發(fā)板，本身具有54路數(shù)字I/O端，14組可做PWM輸出，16路模擬輸入端，6路外部中斷，一個(gè)USB接口，具有256K Flash Memory，同時(shí)還有8KB SRAM和4KB EEPROM[7]。支持I2C、UART、SPI等眾多通信接口。特別適合需要多種傳感器接口和各種通信方式的裝置設(shè)計(jì)。因此，選用Arduino Mega2560為本裝置的下位機(jī)控制器。

4.傳感器的選擇。

（1）溫濕度傳感器。DHT22是一款數(shù)字式的溫濕度傳感器，包括一個(gè)電容式測(cè)濕部件和一個(gè)NTC測(cè)溫部件，采用1-Wire接口與控制器進(jìn)行通信，信號(hào)輸送距離可至20米。此外該傳感器具備超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比極高等優(yōu)點(diǎn)，故本裝置用其采集多變的環(huán)境溫度和濕度。

（2）光照強(qiáng)度傳感器。BH1750FVI是一種光譜靈敏特性近于人體眼球的數(shù)字式光強(qiáng)度傳感器。其的視覺(jué)靈敏度。其輸入光范圍廣泛，受紅外線影響很小，通過(guò)自帶的降噪功能，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的光強(qiáng)測(cè)量。采用I2C協(xié)議與控制器進(jìn)行通信，且功耗低、抗干擾能力強(qiáng)，因此，用其探測(cè)較大范圍的環(huán)境光強(qiáng)變化。

而發(fā)生在全國(guó)各地的物流公司跑路案件也常見(jiàn)諸報(bào)端。河南省物流商協(xié)會(huì)的一位負(fù)責(zé)人在接受記者采訪時(shí)稱，曾是河南省重點(diǎn)物流建設(shè)項(xiàng)目的某物流園正在悄悄轉(zhuǎn)讓。“現(xiàn)在物流企業(yè)的日子不好過(guò)啊。”河南省達(dá)發(fā)物流有限公司副總經(jīng)理韓鐵強(qiáng)稱，物流企業(yè)的利潤(rùn)已從幾年前的20%降至目前的5%左右，而物流公司越來(lái)越多，線路不全、收貨量下降，房租、人員工資一路上漲都會(huì)導(dǎo)致物流企業(yè)生存壓力加大。“競(jìng)爭(zhēng)壓力太大，要么倒閉，要么合并，抱團(tuán)取暖總比跑路強(qiáng)。”

（3）粉塵傳感器。DSL-03是一款數(shù)字式粉塵傳感器。內(nèi)置激光發(fā)射元件和光電接收元件，利用光散射原理，激光在粉塵顆粒上發(fā)生散射光現(xiàn)象，接收元件接受光信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再通過(guò)算法計(jì)算出粉塵濃度[8]。該傳感器采用UART通信，其波特率為9600bps。當(dāng)控制器向DSL-03發(fā)送請(qǐng)求，傳感器應(yīng)答回復(fù)后才開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)，因此，特別適用于要求數(shù)值穩(wěn)定準(zhǔn)確、抗干擾能力強(qiáng)的PM2.5濃度測(cè)量。

5.上位機(jī)開(kāi)發(fā)工具的選擇。本設(shè)計(jì)采用LabVIEW作為上位機(jī)軟件的開(kāi)發(fā)工具。之所以采用LabVIEW，是因?yàn)長(zhǎng)abVIEW的編程語(yǔ)言是圖形化編程的G語(yǔ)言，這樣的編程方式更加靈活方便，大大地縮短了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期。同時(shí)LabVIEW又具有豐富的開(kāi)發(fā)模塊和高兼容性，非常方便與下位機(jī)的結(jié)合，因此選用LabVIEW作為上位機(jī)軟件的開(kāi)發(fā)工具。

（三）裝置的方案設(shè)計(jì)。如圖1所示，本裝置主要由上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件、ZigBee網(wǎng)絡(luò)和下位機(jī)控制器組成。ZigBee網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器和多個(gè)數(shù)據(jù)終端構(gòu)成，其中協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要用于組建網(wǎng)絡(luò)，終端節(jié)點(diǎn)主要用于接受下位機(jī)控制器所發(fā)送的數(shù)據(jù)[9]。下位機(jī)控制器負(fù)責(zé)采集環(huán)境信息，上位機(jī)負(fù)責(zé)把ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送來(lái)的環(huán)境數(shù)據(jù)用直觀簡(jiǎn)易的方式顯示出來(lái)，方便用戶分析。

圖1 裝置的設(shè)計(jì)方案

二、本裝置的硬件設(shè)計(jì)

（一）裝置的總體硬件結(jié)構(gòu)。如圖2所示，本裝置由下位機(jī)數(shù)據(jù)處理部分、ZigBee網(wǎng)絡(luò)部分和上位機(jī)通信部分組成。下位機(jī)數(shù)據(jù)處理部分是以Arduino Mega2560為控制核心利用DHT22、BH1750FVI、DSL-03這三種不同的傳感器來(lái)獲取所在環(huán)境的濕度、溫度、光度、粉塵濃度等物理信息，再將采到的物理信息通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳給上位機(jī)PC，而上位機(jī)PC則通過(guò)CH340G芯片實(shí)現(xiàn)串口轉(zhuǎn)USB的功能，進(jìn)而接受ZigBee協(xié)調(diào)器中的數(shù)據(jù)，以監(jiān)測(cè)所處環(huán)境的物理信息[7]。

圖2 裝置硬件結(jié)構(gòu)圖

（二）數(shù)據(jù)處理部分的硬件設(shè)計(jì)。

1.溫濕度傳感器的硬件電路。圖3所示為DHT22的電路原理圖，由于傳感器內(nèi)部含有放大和抗干擾電路，故在設(shè)計(jì)其電路圖時(shí)，只需在數(shù)據(jù)輸出引腳接一個(gè)上拉電阻，即可保證其輸出信號(hào)的可靠性。

圖3 DHT22電路原理圖

2.光照傳感器的硬件電路。圖4所示為BH1750FVI電路原理圖，由于BH1750FVI的供電電壓最大為3.6V，故選取662K3V3電壓轉(zhuǎn)化芯片，將5V電壓轉(zhuǎn)變成3.3V電壓為BH1750FVI供電，DVI為內(nèi)部寄存器的異步重制端，采用這種接法是為了保證芯片供電以后，DVI有至少1μs為低電平。而I2C端口采用上拉電阻與串聯(lián)電阻混接的方法，是為了保證3.3V與5V通信的可靠性[10]。

圖4 BH1750FVI電路原理圖

3.粉塵傳感器的硬件電路。圖5所示為粉塵傳感器的電路原理圖，由于DSL-03為集成式傳感器，不需要額外的電子原件，只需5V供電，再將傳感器的通用異步收發(fā)傳輸器引腳與下位機(jī)控制器相連即可。

圖5 DSL-03電路原理圖

（三）ZigBee控制器的硬件設(shè)計(jì)。如圖6所示，ZigBee協(xié)調(diào)器與終端電路基本相同，故不作區(qū)分，均采用CC2530F256芯片為核心的控制器電路。CC2530F256芯片包含5路DMA、基于IEEE802.5.4協(xié)議的MAC定時(shí)器和通用定時(shí)器、8路可配置分辨率的12位ADC、21個(gè)通用I/O端口、IEEE802.15.4兼容無(wú)線收發(fā)器等部分，能夠很好完成網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)交互[10]。

圖6 ZigBee控制器電路原理圖

（四）通信部分的硬件設(shè)計(jì)。圖7所示為CH340G電路原理圖。現(xiàn)行個(gè)人電腦已不配備COM接口，ZigBee協(xié)調(diào)器與個(gè)人電腦進(jìn)行通信，可以通過(guò)串行接口轉(zhuǎn)USB電路來(lái)實(shí)現(xiàn)，故本文以CH340G芯片為核心設(shè)計(jì)了串行接口轉(zhuǎn)USB電路。CH340G支持USB 2.0接口，與微軟系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)程序完全兼容，波特率范圍是50bps～2Mbps。其電路設(shè)計(jì)十分簡(jiǎn)單，通過(guò)晶體和電容即可完成[7]。

圖7 CH340G電路原理圖

三、裝置的軟件設(shè)計(jì)

（一）軟件程序的總體設(shè)計(jì)。圖8所示為裝置程序的總體流程圖。首先，對(duì)下位機(jī)控制器進(jìn)行初始化設(shè)置；其次，檢查DHT22、BH1750FVI、DSL-03這三種不同的傳感器是否正常，如果有傳感器未響應(yīng)或工作不正常，系統(tǒng)將重新設(shè)置工作參數(shù)；當(dāng)再次確認(rèn)故障發(fā)生時(shí)，下位機(jī)控制器將信息通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)輸送到上位機(jī)；如果系統(tǒng)正常，Arduino Mega 2560將采集溫度、適度、光照強(qiáng)度和粉塵濃度等物理量，統(tǒng)一處理打包后，經(jīng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸至上位機(jī)。

圖8 裝置程序總體流程圖

（二）ZigBee數(shù)據(jù)收發(fā)子程序的設(shè)計(jì)。圖9（a）所示為ZigBee協(xié)調(diào)器子程序流程圖。首先對(duì)協(xié)調(diào)器進(jìn)行初始化設(shè)置，之后開(kāi)始嘗試建立網(wǎng)絡(luò)，由于本裝置采用一個(gè)協(xié)調(diào)器對(duì)應(yīng)多個(gè)終端的組網(wǎng)形式，因此ZigBee模塊之間以廣播方式進(jìn)行通信。在嘗試建網(wǎng)后，需要等待其他設(shè)備的反饋以檢查網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，若建網(wǎng)成功，則監(jiān)測(cè)上位機(jī)的命令，得到命令后嘗試與終端通信數(shù)據(jù)，得到數(shù)據(jù)后通過(guò)串口發(fā)送給上位機(jī)。

圖9（a） ZigBee協(xié)調(diào)器子程序流程圖

圖9（b）所示為ZigBee終端子程序流程圖。首先對(duì)終端進(jìn)行初始化設(shè)置，之后開(kāi)始嘗試加入網(wǎng)絡(luò)，在嘗試入網(wǎng)后，需要等待其他設(shè)備的反饋以檢查入網(wǎng)的狀態(tài)，若入網(wǎng)成功，則監(jiān)測(cè)協(xié)調(diào)器的命令，得到命令后嘗試與下位機(jī)控制器通信數(shù)據(jù)，之后通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)以無(wú)線的方式發(fā)送給協(xié)調(diào)器。

圖9（b） ZigBee終端子程序流程圖

四、上位機(jī)界面的設(shè)計(jì)

（一）登錄界面的設(shè)計(jì)。登錄界面如圖10所示，在登錄界面中用輸入正確的用戶名和密碼后，點(diǎn)擊確定顯示正在登陸進(jìn)度條，之后跳入終端選擇界面；如圖11所示，若輸入錯(cuò)誤信息，則彈出對(duì)話框提示信息錯(cuò)誤。

圖10 登錄成功

圖11 用戶名錯(cuò)誤

（二）數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)界面的設(shè)計(jì)。用戶通過(guò)終端選擇界面點(diǎn)擊想要查看終端序號(hào)后，則進(jìn)入數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)界面，如圖12所示。在選定COM接口后，可以查看裝置測(cè)量的溫濕度和光強(qiáng)等信息，除儀表顯示之外，粉塵濃度還支持波形顯示，利于詳細(xì)觀察。此外上位機(jī)軟件還支持?jǐn)?shù)據(jù)Excel格式保存，利于用戶事后詳細(xì)分析[11]。

圖12 數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)界面

五、裝置測(cè)試與誤差分析

（一）裝置測(cè)試。為了驗(yàn)證本裝置測(cè)量的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、粉塵濃度的準(zhǔn)確性，在某蔬菜溫室對(duì)本裝置進(jìn)行了為期30天的實(shí)地測(cè)試。得到了如表1所示的測(cè)量效果表。實(shí)驗(yàn)表明，上位機(jī)與下位機(jī)之間能夠有效地進(jìn)行ZigBee無(wú)線通信來(lái)獲取環(huán)境信息數(shù)據(jù)。

表1 裝置的測(cè)量效果表

（二）誤差分析。本裝置以溫度、濕度、光照強(qiáng)度、粉塵濃度的準(zhǔn)確度，以及ZigBee模塊的傳輸速率作為性能的衡量標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，發(fā)現(xiàn)上述數(shù)據(jù)與實(shí)際值相比存在部分誤差，其誤差率均在2%以下。由于本設(shè)計(jì)主要應(yīng)用在農(nóng)業(yè)種植、居民庭院等對(duì)環(huán)境物理信息要求不嚴(yán)格的場(chǎng)景，誤差率控制2%以內(nèi)即可滿足要求，故本設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)誤差在允許范圍內(nèi)，具體誤差產(chǎn)生的原因包括以下幾點(diǎn)：

1.傳感器存在零點(diǎn)漂移和隨機(jī)誤差的影響，短時(shí)間內(nèi)可以忽略，但長(zhǎng)時(shí)內(nèi)會(huì)影響數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度。

2.軟件上采用算術(shù)平均法雖在一定程度降低了數(shù)據(jù)誤差，但只減少了錯(cuò)誤數(shù)據(jù)的比重，并沒(méi)有徹底消除，仍對(duì)精度產(chǎn)生影響。

3.在測(cè)量光照強(qiáng)度和粉塵濃度時(shí)，因光照傳感器安裝位置的變化和粉塵傳感器風(fēng)扇的旋轉(zhuǎn)振動(dòng)，也對(duì)裝置的誤差產(chǎn)生了一定影響。

4.ZigBee模塊的傳輸距離和傳輸速率之間，以及上位機(jī)接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性間存在矛盾關(guān)系，為了確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，ZigBee模塊的傳輸速率與理論相比會(huì)存在的一定誤差。

六、結(jié)語(yǔ)

本文提出的基于ZigBee技術(shù)的小型環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置主要用于監(jiān)測(cè)溫度、濕度和光照強(qiáng)等物理環(huán)境信息，其ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，單個(gè)協(xié)調(diào)器對(duì)應(yīng)多個(gè)終端，協(xié)調(diào)器對(duì)各終端的采集環(huán)境信息進(jìn)行收集與管理后發(fā)送至PC端，PC端通過(guò)USB轉(zhuǎn)串口的形式連接協(xié)調(diào)器，與ZigBee終端通信并獲取相關(guān)環(huán)境數(shù)據(jù)，并將其顯示在通過(guò)Labview編寫的軟件上，通過(guò)上位機(jī)軟件即可遠(yuǎn)端獲得裝置所在地的物理環(huán)境信息，從而方便用戶對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境信息進(jìn)行分析。