基于ZigBee的无线温湿度监控系统的设计

龙光利

摘 要： 针对传统环境温湿度检测系统传输距离短、高功耗、布线杂乱的现状，设计一种基于ZigBee的无线温湿度监控系统，它由终端传感器模块和协调器模块组成。无线终端传感器模块的主要功能是采集温度和湿度信息，协调器模块建立并维护ZigBee网络，ZigBee网络经终端模块和协调器模块将数据上传到上位机，达到实时监测的效果。实验表明，终端模块可以正常采集温度和湿度，协调器模块可无线接收数据并通过串口通信，在上位机上能正确显示温湿度信息。

关键词： 温度监控; 湿度监控; ZigBee; 终端传感器模块; 协调器模块; 信息采集

中图分类号： TN948.64?34; TN919.72 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）12?0036?04

Abstract： In view of the status quos of short transmission distance， high power consumption， and disordered wiring existing in the traditional environment temperature and humidity detection system， a wireless temperature and humidity monitoring system based on ZigBee is designed. The system is composed of the terminal sensor module and coordinator module. The main function of the wireless terminal sensor module is to collect temperature and humidity information. The coordinator module is used to establish and maintain ZigBee network， which uploads data to the host computer via the terminal module and coordinator module， so as to achieve real?time monitoring. The experimental results show that the terminal module can collect temperature and humidity information normally， the coordinator module can wirelessly receive data and communicate via the serial port， and the temperature and humidity information can be displayed correctly on the host computer.

Keywords： temperature monitoring; humidity monitoring; ZigBee; terminal sensor module; coordinator module; information acquisition

0 引 言

近年来，随着农业规模化和工业自动化的发展，温湿度监测系统越来越多地应用于粮食储存[1]、农业生产中的种植大棚 [2]、工业生产中的环境控制、生物化学制药[3]等领域中，建立监测温湿度网络是十分重要的技术环节。温湿度监测系统采用有线监测设备，布线比较杂乱，检修维护困难，灵活性不高。无线温湿度监测系统结合了传感器和无线通信技术，不需要铺设线路，周围环境影响小，扩展用途容易， 维护检修比较方便。低速率和短距离的ZigBee无线通信技术容易推广应用，工作频段比较灵活，成本和功耗比较小，运行比较可靠，同时具有自恢复能力和自组网功能。

1 硬件设计

基于ZigBee的无线温湿度监控系统原理框图如图1所示，系统由温湿度传感器、单片机、终端模块、协调器模块、PC上位机等组成。单片机采用STM32芯片，以ZigBee为技术支撑向远距离上位机传输信息，分为ZigBee普通节点与ZigBee汇聚节点两部分[4]。所有节点使用相同信道进行通信，在上电启动后会形成ZigBee网络，普通节点即作为终端模块采集信息，也可作为路由節点转发数据。在普通节点中，通过控制多种传感器采集环境信息，以多跳方式送给协调器。在协调器模块中，各个节点传输数据经该信道接收，传输给上位机进行显示。

1.1 单片机最小系统设计

单片机最小系统主要由单片机[5]、复位电路、时钟电路组成。单片机采用STM32F103C8T6微控制器，它具有低电压和节能特点，工作电压为2.0～3.6 V。其时钟电路由两个晶振和电容组成，两个晶振频率分别是8 MHz和32 MHz，8 MHz系晶振接在单片机5管脚OSC_IN和6管脚OSC_OUT上，经锁相环倍频后，为单片机提供系统时钟基准频率;32 MHz晶振接在单片机3管脚PC13?OSC_IN和4管脚PC15?OSC_OUT上。单片机7管脚NRST为复位管脚。由于系统内部有数/模转换模拟电路，故需对整个系统进行分开供电，有三路电源，分别为单片机工作电源、模拟电路电源和数/模变换参考电压输入。

1.2 终端模块电路设计

终端模块主要由CC2530芯片、微控制器STM32以及温度传感器DHT11等组成。终端模块主要负责完成对温湿度数据的采集。选择身份启动后启动终端模块，终端模块建立一个端点，若端点与协调器信息描述一致，终端模块和协调器就成功绑定，可进行通信。终端模块组成图如图2所示。

启动设备进入低功耗模式，通过按键传送绑定请求，终端模块将绑定协调器，定时采集温湿度数据时间将被操作系统自动触发，定时时间到则开始采集温湿度数据并按一定的格式发送出去，如果定时没到，

则终端节点将一直处于低功耗状态，直到定时到或者有其他用户时间发生。在采集温湿度数据后，将会自动与报警温度数据比较，如果超限则打开定时器，开始发出一定频率的蜂鸣器鸣叫。在状态指示上可采用LED灯指示，如启动成功就打开LED1，绑定成功就打开LED2，正在发送数据可用LED1闪烁表示。

1.2.1 温湿度传感器

溫湿度传感器采用DHT11，其工作电压为 3～5.5 V。通电后，等待1 s以跨过不稳定状态，这期间没有任何指令发送。在电源引脚（VDD和GND）可加一个100 nF的电容，用于去耦滤波。DHT11实际上只有3引脚可以连接工作，其测量的湿度范围（相对湿度）为20%～90%，温度为0～50 ℃。DHT11通信方式为串行单线双向通信，数据40 bit，分为整数和小数两部分。当启动后的信号发送给用户时，DHT11响应将切换到高速模式，传输数据和校验数据将被切换到低功耗模式。

1.2.2 CC2530电路设计

CC2530芯片是由TI公司设计开发的SoC芯片[6]，它支持IEEE 802.15.4标准/ZigBee/ZigBee RF4CE，包括一个无线收发器、一个8051微处理器、RAM有8 kB、闪存分为32/64/128/256 kB、4种供电模式以及包括8通道12位数/模转换器、2个通用串口模块、21个通用GPIO等。设计的CC2530电路如图3所示。

1.2.3 电源电路设计

STM32F103C8T6单片机和CC2530的供电电源为3.3 V，其误差范围[7]为±0.5 V。5 V直流电源可通过3.3 V稳压芯片AMS1117使5 V电压降到3.3 V，设计的电源电路如图4所示。

1.3 协调器模块电路设计

协调器模块组成图如图5所示，其主要由串口通信电路、CC2530芯片、单片机STM32等组成[8]。可应用USB接口将搜集到的数据通过串口助手传送到上位机。协调器可设置一些指示灯用来指示其工作状态，如设备启动成功点亮LED1，打开允许绑定点亮LED2，关闭绑定则熄灭LED2，接收到了数据就闪烁LED1等，这样可从视觉上感觉到协调器一直处于工作状态中。

2 软件设计

软件包括终端模块软件和协调器模块软件两部分。

2.1 终端模块的软件设计

本文设计的终端模块程序流程图如图6所示。采集温湿度数据由终端模块负责完成，发送给协调器，并能够实时检测。

2.2 协调器模块的软件设计

本文设计的协调器模块程序流程图如图7所示。首先建立ZigBee网络，判定是否接收到绑定请求，启动协调器后，自动设置网络地址为0x0000，发送采集命令，接收采集数据，串口发送到上位机进行显示。

根据流程图，用C语言编程，在IAR的C语言开发环境下编译[9]，当编译完成，出现零错误、零警告后，利用IAR输出文件SampleApp.hex，采用FlyMcu下载软件，将SampleApp.hex烧录到单片机STM32F103C8T6中，可根据烧录环境显示的烧录进度判定烧录是否完成。

3 实验结果

将下载软件的单片机和相关元器件分别焊接在两块PCB板上，组成1个协调器和1个（可多个）终端设备（温湿度传感节点），协调器通过串口与PC机相连，由上位机（PC机）显示最终结果 [10]。协调器和终端设备合上电源后，协调器和终端模块的LED灯开始闪烁，表明设备正在绑定，闪烁时间5 s左右。LED灯不闪烁并一直点亮时，表示协调器和终端模块已绑定成功。紧接着，传感器开始采集数据，终端模块向协调器周期性发送温湿度数据，温湿度在上位机显示。改变环境温湿度可进行多次测量，以便使设备状态达到最佳。串口调试助手中温湿度显示结果如图8所示。在图8中，当前的温度为24 ℃，湿度为41%。

4 结 语

本文设计的无线温湿度监控系统，由协调器模块完成ZigBee网络的建立和维护，由终端模块完成温湿度信息的采集，数据经过ZigBee网络传送到上位机。模块无线传输时，系统无需布线，功耗低;同时由于采用STM32单片机，存储容量大，可连接接口多，数据精度高。若加入WiFi模块，可将数据发送到手机客户端，可远距离观察[11]。为进一步拓展应用，电源部分还可采用太阳能供电系统[12]增加传感器，还可以监测传输更多相关参数。

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