于ZigBee技术的温湿度监测系统设计和实现 电气工程管理专业

1、基于zigbee技术的温湿度监测系统设计摘要：无线传输技术最早是出于战争的需要，由于情报的传递，命令的远程，传达等实际需求，而逐渐兴起的信号传递技术，现如今，无线传输技术的应用并不止于军事用途。现代无线传输技术在民用领域的应用及其发展已然成为新潮流。在物联网产业的快速发展，人们对信息快速获取的迫切需要，以及有线网络技术已经发展成熟的今天，无线网络具有巨大的潜力。为了满足物联网的应用需求，在技术、成本、可靠性、功耗及可实用性等各方面 的综合考虑下，短距离无线通信技术已成了物联网系统设计中中的重要技术。其中适用性较高且应用广泛的便是 Zigbee 技术ZigBee 技术可以快捷地为用户提供无线数据

2、传输功能，因此在智能家居、物联网产业、智能农业、工业控制等领域有着极高的应用性。它具有安全性强、兼容性强，信息容量大的优点。同时对于数据的传输安全来说具有很好的保障作用。在最后，ZigBee 技术本身还具有很好的兼容性能ZigBee 系统的时延十分的短，在从休眠模式恢复到正常通信模 式仅仅需要 15ms 到 30ms 之间，可以及时接收到用户所发来的信息。总而言之，ZigBee 技术作为一种无线短距传输技术，它的优势十分明显，被十分广泛的使用在物联网产业的各个方面。室内环境的检测由于涉及到居住人员的体感舒适度以及温室作物的生长，所以室内和环境监测也愈发引起建 筑者以及农民的关注，而且要求也是相

3、当高，为此，可以设计一种基于无线传输的温室远程监测系统。该室内远程监测系统的功能是使用户可以远程实 时监测到室内环境数据，并可以设置环境数据各项预设值以及相应的波动范围，利用无线传输技术将环境数据实时传输到监控操作室，实现远程室内环境的检测。本文将介绍zigbee技术在温湿度监测领域的设计。 关键词：无线；短距传输。；温湿度监测；zigbee，传感器，物联网 Analysis and Application of Wireless Short Distance Transmission Technology Based on Wireless transmission technology o

4、riginated from the needs of war. Because of the actual needs of information transmission, command remote, communication and so on, signal transmission technology has gradually emerged. Nowadays, the application of wireless transmission technology is not only for military purposes. The application an

5、d development of modern wireless transmission technology in civil field has become a new trend. With the rapid development of the Internet of Things industry, the urgent need for rapid access to information and the maturity of wired network technology, wireless networks have great potential. In orde

6、r to meet the application requirements of the Internet of Things, short-distance wireless communication technology has become an important technology in the design of the Internet of Things system under the comprehensive consideration of technology, cost, reliability, power consumption and practicab

7、ility. ZigBee technology is more applicable and widely used. ZigBee technology has strong applicability in Internet of Things, Smart Home, Industrial Control and other fields because its network can provide users with wireless data transmission conveniently. It has the advantages of strong security,

8、 strong compatibility and large information capacity. At the same time, it has a very good guarantee for data transmission security. In the end, ZigBee technology itself has a good compatibility performance. The time delay of ZigBee system is very short. It only takes 15 ms to 30 ms to recover from

9、dormant mode to normal communication mode, and the information sent by users can be received in time. In a word, ZigBee technology, as a wireless short-distance transmission technology, has obvious advantages and is widely used in all aspects of the Internet of Things industry. Because indoor enviro

10、nment detection involves the physical comfort of residents and the growth of greenhouse crops, indoor and environmental monitoring has attracted more and more attention of builders and farmers, and the requirements are quite high. Therefore, a greenhouse remote monitoring system based on wireless tr

11、ansmission can be designed. The function of the indoor remote monitoring system is to enable users to monitor indoor environmental data remotely and in real time, and to set the preset values of environmental data and the corresponding fluctuation range. Using wireless transmission technology, envir

12、onmental data can be transmitted to the monitoring operation room in real time, so as to realize remote indoor environment detection. This paper will introduce the design and experimental application of ZigBee technology in the field of environmental monitoring.Key words : wireless; Short distance t

13、ransmission; HYPERLINK /link?url=5_Lkg0AREVVL_i9FCjOqzyBVWHX9F6yaFvR-2yjlpAKgJ_5bmkd1beQL-SYwd12H9StgNQETBpwOoZ3vMxy1k-BJdN8aVxkQJX7zVw5n2tKASpnhejZRuaQCUs5c3_Vk&wd=&eqid=cf495615001e7257000000045cdeb4a3 t _blank environment monitoring;zigbee;sencer:internet of things1 绪 论 1.1研究背景以及研究意义 无线传感网络技术射击了物

14、联网产业内许多热点技术，其中包括传感器技术，无线通信技术等，通过布置的无线传感器节点来实现环境参数的实时测量和采集，最后利用组织的无线多跳网络传送到上位机并实时显示给用户。无线传感器网络的出现搭起信息世界和物理世界共通的桥梁。大大改变了人机，人与自然的交互方式。实现了物理世界、计算世界以及人类社会的融合，让人类对世界的认知水平上升到了新的高度。在社会发展和生产进步的前提下，传统的温湿度测量法已经过时。这时利用无线通信技术来采集的生产生活中的数据就显得十分重要。数据精度在新型DH11传感器的支持下也有了很大提升，而这使得无线传感技术在测控系统的应用上有着得天独厚的优势。工业生产中，较为恶劣工作环

15、境使得工作人员不能长期在现场监测设备运转状况。所以需要采集数据后传输到环境安全稳定的主控室，工作人员可与更急现场情况发送命令进行调节。相比较无线传输，有线传输存在着布线安装复杂，维护成本高，占用面积大等问题。而无线传输可以很好的避免这些问题。 温室大棚环境监控中，传统的分区分时的人工测量方法存在着滞后性大，在较大的测量量下不能够保证数据精度等问题。所以能同时保证数据精度和及时性的无线通信技术显然会让温室残疾测量变得更加简便和可靠。室内装修产生的有害气体以及天然气或者煤气的泄露，都对人体的健康造成了极大的危害；很容易造成中毒甚至危及生命。因此居室内环境检测也是至关重要的。利用无线传感技术设计的监

16、测系统，克服了传统方式的局域性和区域性，具有移动性强、简单、可靠、经济等优点。ZigBee技术是一种新兴的短距离双向无线通讯技术，具有功耗低、成本低、高精度等诸多优势以其低功耗、低成本、低复杂度等优点,已经被广泛应用于许多领域。本设计是基于zigbee技术的的温湿度监测系统，可以将温湿度传感器采集到的数据通过无线传送到上位机，实施显示目标区域各位置，各个监测点的温湿度，相关工作人员可以及时了解到室内情况，第一时间做出相应措施。这样既避免了人工监测的滞后性，而且可以减轻检测人员的工作强度 又能做到及时的动态调整。避免生产生活中不必要的财产损失，为经济稳定快速发展做好坚实基础。1.2 温湿度监测系

17、统研究现状温湿度监测技术的研究起步较早，70年代时就有利用检测环境参数的仪器仪表来采集室内区域的环境信息然后再记录下来。再调节对应的室内设备。例如空调或加湿器等设备来改善室内环境直到需要的标准。80年代出现了由工业控制机器，可编程逻辑的器件组成的新型环境集散控制系统。这些新型系统可以完成集中管理和监控以及分散控制的新功能。温室测量系统在后来也被引入了现场总线技术中。这项举动使得监测控制设备中多个节点的双向通信技术出现突破，得以实现。它具有稳定性良好，系统安全可靠，操作快捷等得天独厚的优点。再后来，温室控制系统成功的引入了以太网。这样温室环境监测的研究又有了新的扩展。四国电力集团开发的远程监控系

18、统真正意义上实现了随时随地都能远程灵活控制温室环境参数的目标。21世纪以来，人们又利用农作物生长规律构建了一个高度智能化的环境监测系统，它根据植物生长周期时的不同数据建立起数学模型来估算推演最适合植物生长发育的各项参数。包括温度、适度、二氧化碳等。这项研究已经达到高度智能化的水平。 国内这方面的技术也在快速发展，从各技术发达的国家引进了先进的检测技术，然后根据自身实际情况做出改进，在技术成熟的条件下，我国科学家在监测系统中加入计算机技术等。实现对温室环境中各种不仅温湿度外的各种环境因子的控制。慢慢形成了一套适合我国特色的监测系统。而在应用领域，研究仍处在探索阶段，主要难点如降低成本，应用环境等

19、还需大量的工作和努力来攻克，但是未来室内环境控制技术的方向必然是无线网络化的。1.3Zigbee技术研究现状ZigBee技术是一种新兴的短距离双向无线通讯技术，具有功耗低、成本低、高精度等诸多优势以其低功耗、低成本、低复杂度等优点,已经被广泛应用于许多领域。除此之外还能与嵌入式技术结合使得它在自动控制和远程监控方面应用十分广泛。其他技术诸如蓝牙，在高成本的情况下传输距离仅有10米，因此没有得到广泛应用。WIFI技术拥有高速的传输技术但是覆盖范围比Zigbee技术小很多，因此也不适合应用到温室室内中。其余红外技术和UWB技术也不常用。 2.1 温湿度监测系统简介当前温室大棚环境检测温湿度都是通过

20、排布线缆后，将设备采集到的温湿度数据通过有线传输的方式发到监控室，这样的传统方式存在着施工难度大，设备固定无法移动，难以维护，成本较高等问题。而本次利用传感器技术，无线通信技术，以及zigbee无线组网技术结合设计的温湿度检测系统可以很好的克服上述问题。新技术的应用避免了复杂的布线，也使得整个检测系统更加简便和智能化。本方案选择在大棚中安装具备无线通信能力的若干通信节点所组成，这些通信节点部署在大棚的各个角落之中，其中无线通信节点的主要功能是对大棚中的环境参数信息进行实时测量，并将测量结果利用ZigBee 技术传输到PC机中进行处理。协调器的主要功能是实现传感器信息的统一处理，包含储存节点信息

21、、建立通信网络等等；路由节点的主要功能是将申请加入无线通信网络中的节点纳入无线通信网络，并实现纳入通信网络节点和其他节点之间的管理以及维护。通过 LabVIEW 中的插件来完成节点发布 信息的收集，管理员只要登录浏览器后即可实现大棚环境信息的管理，系统具备外网访问功能。在大棚中通过布置传感器来完成大棚内温湿度等影响作参量测量，再将这些参数传到PC中，在PC机中测量值与设定值进行比较，若测量的环境参量不符合作物生长条件，则自动控制大棚内冷风机、热风机等设备，使得大棚内这些因素达到适合作物生长的条件。进而保证系统可实现大棚环境参数的实时调节和监管。2.2温湿度检测设计方案系统硬件设计最重要的部分为

22、下位机设计，即整个物联网架构中的低层感知面设计，其中包含无线通信以及在大棚中不同区域布置的传感器等等。硬件设计的核心为ZigBee模块以及无线通信模块，其主要功能是实现数据信息的收集和交互等等。本文所设计的系统包含路由器、上位机以及协调器等部分组成，最终将各模块组合后可实现温湿度检测和控制。 图2.2设计方案结构3温湿度检测系统的硬件设计3.1系统芯片以及传感器选取本次硬件设计采用SOC芯片。CC2530芯片的运行时钟达到32 MHz,而256KB的Flash使它非常适合ZigBeePro的应用。该芯片具有四种电源模式，当节点不工作就处于休眠状态，保持低功耗。在大型组网中可以节约非常多的成本，

23、例如此次的温室大棚温湿度监测系统网络。此外它还具有灵敏度高，抗干扰性能强等优点。 在本设计中使用了DHT11温湿度传感器，DHT11温湿度传感模块相较于传统的传感器而言具有更大的测量优势，例如可实现温度和湿度信息的同时测量，因而相较于传统的测量系统而言结构更为简单，且可有效节省与单片机的通信结构，具有较强的抗静电、抗干扰、防止和其它不相干设备互相连接等诸多的保护功能，同时拥有着特别强的恢复功能，也拥有着对一些酸碱环境气体等抵抗的手段。主要用来测量温度和湿度，也是被瑞士SCNSIRIN公司推出来的使用最普遍的一款。该传感器最为突出的特点就是将温、湿度传感以及加热器、信号转换、A/D转换汇聚在一起

24、。该传感器精度高、反应速度快、性价比高，湿度信号的检测具备温度补偿功能，适合农业、工业等诸多行业领域之中，该传感器实物图如下: DHT11数字温湿度传感器3.2节点硬件设计思路Zigbee节点设计采用了功能模块化的设计思路，射频前端选择C2591芯片。为系统添加FLASH存储器来提高存储。无线收发模块和节点控制这俩个功能由 CC2530d单片机来予以实现。若要实现实验面积的扩充，则有必要增加数据的无线传输距离， Zigbee网络节点可采集实验区域中所有被测点温度和湿度，通过zigbee协议将数据传输到单片机。节点电路再把数据传送到路由器或者协调器。节点硬件电路整体结构图3.2.1DHT11温湿

25、度传感器和CC2530射频模块的连接一般温室大棚都采用电池供电终端节点电路，由于电池寿命原因需要将节点电做好保护措施，用外接的DHT11传感器收集温湿度参数。在实验区域内布置若干节点来监控各块区域，由于电压稳定和实验数据精度需要，温湿度传感器信号不得大于5m，否采用5k上拉电阻。 DHT11与CC2530电路3.2.2电源部分设计本次所设计的温湿度检测系统中电路有三种不同的供电方案，分别为USB、直流电和电池。但在实际应用中。这样的系统因为自身电路特点和技术要求，只适合用电池供电。USB和直流电供电电压过高，功耗也不达要求，效果不稳定。所以此处采用电池供电，利用稳压器件将电压转化为适合该电路的

26、3.3V。电源原理图3.2.3JTAG电路JTAG是一种国际标准测试协议，其主要功能是实现芯片内部测试，其接口有4线，GE接口的主要功能包含数据输入、输出、模式选择等。下载主控程序的JTAG接口电路一般选用10脚接口。CC2530射频模块与JTAG的接口电路3.2.4射频模块CC2530的控制部分 系统的射频模块功能十分关键，CC2530的控制部分模块设备如下。4 基于Zigbee技术的温湿度检测系统软件设计系统软件设计是在硬件的基础上进行相应的程序开发，对于实现温湿度传感器采集数据，发送到相应设备并最终显示在上位机供人观察等功能是不可或缺的。软件的设计可以分为 终端节点数据收集、协调器路由器

27、等管理接收整理数据重新发送以及上位机最终展示三个部分。软件设计总体结构4.1Zigbee开发环境针对 ZigBee 无线通信模块设计采用IAR Embedded Workbench集成开发环境作为软件开发平台，该平台可支持ARM，AVR，MSP430 等芯片内核，可满足芯片程序的所有开发需求。该集成化开发平台可提供可扩展开发环境，因此用户可依照自己的需求来实现系统开发。用户通过调用第三方软件来实现仿真和编程，因此在本文所设计的大棚温湿度检测系统中采用IAR作为软件的开发工具工具。该编译器的使用特点包含下述几个方面：1高效的PROMable代码。2高效浮点支持3对C语言开发具有良好的兼容性。4具

28、有良好的功能扩展性。5便捷的中断处理。 4.2DHT11温湿度传感器的数据读取4.2.1DHT11数据读取方式用户主机向传感器模块发送信号后，温湿度传感器改变运行模式，即从低功耗待机模式转变为高速运行模式，在开机信号结束之后，温湿度传感器发送响应信号，并发出40bit 的数据，完成数据采集任务，信号发射过程如下所示需要注意的是，主机从温湿度传感器上读取的温湿度数据是上一次测量所得到的结果，若两侧测量间隔的时间过长，则要获取实时温湿度值就必须连续读取两次数值并以第二次获得的值为实时温湿度值。4.2.2射频模块读取数据方式主机和从机之间的通信通过下述步骤实现。 在温湿度传感器上电后，温湿度传感器模

29、块完成初始化，并在等待1s后发送指令信息，等待的主要作用是为了防止在信息处理时对系统整体控制过程造成的影响，继而保证系统整体可稳定运行。微处理器的 I/O 接口设定为输出低电平，且低电平状态要持续一定时间，随后通过微处理器完成输入状态设置，由于存在上拉电阻微处理器的 I/O ，即 DHT11 的 DATA 数据接口电平随之升高，此时等待传感器实现信号响应。主机发送起始信号DHT11 的 DATA 引脚在检测到外部信号存在低电平时结束，在短暂的延时之后温湿度传感器中的数据引脚为输出状态，且输出低电平信号作为系统信号的响应，紧接着输出 80 微秒的高电平通知外接设备完成数据接收，微处理器输入输出接

30、口此时处于输入状态，检测到接口低电平时等待80 微秒，并发送高电平信号如下所示。由 DHT11 的数据引脚输出数据，微处理器根据输入输出接口的电平变化完成输出数据的接收。位数据“0”、“ 1”格式信号如图4.3 z-stack协议组网4.3.1协议栈组网过程本次设计采用树型拓补结构结构组建无线通信网络。它主要应用在简单的地数据传输速率的传感器网络中。对于这次温湿度检测是最好的选择。在这个结构中。把全功能设备协调器作为中心节点。其主要功能有建立管理整个无线网络。同时可以和终端节点完成数据交换。终端节点温湿度传感器进行数据采集，然后向协调器发送采集的数据。Zigbee无线网络实现包含协调器实现网络

31、建立，利用终端节点探测网络，中心节点协调器响应网络，终段结点加入网络。最后节点间才能够实现相互通信。树型网络拓补结构4.4协调器建立网络在协调器中，节点是通信网络的重要组成部分，其主要功能是对传感器采集的信息进行处理，实现与无线通信网络的实时信息交互。各类不同的分散传感器节点共同组成了 ZigBee 无线传感器通信网络。协调器节点的工作流程图如下所示，协调器节点的工作内容主要包含Z-Stack 协议栈初始化、信道扫描、新建网络以及收发数据等。在给协调器上电后，其应用层发送原语发起新网络的建立。它，没有休眠模式，会持续处理不同节点加入网络需求，按照协调器节点建立网络特征，对申请加入网络的节点请求

32、予以处理。协调器建立网络流程4.5 终端节点加入网络在发现中心节点在建立网络之后，终端节点会向中心节点发出加入网络需求，随后重点节点会确认是否允许该节点加入并成为网络节点，最后利用返回数据来决定。新节点加入Zigbee网络有子节点主动关联和指定父节点邀请俩种不同的方式。温室控制系统采用 Zigbee 组网方式，通过协调器和路由节点组件，通过将通信模块中的功能模块添加到系统之中实现无线通信网络的构建。当下位机通电后协调器可申请对无线通信网络的数据接收，并将节点纳入系统总网络之中。此时用户可通过无线通信模块中的LED1灯的亮灭情况来查看是否组网成功，本次设计选用的树型网络拓补结构中，父节点可以同时

33、为中心节点协调器以及路由器。4.5.1 子节点关联在新网络建立后，子节点会寻找网络并要求加入，并实现与网络中的父节点进行关联，网络层会向MAC层请求扫描。MAC层扫描子节点中的信息，并将其反馈到网络层中，在完成扫描后。MAC层会通知网络层。网络层再将结果反馈给应用层。如果存在多个网络时，网络层就会在接受请求后从路由器列表中选择对应网络里到协调器距离最短的父节点进行关联。关联结果最后总也会返回到啊网络层和应用层。父节点在接收子节点加入网络请求后，检查 节点的64位扩展地址，并基于此决定是否实现资源分配。4.5.2父节点邀请加入指定父节点邀请加入网络。子节点的64位拓展地址已经存在于父节点中。父节

34、点根据已有地址之际额确认子节点的请求。不需要其间进行通信。4.6上位机软件设计上位机界面编程利用Visual Studio 2005， VS是美国 HYPERLINK /item/%E5%BE%AE%E8%BD%AF%E5%85%AC%E5%8F%B8 t _blank 微软公司的开发工具包系列产品。VS是一个基本完整的开发工具集，它包括了整个 HYPERLINK /item/%E8%BD%AF%E4%BB%B6%E7%94%9F%E5%91%BD%E5%91%A8%E6%9C%9F t _blank 软件生命周期中所需要的大部分工具，如UML工具、代码管控工具、 HYPERLINK /ite

35、m/%E9%9B%86%E6%88%90%E5%BC%80%E5%8F%91%E7%8E%AF%E5%A2%83 t _blank 集成开发环境(IDE)等等。所写的 HYPERLINK /item/%E7%9B%AE%E6%A0%87%E4%BB%A3%E7%A0%81/9407934 t _blank 目标代码适用于微软支持的所有平台，包括 HYPERLINK /item/Microsoft%20Windows t _blank Microsoft Windows、 HYPERLINK /item/Windows%20Mobile t _blank Windows Mobile、 HYPE

36、RLINK /item/Windows%20CE t _blank Windows CE、 HYPERLINK /item/.NET%20Framework t _blank .NET Framework、 HYPERLINK /item/.NET%20Compact%20Framework t _blank .NET Compact Framework等等。该软件使用c#语言。设计温湿度监测系统的界面。需要新建俩个窗，,再加入相应的控件。设置为每1秒刷新一次数据。再写入对应的程序让时钟空间显示日期。5温湿度监测系统的调试 5.1准备工作首先需要排除各类硬件故障。确保电路完整没有接触不良和电压

37、不稳等可能造成调试失败的情况。选用符合条件的节点进行测试。使用硬件有PC机、仿真器、终端节点俩个以及中心节点协调器一个。在zigbee协议栈完成后，进行软件的编写和修改。把程序下载到协调器和终端节点。利用IAR嵌入式集成开发环境完成上述操作。测试时网络拓补类型选择星型网络。俩个终端节点采用三界1.5V电池供电。协调器用USB方式供电。通过串口与PC机相连。采用USB转接头与pc机进行通信。 5.1.2稳定性测试设置终端节点电源模式为完全功能模式。运行一段时间检查各个模块是否运转正常。电压是否在正常范围内，液晶是否清晰可见无闪屏现象。5.1.3安全性测试检查系统各处接口，确保接线正确，避免出现短

38、路现象。定时检查芯片温度和工作电压，防止仪器设备的损坏。硬件测试完成后确认温湿度传感器的工作状态。检查其是否正常工作。利用串口调试助手测试传感器的几个串口通信情况是否正常。5.2软件无线组网测试 5.2.1配置传感器在协议栈成功移植后。用IAR集成开发发软件打开组网程序，在传感器程序编译完全通过后，连接PC机、仿真器和测试实验板对应接口。按仿真器的重置建。仿真器应亮灯正常。然后点Debug键下载程序。在进度条完全消失后，显示屏出现调试界面时，点击退出调试状态并拔掉Debug线，再次按下reset键，此时LED1，LED2慢速闪烁。此时测试实验板已经被成功设为终端传感器节点。5.2.2 配置协调器编译协调器程序，完全通过后连接PC机、仿真器和实验测试板对应接口，仿真器亮灯正常。点击Debug键下载程序。下载完成后再车故事窗口中点击运行键，实验测试板LED1，LED2同时闪烁，这时LCD屏会显示当前节点的IEEE地址。这时退出调试状态，拔掉D而不敢线。重启电源。按下Reset键。实验板则设置成路由器节点。此时按下U3 的UP键则LED1/LED3常亮，LED2闪烁，实验板此时为协调器节点。 5.3系统调试关闭网