鄧 然，朱 勇，詹 念，張 猛，代家為

(黑龍江大學 電子工程學院，黑龍江 哈爾濱 150080)

基于ZigBee技術的溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

鄧 然，朱 勇，詹 念，張 猛，代家為

(黑龍江大學 電子工程學院，黑龍江 哈爾濱 150080)

基于ZigBee技術的低功耗、低復雜度及傳輸安全等特點，運用軟件和硬件相結合的方式，提出了一種基于ZigBee技術的溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計方法。應用ZigBee技術通過溫濕度傳感器對溫濕度數(shù)據(jù)進行采集并傳輸給無線系統(tǒng)核心模塊，最后顯示在PC機上。測試結果表明，基于ZigBee技術的溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)功耗更低、穩(wěn)定性更高，可以廣泛應用于農業(yè)、軍事及醫(yī)療等領域。

無線傳感網(wǎng)絡；ZigBee技術；溫濕度采集；穩(wěn)定性

0 引言

隨著社會不斷的進步與發(fā)展，不僅在現(xiàn)實生活中人們需要通過先進的技術來隨時隨地、更快捷、更穩(wěn)定地獲取信息，工業(yè)、醫(yī)療及軍事等領域也不斷地引入先進技術來提高工作效率、降低作業(yè)難度?，F(xiàn)代通信技術已經(jīng)在各個領域極為廣泛地應用[1]，傳統(tǒng)網(wǎng)絡本身存在很多的局限性，導致許多特殊環(huán)境下的網(wǎng)絡覆蓋和網(wǎng)絡支持仍然是個難題[2]，而運用無線通信技術則能夠快速有效地解決這些難題。但監(jiān)控現(xiàn)場仍采用有線的連接方式實現(xiàn)傳感器與數(shù)據(jù)采集模塊的通信[3]，這種連接方式大大增加了施工難度，造成了設備移動性差、維護困難及組網(wǎng)復雜等問題，其缺點顯而易見，甚至在某些場合難以實現(xiàn)。在這種情況下，無線傳輸?shù)玫搅孙@著發(fā)展。目前用于無線傳感器網(wǎng)絡的網(wǎng)絡協(xié)議主要有無線局域網(wǎng)(Wireless Fidelity，WiFi)、超寬帶通信(Ultra WideBand，UWB)、藍牙(Bluetooth)、紅外線數(shù)據(jù)通信(Infrared Data Association，IrDA)及ZigBee技術等[4]。包含 IEEE802.15.4標準[5]的ZigBee技術具有低復雜度、低功耗和低成本等特點，主要適合于自動控制和遠程控制領域，可以嵌入各種設備中，并支持地理定位等功能[6]。

1 系統(tǒng)硬件設計

本文研究的系統(tǒng)主要用于溫濕度的采集、傳輸和顯示，系統(tǒng)包括終端節(jié)點、協(xié)調器節(jié)點以及上位機。系統(tǒng)的硬件設計主要包括終端節(jié)點和協(xié)調器節(jié)點2部分，該系統(tǒng)的核心處理器選用的是CC2530，溫濕度傳感器選用的是DHT11。

1.1 ZigBee網(wǎng)絡系統(tǒng)的整體設計

系統(tǒng)硬件結構由終端節(jié)點、協(xié)調器節(jié)點和上位機構成，終端節(jié)點負責采集數(shù)據(jù)，通過連接將數(shù)據(jù)逐級傳遞直至上位機。終端節(jié)點隨機分布在所要監(jiān)測的區(qū)域進行自動組網(wǎng)，周期性地對溫濕度數(shù)據(jù)進行實時采集，并將采集到的數(shù)據(jù)傳輸給協(xié)調器節(jié)點。協(xié)調器的主要功能是建立并維護ZigBee網(wǎng)絡，傳遞上位機命令給傳感器節(jié)點以及返回采集的數(shù)據(jù)給上位機[7]。協(xié)調器節(jié)點通過串口將溫濕度數(shù)據(jù)傳遞給上位機，上位機對數(shù)據(jù)進行處理后，顯示到應用界面，系統(tǒng)整體結構圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結構圖

1.2 ZigBee節(jié)點硬件設計

硬件節(jié)點的設計選用CC2530作為核心處理器，CC2530是TI公司在2.4 GHz頻段推出的第2代支持IEEE 802.15.4/ZigBee協(xié)議的片上系統(tǒng)(System on a Chip，SoC)芯片。其內部集成了高性能射頻(Radio Frequency，RF)收發(fā)器、工業(yè)標準增強型8051 MCU內核、256 KB Flash ROM(Read．Only Memory)和8 KB RAM(Random Access Memory)[8]。該芯片不僅提供了JTAG接口用于程序的下載與調試，還包含了大量的I/O接口，RS232串口和USB接口方便上位機讀取串口數(shù)據(jù)，主要負責傳感器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)簡單處理、數(shù)據(jù)無線傳輸以及繼電器控制等功能[9]。該芯片同時具有低功耗、能建立強大的網(wǎng)絡節(jié)點等優(yōu)勢[10]。該系統(tǒng)中的節(jié)點使用CC2530-EB核心板，該核心板主要包括CC2530單片機、天線接口和晶振等；溫濕度傳感器采用DHT11；無線傳感器由3個模塊構成，分別是傳感模塊、處理模塊和通信模塊，節(jié)點模型如圖2所示。

終端節(jié)點和協(xié)調器節(jié)點均包含電源模塊和調試電路模塊，除此之外，終端節(jié)點還包含溫濕度傳感器DHT11，結構如圖1所示。溫濕度傳感器DHT11具有校準功能，用于數(shù)據(jù)的采集，電源模塊有4種供電模式，均可以為節(jié)點提供3.3 V電源，調試電路采用的是JTAG協(xié)議，用于芯片內部測試。

2 系統(tǒng)軟件設計

由于實現(xiàn)功能不同，系統(tǒng)軟件設計被劃分為3個模塊：終端節(jié)點數(shù)據(jù)采集模塊、協(xié)調器數(shù)據(jù)管理模塊和串口通信模塊。系統(tǒng)軟件設計的開發(fā)平臺選用業(yè)界領先的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)軟件IAR。選用全球領先的TI 公司研發(fā)的Z-Stack作為協(xié)議棧。Z-stack協(xié)議棧由7層構成，分別是物理層、協(xié)議棧網(wǎng)絡層、控制層、協(xié)議棧網(wǎng)絡層安全服務規(guī)范層、設備對象、應用支持子層以及協(xié)議棧應用層，各層之間通過相互提供的接口進行通信[11]。終端節(jié)點程序模塊和協(xié)調器節(jié)點程序模塊組成了下位機程序設計，它們是根據(jù)功能的不同進行劃分的。協(xié)調器以及普通節(jié)點之間的網(wǎng)絡建立主要利用Z-stack協(xié)議棧內部提供的路由協(xié)議來完成，協(xié)調器與上位機的串口通信則可以調用Z-stack提供的API。

2.1 DHT11溫濕度采集

DHT11采用單線雙向的串行接口，一次通信時間4 ms左右。數(shù)據(jù)格式包括5個8位數(shù)據(jù)，從高位到低位依次是：濕度數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)、校驗數(shù)據(jù)、濕度數(shù)據(jù)和溫度數(shù)據(jù)，都是由8位整數(shù)數(shù)據(jù)和8位小數(shù)數(shù)據(jù)組成的，校驗數(shù)據(jù)由1個8位數(shù)據(jù)組成。單片機CC2530轉換成低電平即發(fā)送一次開始信號，此低電平延時必須大于18 ms，然后主機由低電平變成高電平，持續(xù)30 s左右的時間，即主機發(fā)送的開始信號。當DHT11檢測到這個信號后，就會從初始的低功耗模式轉換成高速模式，發(fā)送數(shù)據(jù)并進行一次信號采集的觸發(fā)。數(shù)據(jù)采集完成后，DHT11就會自動轉換成低功耗模式，等待主機再次觸發(fā)。如果DHT11沒有檢測到主機發(fā)送的開始信號，就會保持低功耗模式。

2.2 節(jié)點程序設計

在ZigBee通信棧協(xié)議中，能夠組成的網(wǎng)絡拓撲結構有星狀網(wǎng)、樹狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)[12]。在本文無線通信網(wǎng)絡設計中，采用星形拓撲結構，在該結構中，一個功能強大的全功能器件作為網(wǎng)絡協(xié)調者位于網(wǎng)絡的中心[13]，協(xié)調器節(jié)點是整個傳感器網(wǎng)絡的樞紐，在建立和管理網(wǎng)絡的同時又可以和終端節(jié)點進行數(shù)據(jù)交互。終端節(jié)點主要任務就是數(shù)據(jù)采集，并將采集的數(shù)據(jù)傳遞給協(xié)調器節(jié)點。

ZigBee網(wǎng)絡實現(xiàn)的大致步驟為：協(xié)調器開始建立網(wǎng)絡，建立成功后，終端節(jié)點發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡并發(fā)送申請加入網(wǎng)絡的請求，協(xié)調器響應該請求，最后節(jié)點間開始進行數(shù)據(jù)通信。這里主要介紹終端節(jié)點和協(xié)調器節(jié)點，2類節(jié)點的軟件設計如下。

2.2.1 協(xié)調器節(jié)點程序設計

協(xié)調器起到網(wǎng)絡樞紐的作用，負責給加入的節(jié)點分配地址，并協(xié)調各節(jié)點相互之間的聯(lián)系。協(xié)調器部分主要進行無線射頻通信及串口通信程序設計。協(xié)調器上電之后，首先對軟硬件進行初始化，然后開始建立ZigBee網(wǎng)絡，隨后主程序進入查詢進程列表狀態(tài)，等待事件的發(fā)生。事件包括串口事件和無線事件，串口事件是上位機發(fā)來的消息，無線事件是終端節(jié)點或者協(xié)調器發(fā)來的消息，如加入網(wǎng)絡或者發(fā)送溫濕度數(shù)據(jù)等。協(xié)調器的流程圖如圖3所示。

2.2.2 終端節(jié)點程序設計

該設計中，終端節(jié)點的作用主要是進行數(shù)據(jù)的采集和傳輸。在監(jiān)測環(huán)境中可能會存在很多的ZigBee終端節(jié)點，這些節(jié)點采集環(huán)境中的溫濕度數(shù)據(jù)，并傳遞給匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點再將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機進行處理。

設備上電后，首先對軟硬件進行初始化，如果收到加入網(wǎng)絡的通知，則加入網(wǎng)絡并接受協(xié)調器分配的網(wǎng)絡地址；反之，則向協(xié)調器發(fā)送入網(wǎng)請求，申請通過后，入網(wǎng)進入調度策略，查詢進程列表中的進程，進入相關進程。再判斷查詢器是否到期，如果到期了，發(fā)送數(shù)據(jù)即可；如果沒到期則繼續(xù)查詢。流程圖如圖4所示。

圖4 終端節(jié)點流程圖

3 系統(tǒng)性能分析與測試

在測試之前要排除硬件的各種問題，比如接觸不良、短路或電源不穩(wěn)定等，然后開始上電調試。在測試中，網(wǎng)絡拓撲類型選擇星型網(wǎng)絡，2個終端節(jié)點采用3節(jié)1.5 V電池供電，協(xié)調器采用USB供電，并通過串口與計算機連接。把終端節(jié)點的電源模式設定為完全功能模式，協(xié)調器沒有休眠模式，因此不用設置。盡管基于ZigBee協(xié)議的傳感器網(wǎng)絡是比較穩(wěn)定的，但該系統(tǒng)也會受到雷電、障礙物及電源污染等影響，所以選擇空曠場地進行測試，測試現(xiàn)場的溫度為25℃，相對濕度大約為38%，連續(xù)觀察，測得數(shù)據(jù)結果如圖5所示。

圖5 溫濕度數(shù)據(jù)采集折線圖

實驗數(shù)據(jù)表明，協(xié)調器節(jié)點能夠實時地接收到終端節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，并且通過和實際溫度對比，可以看出，采集到的數(shù)據(jù)基本準確，證明了系統(tǒng)的準確性。隨著實驗的逐漸深入，發(fā)現(xiàn)如下現(xiàn)象：

① 在65 m的距離內，實驗數(shù)據(jù)基本吻合，并且不存在丟包的現(xiàn)象，整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定；② 在超出65 m的距離后，溫度的實驗數(shù)據(jù)和實際數(shù)據(jù)存在±1℃的誤差，濕度的實驗數(shù)據(jù)和實際數(shù)據(jù)存在±1%的誤差，并且會伴隨丟包現(xiàn)象的發(fā)生。隨著距離的不斷增加，丟包率不斷增大，因此丟包率和距離成正比。

4 結束語

簡要介紹了基于ZigBee技術的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的基本原理、硬件設計和軟件設計，并對其準確性和穩(wěn)定性進行了測試和分析。

此次研究中，將ZigBee協(xié)議應用到了溫濕度的數(shù)據(jù)采集和傳輸，并且得到了較理想的實驗結果，目前，ZigBee被認為是最適合傳感器網(wǎng)絡接入端的短距離無線通信技術[14]。這項技術不僅解決了農業(yè)、工業(yè)、軍事以及醫(yī)學上一些作業(yè)難題，還極大地提高了應用系統(tǒng)的可靠性、實時性，降低了系統(tǒng)開發(fā)成本，并且大大提高了各行各業(yè)的生產(chǎn)工作效率和自動化程度。下一步研究可以在組網(wǎng)中加入路由器節(jié)點以增大測量范圍，進行更充分的實驗，得到更準確的結論。

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Design of Temperature and Humidity Data Acquisition System Based on ZigBee Technology

DENG Ran，ZHU Yong，ZHAN Nian，ZHANG Meng，DAI Jia-wei

(School of Electronic Engineering，Heilongjiang University，Harbin Heilongjiang 150080，China)

Based on the low power consumption，low complexity and transmission security of ZigBee technology，a design method of temperature and humidity data acquisition system based on ZigBee technology is proposed by combining software and hardware.The temperature and humidity data are collected and transmitted to the core module of the wireless system by ZigBee technology，and finally displayed on PC.The test results show that the temperature and humidity data acquisition system based on ZigBee technology has lower power consumption and higher stability，and can be widely used in agriculture，military and medical fields.

wireless sensor network；temperature and humidity sampling；ZigBee；stability

10.3969/j.issn.1003-3114.2017.03.20

鄧 然,朱 勇,詹 念,等.基于ZigBee技術的溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計[J].無線電通信技術，2017，43(3):81-84.

[DENG Ran，ZHU Yong，ZHAN Nian,et al.Design of Temperature and Humidity Data Acquisition System Based on ZigBee Technology[J].Radio Communications Technology，2017，43(3)：81-84.]

2016-12-01

鄧 然(1991—)，女，碩士研究生，主要研究方向：通信與信息處理。朱 勇(1974—)，男，教授，主要研究方向：通信與信息處理。

TN911.7

A

1003-3114(2017)03-81-4