精品文檔基于ZigBee技術的溫濕度遠程監測系統設計 學生：陳園（指導老師：吳琰）（淮南師范學院電子工程學院）摘 要: 針對目前溫室大棚農作物大面積種植，迫切需要科學的方法進行智能遠程監測的研究現狀，設計出一套溫濕度遠程監測系統。該系統是有多個采集終端和一個協調控制器組成。多個終端分別放置不同的大棚內進行實時采集數據，協調控制器的作用就是將多個采集終端通過無線傳輸過來的的數據進行分析并和PC機連接。PC機上運行上位機軟件實時的監測各大棚的溫濕度信息。多個終端和協調控制器均采用TI公司新一代CC2530芯片；溫濕度傳感器采用市場上比較流行的DHT11；無線傳輸采用ZigBee協議；上位機軟件采用labVIEW編寫，并通過RS-232與協調控制器連接通信。通過實物測試了ZigBee無線傳輸的穩定可靠性，丟包率在誤差范圍內。溫濕度采集有0.5s延時時間，滿足實時性要求。關鍵詞: 終端；協調控制器；DHT11；CC2530；ZigBee；上位機 Design of Remote Monitoring System for Temperature and Humidity based on ZigBee TechnologyStudent: Chen Yuan(Faculty Adviser：Wu Yan)(college of electronic engineering, Huainan Normal University)Abstract: According to the current situation of the research on the intelligent remote monitoring of greenhouse crops, the research status of intelligent remote monitoring is urgently needed, and a set of remote monitoring system for temperature and humidity is designed. The system is composed of a plurality of acquisition terminals and a coordinated controller. Multiple terminals are placed in different greenhouses for real-time collection of data, the role of the coordination controller is to collect more than one collection terminal through wireless data transmission over the data analysis and PC machine connection. Temperature and humidity information operation software of PC real-time monitoring of the greenhouse on PC. A plurality of terminals and a coordinated controller are used in a new generation of CC2530 chip of TI company; temperature and humidity sensor used on the market more popular DHT11; wireless transmission based on ZigBee protocol; PC software using LabVIEW, and connected with the communication through the RS-232 and coordination controller. The reliability of ZigBee wireless transmission stability test through the physical, the packet loss rate is in the range of error. Temperature and humidity acquisition 0.5s time delay, meet the real-time requirements.Keywords: Terminal; coordination controller; DHT11;CC2530; ZigBee; host computer1. 緒論1.1 設計背景和研究意義現如今我國已經成為世界第一糧食生產大國，據有關統計說明，我國農作物設施栽培面積已經超過210萬hm2。提高農作物的生產效率已經成為提升中國在國際社會中發展速度的重要的因素之一。結合我國的氣候環境來說，普通的傳統式耕作方式受到了限制，在某個季節只能收獲特定的農作物，而且外界因素的干擾性較大，突然降溫或者長時間的干旱都是影響收成的關鍵因素。溫室大棚的出現很好的解決了這一問題，使消費者在任何時候，任何季節都可以吃到新鮮的果蔬。溫室大棚的流行，不僅僅給消費人群帶來了便利，也為生產者帶來了經濟利益。但大面積的種植，如何提高生產效率和更好的監管大棚內作物的生長成了關鍵問題。溫室作物生長的關鍵問題就是如何控制好溫室內的環境溫濕度。只有在合適的生長環境下，農作物才能以最佳狀態生長，才能提高作物的產率。所以，設計出如何很好的控制和監測大棚內的溫濕度環境成為了關鍵因素。1.2 國內外發展現狀如今快節奏的生活方式，使各個大城市生鮮超市的果蔬成為了熱銷品，而價格卻居高不下。這些因素追根溯源都歸結與溫室大棚的生產效率問題。如何提高溫室大棚的生產效率問題，已經成為國內外迫切需要解決的問題。隨著市場的千變萬化，物聯網技術的飛速發展，溫室種植規模的不斷擴大，對溫室生產過程的監測，調控技術的需求量日益增加，不但要管理好作物的生產品種、面積。還要時刻關注市場，使得生產、消費處于良性狀態的循環下。過去的“十一五”期間，國內不少研究機構和農業相關單位也研究出了一系列溫室監控系統。但是，這些產品過于單一化。只能適應于小范圍的。局域性的溫室環境。而不能滿足于大面積的大棚監控。各個環境間缺少信息的交換。而我國溫室大棚恰恰是由溫室群為主。不是很完美的解決目前的問題。20世紀70年代，國外溫室大棚生產技術以飛快的速度發展。但由于需求和生產面積的限制，溫室監控系統也只是適用于小規模的溫室，但在那樣的環境下，小規模的溫室農作物栽培已經能滿足于市場的需求，因此局域性的的溫濕度監測系統已經達到要求，而考慮到我國的現狀，大規模溫室群已經成為主流，開發出大規模的溫室群溫濕度監測系統已經是大勢所趨。1.3 論文設計主要內容基于ZigBee技術的遠程溫濕度監測系統設計主要是針對于我國目前大棚產業的現狀而設計，設計的特點是利用ZigBee技術，利用其獨特的組建局域網的模式，實現將各個大棚數據匯總到一起，實時動態的監測每個大棚狀態，可以減少生產人員的工作量，在沒有異常的情況下，人員可以節省時間，提高工作效率。從而達到以最小的付出收獲最大的利益，這也是科技是第一生產力的最終目的。論文的第一部分為緒論部分，詳細講述了設計該系統的背景和目的，分別介紹了國內目前溫室大棚技術的現狀和國外發展的狀況，所以設計出一種適應于我國溫室大棚的遠程監測系統是迫在眉睫的。第二部分是系統設計相關理論知識介紹，分別介紹了ZigBee技術的特點和優勢，以及IAR開發環境、labVIEW軟件介紹2 系統設計相關知識介紹2.1 ZigBee技術ZigBee是近幾年新興一種的短距離、低速率、穩定可靠的無線網絡技術，是無線傳感網絡(WSN, wireless sensor network)的核心技術之一。是基于IEEE.802.15.4無線標準研發的，關于組網、應用軟件和安全的技術標準。ZigBee的特點就是可靠性高、無人工自組網和斷網自恢復能力強、多工作頻段工作和開發難度相對簡單1。ZigBee的起源卻很有意思，它的命名主要是人們對蜜蜂采蜜的觀察，蜜蜂在采蜜的過程中，會跳著優美的舞蹈并發出“嗡嗡”的聲音，其舞蹈的軌跡很像“Z”字形狀；蜜蜂個體比較小，但是群體多，單個個體能量小，能攜帶花粉。因此，我們用ZigBee技術來表示低成本，低功耗，能量小，傳輸速率低的無線通信技術。在中文翻譯中，通常用字面翻譯來解釋“紫蜂”。在ZigBee技術中，我們學習和開發時，通常都要從層的角度去理解。當然它也是和我們熟知的TCP/IP協議的層結構類似，但由于其本身是簡單的，低功耗的，低速率的無線傳輸協議，所以層的結構相對TCP/IP來說要簡單的多。2.1.1 協議層藍牙、WIFI等其他網絡協議一般有7個層，分別為物理層、數據鏈路層、網絡層、傳輸層、會話層、表示層、應用層。而ZigBee協議層相對簡單，僅為3層，分別為PHY層、MAC層以及應用層。PHY提供兩種兩種類型的服務：即通過實體接口(PLMN)對PHY層數據和管理提供服務，PHY層數據服務可通過無線物理信道接受和發送物理層協議數據單元(PPDU)來實現2。PHY層主要作用是負責無線數據的收發、數據能量的檢測、信道的選擇、清除信道選擇(CCA)、及通過物理媒體對數據包進行收發2。MAC主要的作用就是信道的管理、信道接入、時隙管理、發送確認幀、發送狀態連接和斷開狀態的請求。還提供一些合適的安全機制2。MAC層應用框架層物理PHY層網絡安全層IEEE 802.15.4ZigBee協議圖1 ZigBee協議層示意圖2.1.2 網絡拓撲結構ZigBee技術根據相關的應用有三種拓撲結構分別為：星形拓撲結構、樹形和網狀拓撲結構。如圖2所示。路由器協調器終端星形結構網狀結構樹狀結構圖2 ZigBee網絡拓撲結構圖星形結構是由一個協調器、多個路由器和終端組成，協調器能同時和路由器和終端組成網絡通信。其中路由器和終端不能直接通信，必須通過協調器進行轉換操作，才能實現數據的交換。網狀結構與星形結構不同的是，它各路由器之間也能相互通信，各路由器又能和協調器進行數據的交換，路由器分別把終端采集的數據通過路由器的轉換、通信反饋給協調器。樹狀結構特點更明確，類似于等級似的數據交換，一個路由器只負責自己旗下的幾個終端節點，不與其他路由器通信，只與協調器進行數據交換。然后協調器要控制終端也必須經過他們的各自所歸屬的路由器。2.2 硬件芯片介紹2.2.1 CC2530芯片CC2530是德州儀器（ TI ）公司專為適應物聯網大潮而設計的一款專用于IEEE 802.15.4無線局域網協議的專用片上系統芯片(SOC)。能以非常低的功耗和成本建立強大的無線個人局域網節點。與其他眾多嵌入式芯片不同的是，它集成了業界領先的RF收發器，當開發者使用就無需再進行額外的無線模塊外圍電路的設計。大大減小了硬件開發者難度開發者。CC2530采用工業增強型的8051內核，內部系統帶有可編程的FLASH存儲器，8K的RAM和其他MCU資源。CC2530有四種不同的型號：CC2530F32/64/128/256，主要是根據Flash大小區分：32/64/128/256KB的Flash存儲器。目前廣泛應用于物聯網、智能家居行業。圖3 CC2530芯片引腳圖2.2.2 DHT11溫濕度傳感器DHT11是一款價格低廉的、內部含有已校準數字信號輸出的溫濕度傳感器，是市場上非常常見的復合數字傳感器。由于其價格低廉，開發使用方便，因此廣泛使用于汽車、測試及檢測裝備、除濕器、溫濕度調節器等場合。其內部還有電阻式感濕元件、NTC測阻元件、OPT以及MCU控制電路模塊；將這些部件封裝在一起，實現溫濕度數據的采集處理；通過單總線的方式輸出。濕度測量范圍：20%90% 濕度精度：5%RH 溫度精度：2 分辨率：1 封裝：4針單列直插圖4 DHT11實物圖表1 DHT11引腳功能說明PIN名稱注釋1VCC供電3-5.5DC2DATA單總線，串行數據3NC空腳，請懸空4GND接地，電源負極2.3 開發環境介紹2.3.1 IAR開發環境IAR是目前嵌入式開發工具中非常流行的一款開發軟件，它集成C/C+編譯器、調試器于一體的優勢獲得了眾多嵌入式開發工程師的青睞。它是全球領先的的嵌入式開發工具和服務的供應商IAR Systems所提供，支持目前全球眾多知名半導體公司的微處理器。全球眾多著名的半導體公司也在使用IAR公司的產品。開發的嵌入式產品主要應用于消費電子、航空航天、工業控制、汽車電子、醫療電子等眾多領域。IAR公司根據市場上不同的微處理器芯片的內核，提供了不同的版本。我們這里用到的是IAR Embedded workbench IDE for Intel MCS-8051 這種版本的IAR開發環境主要是為8051內核的微處理器。其軟件界面如圖5。圖5 IAR開發環境界面2.3.1 labVIEW 2013開發環境labVIEW是美國國家儀器( NI )公司推出的的一款程序開發開發環境，該公司還有一款非常經典電路仿真軟件Multisim，也受到了廣大電子工程師的喜愛。LabVIEW也是類似于C、BASIC等程序開發環境類似，但他不同的于其他計算機開發語言的是它拋棄了傳統的文本式的語言編輯，取而代之的是圖形化的編程語言進行開發，也就是人們所說的G語言，G語言最大的優勢就是簡單、簡潔明了。這種程序開發語言對程序員的語法知識要求不是很高，所以對于非計算機類專業的人員，用到界面開發的話，labVIEWS是最好的選擇。該軟件的特點就是提供了非常齊全的程序控件，開發者不用關心底層是如何實現的，軟件本身就提供了各類接口控件，不管是是底層嵌入式的開發，還是上層應用的開發，labVIEW都可以滿足設計者的要求。labVIEW軟件界面如圖6所示。圖6 labVIEW2013軟件界面3 系統硬件電路設計3.1 電源電路CC2530及外圍傳感器工作電壓為3.3V的工作電壓，所以在電源電路設計的時候將直流輸入的5V電壓轉換成3.3V，如圖7所示。圖7中，電壓變換采用了LM1117電壓轉換芯片，該芯片的目的就是將輸入的5V電壓轉換成微處理器需要的3.3V。其中DCIN為直流5V輸入接口，經過F1的保險絲和開關進入LM1117的3號管腳，經芯片轉換過后，2號引腳輸出3.3V電壓。其中在2號管腳和3號引腳都會有電解電容、普通瓷片電容接地；瓷片電容的目的是濾除高頻雜波。在轉換正常的情況下，二極管LED指示燈會接通，并發光。圖7 電源電路3.2 通信電路在本設計中，涉及到下位機和PC上位機通信的過程。通信方式有USB通信、RS-232通信，這里我們選擇開發難度相對簡單的RS-232通信協議，也就是串口通信。但是目前市場上筆記本電腦基本都取消了串口接口，所以需要將USB信號轉換成串口信號。圖8為USB轉串口的轉換電路。圖8 PL2303驅動電路3.3 傳感器電路本設計采用溫度、濕度兩用的傳感器DHT11，DHT11采用單總線的數據讀取和寫入模式，操作簡單，程序代碼編寫也較為容易。借鑒官方數據手冊提供的驅動電路，如圖9所示。圖9 DHT11采集電路傳感器1號引腳接電源VCC端；3號引腳接GND端，為傳感器提供正常的工作電壓，2號引腳為數據端口，其中該端口在使用時需要將其接上10K的上拉電阻，目的是為了能使讀取和寫入數據的穩定性，單片機輸出的高電平在傳輸過程中會受到外界或者導線的影響，到達數據口的時候可能會發生變化，所以這里需要接上上拉電阻保持其信號的穩定性。3.4 主控電路CC2530的工作正常工作電壓3.3V，因為該芯片內部自帶AD轉換芯片，所以這里會有模擬電壓和數字電壓的區別，如圖10所示。芯片引腳中標有DVDD的均為數字電源正，標有AVDD的均為模擬電源正。32、33、22、23引腳都接上了晶振，但不同的是：22、23接的是32M的晶振，為系統提供正常工作提供基準時序。32、33引腳接上的晶振為32.768K，其作用就是為系統時間提供基準時序，開發者可以采用這個時序基準開發RTC實時時鐘；另外，當單片機處于休眠狀態時，該晶振還可以繼續提供實時時鐘的時序。.圖10 CC2530系統電路4 系統軟件設計4.1 系統整體框架根據設計要求，構思出系統整體框架。溫濕度傳感器采集數據；采集節點進行數據的處理，并通過無線傳輸給協調器；協調器通過點對點的通訊方式和各個節點聯系，并實時的接受各節點的數據。協調器與PC機通信，把各節點的信息發送PC端。這里由于實際情況的限制，不可能采取N多個節點；所以設計采用2個節點為例。傳感器傳感器協調器節點2節點1PC機圖11 系統結構框架4.2 下位機程序設計任何的程序代碼編寫都要事先進行程序流程圖的設計，本設計的下位機程序設計是根據Z-Stack協議棧規范的，所以在程序設計時，與以往的裸板開發不一樣，在理解Z-Stack協議棧的APP層的同時，加入自己的邏輯設計、應用程序部分。程序流程圖如圖12所示。報文發送開始DHT11初始化初始化成功？數據處理NY提取數據串口發送開始建立連接？接收報文NY圖12 節點發送、協調器接收程序流程圖在節點程序設計時，首先要對DHT11驅動的子程序編寫，測試并通過；然后移植到協議棧的程序代碼中調試。能在協議棧中也能實現溫濕度采集，并實現數據的發送程序編寫。在協調器程序設計時，首要問題就是報文的提取。在Z-Stack協議棧中，接收到的報文并不是單獨的數據，所以必然要將需要的數據包提取出來，然后解析數據并編寫協議棧環境下的串口發送程序。具體程序代碼見附錄。4.3 上位機程序設計協調器和節點都是基于C語言開發的，而上位機的界面開發則是根據labVIEW軟件的特點，采用圖形化的G語言開發，程序流程圖如圖13所示。開始串口連接？YN點擊采集按鈕？YN接受數據解析數據節點1節點2退出？退出軟件圖13 上位機程序流程圖根據設計的程序流程圖，在labVIEW 2013程序面板中編寫相應的代碼。其代碼如圖14所示。圖14 labVIEW程序面板程序面板中，所有執行代碼都是在一個大的循環下執行的，要讓軟持續運行，大循環的條件必須為真；條件為真時系統時間控件會顯示當前時間延時控件也會工作。控制循環的是布爾變量的按鍵，可以選擇條件的真假實現程序的終止。大循環內有一個VISA串口配置控件，將波特率設為115200bps、設置奇偶校驗位0、終止位0。接著就是另一個內嵌小循環；在這個小循環里，串口緩存區的數據在這里通過數組、字符的一些操作將數據分離出來，分別對應1號節點和2號節點。解析的數據將會在前面板顯示出來，所以前面板的設計也要合理美觀，前面板如圖15所示。圖15 labVIEW前面板5 系統調試及結果分析5.1 程序調試、下載經過系統流程的設計、代碼的編寫、移植、修改、調試，將協調器程序代碼編譯后通過JTAG下載的方式下載到CC2530芯片的Flash中；接通電源后，此時的協調器具有組建網絡的能力。接下來把程序切換到終端模式，對程序進行編譯、下載。同上電后，終端節點會自動查找協調器，自行搜索是否有對應的協調器的存在；若搜索到協調器的存在會主動建立網絡連接。程序編寫好后，點擊編譯按鈕，如圖16所示。圖16 程序調試編譯界面編譯通過后，通過JTAG將CC2530的下載口與PC機相連，協調器程序下載需在左上角的工程選項復選框選擇CoordinatorEB-Pro方式，點擊下載；下載終端節點的程序需要更改左上角工程選項復選框選擇EndDeviceEB-Pro方式，點擊下載。下載界面結果如圖17所示。圖17 JTAG程序下載界面5.2 運行結果及分析5.2.1 運行結果將程序代碼編譯下載到芯片內，分別給協調器和終端供電；協調器的組網指示燈會閃爍，等到有終端節點加入其網絡的時候，指示燈就會穩定的指示。終端節點的網絡指示燈也會一直指示網絡連接狀態。在終端節點的設備上，DHT11溫濕度傳感器的電源指示燈也會亮起，說明DHT11處于正常工作狀態。協調器（左下）、終端節點（左上、右上）組網狀態的實物設備如圖18所示。圖18 協調器、終端組網狀態圖協調器和PC連接時，檢查串行端口是否連接，查看 我的電腦設備管