基于ZigBee技术的无线温湿度监测系统设计

刘伟永，王凤瑛

（山东科技大学 信息与电气工程学院，山东 青岛266590）

近年来，随着温室农业的推广与发展，温室大棚的种植为人们的生活带来极大的便利。农作物的生长与大棚中的温度、湿度、光照度等环境因子有很大的关系。因此，能够及时准确地监测温室大棚的温湿度具有重要的现实意义。传统的温湿度测量系统一般采用人工值守或有线采集方式，人工方式加大了工作量而且监测效率低[1-2]；有线数据采集存在着布线困难、功耗大、成本高等问题。

针对传统的数据采集传输过程中存在的问题和不足，本文设计了一种基于ZigBee技术的无线温湿度监测系统。ZigBee技术是针对无线低速传感器网络而提出的，具有低成本、低功耗、低复杂度、网络节点多、传输距离远等优点[3]，不仅能够满足大片温室大棚内温湿度的测量，而且还能满足低成本设备的要求。

1 系统整体设计方案

整个无线温湿度监测系统结构如图1所示。系统由上位机（PC）监控端和下位机ZigBee网络两部分组成。

图1 基于ZigBee协议的无线温湿度监控系统结构图

下位机ZigBee网络系统负责采集温室大棚内的温湿度数据，上位机负责显示温湿度数据并进行实时监控。

下位机ZigBee网络系统由温湿度传感器模块、路由器模块和协调器模块组成。温湿度传感器模块主要负责采集、存储和上传温湿度信息[4]。路由器模块主要负责转发温湿度信息。协调器模块主要完成温湿度数据的汇聚。下位机ZigBee网络系统和上位机之间通过RS-232串口进行通信。当监测大棚温湿度信息时，首先通过上位机端监控软件设置好波特率和串口号等参数，然后协调器开始组建ZigBee网络，这时路由器节点和温湿度传感器节点开始加入ZigBee网络。分布在各个大棚内的温湿度传感模块开始采集温湿度信息，并存储在Flash中，通过单跳或者多跳的方式发送到上位机，上位机监控端接收到温湿度信息后，把各个大棚内的温湿度信息显示出来。当温湿度信息异常时，在监控端会有异常提示，以便及时处理。

2 系统硬件设计

2.1 温湿度传感器模块

传感器采用Sensirion温湿度传感器家族中的SHT11传感器，它是一款超低功耗的高精度温湿度传感器，它的温度采集精度可达0.4℃，湿度采集精度可达3%RH；温度测量范围为-40℃～123.8℃，湿度测量范围为0%RH～100%RH；可采用的电压范围为2.4 V～5.5 V；能耗仅为1μW～30μW[5]。

CC2530与SHT11硬件连接图如图2所示。SHT11共有8个引脚，GND、DATA、SCK、VDD，其余4个引脚闲置。为避免信号发生冲突，在DATA与VDD之间接一个上拉电阻。在VDD与GND之间加入一个电容，用以去耦滤波。SHT11应用串行通信直接将数据传输至单片机，用CC2530的通用I/O口P0的P0_1/P0_0分别与SHT11的串行时钟线SCK和串行数据线DATA相连接，用于实现通信同步以及数据传输[6]。该设计既简化了传感器与单片机之间的接口，又提高了系统的稳定性。

图2 CC2530与SHT11硬件连接图

2.2 路由器和协调器模块的硬件设计

路由器模块和协调器模块在硬件结构上是一样的，它们不参与温湿度信息的采集。协调器通过RS-232串口和上位机相连。路由器之所以设计RS-232接口，是因为当协调器发生意外损坏的情况时，可以直接用路由器模块来替代协调器。路由器和协调器的硬件框图如图3所示。

图3 路由器、协调器模块硬件框图

3 系统软件设计

系统软件部分包括温湿度信息采集和发送部分、温湿度信息接收和显示部分。流程图分别如图4和图5所示。

图4 温湿度信息采集和发送流程图

图5 温湿度信息接收和显示流程图

上位机主要负责温室大棚的监控功能，温湿度监控界面如图6所示。

图6 数据监控界面

4 温湿度传感模块能耗检测

测试连接框图如图7所示。其中电池组采用两节1.5 V干电池串联的方式。测试前首先给协调器模块和温湿度传感器模块上电，等系统正常工作后，用示波器测量电阻两端的电压。利用测得的电压值和电阻值计算得到平均功耗。

图7 温湿度传感模块能耗测试连线框图

通过对设计的基于ZigBee技术的无线温湿度监控系统的数据误差进行测试，结果表明本系统的湿度误差可以控制在3%RH以内，温度误差可以控制在0.4℃以内，充分说明基于ZigBee技术的无线温湿度监控系统的温湿度误差大小符合要求。通过对SHT11传感器模块的能耗测试计算，两节1.5 V的干电池可以提供一个SHT11模块正常工作200天以上，说明了该系统具有低功耗的特点，并且可以进行长时间的监测工作。

[1]郭清华.蔬菜大棚智能温度控制系统应用研究[J].安徽农业科学，2008，36（11）：4487-4488.

[2]王翥，魏德宝，王玲.基于WSN的温室大棚温湿度监测系统的设计[J].仪表技术与传感器，2010（10）：45-48.

[3]李文仲.ZigBee无线网技术入门与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[4]骆科学.基于ZigBee协议的无线温湿度监控系统的设计与实现[D].吉林：吉林大学，2012.

[5]黄婷婷，刘占良，毛新华.基于ZigBee无线通信的温度监控系统设计[J].安徽农业科学，2010，38（14）：7562-7563.

[6]樊建明，陈渊睿.基于数字温度湿度传感器的温室多点测量系统设计[J].传感器与微系统，2007，26（7）：89-92.