基于ZigBee技术的温湿度采集系统

陈欢，秦怀宇，李旋

（1.无锡科技职业学院，江苏无锡，212000；2.江苏科技大学，江苏张家港，215600）

0 引言

温度和湿度作为环境监测的一项重要指标，对生产、生活有着重大影响。本文利用ZigBee无线传输技术，采集温湿度指标。以CC2530为主芯片，使用数字温湿度传感器采集数据，采用串口传输实现上位机和下位机之间的通信，并利用闭环反馈确保系统稳定性[1-6]。

1 主要研究内容

图1 系统框图

本设计可实现周围环境温度与湿度的采集、传输、显示等。硬件部分包含微处理器芯片、温湿度传感器、显示屏和步进电机等；软件部分利用监测软件进行数据的显示，最终实现的功能如下：（1）数据采集：利用温湿度传感器采集周围环境中的相关数据。（2）数据传输：终端设备利用无线通讯协议将数据信息传送给协调器，协调器通过USB串口上传到上位机。（3）数据显示：串口传输的数据在上位机中数字化显示并提供信息保存功能。（4）反馈调节：当数据信息超出设定范围时，反馈系统自动运行以保持系统稳定性。（5）系统测试：实时获取数据后，对其进行分析、评估，验证系统的基本功能。

2 系统硬件设计

2.1 CC2530核心模块设计

CC2530芯片是美国德州仪器公司研发的新一代ZigBee片上系统解决方案，建立在基于IEEE802.15.4标准协议之上。CC2530核心模块由主控芯片CC2530和外围设备组成，是ZigBee节点的核心部分。它集成RF收发器的优良性能，增强型8051内核，8KB RAM等强大功能[7-12]。

2.2 温湿度传感器模块接口设计

本设计采用DHT11温湿度传感器，其包含一个电阻式感湿元件和NTC测温元件，并与高性能8位单片机相连。该传感器性能稳定、响应快，抗干扰能力强，性价比高。测量范围是：温度0－50℃，湿度20%~90%；测温精度±2℃，测湿精度±5%，分辨力为1[13-17]。传感器为4针单排引脚封装，引脚说明见表1。

表1 DHT11数字温湿度传感器引脚说明

图2 DHT11温湿度传感器接口

2.3 串口通信模块设计

本文采用CH340串口通信模块，它是一个USB 总线的转接芯片，可实现USB 转串口、USB 转IrDA 红外或者USB转打印口。在串口方式下，CH340 提供常用的MODEM联络信号，为计算机扩展异步串口，或将普通的串口设备直接升级到USB 总线。CH340模块有4个外接引脚，具体说明见表2。

表2 CH340串口通信模块引脚说明

3 软件设计

3.1 下位机软件设计

系统进入主函数后，先对主控芯片和外围设备进行初始化设置。初始化完成进入循环检测。传感器开始采集温湿度数据，然后将数据传输给终端的CC2530芯片，终端接收到数据后会把数据发送给协调器，经历短暂的延时后终端还会给传感器一个再次采集数据的信号。协调器接收数据后会将数据通过串口发送至上位机同时显示屏会显示测量的数据。当温湿度数据超过系统设定的设定值时，系统会驱动步进电机工作，直到温湿度参数在设定值之内停止。主程序流程图如图3所示。

CC2530芯片向DHT11发送开始信号后，DHT11从低功耗模式唤醒，进入高速模式，并且会对开始信号进行响应。DHT11将采集的数据打包发送给主控芯片的控制器中，在发送结束后会再次接收到采集信号继续进行数据采集。以此往复进行。当主控制芯片向传感器发送结束信号后，传感器停止数据采集，然后进入低功耗模式。传感器控制流程图如图4所示。

3.2 上位机软件设计

本文采用LabView设计上位机软件，利用其VISA资源库选择串口和配置参数，通过串口通讯协议将串口中的数据传送到上位机中。数据经过若干编程模块的处理，在前面板显示控件按钮。图5是系统上位机的总体设计框图。前面板如图6所示。

图3 主程序流程图

图4 传感器控制流程图

图5 上位机设计框图

图6 前面板效果图

4 测试结果分析

4.1 无障碍测试

该测试在一长廊进行，节点高出地面1米，每10米取测量点，测试传输质量与距离的关系，结果如表3所示，可见当距离大于60米后，掉包率显著增加，传输质量下降。

表3 无阻碍掉包率测试

4.2 有障碍测试

在实际应用中，数据传输会遇到障碍物。本文为模拟这一场景，在终端与协调器之间放置壁垒，壁垒间距设为5米，评估传输性能，表4是其实验结果。可见，面对一道壁垒时，ZigBee能以较高质量传输数据，但是面对多层壁垒，几乎无法实现有效传输。

表4 有阻碍掉包率测试

5 结束语

本文以CC2530模块为基础搭建温湿度监测控制系统，分别设计了硬件接口电路、下位机控制软件和上位机测试软件，测试结果证实设计合理。多终端多协调器是开展后期工作的主要方向。