基于ZigBee的无线环境数据监测系统设计

潘晓贝

（1.河南省高校节能照明工程技术研究中心，河南 三门峡 472000；2.三门峡职业技术学院 智能制造学院，河南 三门峡 472000）

在日趋智能化的现代工农业生产过程中，温度、湿度、光照强度等环境数据的监测越来越重要，关系到生产效率的提高、能源的节约[1]。传统的环境数据监测系统不仅价格高、构造复杂、布线麻烦，而且功耗高、系统扩展性差、维护费用高，已经不能适应智能控制的需求。本文基于ZigBee无线传感器网络技术设计了无线环境数据监测系统。该系统采用CC2530作为主控器件，能够采集温度、湿度、光照强度等环境数据，适用于蔬菜大棚、花卉温室、粮库等需要对温度、湿度和光照强度等参数进行实时监控的场合。该系统具有成本低、功耗低、网络容量大、可扩展性好、性能稳定、维护方便等优点。

一、无线传感器网络（WSN）和ZigBee技术

（一）无线传感器网络（WSN）

无线传感器网络WSN（Wireless Sensor Networks）是一种分布式传感器网络，可以检测和感知外部世界的变化并做出相应的处理。传感器网络主要是为了实现数据的采集、传输和处理三种功能[2]。无线传感器网络因其低功耗，高功能和低价格而被广泛用于许多领域。无线传感器网络基本结构如图1所示。

图1 无线传感网络基本结构

传感器模块不仅可以采集数据，还可以对采集到的信息进行一定的处理。由于传感器节点主要由电池供电，因此从节点到无线通信功能的硬件设计必须以低功耗操作来实现，这可以延长传感器节点的寿命。无线传感器网络的核心组件是中央处理器模块，处理器主要负责数据存储和信息处理。无线通信模块主要包括网络、MAC和收发器，主要职责是保证数据正常传输。整个系统的电源由电源模块提供。终端采集节点应尽可能保持睡眠状态，以最大限度地降低功耗。

（二）ZigBee技术

近年来，ZigBee技术对经济发展做出了很大贡献，被广泛应用于工业和农业生产。经过近几年的不断改进和普及，ZigBee技术发展相对成熟，它最大的特点是低成本、低功耗和高可靠性，广泛应用于数据采集和控制领域[3]。

ZigBee技术与其他通信技术相比，具有几个明显的特征：工作时功耗低；成本也非常低；网络组合灵活，容量大；安全性非常好。

ZigBee协议栈是指在整个协议体系结构的每一层中不同协议的综合通信标准，以函数形式提供给用户。网络中的收发节点需要该协议完成数据的正确传输。ZigBee协议栈结构如图2所示。

物理层（PHY）:物理层使用的协议是IEEE802.15.4，可以在无线传输信道和媒体访问层之间搭建桥梁。物理层的主要任务是选择合适的传输信道、负责通信数据的传输和接收以及通信链的质量检测和评估，也就是完成物理层的数据服务和管理服务[4-5]。

媒体访问介质层（MAC）:MAC层的帧结构不仅可以满足数据传输所需的不同通信协议，而且适用于不同网络拓扑中的MAC层协议。

网络层（NWK）:网络层通过某种函数衔接应用层和媒体介质访问层，就接口层而言，当网络层接收到函数时，它便可以执行与NPDU相关的操作，包括提取帧头部分的内容和确定网络的转发路径。

应用层（APL）:应用程序支持子层APS连接APL层和NWK层，设备对象到应用对象的安全服务就是以APSDE和APSME为服务接入点，并维护数据库管理对象。

二、系统总体结构

本设计利用ZigBee模块CC2530、温湿度传感器、光照传感器和液晶显示模块组成环境数据监测系统，对温湿度、光照强度等环境因子进行采集和控制，适用于蔬菜大棚、花卉温室、粮库等场合。该系统通过ZigBee无线通信技术采集温度、湿度、光照强度等数据信息并将采集到的数据显示出来，以方便人们及时获取各类环境数据，然后采取相应措施来处理，防止危害发生，从而获得更好的生产收益。该系统不仅价格低，性能稳定，而且可以很大程度上节省各种生产成本，从而获得更大的收益。

该系统主要由ZigBee终端节点、协调器数据单元和液晶显示组成。如图3所示。

图3 环境数据采集系统框架

终端采集节点主要是通过温湿度传感器DHT11采集温度和湿度。通过光敏电阻YL-38判断光照强弱，最后由中央处理器对采集的数据进行处理。协调器节点具有以下两个主要功能：一方面，它可以和终端采集节点共同采集温湿度、光照度信息，然后通过协调器进行数据处理。另一方面，协调器节点在运行时应始终处于工作状态，以便终端节点发送的信息数据可以随时接收和处理。液晶显示利用SSD1306显示屏显示相关数据信息。

该系统采用ZigBee无线传感器网络技术实现了数据采集系统的智能化、自动化操作，保证了系统运行的可靠性、稳定性。

三、系统硬件设计

（一）CC2530 SOC 电路设计

本设计采用单芯片系统CC2530加少量外围器件设计无线通信SOC电路，如图4所示。CC2530因其优越的性能最适合该系统。CC2530的主要特征如下：

1.功耗低，通信距离远，5V工作电压，工作电流只有0.3uA。

2.拥有32/64/128/256KB四种闪存。

3.只有一个12MHz的晶振，可以实现整个ZigBee模块的周期同步。

4.程序可以在线写入，在电池供电的情况下仍然可以保存数据。

5.多达21个数字I/O引脚，具有出色的扩展功能，可连接多个传感器。

图4 基于CC2530的无线通信SOC电路

（二） 温湿度传感器的选取及其电路设计

采集节点对温度和湿度传感器有三点要求：首先，它提供相对准确的温度和湿度测量值。其次，它可以轻松连接到CC2530引脚，而无需连接其他组件。第三，它需要具有长期的稳定性和高灵敏度的优势[6]。

基于以上几点，该设计决定采用DHT11温湿度传感器。其主要特点如下：

1.湿度范围:20%-90%RH ，误差：±5%RH。

2.温度范围:0-50℃，误差：±2℃。

3.工作电压:DC5V/3.3V。

4.输出形式:数字信号。

5.数据端口带上拉电阻。

本设计选取三引脚的DHT11，表1为其引脚功能介绍。

表1 DHT11引脚功能

温湿度传感器DHT11与CC2530模块的电路连接为：引脚1与CC2530模块3V3相连，引脚2接CC2530模块的P0.7接口，引脚3与CC2530模块GND相连。

温湿度传感器模块DHT11的DATA口与 P0_7口相连，DHT11传感器通过芯片内部的模拟/数字转换，这样就可以实时采集检测温室中的温度和湿度数据，并将其存储在传感器的存储器单元中，然后通过 ZigBee无线通信技术将数据传输到协调器控制单元。协调器收到数据后，进行数据比较，如果数据不在设定范围内，系统将采取相应的措施进行处理。

（三）光照传感器的选取及其电路设计

为了检测光照强度，该设计方案采用了光敏电阻传感器YL-38，该传感器与其他传感器相比，有以下特点：

1.输出信号稳定，工作时驱动能力强。

2.自带可调节电位器，可调节光线强度。

3.工作电压：3.3-5V

4.输出形式：数字量输出（0和1）

光敏电阻传感器YL-38有四个引脚，其功能如表2所示。

表2 YL-38引脚功能

光敏电阻传感器YL-38与CC2530模块的电路连接为：YL-38的1引脚外接5V电源，YL-38的2引脚接GND，YL-38的3引脚接CC2530的P1_5，YL-38的4引脚接CC2530的P2_6。

光照模块数据采集完成后， CC2530核心板对这些数据进行处理，然后通过ZigBee无线通信技术将这些数据传输到协调器节点。最后通过液晶显示模块显示温湿度数据信息。

（四）电源电路设计

该系统有锂电池供电和USB供电两种供电方式[6]，能提供5V和3.3V两种电压，以满足CC2530芯片和各类传感器的电源需要。其中，5V转3.3V供电电路原理图如图5所示。

图5 5V转3.3V电路原理图

（五）液晶显示模块设计

该系统设计不仅能实时采集各种环境数据信息，还可以把这些数据信息通过液晶屏显示出来，方便工作人员查看。如果有问题，工作人员可以随时采取必要措施减少事故的发生。该设计方案采用了SSD1306液晶显示，它非常便携，使用起来简单方便，供电电压只有3.3V，可以在-40℃到85℃的环境下工作。液晶显示电路如图6所示。

图6 液晶显示电路原理图

四、系统软件设计

本文中ZigBee节点软件的开发使用的是8051C/C++编译器， 系统软件的开发平台是 通过TI 的 Z-Stack进行。包括系统各模块程序在内的所有系统程序都是在 Z-Stack 的SampleAp 工程基础上研发的[7]。

图7 系统总体软件框图

由于ZigBee协议栈已经在该软件开发平台实现，因此主要针对应用层用户程序进行节点程序的开发。本系统总体软件设计共分为三个重要部分：终端数据采集节点设计、协调器节点设计、控制节点软件设计，不同程序担任不同职责。终端数据采集节点软件设计主要是采集温度、湿度、光照强度等信息。协调器节点的软件设计主要包括液晶显示和网络组建的程序设计。控制节点的软件设计，主要是对数据的收发程序进行设计。系统总体软件框图如图7所示。

五、结语

该系统通过温湿度传感器和和光照传感器对温度、湿度、光照强度等环境数据进行实时监测，再通过ZigBee无线通信将采集到的数据信息传输到协调器，最终在液晶显示屏显示这些数据，给工作人员带来了极大的帮助。该系统基于ZigBee技术，采用CC2530芯片、液晶显示模块和多个传感器相结合的方式，实现了数据采集系统的智能化自动化操作，保证系统运行更加可靠稳定。该系统具有低成本、低功耗、高可靠性、易于扩展、易于维护等优点[8]，可广泛应用于蔬菜大棚、花卉温室、粮库等领域的环境监测。