基于ZigBee的无线环境监测系统设计与研究

赵子健

（中国电子科技集团公司第四十七研究所,沈阳110032）

基于ZigBee的无线环境监测系统设计与研究

赵子健

（中国电子科技集团公司第四十七研究所,沈阳110032）

环境监测在现代工业生产、农业种植等行业应用的非常广泛。通过对ZigBee技术的应用研究提出采用无线技术对环境各参数信号进行监测的总体方案。该方案采用CC2530单片机作为主控芯片，完成ZigBee无线通讯功能，采用温度传感器DS18B20、湿度传感器SHT11、甲烷传感器MJC4/3.0L、甲醛传感器MQ138完成对应参数的采集，对监测系统各个模块进行设计。应用IAR Embedded Workbench对单片机CC2530程序进行编写，完成采集终端节点的软件部分设计以及ZigBee协调器节点设计。最后，对无线传输环境监测系统进行测试，验证了监测系统的准确性。

ZigBee技术；无线通讯；环境监测；传感器

1 引言

ZigBee是一种专为无线设备间低功耗、短距离的通信而提供的无线个人局域网络、传感器监视和控制的标准，它通常用于要求低吞吐量的零星数据传输和大型网络的环境监测应用[1]。现有的ZigBee技术在许多领域都有着广泛的应用，例如在许多工业生产中，需要通过电缆连接实现数据的共享，但电缆和电线花费太大。此外，放置在各种机器外的运动元件的测量和控制端的装置由于长期强烈暴露在外，会造成严重的机械损伤，而运用无线ZigBee技术则可以消除这些问题。将ZigBee技术运用于无线传感器网络中可满足可扩展、低成本的需求[2]。

目前，我国在基于ZigBee的无线传感器网络方面的研究主要集中在理论研究和节点实用化方面[3]。基于无线网络的监测环境系统还存在网络结构较为复杂、受距离的限制等缺点，需进行网络结构优化，建立低时延低能耗，采集控制不受距离限制的无线传感器网络，提高性能指标信息采集和环境控制的实时性。

本课题主要设计了基于ZigBee的无线环境监测系统。实现了对无线网络包括GPRS和ZigBee网络协调器节点的设计以及测温湿节点和气体检测节点的硬件设计和软件设计。本测温湿系统可以实现无线自组网通信，采用无线通信技术很好的解决了设备温湿度监测系统中数据传输的隔离问题，本温湿度监测方案具有很好的抗干扰能力，性价比高，很大程度上保证了设备运行的可靠性[4]。

2 总体设计方案

本设计方案主要实现无线监测环境，主要监测的内容包括温度、湿度、气体（瓦斯与甲醛），这些参数指标通过传感器转变为电信号供主控芯片采集，采集后的各性能参数通过无线方式发送出去，主要有两种发送方式，一种是通过天线作为接收端获得采集回的信号再通过串口发送到上位机上，另一种则是通过无线移动网络将信号通过通信运营商基站发送到电脑上位机上。

如图1所示，确定的无线传输环境监测系统的总体方案就需要确定所需要监测的环境指标，在该系统中采用的参数传感器为温度传感器、湿度传感器、甲烷传感器以及甲醛传感器，传感器将采集到的物理信号转换为电信号，电信号通过单片机进行模拟量的采集，单片机完成数据的采集后，将数据传输给无线发送模块，再通过天线将采集的信号数据传递出去，无线接收模块接收到信号后在通过串口模块将信号通过RS232转换到USB，再通过电脑的串口将数据传递给PC上位机中，完成整个环境数据的监测。

图1 总体方案设计图

无线传输方式利用ZigBee技术以及GPRS技术将数据通过无线的方式进行传输，这两种无线传输的方式均可以满足对环境监测系统采集数据的传输，但根据GPRS需要借助各通信公司的数据基站完成数据的传递，受使用地区网络信号的影响比较严重[5]。综上所述，本次设计采用的无线传输方式为ZigBee技术。

3 系统硬件设计

该方案采用CC2530单片机作为主控芯片，完成ZigBee无线通讯功能，采用温度传感器DS18B20、湿度传感器SHT11、甲烷传感器MJC4/3.0L、甲醛传感器MQ138完成对应参数的采集，对监测系统各个模块进行设计。

3.1 CC2530单片机

根据TI公司的CC2530F256芯片手册设计的主控芯片最小系统电路如下图2所示。

3.2 终端信号采集

温度信号：本方案拟采用DS18B20作为系统的温度数据采集模块的传感器。DS18B20具有硬件结构简单，测温范围宽，测温精度高等特点。温度传感器硬件设计如下图3所示。

图2 主控单片机设计

图3 温度传感器硬件设计

湿度信号：SHT11数字式温湿度传感器是由瑞士的Sensirion公司设计的，是一种带有两线制串行接口的复合式传感器[6]。SHT11精度高，片内集成温感元件和湿感元件，在测量湿度时可以进行温度补偿，提高了测量的精度。硬件电路设计如图4所示。

图4 湿度传感器硬件设计

甲烷信号：本方案选用的甲烷传感器是MJC4/3.0L型气敏元件，该传感器的检测原理是预先加热铂丝RS，可燃气体在接触到涂有催化剂的敏感元件后燃烧，产生的热量使本身的电阻值产生变化，通过测量与补偿元件RH的对比输出得到气体的浓度，根据甲烷传感器的应用特性，对甲烷传感器的外部电路进行设计，设计图如图5所示。

图5 甲烷传感器硬件电路设计

甲醛信号：甲醛浓度数据的获取主要依靠甲醛传感器。鉴于二氧化锡(SnO2)在清洁空气中电导率较低的特点，MQ138气体传感器采用它作为气敏材料。硬件电路设计如图6所示。

3.3 串口设计

采用RS232-USB接口转换器来设计嵌入式系统与PC之间的通信，不但使用起来简单，而且能够不必考虑大量的软件程序编写，避免编写复杂的协议。本课题拟利用PL-2303这款RS232-USB接口转换器来完成相应的通信功能，其电气原理图如下图7所示。

图6 甲醛传感器设计

4 系统软件设计

图7 PL2303电气原理图

测温节点以及协调器节点设备都有针对其硬件系统设计的软件开发环境。本系统针对节点的主控芯片CC2530所采用的软件开发集成环境为IAR Embedded Workbench for 8051v8.10集成开发环境。这里主要介绍传感器终端软件设计，当网络中的协调器上电之后，它会根据网络中设备的类型在协议的基础之上自动建立网络。当协调器和路由器以及终端节点上电之后，他们会周期性的给网络中的其它节点广播数据包，利用一个随机函数来调整它们之间的延时。每一个终端设备把采集到的温度等参数数据通过点播的方式把数据包统一发送给协调器，协调器通过串口把数据包发送给上位机，利用上位机软件来对来自不同测温点的数据包的温度数据进行区分[7]。开发人员在软件开发的时候主要考虑函数的应用层以及主函数的编写，来完成系统的功能[8]。传感器节点工作流程图如图8所示。

5 结束语

基于ZigBee技术的无线传感器网络为我们获取信息提供了一个全新的平台，利用它，我们能够实时地监测和采集在无线网络覆盖区域内的各种监测对象的数据信息。它具备低功耗、低成本、自组织等优点，其网络节点不需要人为管理就可以随时加入/退出网络，这符合我们对环境监测系统的要求。综上所述，基于ZigBee无线环境监测系统设计的研究有很大的实用意义。

图8 传感器节点工作流程图

[1]S.Tao,W.Wei,L.X.Dong et.Routing Protocol with Multiple Feedback Policy for Zigbee Network [C].IEEE 13th InternationalSymposium on ConsumerElectronics.20 09:483-487.

[2]董海涛，屈玉贵，赵保华．ZigBee无线传感器网络平台的设计与实现[J]．电子技术应用．2007(12)：124-126．Dong Haitao,Qu Yugui,Zhao Baohua.Design and Implementation of ZigBee Wireless Sensor Network Platform[J].Electronic Technology Applications.2007(12):124-2007.

[3]王刚.温度无线采集旳系统设计[J].科技信息，2008(11)：65-66．Wang Gang.System Design of Temperature Wireless Acquisition[J].Technical Information,2008(11):65-66.

[4]S.Wen-Tsai,H.Yao-Chi.Designing an industrial real-time measurement and monitoring system based on embedded system and ZigBee [J].Expert Systems with Applications.2011(38):4522–4529.

[5]ZigBee Alliance.ZigBee Specification 2007 ZigBee Document 053474r17[S].U.S.:ZigBee Alliance Inc,2008.

[6]董亚超.基于ZigBee技术的无线环境监测网络的开发[D].大连理工大学,2008.Dong Yachao.Development of Wireless Environment Monitoring Network Based on ZigBee Technology[D].Dalian University of Technology,2008.

[7]张立立,徐勇,孙开宇.基于ZigBee技术的无线数据采集系统的研制[J].实验技术与管理,2012,(05):139-142.Zhang Lili,Xu Yong,Sun Kaiyu.Development of Wireless Data Acquisition System Based on ZigBee Technology[J].Experimental Technology and Management,2012,(05):139-142.

[8]张青春.基于Zigbee技术的火灾探测报警传感器网络设计[J].中国测试,2013,(04):73-75+80.Zhang Qingchun.Design of Fire Detection Alarm Sensor Network Based on Zigbee Technology[J].China Testing,2013,(04):73-75+80.

Design and Research of Wireless Environment Monitoring System Based on ZigBee

Zhao Zijian
(The 47th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Shenyang 110032,China)

Environmental monitoring is widely used in modern industrial production，agricultural cultivation and other industries.With the application of ZigBee technology,this paper puts forward the overall scheme of the monitoring signal environment parameters using wireless communication technology.CC2530 microcontroller is used as the main control chip to complete the ZigBee wireless communication function.The temperature sensor DS18B20,humidity sensor SHT11,methane sensor MJC4/3.0L and formaldehyde sensor MQ138 are used to complete the collection of the corresponding parameters,and each module of the monitoring system is designed.This paper uses IAR Embedded Workbench as programming software.The software design of the acquisition terminal node and the design of the ZigBee coordinator node are completed.Finally,the wireless transmission environment monitoring system is tested to verify the accuracy of the monitoring system.

ZigBee technology;Wireless communication;Environment monitoring;Sensor

10.3969/j.issn.1002-2279.2017.04.022

B

1002-2279-（2017）04-0091-05

赵子健（1989—），男，辽宁沈阳人，助理工程师，主研方向：集成应用。

2017-08-16