基于ZigBee技术的可组网环境监测系统设计

刘培学++陈玉杰++姜宝华++刘树美

摘 要： 针对传统环境监测系统布线复杂且监测点不易移动、数据传输速率慢等多种问题，设计一种基于ZigBee协议的可组网环境监测系统，利用SHT11传感器采集环境温湿度信息，基于ZigBee网络传递采集的信息，通过4G网络远传到监控中心存储记录，介绍了系统的整体构成，对系统的协调器、终端节点、软件设计、数据矫正等做了详细的分析，并对系统进行了严格的测试，测试结果表明，该系统能够准确地完成采集并具有较小的误差，适合实验室、档案室、食品储存、冷链环境等多种场合，具有广泛的应用前景。

关键词： 环境监测； ZigBee； 数据远传； 组网

中图分类号： TN915.4?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）21?0019?04

Design of networking environment monitoring system based on ZigBee technology

LIU Peixue1， 2， CHEN Yujie1， JIANG Baohua1， LIU Shumei1

（1. Qingdao Huanghai College， Qingdao 266427， China； 2. China University of Petroleum， Qingdao 266580， China）

Abstract： The traditional environmental monitoring system has the problems of complex wiring and low data transmission rate， and its monitoring points are difficult to move， so a networking environment monitoring system based on ZigBee protocol is designed. The environmental temperature and humidity information is collected by SHT11 sensor， transmitted through ZigBee network， and sent to the monitoring center via 4G network for storage and recording. The whole composition of the system is introduced. The coordinator， terminal node， software design and data correction of the system are analyzed in detail. The system was tested strictly. The test results show that the system can accurately acquire the information with small error， is suitable for the occasions of laboratory， archive room， food storage and cold chain environments， and has wide application prospect.

Keywords： environmental monitoring； ZigBee； remote data transmission； networking

0 引 言

2016年3月，山東爆发了非法疫苗案，涉案总价值达到5.7亿元，疫苗没有经过冷链存储便销往全国各地，引起了社会极大的反响。早在 2013年，国家就根据《药品经营质量管理规范》及《药品经营质量管理规范实施细则》制定了GSP认证要求，其中明确规定必须对药品存储环境进行连续监控。环境是工农业生产中最重要的参数，食品药品的仓储运输、温室农业大棚及畜牧养殖、档案室、资料室等都对环境有着特殊的要求，尤其是工业生产中的精密仪器，如果环境参数不合适，将会极大影响设备的使用寿命。随着人们生活水平的提高，人们对居住环境的要求也越来越高，因此，对环境的测量监控具有十分重要的意义[1]。

传统的环境监测系统主要存在着两大缺点：一是传感器采用的是模拟传感器，要得到控制器需要的数字信号需经过复杂的信号调理电路及模数转换电路，且通常情况下模拟传感器需要校准、标定，过程繁琐；二是检测方式大多为有线检测，布线复杂且监测点不易移动，同时，大部分测量数据只能在本地观测存储，浪费了大量的人力物力。文献[2]利用FPGA及传感器SHT21设计了一种环境测量系统，该系统反应迅速、精度高，但是该系统电路较复杂；文献[3]利用nRF905射频收发芯片，结合DS18B20温度传感器及HS1101设计了一种无线环境测量系统，该系统可实现采集信息的无线传输，与PC机通信采用232方式，但该系统测量精度不高且监测点不易移动；文献[4]基于ARM控制器及ZigBee网络设计的系统提出一种很好的环境温湿度PID控制方式，但是该系统数据不能够远传；文献[5]基于ZigBee网络及GPRS传输设计的远程环境监控系统，实现了数据的自组织路由及远程传输，但是GPRS存在传输速率较慢、误码率较高等缺点。总体而言，目前国内外很多环境信息采集系统已经可以采用GPRS进行远程传输，少部分研究成果采用3G技术，由于4G牌照刚刚颁发，所以采用4G技术的远程传输目前还没有相关研究报道，ZigBee网络在本地环境数据采集中已经证明了其高效性。目前尚未见ZigBee网络与4G传输相结合应用到环境信息采集的报道。随着ZigBee技术、4G技术、传感器技术等各种技术的发展成熟，实现整个环境信息采集的信息化及自动化，必然是下一步的发展趋势。本文正是基于上述系统存在的缺点及4G技术、ZigBee技术发展现状，提出设计一种高速、可远传、自组织路由环境测量系统。endprint

1 系统构成

系统结构如图1所示，主要由服务器、协调器、终端节点三部分组成。网络拓扑结构采用星型结构，终端节点负责环境信息的采集并通过ZigBee网络上传至协调器，协调器负责信息的接收并通过4G网络上传到服务器，服务器完成信息的云端接收、存储，同时服务器可向协调器发送控制命令。终端节点采集到环境信息后首先将信息打包成ZigBee协议包，随后以多跳通信的方式将协议包传送给协调器，协调器收到协议包后需发送一个确认信息给终端，双方完成握手以保证数据通信的可靠性，如果终端节点收不到确认信息，则终端节点会重新发送协议包。

2 硬件设计

2.1 终端节点设计

终端节点又被称作RFD节点（Reduce Function Device），本次设计主要完成环境温湿度信息的采集、处理、传送工作。终端节点包含有ZigBee模块和传感器，本次设计中，ZigBee模块采用CC2530，传感器使用数字传感器SHT11。CC2530是TI公司的第二代片上系统[6]，CC2530支持2.4 GHz IEEE 802.15.4，硬件包含ZigBee RF收发机及一个增强的51MCU，在接收、发射过程中电流极低，因此，电池能保证使用较长时间。较之第一代产品，CC2530在RF性能、IR电路等各个方面表现更好。SHT11芯片采用CMOSen技术，体积较小，在芯片内部包含了信号放大电路、信号调理电路、模数转换电路及接口电路，输出数据格式为TTL电平，可由微控制器直接采集，SHT11响应速度极快，抗干扰能力较强，SHT11分辨率最高温度为14位，相对湿度为12位，精度通过寄存器可以进行配置，降低精度，可对-40～123.8 ℃温度进行测量，测量的原理为首先由传感器测量环境数据，测量的信号经过信号调理电路进入A/D转换，转换后的结果通过接口电路以二线制方式输出。

图2为CC2530与传感器连接图，从图中可以看出，SHT11传感器的第3脚时钟端与控制器CC2530的P1.4引脚相连，传感器的第2脚与控制器CC2530的P1.5相连，SHT11电源和地之间并联一个0.1 μF的电容，SCK引脚上接一10 kΩ的上拉电阻。

2.2 协调器设计

协调器节点又称为FFD节点（Full Function Device），主要负责RFD节点信息的采集、汇总、信息显示、上报及服务器信息的下发，协调器节点主要由CC2530控制器、4G模块、存储器、显示、时钟等模块组成。协调器结构图如图3所示。

CC2530作为整个协调器的控制芯片，4G模块负责协调器与服务器的信息远程通信，在本次设计中4G模块采用沃兴科技出产的LM114A，该模块采用Mini PCI?E接口，采用业界领先的Qualcomm 9X15平台，支持4G时分双工Band38，Band39，Band40及频分双工Band7，同时兼容TD?SCDMA，以及GSM：900/1 800 MHz，最大理论上下行数据传输率可达到100/50 Mb/s，LM114A模块开发方式灵活、接口丰富，可通过USB 2.0，UART，I2C，I2S和SPI等方式与主机相连，内置TCP/IP和UDP/IP协议栈，灵活性强，易于集成。LM114A是一款工业级芯片，可在高温高湿、电磁干扰等恶劣的工作环境中长期工作，能够满足本次设计需要。同时，本次设计中，信息除上报服务器外，还需要本地显示，因此，采用LCD12864作为显示器，利用ATMEL公司的24C02作为信息暂时存储芯片，利用DS1302作为时钟芯片。

3 软件设计

本系统结合4G技术、ZigBee技术，能够完成对环境信息的远程监控传输等一系列功能，系统软件根据硬件设计分为终端节点软件、协调器软件及上位机软件。

3.1 终端节点软件设计

终端节点负责环境信息的采集及上报，环境信息的感知主要由SHT11来完成，SHT11时序图如图4所示，采集开始时，首先必须由主机发送启动命令，具体操作方法为：主机将SCK引脚置为高，数据引脚DATA由高置低，随后，主机将SCK引脚置为低，数据引脚DATA由低置高。启动命令发送完成后，主机发送控制命令，包含3个地址位和5个命令位，如果SHT11接收命令正确，SHT11会在第8个时钟之后，将数据位拉低，此时，SHT11可以传送温湿度信息。终端节点软件整体流程如图5所示，如果SHT11将数据准备好，CC2530就会采集数据，如果定时时间到或者协调器有命令需要进行数据上报，终端节点就上报数据。

3.2 协调器软件设计

协调器桥接了上位机及ZigBee局域网，一方面，协调器接收上位机的命令进行处理，另一方面接收ZigBee局域網上传的温湿度信息，协调器工作流程如图6所示。

系统上电后进行初始化，初始化主要包含显示初始化、串口初始化、1302初始化及中断初始化等，显示初始化主要是LCD12864的初始化，包含清屏、光标显示方式等一系列指令，串口初始化主要是串口波特率的设置，通过配置定时计数器的溢出速率来完成，1302初始化主要完成时钟的初始配置，中断初始化主要完成定时中断、串口中断的配置。初始化完成后，系统循环检测是否收到无线节点发来的数据，如果有数据，在校验正确的情况下进行暂时存储，如果参数超标则进行报警。当有中断发生时，如果是串口中断，则为上位机发来的命令，协调器解析并执行；如果是上报指令，则协调器将暂时存储的信息通过4G网络上报到服务器；如果是定时中断，则定时时间到，协调器也需要通过4G网络向上位机发送采集的信息。需要注意的是，由于传感器的非线性及温度对采集结果的影响，必须对采集的环境温湿度数据进行矫正[7]，其中湿度数据必须进行非线性校正及温度补偿，非线性校正公式如下：

[RHlinear=C1+C2×SORH+C3×SO2RH（%RH）] （1）endprint

式中：进行非线性补偿后的值为[RHlinear]；SHT11工作手册给定了[C1，C2，C3]的选取方法；[SORH]为终端节点从传感器读来的原始数据，经过非线性校正后，由于实际温度与测试参考温度25 ℃有显著差别，应考虑湿度传感器的温度修正。温度修正计算公式为：

[RHtrue=（T-25）×（T1+T2×SORH）+RHlinear] （2）

式中：[RHtrue]为最终计算出的相对湿度值；[T]为实际当前温度值；[T1，T2]的具体数值由SHT11芯片手册给出。SHT11测量的温度值修正公式为：

[T=D1+D2×SOT] （3）

式中：[T]为实际温度值；[SOT]是SHT11输出的温度值，SHT11工作手册给出了[D1，D2]如何选取。

4 系统测试

本文系统进行了两方面测试：环境温湿度数据偏差测试及通信成功率测试。

4.1 数据偏差测试

数据偏差测试由专业检测机构华测检测技术股份有限公司给出，测试报告如图7，图8所示。使用的标准计量器具为C?180/40恒温恒湿箱及精密露点仪，本次测试包含1个协调器及2个终端节点，从测试报告可以看出，温度示值误差集中在0.1 ℃及0.2 ℃之间，最高不超过0.4 ℃，在20 ℃情况下，湿度示值误差在3%RH左右，数据具有较高的一致性，完全满足仓储等环境监测需要。

4.2 通信成功率测试

设备的通信可靠性利用通信成功率来衡量，通信成功率定义为：

[η=mn?T1T2×100%] （4）

式中：[m]表示接收数据的次数；[n]表示实际传输次数；[T1]表示发送数据间隔；[T2]表示实际存储记录时间间隔。

在没有中继器情况下，将设备分别在空旷地带、冷库、移动汽车三种情况下进行测试，终端节点到协调器的距离分别为20 m，50 m，100 m，150 m，200 m，进行5组测试，测试结果如图9所示。

从图9中的数据可以看出，在通信距离不超过100 m的情况下，三种环境的通信成功率均为100%，随着通信距离的增加，冷库环境的复杂性及车辆的移动开始影响通信成功率，但在200 m距离情况下，通信成功率仍在92%以上，具有较好的抗干扰性。

5 结 语

本文基于4G技术、ZigBee网络技术，设计了一种环境温湿度监控系统，该系统实现了环境信息的无线采集，系统完全满足国家GSP认证要求且成本低廉，无线传输无需复杂布线，大大提高了效率，同时，该系统可以很方便地与其他上位机系统或BS架构的Web系统集成[8]，适合各类需要监测环境信息的场合如食品药品存储、机房数据中心、自动化大棚等使用，该系统必将会得到广泛的应用。

参考文献

[1] 赵雪梅.多通道温湿度远程监测与控制系统设计[D].廊坊：北华航天工业学院，2015.

[2] 鲍爱达，张庆志，郭涛.基于FPGA和SHT21传感器的温湿度测量系统的设计[J].计算机测量与控制，2012，20（11）：2885?2887.

[3] 张军，吴建锋.基于无线传感器网络的温湿度检测系统[J].杭州电子科技大学学报，2010，30（6）：5?8.

[4] 刘振永，郭鹏，張玮，等.基于ARM的温湿度无线监控系统[J].仪表技术与传感器，2009（12）：108?111.

[5] 商孔明.基于无线传感器网络和GPRS的温湿度远程监测系统[J].科学技术与工程，2012，12（24）：6175?6178.

[6] 蒋建平，陈辉.基于CC2530的ZigBee无线城市路灯控制系统的设计[J].测控技术，2012，31（9）：56?59.

[7] 雷文礼，任新成，曹新亮.基于单片机的自动气象监测系统的设计与实现[J].现代电子技术，2015，38（19）：121?124.

[8] 李玮瑶，王建玺，王巍.基于ZigBee的蔬菜大棚环境监控系统设计[J].现代电子技术，2015，38（12）：51?54.endprint