基于ZigBee的无线温湿度采集系统设计*

陈 欢，陈新泉

(安徽工程大学计算机与信息学院，安徽 芜湖 241000)

传统的温湿度检测多采用有线传输方式，但对于监控范围广、监测点数量多等复杂的环境，有线传输方式布线困难且成本高.随着无线通信技术的发展，温湿度采集趋向于无线传输方式[1]，ZigBee以其低功耗、低成本和短时延等优点，在无线数据传输中得到广泛应用[2-3].因此，设计一套使用ZigBee标准的无线温湿度数据采集系统，可为家居生活和工农业生产带来便利.

1 总体设计

图1 系统整体架构Fig.1 Overall System Architecture

基于ZigBee的无线温湿度采集系统将通过ZigBee协调器收集ZigBee终端节点发送来的数据，然后将数据传输到上位机或移动终端侧显示.系统大体可分为3个部分：(1)采集模块.包含ZigBee终端采集节点和协调器节点，采集节点上有传感器模块、终端节点与传感器通信[4]，用来获取环境的温湿度数据.(2)客户端.它是上位机和小程序的统称，不同的是上位机运行在电脑上，小程序运行在移动设备上，它们都可以查看到从协调器或者从服务器加载的数据.(3)服务端.负责数据接收、转发和存储，提供设备动态注册接口.数据由联网模块上报到云平台，云平台存储数据，然后通过规则引擎转发到客户端小程序[5].系统整体架构如图1所示.

2 硬件设计

2.1 ZigBee底板

ZigBee节点上搭载的是CC2530芯片.这是TI公司开发用于解决ZigBee片上系统的芯片，内核本质是C8051，它的射频收发系统模块是2.4 GHz频带，可广泛应用于短距离无线通信组网领域[6].CC2530作为ZigBee协议实现的MCU(微控制器)，主要负责创建和加入ZigBee网络；作为终端的节点，需要负责采集传感器的数据，编码转换发送给协调器节点；作为协调器的节点，要与上位机进行通信并上报数据[7-8].底板中的CC2530与其他元件连接的原理图如图2所示.

2.2 传感器主板

传感器主板是通过排母固定在底板上的，主板只需要引出几路有需要的电路，其余阵脚控制，这样设计简单.本系统选用SHT21作为传感器，可以同时采集温度和湿度.SHT21传感器在如图3所示的矩形框内，黑色的即是SHT21芯片.

SHT21的原理图如图4所示，底板上的CC2530芯片通过IIC协议与传感器通信，对应硬件设计中采用串行总线SCL(时钟线)和SDA(数据线)获得温湿度数据.

图3 传感器主板Fig.3 Sensor Board

图4 SHT21原理图Fig.4 SHT21 Principle

2.3 协调器联网模块

本系统中协调器联网模块使用的是基于乐鑫ESP8266-12F芯片的NodeMCU开发板，运行NONOS非操作系统，提供ESP8266硬件的所有接口，包含但不限于GPIO，PWM，IIC和ADC等功能，开发者无需关注繁复的硬件配置、寄存器操作等，是一款高性价比的物联网应用开发平台.NodeMCU上ESP8266的原理图如图5所示.协调器在开机上电后，NodeMCU自动初始化，按照事先烧录的代码配置连接阿里云物联网平台，协调器初始化完毕后会给NodeMCU发送初始化完毕命令，然后发送数据.NodeMCU需要解析数据帧格式并转换为MQTT的Payload报文格式发送给服务器.

图5 ESP8266原理图Fig.5 ESP8266 Principle

3 软件设计

3.1 采集模块

采集模块包含ZigBee终端采集节点、协调器节点和NodeMCU联网模块.Z-Stack是TI公司为ZigBee设计的协议栈，人们只需了解整体运行流程，在指定的地方书写用户代码就可以完成目标.NodeMCU的作用是连接网络，将数据从个域网带到互联网，程序是基于NONOS编写的，自带MQTT和UART等库函数.

采集节点上搭载SHT21温湿度传感器.节点通过IIC读取到环境温湿度数据，经ZigBee网络发给协调器，协调器再将收集到的温湿度数据上报给上位机或MQTT代理服务器.节点程序运行流程如图6所示.

图6 ZigBee节点程序运行流程Fig.6 ZigBee Node Program Running Process

3.2 服务端

服务端包含物联网IoT平台和小程序后端接口服务，两者是互相依靠的.物联网IoT平台是MQTT消息的代理服务器，由NodeMCU上报的数据在这里会存储、分析和转发.小程序后端接口是基于Flask轻量应用框架开发的，它架设在个人服务器上，调用IoT平台的接口为小程序MQTT提供设备动态注册，查询NodeMCU——伪网关状态等.

图7 小程序设备动态注册示意Fig.7 Dynamic Registration of Mini Program

物联网IoT平台选择阿里云IoT平台，开发者可以通过多种方式连接阿里云，MQTT是其中一种.本研究中NodeMCU连接阿里云是TCP方式的MQTT，而小程序中由于微信平台本身的限制，使用了一种MQTTOverWebSocket方式与阿里云完成连接.以上所有的连接都需要阿里云IoT平台提供的三元组信息(即ProductKey，DeviceName，DeviceSecret).NodeMCU中这些信息已被固化，而小程序的动态注册就是为了获得三元组.小程序动态注册示意如图7所示.

3.3 客户端

客户端主要包括Qt上位机和微信小程序.上位机是基于跨平台的Qt用户界面框架开发的，配合Qt的组件QSerialPort完成串口通信，QCharts绘制数据变化曲线；微信小程序使用Uni-App多平台开发框架，一套代码可以运行到安卓、IOS和小程序等.上位机通过串口通信接收协调器上报的数据，微信小程序则是接收MQTT代理服务器推送的主题数据.虽然它们接收数据的方式不同，但都能接收到实时的温湿度数据并显示数据的变化趋势，还可以控制节点采集开关、发送频率等运行状态.

协调器通过串口发送协议帧给上位机解析，帧检验无误后上位机上会显示具体数据，并描绘变化曲线.协调器接入NodeMCU后，NodeMCU解析协调器发来的数据并完成校验，提取具体数据后向MQTT代理服务器发送报文消息，代理服务器会按规则转发给小程序(小程序本身也是MQTT客户端)，由此便完成了数据从终端采集到客户端显示的流转.上位机和小程序显示结果界面如图8所示.

图8 上位机和小程序显示结果界面Fig.8 Result Interface of Host Computer and Mini Program

4 结语

主要讨论了基于ZigBee的无线温湿度采集系统的开发过程，从最基本的ZigBee协议到Z-Stack协议栈开发，从上位机开发到协调器MQTT联网，从服务端设计到客户端显示，形成了一套基础的无线数据采集模型.该模型不仅能用于温湿度的采集，在智能家居中还可以用于二氧化碳等环境变量的采集，在工农业等生产中也可以用于监测生产车间环境和监控设备状态等.