基于ZigBee的温湿度无线传输研究*

2020-08-13胡继胜

九江学院学报(自然科学版) 2020年2期

钟俊刘辉刘恒胡继胜

(安徽职业技术学院机电工程学院安徽合肥 230011)

1研究概述

随着科学的飞速发展，无线通信技术已变成了当前社会最为炙热的研发技术之一，它大量用于各行业的工作、管理、交流和教育。无线通信技术的应用改善了大家的生活质量，从而也不断的促进着社会的进步和发展，在现实生活中扮演着越来越重要的作用。

ZigBee无线通信技术同样也是一种很关键的信息通信手段。它是一种全新的采集、处理手段，包含了先进的四种技术手段：传感器、网络、嵌入式计算和无线通讯。它能够把各个环境区域下检测到的信息进行相关的计算处理，然后将其发到相关的用户终端[1]。这套技术是为了在速率较低情况下的网络控制和传感器的无线网络协议而设计的，具有速率低、功耗小、传输距离短等一系列的特点。其中无线协议可以完成一些低复杂性的资源需求并有通用的规则，和其它的普通无线协议不同。

因为中国各行业，例如养殖业或者其它一些生产行业对温湿度等信息的实时监控的需要逐渐增多，而且在某些复杂环境和危险地方存在难以布线的问题会使得大部分需要检测控制的区域都没有办法实现无线远距离测量控制，因此设计了一个基于ZigBee技术的远距离无线温湿度测控系统并将其进行研究和使用拓展，使得测量到相关数据能够及时发送到相应的用户端[2-5]，此系统可以在一些危险环境中进行使用。

文章主要研究内容有以下几方面：

(1)文章在设计的时候参考了实际的应用需求，在该系统的相关元器件选择时做了充分的对比分析考量，最终选择了DHT11温湿度传感器、具有代表意义的德州仪器CC2530芯片，对于无线通信技术则选取了ZigBee技术。

(2)在整个系统的设计方案定稿之后，文章再根据具体的功能需求对相关部件进行了设计选取，例如：接口的电路、通讯模块的电路、管理电源模块的电路、电源模块的电路、信号处理电路、传感器、ZigBee节点的印制电路板等。

(3)针对特定区域温湿度的无线远距离测量，研发了使用于PAN协调器以及ZigBee终端的相关软件代码，并将其传输到相关的使用设备当中，同时研发了可用于手机安卓端的测控软件，以及电脑端的测控软件。

通过在电脑端、手机安卓端的相应设备进行了相关实验调试，文章研发的基于ZigBee的远程无线温湿度测控系统可以实现远距离的无线测量及控制，在不丢数据的情况下，可以实现距离大概在50m左右的稳定传送。通过最终的测量调试结果发现，文章研发的软件测量控制系统的可行性非常高，相应的设备硬件也具有较好的兼容性，能够满足实际当中测量控制的使用需求。

2方案设计

文章研究的出发点是设计出一套可以实现无线远距离的温湿度测量控制系统，将其用于一些环境比较恶劣的环境，对相关数据的无线远距离检测、监控和控制。此系统的推广应用可以解决很多恶劣环境下劳动力缺失的问题，可使工作人员不用长期呆在恶劣环境和控制室中，大大的降低了成本及员工的风险问题。

该系统使用CC2530以及数字式温湿度传感器，对需要用到的相关数据进行远距离无线采集，再利用ZigBee无线通信模块进行数据交换，将各个功能不一的传感器节点收集到的相关数据第一时间发送到用于路由器的ZigBee节点，然后使用路由器把各个分支节点采集到的数据第一时间发送到ZigBee协调器上。此ZigBee协调器上已经和决策中心或操作工作室里面的计算机上连接在一起，而计算机又通过网络与互联网服务器连接在一起，把搜集到的实时数据及时和互联网构架的服务器进行数据交互共享[6-7]。相关工作人也可以利用手机、平板等安卓系统装置进行无线远距离监测及控制。

对于文章设计的需求，ZigBee技术在许多的无线通信技术备选方案里脱颖而出。常用的还有Wi-Fi技术、蓝牙技术、红外技术、HomeRF技术、UWB技术、NFC技术，但是这几种技术各自优缺点不一。比如：Wi-Fi技术、蓝牙技术虽然在现实中普及率很高，但是其价格较高、功率较大的特点严重限制了它的使用情况；红外技术的造价便宜，但是它的传输特性是点和点之间进行，所以一旦出现遮挡物，那么设备之间的红外线传输就容易受影响，造成效果不佳而不予以采纳；HomeRF技术也是有造价昂贵、抗干扰性差、安全性差等问题；UWB技术的传送速度很快，但它的价格同样较高，且常用于传媒制作方面，不太适合用在生产作业当中；NFC技术由于传输距离较短，如果大规模使用必然造成使用节点过多，无法在现实生产中普及使用。

ZigBee技术和其它无线短距离的通信相比，拥有明显的优点，例如成本较低、使用简单、具有组网能力、电池的使用寿命长、使用可靠性较高，用在低速传感器网络当中非常实用，也可以满足该系统设计的需求。

2.1设计思路

该系统采用两块CC2530单片机，主机将DHT11传感器获取到的信息，发送给从机，从机再显示获取的信息。图1是简易温湿度无线传输装置的电路框图。

图1 简易温湿度无线传输装置电路框图

2.2方案论证与比较

为了便于相关数据的搜集和模数转换，并将搜集到的数据信息存储到ZigBee通信模块CC2530当中，进行相关的运算处理并传送到后续模块当中，因此设计一个优良的硬件电路非常重要。硬件电路中涉及到的一些模块及作用如下所描述。

常见的传感器控制模块有，温度传感器、湿度传感器以及继电器等，这些传感器模块可以使用总线连接，扩展来自外界的传感器及控制部分。其中，温度传感器是电脑、自动检测控制技术的有机结合，是两针和微电子技术相互应用的成果结晶，将温敏感元件和相关电路转换便于微处理器进行相关数据采集。它主要满足以下的设计原则有：①设计的相关外围电路应该尽量的简洁；②用于测量温度的相关传感器，应该考虑到相应的总线负载能力，需要满足系统的测量需求。因为单片机系统的IN通道较少，所以选择的MCU芯片引脚量要尽量少，当IN通道满足不了相应的测量需求时，要设法减少相应的开发时间来降低开发成本。在相关温度测试仪器的选择上，不要一味的追求高精度，高分辨率，而应该充分考虑系统的设计需求，选择适当的精度型号，来达到进一步优化整个系统的开发成本及应用特性。

2.3.1 主控芯片的方案论证与比较 ①方案1：采用CC2430单片机，48个引脚，封装较大，没有时钟误差检测功能，定时器1只有3个通道，串口SPI从机的选着信号是边沿检测。②方案2：采用CC2530单片机，支持最新2007/PRO协议栈，40个引脚，支持时钟误差检测，定时器1有5个通道，所有通用IO口都有独立的中断使能位。

该设计串口不支持9位数据发送，SPI从机的选着信号是电平检测。

该方案在设计上选用体积较小，因对串口没要求，故选用CC2530芯片。

2.3.2 无线传输的方案论证与比较 ①方案1：采用ZigBee组成协议栈的方式来进行数据的传输。②方案2：采用ZigBee点对点通讯的方式来进行数据的传输。

虽然方案1能将CC2530利用最大化，但该设计只是两个CC2530之间的通讯完全没有必要采用协议栈的方式。综上所述，采用方案2最为合理。

2.3.3 显示模块的方案论证与比较 ①方案1：采用LCD12864，LCD12864用串口通讯方式连接到CC2530需要3个IO口，加上背光功率在0.77W左右，外观尺寸为78.0 × 70.0 × 12.5mm。②方案2：采用OLED，OLED用I2C通讯方式连接到CC2530，需要2个IO口，在全屏点亮的情况下功率在0.08W左右，外观尺寸为27.3×27.8×3.7mm。③方案3：采用TFTLCD，TFT用SPI通讯方式连接到CC2530需要6个IO口，外观尺寸为34×45.83×2.65mm，能显示262K颜色。

相比而言，OLED外观小，功耗低，占用IO少。

2.3.4 温湿度传感器的方案论证与比较 ①方案1：使用模块化的温度传感器，使用用CC2530自带的温度传感器传感器。②方案2：直接采用温湿度一体的DHT11传感器。

如果采用方案1的自带温度传感器，要用AD采集电压来算温度，开启ADC功耗将又增大一些，而且自带温度传感器会被芯片本身温度所干扰，最主要的是市面上湿度传感器都具有测量温度的功能[8]。故采用方案2。