基于ZigbeeCC2530的温湿度上位机监测系统设计——毕业设计讲解

1、基于 ZigBee 技术的温湿度远程监测系统设计 学生：陈园(指导老师：吴琰) (淮南师范学院电子工程学院) 摘 要 : 针对目前温室大棚农作物大面积种植，迫切需要科学的方法进行智能远程监测 的研究现状，设计出一套温湿度远程监测系统。该系统是有多个采集终端和一 个协调控制器组成。多个终端分别放置不同的大棚内进行实时采集数据，协调 控制器的作用就是将多个采集终端通过无线传输过来的的数据进行分析并和 PC 机连接。 PC机上运行上位机软件实时的监测各大棚的温湿度信息。多个终端和 协调控制器均采用 TI 公司新一代 CC2530芯片；温湿度传感器采用市场上比较 流行的 DHT11；无线传输采用 Zi

2、gBee 协议；上位机软件采用 labVIEW编写，并 通过 RS-232 与协调控制器连接通信。通过实物测试了 ZigBee 无线传输的稳定 可靠性，丢包率在误差范围内。 温湿度采集有 0.5s 延时时间， 满足实时性要求。 关键词 : 终端；协调控制器； DHT11；CC2530；ZigBee；上位机 Design of Remote Monitoring System for Temperature and Humidity based on ZigBee Technology Student: Chen Yuan(Faculty Advise：r Wu Yan) (college of

3、 electronic engineering, Huainan Normal University) Abstract: According to the current situation of the research on the intelligent remote monitoring of greenhouse crops, the research status of intelligent remote monitoring is urgently needed, and a set of remote monitoring system for temperature an

4、d humidity is designed. The system is composed of a plurality of acquisition terminals and a coordinated controller. Multiple terminals are placed in different greenhouses for real-time collection of data, the role of the coordination controller is to collect more than one collection terminal throug

5、h wireless data transmission over the data analysis and PC machine connection. Temperature and humidity information operation software of PC real-time monitoring of the greenhouse on PC. A plurality of terminals and a coordinated controller are used in a new generation of CC2530 chip of TI company;

6、temperature and humidity sensor used on the market more popular DHT11; wireless transmission based on ZigBee protocol; PC software using LabVIEW, and connected with the communication through the RS-232 and coordination controller. The reliability of ZigBee wireless transmission stability test throug

7、h the physical, the packet loss rate is in the range of error. Temperature and humidity acquisition 0.5s time delay, meet the real-time requirements. Keywords: Terminal; coordination controller; DHT11;CC2530; ZigBee; host computer 1. 绪论 1.1 设计背景和研究意义 现如今我国已经成为世界第一粮食生产大国，据有关统计说明，我国农作物设施栽 培面积已经超过 210

8、万 hm2。提高农作物的生产效率已经成为提升中国在国际社会中发 展速度的重要的因素之一。结合我国的气候环境来说，普通的传统式耕作方式受到了限 制，在某个季节只能收获特定的农作物，而且外界因素的干扰性较大，突然降温或者长 时间的干旱都是影响收成的关键因素。温室大棚的出现很好的解决了这一问题，使消费 者在任何时候，任何季节都可以吃到新鲜的果蔬。 温室大棚的流行，不仅仅给消费人群带来了便利，也为生产者带来了经济利益。但 大面积的种植，如何提高生产效率和更好的监管大棚内作物的生长成了关键问题。温室 作物生长的关键问题就是如何控制好温室内的环境温湿度。只有在合适的生长环境下， 农作物才能以最佳状态生长，

9、才能提高作物的产率。所以，设计出如何很好的控制和监 测大棚内的温湿度环境成为了关键因素。 1.2 国内外发展现状 如今快节奏的生活方式，使各个大城市生鲜超市的果蔬成为了热销品，而价格却居 高不下。这些因素追根溯源都归结与温室大棚的生产效率问题。如何提高温室大棚的生 产效率问题，已经成为国内外迫切需要解决的问题。 随着市场的千变万化，物联网技术的飞速发展，温室种植规模的不断扩大，对温室 生产过程的监测，调控技术的需求量日益增加，不但要管理好作物的生产品种、面积。 还要时刻关注市场，使得生产、消费处于良性状态的循环下。过去的“十一五”期间， 国内不少研究机构和农业相关单位也研究出了一系列温室监控系

10、统。但是，这些产品过 于单一化。 只能适应于小范围的。 局域性的温室环境。 而不能满足于大面积的大棚监控 各个环境间缺少信息的交换。而我国温室大棚恰恰是由温室群为主。不是很完美的解决 目前的问题。 20世纪 70年代，国外温室大棚生产技术以飞快的速度发展。但由于需求和生产面 积的限制，温室监控系统也只是适用于小规模的温室，但在那样的环境下，小规模的温 室农作物栽培已经能满足于市场的需求，因此局域性的的温湿度监测系统已经达到要 求，而考虑到我国的现状，大规模温室群已经成为主流，开发出大规模的温室群温湿度 监测系统已经是大势所趋。 1.3 论文设计主要内容 基于 ZigBee 技术的远程温湿度监测

11、系统设计主要是针对于我国目前大棚产业的现 状而设计，设计的特点是利用 ZigBee 技术，利用其独特的组建局域网的模式，实现将 各个大棚数据汇总到一起， 实时动态的监测每个大棚状态， 可以减少生产人员的工作量， 在没有异常的情况下，人员可以节省时间，提高工作效率。从而达到以最小的付出收获 最大的利益，这也是科技是第一生产力的最终目的。 论文的第一部分为绪论部分，详细讲述了设计该系统的背景和目的，分别介绍了国 内目前温室大棚技术的现状和国外发展的状况， 所以设计出一种适应于我国温室大棚的 远程监测系统是迫在眉睫的。第二部分是系统设计相关理论知识介绍，分别介绍了 ZigBee 技术的特点和优势，以

12、及 IAR 开发环境、 labVIEW 软件介绍 2 系统设计相关知识介绍 2.1 ZigBee 技术 ZigBee 是近几年新兴一种的短距离、 低速率、稳定可靠的无线网络技术， 是无线传 感网络 (WSN, wireless sensor network) 的核心技术之一。是基于 IEEE.802.15.4 无线 标准研发的，关于组网、应用软件和安全的技术标准。 ZigBee 的特点就是可靠性高、 无 人工自组网和断网自恢复能力强、多工作频段工作和开发难度相对简单 1 。 ZigBee 的起源却很有意思， 它的命名主要是人们对蜜蜂采蜜的观察， 蜜蜂在采蜜的 过程中，会跳着优美的舞蹈并发出“嗡

13、嗡”的声音，其舞蹈的轨迹很像“Z”字形状； 蜜蜂个体比较小，但是群体多，单个个体能量小，能携带花粉。因此，我们用 ZigBee 技术来表示低成本，低功耗，能量小，传输速率低的无线通信技术。在中文翻译中，通 常用字面翻译来解释“紫蜂” 。 在 ZigBee 技术中，我们学习和开发时，通常都要从层的角度去理解。当然它也是 和我们熟知的 TCP/IP 协议的层结构类似，但由于其本身是简单的，低功耗的，低速率 的无线传输协议，所以层的结构相对 TCP/IP 来说要简单的多。 2.1.1 协议层 蓝牙、 WIFI 等其他网络协议一般有 7个层，分别为物理层、数据链路层、网络层、 传输层、会话层、表示层、

14、应用层。而 ZigBee 协议层相对简单，仅为 3 层，分别为 PHY 层、 MAC层以及应用层。 PHY提供两种两种类型的服务：即通过实体接口 (PLMN)对 PHY层数据和管理提供服务， PHY层数据服务可通过无线物理信道接受和发送物理层协议数据单元(PPDU)来实现 2 PHY层主要作用是负责无线数据的收发、数据能量的检测、信道的选择、清除信道 选择(CCA)、及通过物理媒体对数据包进行收发 2 。 MAC主要的作用就是信道的管理、信道接入、时隙管理、发送确认帧、发送状态连 接和断开状态的请求。还提供一些合适的安全机制 2 。 应用框架层 网络安全层 MAC 层 IEEE 802.15.

15、4 ZigBee 协议 物理 PHY 层 图1 ZigBee 协议层示意图 2.1.2 网络拓扑结构 ZigBee 技术根据相关的应用有三种拓扑结构分别为：星形拓扑结构、树形和网状拓 扑结构。如图 2 所示。 图 2 ZigBee 网络拓扑结构图 星形结构是由一个协调器、多个路由器和终端组成，协调器能同时和路由器和终端 组成网络通信。其中路由器和终端不能直接通信，必须通过协调器进行转换操作，才能 实现数据的交换。 网状结构与星形结构不同的是，它各路由器之间也能相互通信，各路由器又能和协 调器进行数据的交换，路由器分别把终端采集的数据通过路由器的转换、通信反馈给协调器。 树状结构特点更明确，类似

16、于等级似的数据交换，一个路由器只负责自己旗下的几 个终端节点，不与其他路由器通信，只与协调器进行数据交换。然后协调器要控制终端 也必须经过他们的各自所归属的路由器。 2.2 硬件芯片介绍 2.2.1 CC2530 芯片 CC2530 是德州仪器( TI )公司专为适应物联网大潮而设计的一款专用于 IEEE 802.15.4 无线局域网协议的专用片上系统芯片 (SOC)。能以非常低的功耗和成本建立强 大的无线个人局域网节点。与其他众多嵌入式芯片不同的是，它集成了业界领先的 RF 收发器，当开发者使用就无需再进行额外的无线模块外围电路的设计。大大减小了硬件 开发者难度开发者。 CC2530采用工业

17、增强型的 8051 内核，内部系统带有可编程的 FLASH 存储器，8K的RAM和其他 MCU资源。CC2530有四种不同的型号：CC2530F32/64/128/256， 主要是根据 Flash 大小区分： 32/64/128/256KB 的 Flash 存储器。目前广泛应用于物联 网、智能家居行业。 图3 CC2530 芯片引脚图 2.2.2 DHT11 温湿度传感器 DHT11是一款价格低廉的、内部含有已校准数字信号输出的温湿度传感器，是市场 上非常常见的复合数字传感器。 由于其价格低廉， 开发使用方便， 因此广泛使用于汽车、 测试及检测装备、除湿器、温湿度调节器等场合。其内部还有电阻式

18、感湿元件、NTC测 阻元件、 OPT以及 MCU控制电路模块；将这些部件封装在一起，实现温湿度数据的采集 处理；通过单总线的方式输出。 图4 DHT11 实物图 湿度测量范围： 20%90% 湿度精度： 5%RH 温度精度： 2 分辨率： 1 封装：4 针单列直插 表 1 DHT11 引脚功能说明 PIN 名称 注释 1 VCC 供电 3-5.5DC 2 DATA 单总线，串行数据 3 NC 空脚，请悬空 4 GND 接地，电源负极 2.3 开发环境介绍 2.3.1 IAR 开发环境 IAR是目前嵌入式开发工具中非常流行的一款开发软件， 它集成 C/C+编译器、调试 器于一体的优势获得了众多嵌

19、入式开发工程师的青睐。 它是全球领先的的嵌入式开发工 具和服务的供应商 IAR Systems所提供，支持目前全球众多知名半导体公司的微处理器。 全球众多著名的半导体公司也在使用 IAR 公司的产品。开发的嵌入式产品主要应用于消 费电子、航空航天、工业控制、汽车电子、医疗电子等众多领域。 IAR 公司根据市场上不同的微处理器芯片的内核，提供了不同的版本。我们这里用 到的是 IAR Embedded workbench IDE for Intel MCS-8051 这种版本的 IAR 开发环境主 要是为 8051 内核的微处理器。其软件界面如图 5。 图5 IAR 开发环境界面 2.3.1 la

20、bVIEW 2013 开发环境 labVIEW 是美国国家仪器 ( NI ) 公司推出的的一款程序开发开发环境，该公司还有 一款非常经典电路仿真软件 Multisim ，也受到了广大电子工程师的喜爱。 LabVIEW也是 类似于 C、 BASIC等程序开发环境类似，但他不同的于其他计算机开发语言的是它抛弃 了传统的文本式的语言编辑，取而代之的是图形化的编程语言进行开发，也就是人们所 说的 G语言， G语言最大的优势就是简单、简洁明了。这种程序开发语言对程序员的语 法知识要求不是很高，所以对于非计算机类专业的人员，用到界面开发的话， labVIEWS 是最好的选择。该软件的特点就是提供了非常齐全

21、的程序控件，开发者不用关心底层是 如何实现的，软件本身就提供了各类接口控件，不管是是底层嵌入式的开发，还是上层 应用的开发， labVIEW都可以满足设计者的要求。 labVIEW软件界面如图 6 所示。 图 6 labVIEW2013 软件界面 3 系统硬件电路设计 3.1 电源电路 CC2530及外围传感器工作电压为 3.3V 的工作电压，所以在电源电路设计的时候将 直流输入的 5V电压转换成 3.3V，如图 7 所示。 图 7 中，电压变换采用了 LM1117电压转换芯片，该芯片的目的就是将输入的 5V 电 压转换成微处理器需要的 3.3V。其中 DCIN为直流 5V输入接口，经过 F1

22、 的保险丝和开 关进入 LM1117的3号管脚，经芯片转换过后， 2号引脚输出 3.3V 电压。其中在 2号管 脚和 3 号引脚都会有电解电容、普通瓷片电容接地；瓷片电容的目的是滤除高频杂波。 在转换正常的情况下，二极管 LED指示灯会接通，并发光。 图 7 电源电路 3.2 通信电路 在本设计中， 涉及到下位机和 PC上位机通信的过程。 通信方式有 USB通信、RS-232 通信，这里我们选择开发难度相对简单的 RS-232 通信协议，也就是串口通信。但是目 前市场上笔记本电脑基本都取消了串口接口，所以需要将 USB信号转换成串口信号。图 8为 USB转串口的转换电路 图8 PL2303 驱

23、动电路 3.3 传感器电路 本设计采用温度、 湿度两用的传感器 DHT11 ，DHT11 采用单总线的数据读取和写入 模式，操作简单，程序代码编写也较为容易。借鉴官方数据手册提供的驱动电路，如图 9 所示。 图9 DHT11采集电路 传感器 1号引脚接电源 VCC端；3号引脚接 GND端，为传感器提供正常的工作电 压，2号引脚为数据端口，其中该端口在使用时需要将其接上 10K 的上拉电阻，目的是 为了能使读取和写入数据的稳定性， 单片机输出的高电平在传输过程中会受到外界或者 导线的影响，到达数据口的时候可能会发生变化，所以这里需要接上上拉电阻保持其信 号的稳定性。 3.4 主控电路 CC253

24、0 的工作正常工作电压 3.3V，因为该芯片内部自带 AD 转换芯片，所以这里 会有模拟电压和数字电压的区别，如图 10 所示。芯片引脚中标有 DVDD 的均为数字电 源正，标有 AVDD 的均为模拟电源正。 32、 33、22、23 引脚都接上了晶振，但不同的 是： 22、23接的是 32M的晶振，为系统提供正常工作提供基准时序。 32、33引脚接上 的晶振为 32.768K，其作用就是为系统时间提供基准时序，开发者可以采用这个时序基 准开发 RTC 实时时钟；另外，当单片机处于休眠状态时，该晶振还可以继续提供实时 时钟的时序。 图 10 CC2530 系统电路 4 系统软件设计 4.1 系

25、统整体框架 根据设计要求，构思出系统整体框架。温湿度传感器采集数据；采集节点进行数据 的处理，并通过无线传输给协调器；协调器通过点对点的通讯方式和各个节点联系，并 实时的接受各节点的数据。协调器与 PC机通信，把各节点的信息发送 PC 端。这里由 于实际情况的限制，不可能采取 N 多个节点；所以设计采用 2 个节点为例。 图 11 系统结构框架 4.2 下位机程序设计 任何的程序代码编写都要事先进行程序流程图的设计，本设计的下位机程序设计是 根据 Z-Stack 协议栈规范的，所以在程序设计时，与以往的裸板开发不一样，在理解 Z-Stack协议栈的 APP 层的同时，加入自己的逻辑设计、应用程

26、序部分。程序流程图如 图 12 所示。 开始 接收报文 提取数据 串口发送 图 12 节点发送、协调器接收程序流程图 在节点程序设计时， 首先要对 DHT11 驱动的子程序编写， 测试并通过； 然后移植到 协议栈的程序代码中调试。能在协议栈中也能实现温湿度采集，并实现数据的发送程序 编写。 在协调器程序设计时，首要问题就是报文的提取。在 Z-Stack 协议栈中，接收到的 报文并不是单独的数据，所以必然要将需要的数据包提取出来，然后解析数据并编写协 议栈环境下的串口发送程序。 具体程序代码见附录。 4.3 上位机程序设计 协调器和节点都是基于 C 语言开发的，而上位机的界面开发则是根据 lab

27、VIEW 软件 的特点，采用图形化的 G 语言开发，程序流程图如图 13 所示。 开始 节点 1 节点 2 退出软件 图 13 上位机程序流程图 根据设计的程序流程图，在 labVIEW 2013 程序面板中编写相应的代码。其代码如 图 14 所示 图 14 labVIEW 程序面板 程序面板中，所有执行代码都是在一个大的循环下执行的，要让软持续运行，大循 环的条件必须为真；条件为真时系统时间控件会显示当前时间延时控件也会工作。控制 循环的是布尔变量的按键， 可以选择条件的真假实现程序的终止。 大循环内有一个 VISA 串口配置控件，将波特率设为 115200bps、设置奇偶校验位 0、终止位

28、 0。接着就是另一 个内嵌小循环；在这个小循环里，串口缓存区的数据在这里通过数组、字符的一些操作 将数据分离出来，分别对应 1 号节点和 2 号节点。解析的数据将会在前面板显示出来， 所以前面板的设计也要合理美观，前面板如图 15 所示。 图 15 labVIEW 前面板 5 系统调试及结果分析 5.1 程序调试、下载 经过系统流程的设计、代码的编写、移植、修改、调试，将协调器程序代码编译后 通过 JTAG 下载的方式下载到 CC2530 芯片的 Flash中；接通电源后，此时的协调器具 有组建网络的能力。 接下来把程序切换到终端模式， 对程序进行编译、 下载。同上电后， 终端节点会自动查找协

29、调器，自行搜索是否有对应的协调器的存在；若搜索到协调器的 存在会主动建立网络连接。 程序编写好后，点击编译按钮，如图 16 所示。 图 16 程序调试编译界面 编译通过后， 通过 JTAG 将 CC2530 的下载口与 PC机相连，协调器程序下载需在左 上角的工程选项复选框选择 CoordinatorEB-Pro 方式，点击下载；下载终端节点的程序 需要更改左上角工程选项复选框选择 EndDeviceEB-Pro 方式，点击下载。下载界面结果 如图 17 所示。 图 17 JTAG 程序下载界面 5.2 运行结果及分析 5.2.1 运行结果 图 18 协调器、终端组网状态图 将程序代码编译下载到芯片内，分别给协调器和终端供电；协调器的组网指示灯会 闪烁，等到有终端节点加入其网络的时候，指示灯就会稳定的指示。终端节点的网络指 示灯也会一直指示网络连接状态。 在终端节点的设备上， DHT11 温湿度传感器的电源指 示灯也会亮起，说明 DHT11 处于正常工作状态。协调器（左下） 、终端节点（左上、右 上）组网状态的实物设备如图 18 所示。 协调器和 PC连接时，检查串行端口是否连接， 查看 我的电脑 设备管