基于ZigBee的环境温湿度实时监控系统研制

【摘要】为解决实验室环境、实验室内恒温恒湿试验箱、原材料或成品仓库等环境温湿度的监控需要，本论文以ZigBee和嵌入式系统技术为核心，设计一套适用于上述场合使用的实时温湿度监控系统，可以实时对监测环境中的温度、湿度参数进行采集、分析、报警、贮存，并根据数据的分析结果控制相应的设备，最终实现对这些参数进行自动调节。

【关键词】环境温湿度;ZigBee;实时监控

Abstract：To meet the requirements of monitoring the environmental temperature and humidity in the lab surrounding，constant temperature and humidity test cabinet，raw materials and finished product warehouse，an applicable real-time monitoring system based on ZigBee and embedded system technique had been designed to monitor the environmental temperature and humidity.This monitoring system can be used to collect，analyze alarm and store the parameters of temperature and humidity on the environment in real time.The corresponding devices were then controlled and parameters were automatically adjusted according to the analysis result of data.

Key word：Environmental temperature and humidity;ZigBee;Real-time montoring

随着各行业的精细化管理需求的不断增加，各种场合对工作环境进行温湿度的采集监控的需求日趋迫切。尤其是各种生物、化学实验室，通常会要求建设许多个独立封闭的实验室环境，或是需要配置多种多样是环境试验箱。这些封闭环境对温湿度变化的浮动范围都有较高的要求，行之有效的实时监控手段能为实验过程环境控制提供很好的溯源数据。如果采用传统的人工登记和监测不但耗费大量的人力，而且不能24小时全天对实验室环境进行实时监测，存在因监测的空白间隙而造成不必要损失的可能。另一方面，监测设备如果使用线路接入的方式，则存在布线繁琐、成本偏高、系统可扩展性低、监测设备可移动性差、后期的维护不方便等缺点。

Zigbee协议是由Zigbee联盟最早于2004年公布的基于IEEE802.15.4的新型无线通讯协议规范。ZigBee技术具有功耗少、成本低、响应速度较快、传输速率适中、组网灵活方便等特性，非常适合近距离通信的工作环境需求。当前无线传感器网络虽然己经逐步在各个领域展开应用，但作为一项新的应用，还存在一些尚未彻底解决的问题，如：采集器节点的工作能耗。

因无线传感器节点一般使用电池供电，一旦电池能量耗尽，节点就不能进行正常的采集工作，所以采集器节点的功耗控制非常重要;此外，由于无线通信通信的带宽限制，制约了无线采集器的数据传输，因此如何优化数据处理模式就变得非常的重要。本文结合无线传输模块、智能温湿度传感器SHT15模块、数据存储器、处理器等主要元器件设计出一套无线温湿度采集系统，实现以网状拓扑结构对多个分点进行实时温湿度监控。通过实际实验室温湿度监测使用，证明该系统结构简单、精度高、成本低、操作方便，具有很好的应用价值。

1.系统整体架构

无线传感器网络的主要组成部分包括温湿度数据采集子点、网络中继节点、数据接收器以及配套的计算机软件及硬件部分。温湿度数据采集子点主要由温湿度传感器、存储器、时钟芯片、通信芯片构成，负责检测环境的数据采集和传输。网络中继节点起到链接子节点与数据接收器的作用，互通子节点与数据接收器间的数据通信。

若通信距离许可，亦可免去网络中继节点，温湿度采集子节点可与数据接收器直接进行点对点通信。数据接收器主要负责管理整个网络节点，并通过USB接口将所有接收信息汇聚到PC端，同时PC端指令控制整个系统的正常运作。PC软件端则负责处理并显示从各个子点收集的数据，是主要的人机交互界面。系统的整体架构框架图如图1所示。

图1 系统的框架结构图

2.电子部分设计

网络中继节点只负责无线数据互通，因此其硬件结构也最为简单，主要由外置供电模块和无线通信模块两部分组成。数据接收器作为协调器，负责完成各子点与PC间的数据发送和接收，主要由无线通信模块、外置供电模块、串口通信模块组成。而温湿度采集器作为子节点，除了无线数据收发外，还负责环境温湿度数据采集，同时在本地显示当前状态等信息，因此子节点主要部分包括：无线通信模块、电池供电模块、时钟模块、数据存储器、温湿度传感器、FSTN段码显示屏、按键。

在ZigBee无线通讯模块上选择了TI公司的CC2530模块，CC2530用于IEEE802.15.4、Zigbee和RF4CE应用的片上系统解决方案。CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，采用工业标准的增强型8051MCU，系统内可编程闪存，8KB RAM存储器，具有多种运行模式，各种模式间的切换时间短，并且支持低电压操作，充分保证其低功耗需求。

在温湿度传感器模块上，选用瑞士森斯瑞（Sensirion）公司的SHT15型自校准、小型、多功能式智能传感器。该传感器包含基于湿敏电容器原理的相对湿度传感器和基于带隙电路的温度传感器，而且该传感器还有14位的ADC和双线串行接口，能方便地输出经过校准的相对湿度和温度的串行数据，该智能传感器的相对湿度测量范围0～100%RH，在10～90%RH范围内，最高测量精度为±2%RH，温度测量范围是-40～+123.8℃，分辨率为0.1℃，工作电压范围是2.5～5.5V，响应时间小于3秒。

图2 SHT15引脚及线图连接图

图3 SHT15内部结构图

图4 24C512引脚及线路连接图

在子点存储器上选用了AT24C512，该存储器为是ATMEL公司生产的64KB串行电可擦的EEPROM可编程存储器，内部有512页，每一页为128字节，任一单元的地址为16位，地址范围为0000-0FFFH。它通过IIC总线接口进行操作，可以很方便地接入IIC协议总线上，采用8引脚封装，具有写保护脚，可在+1.8V～6.0V电压下工作，结构紧凑等特点，特别适用于具有较大容量数据存储要求的数据采集系统，因此在测控系统中被大量采用。

电子设计所需要注意的地方：

a.子点采用电池供电，所以要设计休眠功能，以最大化降低功耗

b.子点数量较多时，如果不分配好通讯时间，可能会造成无线信息堵塞，从而出现漏发，多发等情况

c.为了区分开各个子点，需要引入子点ID号机制，接收端对所有子点的网络地址与ID号进行关联登记，长时间无上传数据的子点也要进行注销处理。

d.优化无线通信数据处理模式，减少对带宽的需求

3.上位机软件设计

上位机监控端软件采用基于.NET框架上的C#开发语言和Access数据库实现。该软件设置了多种功能：用户管理;数据查询和下载;数据曲线显示、数据导出;监控系统设置备份;短信平台、邮件平台报警设置;报警延时等多种功能均通过上位机软件实现。通过USB端口将数据接收器接入上位机后，上位机监控软件能自动识别所接入的数据接收器，列出所有已连接的子点，并显示其当前状态。由监控软件可配置各个子点的多个参数，包括：自动同步系统时间，设置各个子点的报警上下限值与分时处理，采样周期，记录周期，更新子点ID号与网络标志号等。另外，监控软件可以同步PC端关机期间各个子点的离线数据，避免监测缺漏情况。

图5 软件主窗口

图5显示的是整个无线温湿度监控系统在组网成功后，进行实时温湿度采集的上位机软件监控界面。除了能进行温湿度信息的实时显示，还可以将整个Zigbee网络的各监控点历史数据用图形化的方式进行显示，便于数据的比较和溯源。

图6 报警配置

图6显示的是无线温湿度监控系统的软件、短信、声音和邮件报警的设置，通过上述几种报警方式能够及时地将异常的温湿度值通知用户，提醒用户前往排查导致温湿度报警的问题，减少用户损失。

4.结语

本文采用ZigBee无线通信技术，结合嵌入式处理器与上位机实现温湿度监控系统搭建，并通过优化电子线路设计和单片机运行控制程序，配合采用适宜的采集模块和通信模块，在满足无线数据通信需求的基础上，降低无线数据采集点的能耗和采取适合无线数据通信模式降低带宽需求，较为完善地解决当前ZigBee在无线温湿度检测应用中所遇到的问题。实现了通过各子点与中继、上位机的网状无线通讯监控，使得实验室管理人员能够非常方便地查看到各个实验室或环境试验箱的温湿度值，并可进一步配套控温控湿设备以控制其环境状态维持在所设定范围内。实践证明，该系统能准确采集温湿度值，有效预防实验室危险事故的发生，并保障实验室温湿度数据的有效溯源性，而且该套系统采用通信组网方便的无线传输方式，能节省安装过程所耗费的人力物力，有着广阔的前景。

参考文献

[1]于童，王文秀，徐小粘.基于ZigBee的无线温湿度传感器网络设计与实现[J].计算机技术与发展，2012，07：167-170.

[2]贺文，金向东.基于IEEE 802.15.4 Zigbee的无线传感网络研究[J].2008.

[3]刘伟永，王凤瑛.基于ZigBee技术的无线温湿度监测系统设计[J].微型机与应用，2013，11：64-65+69.

[4]骆科学.基于Zigbee协议的无线温湿度监控系统的设计与实现[D].吉林大学，2012.

[5]红军，雷彬.基于SHT15型智能传感器的弹药库温/湿度监控系统的设计[J].国外电子元器件，2006（1）：64-66.

[6]王钦，辉，陈新.基于ZigBee的仓库温湿度采集系统的设计[[J].计算机与数字工程，2009，37（9）：207-211.

[7]王戈，张效义.可用于环境监测的无线传感器网络节点的设计[J].传感器与微系统，2007，26（10）：117-120.

[8]Hill J L.System Architecture for Wireless Sensor Networks [D].Berkeley：UCA，2003.

基金项目：2011年广东省产业技术研究开发专项补助经费“数字化食品安全实验室设备产品的研制及产业化示范”（粤财工[2011]553号）;2011年粤港关键领域重点突破项目“食品微生物安全溯源系统智能化研究及应用”（2011A011303001）。

作者简介：张健伟（1973―），男，大学本科，研究方向：实验室仪器开发。