基于Zigbee(CC2530)的温湿度上位机监测系统设计 - 毕业设计 - 图文

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ZigBee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 Adviser：Wu Yan)

(college of 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 and 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 through 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; 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 through 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，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、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]。

物理PHY层 图1 ZigBee协议层示意图 应用框架层 网络安全层 MAC层 IEEE 802.15.4 ZigBee协议 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。

星形结构 网状结构 图2 ZigBee网络拓扑结构图

树状结构 协调器 路由器 终端

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

.

图10 CC2530系统电路

4 系统软件设计

4.1 系统整体框架

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。 PC机 协调器 节点1 传感器 节点2 传感器 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、应用程序部分。程序流程图如图12所示。

报文发送

串口发送 数据处理 初始化成功？ Y DHT11初始化 建立连接？ N Y 接收报文 N 开始 开始 提取数据 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labVIEW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。

点击采集按钮？ 接受数据 解析数据 节点1 退出？ 退出软件 图13 上位机程序流程图

节点2 Y 串口连接？ Y N 开始 N

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。

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