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    摘要：本文基于ZigBee技術及組網方式，結合國內目前已有的傳感器技術，提出了用于溫濕度傳感器監測的無線傳感器網絡系統方案。系統由傳感器、處理器及監測平臺組成。傳感器采集網絡采集溫濕度變量信息，通過ZigBee技術并送到上位機軟件顯示，分析和存儲。

1前言

    隨著無線傳感器技術的發展，以及對于環境檢測要求的提高，越來越多的工程技術人員致力于無線傳感器網絡技術在環境監測系統中的應用研究。

    通過在目標區域內設置傳感器，采用無線通信方式進行組網，實現目標區域的網絡覆蓋，感知對象的信息采集，信息量化、信息處理融合以及傳輸。基于無線傳感器網絡的溫濕度監測系統適用于煤礦、油田，電力等工業場所安全監測、居家、辦公及商場的民用監測。利用無線傳感器網絡實現溫濕度監測的具有以下特點：

    （1）無人少人環境、惡劣環境或超遠距離的信息采集和傳送，保證系統工業級品質安全可靠。

    （2）大范圍的通信覆蓋，設備較多，僅用于監控。

    （3）運維費用低，節省敷設電纜費用，可臨時性安裝，易于擴展。

    （4）具有數據處理能力，大量數據存儲于后臺或遠程數據庫，并進行數據分析。

    本文采用ZigBee芯片CC2530為控制核心，實時進行環境內溫度，濕度參數監測。并將實測值與目標值進行對比，若實測值超過目標閾值，則發出報警。系統由無線溫、濕度傳感器和ZigBee無線網關組成。無線溫、濕度傳感器在目標區域，執行溫度和濕度數據采集、預處理和發送等工作。

2硬件系統設計

    本設計采用了溫濕度傳感器作為無線網絡的傳感器節點。在網絡協調器(即中心節點)的無線覆蓋范圍之內，布置若干個路由節點和終端節點，實現網絡管理和互相通信。

    根據系統的需要，溫濕度傳感器節點功能如下：

    （1）對傳感器的信號進行采集和處理。

    （2）對采集到的數據進行發送或轉發。

    （3）通訊功能。

    無線溫濕度傳感器網絡的節點由以下部分組成：溫濕度傳感器模塊、微處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊。

    （1）微處理器和無線通信模塊采用CC2530。

    （2）傳感器模塊采用DHT11，

    （3）采用電池供電。

    系統網絡結構如圖1所示。

2.1處理器模塊

    處理器模塊控制整個節點的數據處理操作、路由協議、功耗管理、任務管理等。

    無線通信模塊的功能包括：與其他節點進行無線通信，交換控制消息和收發數據。

    數據采集模塊進行監測區域內信息的采集和傳送。電源模塊對單元節點的供電模式進行管理。數據采集模塊的設計主要包括傳感器的選擇以及與微處理器的連接電路。本次設計主要采集大氣的溫度，濕度。

2.2溫濕度傳感器

    DHT11數字溫濕濕度傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連接。響應速度快、抗干擾能力強、性價比高等特點。DHT11數字溫濕濕度傳感器采用單線制串行接口，系統集成方便、體積小、功耗低，傳輸距離可達20米以上。DHT11與微處理器接口電路如圖2所示。

    DHT11數字溫濕度傳感器一次完整的數據傳輸為40bit，高位先出。數據格式：8bit濕度整數數據+8bit濕度小數數據+8bit溫度整數數據+8bit溫度小數數據+8bit數據校驗。

3軟件系統設計

    節點軟件設計包括軟件平臺安裝、編程、生成可執行文件、可執行文件寫入和軟件調試等幾個步驟，具體流程圖如圖3所示。

    節點軟件系統分為主程序模塊、初始化程序模塊、網絡建立及通信模塊、數據采集及轉換模塊。通信模塊包括數據接收模塊、數據處理模塊、數據發送模塊等。主程序模塊調用其它模塊，完成系統總體功能；初始化程序模塊用來進行RAM初始化、內部各種寄存器的設置，通訊模式的設置以及開中斷；通信模塊用來建立網絡并建立節點間聯系，協調器給其他網絡設備分配網絡地址，建立綁定關系等；數據采集及轉換模塊用來采集并處理模數轉換后的傳感器數據；數據處理模塊用來接收并分析收到的信息，并對數據進行分析判斷，或進行轉換合并；數據發送模塊是將信息打包后進行發送到其他節點和監控主機。

4傳感器數據采集軟件設計

    溫濕度傳感器對信號進行AD轉換，數字濾波，線性化處理及顯示。

    傳感器在不通電存放一段時間后，再次通電時，傳感器不能立即正常采集信息，需要一段時間預熱。程序初始化結束后，系統進入監控狀態。

    溫濕度傳感器采集信號的流程圖如圖4所示。

    通過CC2530IO口模擬DHT11的讀取時序，讀取DHT11的溫濕度數據，通過編程實現溫濕度值的采集，讀取到溫濕度之后通過串口打印出來，下面是源碼實現的解析過程：

    主函數中主要實現了以下步驟：

    （1）初始化系統時鐘xtal_init()：選用32MHz晶體振蕩器。

    （2）初始化LEDled_init()：設置P1.0和P1.1為普通I/O口，設置P1方向為輸出，然后關閉D6、D7燈。

    （3）初始化溫濕度傳感器dht11_io_init()：配置P1.5I/O口。

    （4）初始化串口uart0_init()：配置I/O口、設置波特率、奇偶校驗位和停止位。

    （5）在主函數中使用while(1)每隔1s更新溫濕度的值并讓D7燈閃爍。

    上電CC2530節點板，然后按下連接好的CC2530仿真器的復位按鍵；接下來點擊IAR菜單Project->Downloadanddebug，將程序下載程序到CC2530射頻板上。在PC上打開超級終端或串口調試助手，設置波特率為19200，8數據位，1停止位，無硬件流控。將CC2530射頻板上電并復位，運行剛才下載的程序。從PC機串口中可以讀出當時場所的溫度、濕度實驗數據。

5 Web應用程序演示

    根據實際s210系列實驗箱以及硬件平臺修改代碼中傳感器節點的IEEE地址、智云服務器地址和智云ID/KEY。設置電腦接入到互聯網或者與智云網關設備在同一個局域網內。用谷歌瀏覽器運行：TempHumiDemo-Web\TempHumiDemo.html，進入遠程數字溫度計模塊界面，在主界面右上角顯示“數據服務連接成功！”消息后即表示鏈接到智云服務中心，在界面可以看到溫濕度的顯示，如圖5所示。

6 結束語

    本位以溫濕度這種典型的物聯網傳感器為核心器件，通過硬件和軟件的設計組裝，實現智能數字溫濕度計的設計。該無線溫濕度傳感器定時采集環境溫濕度數值并主動上傳，通過對空氣溫濕度傳感器的采集監控，實時將溫濕度信息推送到Android移動客戶端，實現隨時隨地遠程獲取家居溫濕度等環境信息的功能。