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基于ZigBee的温湿度监测系统

来源:我们爱旅游
第13期 2017年7月 无线互联科技 NO.13 July,2017 基 ̄Zig Bee的温湿度监测系统 李艳丽,廖晓娟 (重庆科创职业学院信息与机电工程学院,重庆402160) 摘要:文章介绍了一种基于zigBee的温湿度监测系统,系统以无线射频芯片cc2530为核心设计了用于温湿度监测的无线传 感器网络,对系统的硬件电路设计和温湿度传感器DHTl1的选择作了说明,给出了协调器和终端设备的软件结构图,设计了上 位机监测平台软件。经测试表明系统运行稳定、节点硬件接收灵敏度高、温湿度测量准确,且具有可视化特点,可广泛用于环 境监测。 关键词:ZigBee;CC2530;无线传感器网络;DHTll;协调器;终端设备;温湿度 环境中的温湿度与工农业生产及人民生活息息相关,如 EndDevice(终端设备)没有特定的维持网络结构的责任,往 。 企业生产、仓库存储、温室大棚,家居生活。湿度过大会引 往连接不同的传感器进行数据采集H]起粮食霉变;温度变化会影响生产生活质量;精密仪器、半 2 系统总体设计方案 导体器件会因环境过温、过湿而性能降低【1],并且随着人们 本系统框架如图1所示。监测系统NZigBee ̄线传感器 Wireless Sensor Networks,wSN)和上位机监测平台 对家居生活舒适度的要求越来越高,对室内室外的温湿度 网络(往往需要实时了解或监测。 两部分组成。zigBee无线传感网是由分布在监测区域中的 由于温湿度监测一般存在着监测点分散、需远程控制等 协调器、路由器和多个终端设备组成。其中,终端设备带有 困难,为此,文本提出了基于ZigBee技术的无线温湿度监测 温湿度传感器,分布在监测区域实时感知和处理数据,并将 方案,在监测区域放置传感器节点来采集温湿度数据,经处 这些数据通过无线射频信号发射出去;路由器主要将传感 监控端对采集的信息进行统一管理分析。该方案改变了传统 Personal Area Network,WPAN)中各个传感器节点发出的 的有线监测方式,具有低成本、低功耗,可扩展性,布线简单 无线射频信号进行接收和处理,并通过RS232串行总线送 。上位机监测平台软件采用高级语言开发环境 等特点。目前蓝牙、WiFi等无线通信技术应用曰益广泛,但 入上位机 】reless 理后通过自组织无线网络将温湿度数据传输到监控端,由 数据路由到协调器;协调器对整个无线个域网(Wicrosoft Visual Studio2010(简写VS2010)来编写,负责 其复杂的设备系统,高功耗、高成本,不适合应用在一些低 Mi数据速率、低成本和通信范围较小的场合等领域,因此为了 接收、显示和存储协调器发过来的温度、湿度无线传感器 满足类似于温湿度传感器这样小型、低成本设备无线联网的 数据。 要求,ZigBee技术正符合这种需求 】。 1 ZigBee技术 ZigBee技术是-- ̄o0短距离、低复杂度、低功耗、低速 率、低成本的双向无线通信技术,是一组基于IEEE802.15.4 无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的通 信技术。ZigBee协议规范使用了IEEE802.15.4定义的物理层 (PHY)和媒体介质访问层(MAC),并在此基础上定义了 网络层(NWK)和应用层(APL)架构[31。 在ZigBee网络中存在3种逻辑设备类型:Coordinator (协调器),Router(路由器) ̄llEndDevice(终端设备)。 ZigBee网络由一个Coordinator以及多个Router和多个 EndDevice组成。Coordinator(协调器),协调器主要负责配 置网络参数、启动整个网络,接收发送数据。协调器也可以 用来协助建立网络中安全层和应用层的绑定(bindings)。 Router(路由器)的功能主要是允许其他设备加入网络, 多跳路由和协助它自己的由电池供电的终端设备的通信。 图1系统框架 作者简介:李艳丽(1987一),女,山东菏泽,硕士研究生,讲师;研究方向:物联网,无线传感网。 一l8一 第l3期 2017年7月 NO.13 无线互联科技・无线天地 July,2017 2.1系统硬件设计 WSN中的传感节点由数据采集模块、信号处理模块、无 线射频模块和电源模块4部分组成。其中数据采集模块负责 监测区域内信息的采集和数据的转换;信号处理模块,负责 控制整个传感节点的操作,存储和处理本身采集的数据以及 其他节点发来的数据;无线射频模块,负责与其他传感节点 进行无线通信,收发采集的数据[6】;电源模块,为传感节点 提供运行所需的能量,通常采用微型电池。WSN中传感器节 点的结构如图2所示。 图4 DHT11温湿度传感器实物图 DHT1 1数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号 输出的温湿度复合传感器。DHT1 1传感器部分技术参数如 表1所示,它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技 术,具有超快响应、抗干扰能力强、精度高等优点 】。传感 器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC ̄q温元件,并与一 个高性能8位单片机相连接。DHTll与CC2530的引脚连接如 图5所示,图中VCC接电源,GND接地,数据引脚DATA接 CC2530芯片的P0 771脚来获取环境中的温湿度数据。 表1 DHT11技术参数 图2 WSN节点结构 传感器类型 型号 测量范围 测湿精度 测温精度 分辨力 在本系统中,所有网络节点中的信号处理模块和无 线射频模块采用CC2530片上系统(System—on.chip, SoC),所谓片上系统一般是指在单个芯片上集成一个 完整的系统,一般包括中央处理器(CPU)、存储器以及 外围电路等。CC2530是用于IEEE802.15.4、ZigBee和 RF4CE应用的一个真正的片上系统(SoC)解决方案。 CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能,业界标准 的增强型8051CPU,系统内可编程闪存,8一KB RAM和 许多其他强大的功能。CC2530有4种不同的闪存版本: CC2530F32/64/128/256,分别具有32/64/l28/256KB的闪 存【1 。CC2530具有不同的运行模式,运行模式之间的转换 时间短进一步确保了低能源消耗,使得它尤其适应超低功 耗要求的系统。 相对湿度和 20%~90% 温度测量传 DHTl1 RH ±5%RH ±2℃ 感器 0-50℃ 1 DTHl1 CC2530 另外需要说明的是,考虑到网络中的终端设备需要驱动 传感器进行数据采集,因此本系统中的终端设备设计简化图 图5 DHT11与CC2530 ̄1脚连接 2系统软件设计 如图3所示。其中,数据采集模块的传感器采用温湿度传感 2.本系统中的网络节点间通信采用ZigBee技术,因此软件 器DHT1 1,实物图如图4所示。 应用程序开发是在TI ZigBee协议栈(简写TI Z.Stack)基础 上进行编写,采用的软件开发环境是IAR8.10。由于Z.Stack 已经编写了从MAC层(macEventloop) ̄lJZigBee设备应用层 (ZDApp event loop)这5层任务的事件处理函数,因此, 笔者主要编写了协调器应用层和终端设备应用层的任务及事 件处理函数。根据前文1 ZigBee技术中对ZigBeel ̄络的3种 设备角色的功能,再结合本系统@ZigBee网络中设备的功能 需求,对协调器和终端设备的软件结构设计如图6—7所示, 路由器主要路由转发协调器和终端设备的数据,此处暂不对 图3终端设备结构 一路由器进行软件设计。 19— 第13期 NO.13 2017年7月 无线互联科技・无线天地 uim8 options, July,2017 uint8 radius) 图6协调器软件结构 协调器和终端设备上电后,首先对系统初始化,主要 行操作系统入口程序osal start system()。其中协调器 图7终端设备软件结构 初始化硬件平台和软件架构所需要的各个模块,然后执 2.3上位机监测平台设计 上位机监测平台负责接收、显示和存储协调器发过来 开始广播Beacon信标帧,组建一个WPAN并允许新节点 的温度、湿度无线传感器数据。在该平台中,需要具有以下 功能1:可对通信串口的端口、波特率、数据位、停止位、  加入网络,对申请入网成功的新节点分配16位的网络短地 功能。址作为网络中唯一的身份标识。协调器通过SampleApp MessageMSGCB()函数捕获空气中的信号,若信号是温湿 校验位进行设置;功能2:可以打开和关闭已经存在的串口; 度数据则通过串口上传给上位机。若又有新节点入网,则依 功能3:可以接收和发送数据,接收到的数据在接收文本框 旧处理入网请求 J。 中可以显示;功能4:发送和接收的字符可显示为十六进制 图7中终端设备在入网成功后,调用数据采集函数来 数;功能5:对接收的数据进行判断处理,并可以判断出接收 驱动温湿度传感器DHT11进行温湿度数据采集,然后调用 的数据是否为温度或湿度数据;功能6:显示相应的温度或 无线发送函数AF DataRequest()将采集的数据形成数据 湿度。 包,再利用CC2530无线射频模块的发送器发送到空气中, 发送地址模式分为单播、广播和组播3种模式。其中AF DataRequest()的函数原型为: afStatust AFDataRequest(afAddrTypet dstAddr, ___上位机监测平台设计如图8所示。 3 系统实现 3.1 ZigBee ̄线传输硬件平台实现 endPointDesc t*srcEP. uintl6 cID. uintl6 1en. uint8*buf, uint8*transID, 一ZigBee无线传输硬件平台的搭建实物图如图9所示,协 调器和终端设备(由于实验距离短,此处不考虑使用路由 器)组成TZigBee无线传感网,协调器由于无RS232串口,故 使用USB转COM线连接上位机(注意需要安装USB转COM 驱动,否则串口无法识别相应的COMH)。终端设备使用电 源供电,每个终端设备上连接有DHT1 1温湿度传感器。此系 20— O 无线互联科技・允线 地 L】1、 , 统』I}有体乖J:小fI】功牦低的特点。 技术的潞湿度 测系统,小系统无线他感 —l】 ^采川 设置端 号,波特牢,数据位,停I}:化和  I校验位 jChipcon公州牛产的CC2530芯片,该芯" 成J ZigBee ̄,]。坝 前端、l~仔、微控制 等,ZigBee终端m 、 利川DHTl1进仃 温 采 ,实现数 (i!ZigBee无线刚 【lf0输。 Jf:拨的f 俺机监洲、卜f ,通过串Lj j 州 连接, 脱 _l__…一__二. …_l__一二…一 。 串[]操作(打开/父闭) 数捌 ̄Il、 ,j 卡lJ存储功能,他濉 瞍数 监测r J‘ 化。测试 表lJ【j, 系统 I} 速Jl={=怏、1 点 活、显,j }晰。 系统只何低成小、低助卡£,布线简t 、I,j- 化等优  -可以I 泛 f『J r企业 I。'’ 、仓J车存储、 人 ,京 生 t 的 I J业、汕 控制等方。【『 IJ 数}1} I(处理 _一___ '_~__■ 温度 示 湿度 示 图8上位机监测平台设计 图9系统硬件实物 3.2上位机监测平台实现 溅粕tl蛹 : k 妊 童蕾曲皇 高级 ’ r 环境VS20l()米丌发的上位机 测、 台 罩口醺置 墨_毫席l嘲} 软f t:一温湿J 测系统如罔l0所/J 。 该系统cf,,阿,尢哎置 皋口 ’ o 5 1。 15 20 25一 £n 端口 、波特半、数据位,停 J:化干¨饺验化十}{关串l J参数,然 聩}}率:1ls2∞ - 后打开串厂],f…J成功打 后l』lJ 接收数据厂。 渊器接收 ¥I止住:Oh 4o 蝻担垃:e , 到的温度或 度数据迎过串[II 他刮卜化机,并J}JJ 条1 同 20 奇儡棱I盘: n・ , 的曲线灾H.t-H.J …柬。小软件也I J.以 看到最新的濉度和湿 匮逝] u 10 1s 2o 25 数 ,其 J变为桐对湿愎他,川 分比表示。 当精蕞崖 1s业℃ 当精墨攫; 51 ql 4 结语 于传统仃线传感 的启j ,小文提出了 J ZigBee 图10上位机监测软件 [参考文献】 f11梁冠杰,陈旧.仓库的温度湿度微机化监控【J].电力学报.1994(9):44—47. 辛颖,谢光忠,蒋亚东.基-T:-ZigBeef ̄、-i2. ̄々温度湿度无线传感器网络Ⅲ.传感嚣与徽系统,2006(7):82—83. 『31蒋挺,赵成林.紫峰技术及其应用【M1.北京:北京邮电大学出版社,2006. f41高守玮,吴姐I阳.ZigBee ̄ ̄术实践教程【M】.北京:北京航空航天大学出版社.2009. f51魔娜,程德福.基于zigBee无线传感器网络的温室监测系统设计…告林大学学报(信.tf .科学版),2(110(1):57. 『61刘雅举,蔡振江,张莉,等.基于射频芯片的zigBee无线传感嚣I4,gv‘点的设 HJ].微计算机信息,2007(8):167—168. 『712 ̄-片q274035496.CC2530[EB/OL].(201 5-07—28)【201 7—07—10】.http://baike.baidu.com/Iink?u rl 2qi4 L)a98NGeRh()xlv4xc— mbgV26t6LPNw1PFm63mhPIG—d4pw3bvzRvx1ABZ5GBsO43D4sRiC0urABqirxpbOa f州颜丽娜,王顺忠,张铁民.基 ̄-DHTIl温湿度测控系统的设计【J】.海南师范大学学报(自然科-9 ̄,k),2013(4):397—399. f91侥云华,代莉,赵存戍,等基于无线传感器网络的环境监测系统….武汉大学学报,2006(3):345—348. ~ … (卜转第28 Of) 第13期 2017年7月 No. 13 无线互联科技・网络地带 2O17 July, [参考文献】 [1】谈剑峰大数据给现代社会带来了五大安全威JA ̄-[EB/OL].(2014-10-28)[2017—07—10].www.ocn.com.cn. 『21安妮.大数据环境下的数据安全问题及应对策略[J].科学与财富,2015(4):183. 『3]m新玲,黄芝晓.‘公共数据开放”与“个人隐私保护”的悖论[J].新闻大学,2014(6):55—61. 『4]张宇敬,齐晓娜.大数据时代个人隐私权保护机制构建与完善[J].人民论坛,2016(2):156—158. 【5】胡坤,刘镝,刘明辉.大数据的安全理解及应对策略研究[J].电信科学,2014(2):113—1l7. 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Research on personal privacy protection in big data era Qi Xiaona,Zhang Yujing,Zang Lina (Information Management and Engineering Department ofHebei Finance University,Baoding 071000,China) Abstract:Big data contains great value,which has brought changes to our lives,work and thinking,however.It also makes personal privacy dificulft to hide.How to protect personal privacy has become a concern of the whole society.This paper analyzes the suggestions of personal privacy,such as the definition of personal privacy,the threat of personal data and the way of disclosing privacy,and puts forward suggestions such as perfect laws and regulations,strengthening enterprise self-discipline,improving personal privacy protection technology,cultivating personal information protection consciousness and data sales license system recommendations Key words:big data era;privacy of individual;protection strategy (上接第2l页) Temperature and humidity monitoring system based on ZigBee Li Yanli,Liao Xiaojuan (Information&Electromechanical Engineering Department ofChongqing Creation Vocational College,Chongqing 402160,China) Abstract:This paper introduces a kind of temperature and humidity monitoring system based on ZigBee,wireless sensor network temperature and humidity monitoring is designed by this system taking wireless radio frequency chip CC2530 as the core,which described the hardware circuit design and selection of temperature and humidity sensor system DHT1 1,and gave the software structure diagram of the coordinator and terminal equipment,designed the PC monitoring platform software.The test results show that the system is stable, the node hardware is of high receiving sensitivity and accurate measurement of temperature and humidity,and it has the characteristics of visualization,which can be widely used in environmental monitoring. Key words:ZigBee;CC2530;wireless sensor networks;DHTll;coordination;end instrument;temperature and humidity 一28 

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