陳歡，秦懷宇，李旋

（1.無錫科技職業(yè)學(xué)院，江蘇無錫，212000；2.江蘇科技大學(xué)，江蘇張家港，215600）

0 引言

溫度和濕度作為環(huán)境監(jiān)測(cè)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，對(duì)生產(chǎn)、生活有著重大影響。本文利用ZigBee無線傳輸技術(shù)，采集溫濕度指標(biāo)。以CC2530為主芯片，使用數(shù)字溫濕度傳感器采集數(shù)據(jù)，采用串口傳輸實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)之間的通信，并利用閉環(huán)反饋確保系統(tǒng)穩(wěn)定性[1-6]。

1 主要研究?jī)?nèi)容

圖1 系統(tǒng)框圖

本設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)周圍環(huán)境溫度與濕度的采集、傳輸、顯示等。硬件部分包含微處理器芯片、溫濕度傳感器、顯示屏和步進(jìn)電機(jī)等；軟件部分利用監(jiān)測(cè)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示，最終實(shí)現(xiàn)的功能如下：（1）數(shù)據(jù)采集：利用溫濕度傳感器采集周圍環(huán)境中的相關(guān)數(shù)據(jù)。（2）數(shù)據(jù)傳輸：終端設(shè)備利用無線通訊協(xié)議將數(shù)據(jù)信息傳送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過USB串口上傳到上位機(jī)。（3）數(shù)據(jù)顯示：串口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)在上位機(jī)中數(shù)字化顯示并提供信息保存功能。（4）反饋調(diào)節(jié)：當(dāng)數(shù)據(jù)信息超出設(shè)定范圍時(shí)，反饋系統(tǒng)自動(dòng)運(yùn)行以保持系統(tǒng)穩(wěn)定性。（5）系統(tǒng)測(cè)試：實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)后，對(duì)其進(jìn)行分析、評(píng)估，驗(yàn)證系統(tǒng)的基本功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 CC2530核心模塊設(shè)計(jì)

CC2530芯片是美國(guó)德州儀器公司研發(fā)的新一代ZigBee片上系統(tǒng)解決方案，建立在基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議之上。CC2530核心模塊由主控芯片CC2530和外圍設(shè)備組成，是ZigBee節(jié)點(diǎn)的核心部分。它集成RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，增強(qiáng)型8051內(nèi)核，8KB RAM等強(qiáng)大功能[7-12]。

2.2 溫濕度傳感器模塊接口設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用DHT11溫濕度傳感器，其包含一個(gè)電阻式感濕元件和NTC測(cè)溫元件，并與高性能8位單片機(jī)相連。該傳感器性能穩(wěn)定、響應(yīng)快，抗干擾能力強(qiáng)，性價(jià)比高。測(cè)量范圍是：溫度0－50℃，濕度20%~90%；測(cè)溫精度±2℃，測(cè)濕精度±5%，分辨力為1[13-17]。傳感器為4針單排引腳封裝，引腳說明見表1。

表1 DHT11數(shù)字溫濕度傳感器引腳說明

圖2 DHT11溫濕度傳感器接口

2.3 串口通信模塊設(shè)計(jì)

本文采用CH340串口通信模塊，它是一個(gè)USB 總線的轉(zhuǎn)接芯片，可實(shí)現(xiàn)USB 轉(zhuǎn)串口、USB 轉(zhuǎn)IrDA 紅外或者USB轉(zhuǎn)打印口。在串口方式下，CH340 提供常用的MODEM聯(lián)絡(luò)信號(hào)，為計(jì)算機(jī)擴(kuò)展異步串口，或?qū)⑵胀ǖ拇谠O(shè)備直接升級(jí)到USB 總線。CH340模塊有4個(gè)外接引腳，具體說明見表2。

表2 CH340串口通信模塊引腳說明

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)進(jìn)入主函數(shù)后，先對(duì)主控芯片和外圍設(shè)備進(jìn)行初始化設(shè)置。初始化完成進(jìn)入循環(huán)檢測(cè)。傳感器開始采集溫濕度數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)傳輸給終端的CC2530芯片，終端接收到數(shù)據(jù)后會(huì)把數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器，經(jīng)歷短暫的延時(shí)后終端還會(huì)給傳感器一個(gè)再次采集數(shù)據(jù)的信號(hào)。協(xié)調(diào)器接收數(shù)據(jù)后會(huì)將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送至上位機(jī)同時(shí)顯示屏?xí)@示測(cè)量的數(shù)據(jù)。當(dāng)溫濕度數(shù)據(jù)超過系統(tǒng)設(shè)定的設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)工作，直到溫濕度參數(shù)在設(shè)定值之內(nèi)停止。主程序流程圖如圖3所示。

CC2530芯片向DHT11發(fā)送開始信號(hào)后，DHT11從低功耗模式喚醒，進(jìn)入高速模式，并且會(huì)對(duì)開始信號(hào)進(jìn)行響應(yīng)。DHT11將采集的數(shù)據(jù)打包發(fā)送給主控芯片的控制器中，在發(fā)送結(jié)束后會(huì)再次接收到采集信號(hào)繼續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。以此往復(fù)進(jìn)行。當(dāng)主控制芯片向傳感器發(fā)送結(jié)束信號(hào)后，傳感器停止數(shù)據(jù)采集，然后進(jìn)入低功耗模式。傳感器控制流程圖如圖4所示。

3.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本文采用LabView設(shè)計(jì)上位機(jī)軟件，利用其VISA資源庫選擇串口和配置參數(shù)，通過串口通訊協(xié)議將串口中的數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)中。數(shù)據(jù)經(jīng)過若干編程模塊的處理，在前面板顯示控件按鈕。圖5是系統(tǒng)上位機(jī)的總體設(shè)計(jì)框圖。前面板如圖6所示。

圖3 主程序流程圖

圖4 傳感器控制流程圖

圖5 上位機(jī)設(shè)計(jì)框圖

圖6 前面板效果圖

4 測(cè)試結(jié)果分析

4.1 無障礙測(cè)試

該測(cè)試在一長(zhǎng)廊進(jìn)行，節(jié)點(diǎn)高出地面1米，每10米取測(cè)量點(diǎn)，測(cè)試傳輸質(zhì)量與距離的關(guān)系，結(jié)果如表3所示，可見當(dāng)距離大于60米后，掉包率顯著增加，傳輸質(zhì)量下降。

表3 無阻礙掉包率測(cè)試

4.2 有障礙測(cè)試

在實(shí)際應(yīng)用中，數(shù)據(jù)傳輸會(huì)遇到障礙物。本文為模擬這一場(chǎng)景，在終端與協(xié)調(diào)器之間放置壁壘，壁壘間距設(shè)為5米，評(píng)估傳輸性能，表4是其實(shí)驗(yàn)結(jié)果?？梢姡鎸?duì)一道壁壘時(shí)，ZigBee能以較高質(zhì)量傳輸數(shù)據(jù)，但是面對(duì)多層壁壘，幾乎無法實(shí)現(xiàn)有效傳輸。

表4 有阻礙掉包率測(cè)試

5 結(jié)束語

本文以CC2530模塊為基礎(chǔ)搭建溫濕度監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，分別設(shè)計(jì)了硬件接口電路、下位機(jī)控制軟件和上位機(jī)測(cè)試軟件，測(cè)試結(jié)果證實(shí)設(shè)計(jì)合理。多終端多協(xié)調(diào)器是開展后期工作的主要方向。