基于zigbee温湿度监控

基于zigbee温湿度监控（共9篇）

基于zigbee温湿度监控 篇1

基于ZigBee的精密仪器实验室温湿度测控系统

作者：袁金正 石奋苏

来源：《现代电子技术》2013年第04期

摘 要： 针对精密仪器实验室对温湿度的严格要求，和在控制调节方面的延迟现象，设计了基于ARM和ZigBee的精密仪器实验室温湿度自动测控系统。系统以ZigBee无线传感器网络为温湿度数据来源，以AT91RM9200嵌入式微处理器为中心，使用RS 232C接收接口，通过对GPIO的电压输出控制，从而操纵以继电器为中心的控制电路；系统采用嵌入式Linux为上位机开发平台，使用Qt/E和多线程技术实现了图形用户界面，完成了温湿度的实时显示、查询和设置，根据精密仪器实验室温湿度的变化，系统可以准确地进行自动测控。关键词： 温湿度； ZigBee； GPIO； 精密仪器实验室； RS 232C； 继电器

基于zigbee温湿度监控 篇2

目前, 温湿度不仅是在农业生产中经常需要被测量的量, 同时也是各变电站中电力设备很重要的参数, 实现对温湿度的实时监控及遥控有着很重要的意义。随着各行业对大范围多监测区域、多监测传感节点、监测节点间网络化、无线化等需求的不断增强, 普通的监测技术已经不能满足需要。Zig Bee技术以它特有的低功耗、低成本、高可靠、高容量以及自愈合、自修复、低延时等特点在各行业受到越来越多的关注与应用[1]。而GPRS技术作为无线传输的通信手段, 其网络覆盖范围广, 能确保设备实时的联网, 永久在线, 实现远程的实时传送。

针对大范围、多区域温湿度实时监控及通信技术的发展, 本设计利用先进的Zig Bee无线传感网络技术进行监测区域监测节点的数据采集与传输, 结合GPRS技术实现温湿度的实时监控及远距离遥测, 从而进行及时地、有效地管理。本系统安全可靠, 维护方便, 可扩展性强, 可以应用到任何需要对温湿度进行采集及监控的场合。

二、系统总体方案设计

系统总体构成如图1所示。该系统由Zig Bee无线传感网络、集中控制器、GPRS网络及远程监控中心四部分构成。其中Zig Bee无线传感网络由多个温湿度不同的传感器节点组成, 每一个监测区域由一个集中控制器进行管理。

每个监测区域的所有温湿度传感器节点可以分布于需要被测量的现场, 将采集到的信息发送给路由器, 从而建立一个新的无线传感网络, 该网络是由温湿度传感器以Zig Bee协议为基础所构成的无线网络, 采用星型网络拓扑结构。它实时采集网络覆盖区域内的温湿度信息, 发送命令, 利用串口将信息传输给集中控制器, 再通过GPRS模块将所有的信息上传给监控中心, 以便进行监测, 并且及时进行调控。

三、传感器节点硬件实现

无线传感 器节点由CC2530芯片、温 湿度传感 器AM2301、电源及天线等部分构成, 结构框图如图2所示:

本设计中, Zig Bee节点设计选用的是CC2530射频芯片[2]。CC2530是用于2.4GHz、与IEEE802.15.4标准兼容的射频收发器, 具有极高的接收灵敏度和抗干扰性能, 支持基于Zig Bee协议栈的应用程序开发;包含8KB RAM及四个版本的闪存;提供了多个外设。CC2530具有不同的运行模式, 尤其适应超低功耗要求的系统。AM2301是一种数字温湿度传感器, CC2530可通过定时采样AM2301的温湿度值, 从而降低功耗。

四、集中控制器硬件设计

集中控制器的主要功能是将采集到的数据信息通过GPRS模块发送至监控中心, 同时也接收并转发监控中心的各种命令。硬件设计图如图3所示。

本设计选用超低功耗类型的单片机MSP430F149, 具有强大的处理能力, 系统工作稳定, 丰富的片内外围模块, 方便高效的开发环境等[3], 完全满足本系统的需要。晶振电路采用8MHz的外部晶振, 可以满足系统定时精度要求以及GPRS模块的波特率配置。复位电路采用上电复位和按键复位两种相结合的电路。电源电路还需要进行转换。电源选用输出为5V/3A的稳压源, 经过稳压芯片AOZ1016稳压到3.3V作为最小 系统的供 电电源。AOZ1016具有4.5V-16V的输入电压范围, 能在 -40℃至85℃的环境温度范围内工作, 并且具有低至0.8V的输出电压。

GPRS模块选用的是基于GSMGPRS网络的无线数据传输设备的ATK-SIM900A[4]。ATK-SIM900A可以直接和单片机的UART串口相连接实现双向通信, 同时还可实现短信接收、发送, 实现短信数据处理。使用该模块, 用户无需了解TCPIP、FTP等数据协议, 数据可以通过单片机串口直接发送给模块, 模块透传到服务器, 服务器下传给模块的数据也可以通过串口传输给单片机。

五、软件设计

软件部分主要解决数据的采集和、Zig Bee通信、数据处理等, 数据采集模块可以由CC2530芯片内部的MCU实现。Zig Bee部分的程 序设计是 基于Z-Stack协议栈的 , 使用CC2530和Z-Stack, 比较容易开发符合自身需要的应用。传感器节点信息采集的流程图如图5所示。若加入网络失败, 需重新入网, 然后判断接收到的命令是否正确, 若正确则进行数据的采集。集中控制器软件设计流程图如图6所示, 上电后对硬件和软件进行初始化, 同时通过GPRS模块完成与监控中心进行通信。

六、结束语

本文设计的基于Zig Bee和GPRS技术的远程温湿度监控系统, 将低成本、低功耗的Zig Bee无线网络和覆盖范围广的GPRS通信技术结合起来, 实现了多地区、大范围的温湿度数据的采集。该系统应用场合比较广泛, 可靠性强, 布线特别简单, 在安装简单, 在农业、工业各个行业都比较适用。在本系统的基础上, 在监控中心模块可以扩展手机终端, 通过发短信或语音来发送控制命令, 拓展其智能化的发展方向。

摘要：为实现对多个监测区域进行实时的远程温湿度监控和自动调节, 设计了一种Zig Bee无线传感网络和GPRS技术相结合的温湿度远程监控系统。阐述了系统的实现方案, 给出了硬件电路构成及系统软件设计。该系统的通信信道均采用无线传输的方式, 不需布线, 安装、维护方便, 有效实现了多区域温湿度的实时监控及远距离遥测。

关键词：远程监控,ZigBee,无线传输,GPRS

参考文献

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基于zigbee温湿度监控 篇3

关键词：温湿度监控系统；STM32处理器；设计；大棚；参数设置

中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）11-0015-03

随着微电子科技的不断发展，农业科技的智能化需求越来越高，传统直布线测量与控制方式已经无法满足需求，采用无线传输温湿度成为必然趋势。以STM32为控制核心设计温湿度控制系统，采用高精度温湿度传感器对温度进行实时测量，利用STM32核心处理器进行比对、转换等计算，使用无线模块和GPRS模块连接上位机，并通过上位机串口接收和发送数据。

1 设计方案论证

1.1 控制部分

方案1：采用STC89C51/52八位单片机实现控制。此单片机软件自由度较大，硬件成本低，但资源相对较少，需要强劲的“芯”来支持联网通信功能，这在八位机上很难实现，因此不适用于该系统。

方案2：采用当前较流行的STM32控制器。此控制器硬件资源丰富，包括多个I/O接口和SPI通讯接口，性价比很高，且便于操作。

1.2 传感器部分

方案1：采用NTC热敏电阻温度传感器和HR202湿敏电阻传感器模拟量输出，性价比较高。

方案2：采用数字温湿度传感器输出全数字化信号，有利于单片机处理和控制，且体积小、省去很多传统外围电路，但该传感器价格比传统的热敏电阻温度传感器高，且软件操作较繁琐。

1.3 联网控制部分

联网控制部分采用当前流行的Zigbee射频模块，其具有灵敏度高、反应速度快，组网能力强、安全可靠的特点。再利用GPRS模块与Zigbee局域网互联成一个整体，解决移动网络盲区覆盖的问题。

1.4 放风控制部分

采用大棚两侧放风方式。

1.5 系统框图

系统控制部分采用STM32F103系列微处理器，传感部分采用SHT15数字温湿度传感器，组成的系统框图如图1所示。

2 硬件电路设计

2.1 温湿度采集模块

在大棚生产中，温度和湿度是最主要的被控参数之一。其中相对湿度的测量比较复杂，需要设计信号调整电路及较为复杂的标准设定过程，且测量精度难以保证。究其原因，湿敏元件在稳定性、可靠性、非线性等方面很难达到均衡。

传感器选用SHT15数字温湿度传感器，其将工业级CMOS芯片技术与传感技术结合起来，由多个传感模块组成单片全校准数字输出温度和相对湿度。将温度传感模块、湿度传感模块、数模转换模块、信号调整、I2C接口等全部集成到传感器内，不但干扰更少，而且设备体积也更小。SHT15的内部结构见图2。

SHT15全量程标定，两线数字输出，温度测量范围为-40～+123.8 ℃，精度可达±0.3 ℃；湿度测量范围为0～100%RH，测量精度可达±2%RH；响应时间为8 s（tau63%）。

2.2 Zigbee无线模块及GPRS模块

SN102无线模块以射频模式接收和发送数据，通过SPI接口与微控制器进行数据交换、指令发送与接收。此模块可对多个大棚中的温湿控制设备进行统一的数据发送和接收，形成1个1 000～2 500 m范围的局域网络。其特性如下：1） 安全可靠。Zigbee技术采用AES-128加密算法，具有完整性检查和鉴权功能。同时，其采取的碰撞避免机制有效避免了数据接发时的竞争和冲突，且同频抗扰能力也非常出色，支持跳频及固定频率2种工作模式。2） 自组网和自愈能力强。Zigbee网络可以增加、删除或移动节点，当节点出现发送阻碍时可以自我修复，保证网络正常工作。无线人工干预可感知节点的存在，并构造成星形、树形、点对点、点对多点、MESH网络，网络深度可达到8级。3） 反应速度快。此设备发射功率可达17 dbm，深度休眠唤醒时间120 us，能够满足实时通信要求。

2.3 GPRS模块

GPRS模块采用西门子MC35。该模块可提供40线ZIP接口、SIM卡接口、标准RS232双向接口，支持EGSM900MHz/GSM1800MHz双频2种工作模式。

2.4 放风控制器

大棚卷膜两侧放风时，直流电机功率在60～100 W之间，电机双向转动，一旦棚内温度超过设置限值，电机即根据设定要求正向卷起棚膜或反向放下棚膜。T通过4个功率元件组成H桥电路，用场效应管、三极管等开关元件实现PWM（脉冲宽度调制）调速，输出电流要求达到6 A。

2.5 STM32主控电路

该处理器是一款嵌入式ARM处理器，为MCU提供低成本的平台、缩减的引脚数目和较低的系统功耗。同时，其也提供卓越的计算性能和先进的中断系统响应。STM32主控电路是一款精简指令集计算机RISC处理器，拥有一致的指令模式和相同的指令周期，提供额外的代码效率。其增强型系列还拥有内置RAM核心，可与所有的ARM工具和软件兼容。

STM32F103系列微处理器的基本功能和特点为：1） 适合工作于-40～+105 ℃的环境，供电电压在2.0～3.6 V之间，省电模式保证低功耗的应用要求。2） 工作频率为72 MHz，内置高速存储器（高达128 K字节的内存和20 K字节的SRAM），有丰富的增强I/O端口和链接到2条APB总线的外设。51个快速I/O端口，且所有I/O口均可以映像到16个外部中断，允许5 V信号。3） 所有型号的器件都包含2个12位ADC、3个通用16位定时器和1个PWM定时器。4） 包含先进的通信接口，即2个I2C和SPI、3个USART、1个USB、1个CAN。5） 增强型系列包括36～100脚等5种不同封装形式，不同形式的器件外设配置不尽相同。系统采用的48脚处理器如图3所示。

3 软件设计

软件程序主要分2部分：电力系统通断控制和温湿度数据采集。系统主程序的框图如图4所示。

4 结语

目前，虽然嵌入式微处理器在农业科技领域中应用广泛，但很多传统的嵌入式微处理器为8位，性能无法得到有效提升，而传统32位基于ARM的处理器需要嵌入式操作系统支持，无法使整个系统更加精炼。以Cortex-M为内核的新型微处理器不需要操作系统支持，用Keil C语言进行编程，大大减轻了设计人员的工作量。

以Cortex-M3内核的STM32F103增强型ARM处理器，结合防护型温湿度数字传感器进行温湿度采集，并在多组四位数码管上实时显示温度和湿度；通过Zigbee无线模块进行实时数据互通、参数设置等操作；微处理器完成相关计算后，对设备放风、喷淋等设备发出指令。根据大棚的实际需要调取大棚实时温湿度记录，并进行远程参数设置，可实现大棚的温湿度智能化控制管理。

参考文献

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基于zigbee温湿度监控 篇4

讨论了可编程序控制器在纺织厂温湿度监控中的应用方法，主要阐述了系统的配置、系统梯形图的编制及模拟量的处理等问题。

纺织厂的温湿度有严格要求，利用PLC构成的温湿度监控系统可实时监测与控制纺织厂内的温湿度变化，通过自动控制库内的空调机、除湿机的开启与关闭状态，以保证纺织厂内温湿度符合要求。温湿度监控包括：一旦上下限设定，在夏天，空调机将在纺织厂内温度高于上限时制冷，并在纺织厂内温度降至下限时关闭。冬天将在低于下限时处于制热状态开启空调机，而当温度升高至上限时关闭。本文主要考虑夏天的情况。同样，当湿度高于上限时去湿机开始工作，直到湿度接近下限时关闭除湿机，这样可自动控制纺织厂的温湿度状态。2 系统设计 2.1 系统原理及结构

系统使用的是一个具有5个I/O插槽的模块式PLC，如图1示。模拟IN1模块与温度传感器相接，模拟IN2模块与湿度传感器相接，24V输入（IN）模块与开关相接，24V输出（OUT1与OUT2）模块分别通过中间继电器与空调与除湿器相连。

2.2 机型选择与配置

每一个厂房有1个温度传感器、1个湿度传感器，1台空调和1只除湿器需要受控制，纺织厂内共4个厂房。总的输入点为开关量2点，模拟量8点，输出点为开关量11点。选用SZ－4型五槽框架的PLC，I/O模块为2块模拟量输入模块，1块24V输入模块，2块24V输出模块。

2.3 定义号分配

定义号是每个输入输出点在程序中的标记，一般PLC会自动根据安装槽号分配定义号，但有时模块安装位置变动时就要根据实际情况用编程器进行定义，SZ-4系列PLC中输入点用I表示，输出用Q表示。

定义号分输入信号和输出信号，输入信号定义，如表1示。表1 输入信号分配表 编号符号输 入 信 号 1 I0自动控制启动开关 2 I1手动启动开关 3 1号厂房温度信号 4 1号厂房湿度信号 5 2号厂房温度信号 6 2号厂房湿度信号 7 3号厂房温度信号 8 3号厂房湿度信号 9 4号厂房温度信号 10 4号厂房湿度信号 输出信号定义，如表2示。表2 输出信号分配表 编号符号输 出 信 号 Q1自动控制启动开关指示灯 2 Q2手动启动开关指示灯 3 Q31号厂房房空调 4 Q41号厂房房除湿器 5 Q52号厂房房空调 6 Q62号厂房房除湿器 7 Q73号厂房房空调 8 Q83号厂房房除湿器 9 Q94号厂房房空调 10 Q104厂房库房除湿器 11 Q11温度异常报警输出 3 软 件

梯形图是在原电器控制系统中常用的接触器、继电器梯形图基础上演变而来的，它与电气操作原理图相呼应。助记符语言，也称为命令语句表达式，它与汇编语言非常近似，每个控制功能由一个或多个语句组成的用户程序来执行，每条语句是规定CPU如何动作的指令，它的作用和微机的指令一样，而且PLC的语句也是由操作码和操作数组成的。

PLC是以扫描方式从左到右，从上到下的顺序执行用户程序，扫描过程按梯形图梯级顺序执行，上一个梯级的结果是下一梯级的条件。一个工程问题可分解成多个相对独立的小问题，最后形成一个完整的系统。图2 空调及除湿器的控制的程序框图

系统主要有温湿度监测和空调与除湿器的控制二大块功能。温湿度的监测每隔一定时间要进行数据记录，存储到数据寄存器区，在数据寄存器区需要设置一个数据指针，指向当前存储的地址，每存一次，指针向下移动一次，直至数据寄存器区未尾，再初始化，从头开始，每测一次，计时器要记录下次的测试时间，当到达24点时复位为0点。由于存储几个月的温湿度数据，若想长期保存，可把数据送至其他设备如微机长期保存。数据监测部分的程序框图，4 模拟量的处理

系统采用的是0～5V的模拟量输入模块，输入阻抗为20MΩ，占用16个输入点，共有4个通道，因此8个信号需要2块模拟量输入模块，该模拟量输入模块的采样精度及速度均较高，对应于模拟量输入模块的安装位置，有特定的模拟量数据设定寄存器，可在该寄存器中设定使用通道数，数据存放开始寄存器号。设定寄存器号，如表3示。表 3 模块安装槽号1234 使用通道数设定R7660R7661R7662R7663 存放数据开始寄存器设定R7660R7661R7662R7663 4.1 使用通道数设定

在设定使用通道数和数据存放形式：

高位为0：BCD形式存放，高位为1：BIN形式存放。例如0400代表4通道数据，以BCD形式存放。

4.2 数据存放开始寄存器设定

用BIN数据设定数据存放开始寄存器号，可设定为R0～R177、R1000～R1177、R2000～R3773。例如0400代表数据存放开始寄存器为R2000。

模拟模块被安装在0号和1号槽。5 结 论

基于zigbee温湿度监控 篇5

随着计算机网络技术及无线移动通信技术的迅速发展,各种新的无线网络通信技术不断涌现,如GSM,3G等无线移动通信技术以及蓝牙、WiFi等无线局域网技术,它们越来越被人们所熟悉和应用。然而,这些技术的设备系统非常复杂,且功耗较大、成本很高,不便于在一些低数据速率和通信范围较小的场合使用,例如数据采集系统、智能家居等领域。近年来,无线传感网的出现为这些问题带来了更好的解决方法[1,2],其中ZigBee作为一种低复杂度、低功耗、低成本的低速率无线连接技术越来越被人们所重视,开发应用ZigBee技术的无线设备已成为业界的一个热点。本文设计一种基于ZigBee的温湿度数据采集系统,利用CC2430通信模块组建小型无线传感器网络,并实现了传感器网络的软硬件设计。其算法经干扰环境下测试表明,网络具有较强的鲁棒性和自组能力。

1 ZigBee技术及CC2430简介

1.1 ZigBee技术

ZigBee技术[1]是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率和低成本的无线网络技术。它是介于无线标记技术和蓝牙之间的技术,主要用于近距离无线连接。一般而言,随着通信距离的增大,设备的复杂度、功耗以及系统成本都在增加。相对于现有的各种无线通信技术,ZigBee技术是最低功耗和最低成本的技术。由于ZigBee技术的低数据速率和通信范围较小的特点,决定了ZigBee技术适合于承载数据流量较小的业务。所以ZigBee联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、农业自动化和医用设备控制等。

1.2 CC2430芯片

该设计的微处理器使用TI公司的CC2430,它可用于2.4 GHz IEEE 802.15.4/ZigBee的片上系统解决方案。CC2430内部整合了IEEE 802.15.4标准的2.4 GHz的RF无线电收发机、内存和微控制器。它使用一个8位MCU(8051),有128 KB的可编程闪存和8 KB的RAM,同时还包含ADC、定时器、AES-128协同处理器、看门狗定时器、掉电检测电路等。CC2430芯片采用0.18 μm CMOS工艺生产,封装尺寸仅7 mm×7 mm。微处理器全速工作频率为32 MHz,在接收和发射模式下,电流损耗约为27 mA。CC2430的休眠模式以及其从休眠模式转换到工作模式的超短时间(在微秒级)的特性,特别适合那些要求电池寿命非常长的应用[2,3]。

2 数据采集系统总体架构

无线传感器网络终端节点主要由数据采集模块、数据处理模块、数据传输模块和电源管理模块组成。数据采集模块负责通过各种类型的传感器采集物理信息;数据处理模块负责控制整个节点的处理操作、功耗管理以及任务管理等;数据通信模块负责与其他节点进行无线通信,它通过ZigBee无线电波将数据传送到路由节点或主协调器节点,路由节点再将数据转送到主协调器节点或经过上级路由节点转给主协调器节点,主协调器节点通过RS 232串口将所有信息汇集传至PC机或服务器[3,4,5]。数据采集系统总体架构图如图1所示。

3 ZigBee节点硬件设计

本文总体硬件设计是实现针对主协调器节点的设计与开发。主协调器的硬件系统中包括CC2430通信模块、键盘电路模块、串口转USB模块、液晶显示模和电源电路模块等。主协调器节点的主要功能是负责接收和存储传感器节点发送来的消息,并向传感器节点发布网络控制信息,同时与PC机进行数据交换。其中串口转USB模块负责转换 CC2430模块与PC机的通信信号;液晶显示模块负责节点工作状态的指示;电源模块通常采用持续电力供电,为主协调器节点提供运行所需的能量。根据气象采集系统的需求设计硬件结构,并设计各部分电路,包括无线传输模块、CC2430接口模块、复位电路模块、电源电路模块、数据采集模块、扩展电路模块及外围电路。如图2所示为主协调器节点硬件组成图。

温度传感模块的核心元件为Pt100铂电阻,它是正温度系数热敏电阻传感器,线性较好,在0～100 ℃之间变化时,最大非线性偏差小于0.5 ℃。另外,Pt100 温度传感器还具有抗振动、稳定性好、准确度高、耐高压等优点。模块框图如图3所示。

湿度传感模块采用数字集成电路SHT11,其性能特点是:将温湿度传感器、信号放大调理、A/D转换、I2C总线接口全部集成于一块芯片上(CMOSensTM技术);湿度传感模块框图如图4所示。

4 ZigBee网络软件设计

传感器网络软件设计的主要任务是无线网络的组网、传感器工作的控制以及数据的采集与收发。传感器节点主要实现数据的采集与定时发送;路由节点实现数据的转发;汇聚节点一方面负责网络配置与管理,包括定义通信信道、网络标识符(PANID),配置网络的Profile,响应节点加入网络的请求和绑定请求,为其他节点分配网络地址等。另一方面还接收各传感器节点发来的数据,将其进行汇聚后通过RS 232串口传给PC机终端。

首先上电初始化整个系统,启动协调器建立一个新的网络,路由节点和传感器节点寻找并加入网络,协调器即可与终端节点进行绑定。绑定完成后传感器节点即可采集数据并发送数据,收集节点负责接收数据,并通过RS 232传至PC显示。图5为协调器和传感器节点的数据采集算法流程图。

路由节点的流程基本与协调器相似,只是它将接收的信息再转发给协调器。

经测试,上述算法运行于网络后,网络鲁棒性和自组能力明显增强。

5 结 论

本文基于TI的CC2430芯片和 ZigBee协议, 设计了温湿度数据采集系统,介绍了硬件设计方法,给出了数据采集软件算法。经多次试验,节点能够准确采集温度和湿度等数据并将数据发送到汇聚节点。在干扰环境下测试表明,该网络具有较强鲁棒性和自组能力。

参考文献

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温湿度远程监控系统的应用 篇6

关键词：温湿度远程监控系统 RFID传感设备 GPRS

中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）02（c）-000-01

1 温湿度远程监控系统的组成及应用

根据杭州德志科技有限公司的温室大棚监控系统的成功案例来看，温湿度远程监控系统主要有信息监控中心、供电系统、GPRS平台和远程GPRS无线数传终端、RFID传感设备等主要部分组成，其中监控中心是核心控制点。监控中心主要是采用的标准CS或BS架构的建设标准，通过建立网络实现对外的数据发布，监控中心的控制系统通过接收来自大棚温室的测控终端DTU上传的数据并及时进行处理，实现数据接收、数据显示、数据存储和生成曲线报表等功能，继而接入外部连接。检测中心的数据接收服务器是通过接入因特网而实现对多个组网的数据整合的，监控的画面可以动态的显示前端数据的变化情况，并通过实时的查询和分析数据变化了解作物生长规律根据作物的成长情况和需要进行参数的设置，做好突然事故的预警方案。

在监控点设置先进的传感器，实地测量当前的流量数据，并将其通过通信平台传输到监控中心，再由监控中心进行数据分析和处理，得出内部参数掌握其温湿度情况。在温室大棚的温室远程监控运用中，主要是最作物的室内温度，露点温度、湿度和水分等进行检测，通过传感器传输数据，分析器大气温度和湿度，判别作物生长条件，制作其生产趋势图，从而更好的对其温湿度进行控制。

通过直观的图标和曲线形式，将温室大棚中的作物生长信息和温室内的大气温度、土壤温度、土壤湿度、阳光及水分等环境参数进行一一列举和分析，并根据其作物的需求设置报警系统，当温湿度超过定值的时候，则开启或关闭设备，形成自动化的关系系统，而监控中心则可以通过传输过来的参数进行分析，时刻掌握作物的生长情况。

2 温湿度远程监控系统的基本设计原则

一般来说，在温室大棚中的温湿度远程监控系统具有基本的实用性和实用性，对作物的生长变化具有一定的灵活性扩展性，在应用的实际功能中具有一定的经

济性。

温湿度远程监控系统的实用性和适应性。有现代高科技衍生而来的温湿度远程监控系统是一项功能强大、用户界面友好且报表功能齐全的强大系统，但是其流量趋势图和日常的维护工作比较便捷，因而在应用的过程中具有很强的实用性，同时也体现了GPRS网络系统的优越性。而其适应性则主要体现其对大棚温室的特殊要求，对现场掌握的精准度比较高，因此需要技术成熟可靠性强的传输方案，从而保障监控系统的正常运行。

温湿度远程监控具有非常强的灵活性。根据应用情况的变化和实际需求，温湿度远程监控系统具备一定的接入能力和可扩散能力，采用标准化的接口对于往后的系统改造和增加I/O接口组态都比较便利，设点的成本也不会太过，同时可以加入3G，实现监控点的移位，从而更好的了解大棚温室中的温湿度情况。

温湿度远程监控具有非常强的经济性。当前应用于大棚温室中的温湿度远程监控系统，能够最大限度的保障网络改造对计算机软硬件资源的可用性和连续性，同时远程控制操作相对地节省了人力物力，对于整体投资来说具有很强的经济

效益。

3 温湿度远程监控系统在温室大棚中的应用优势

3.1 GPRS系统优势

设备投资价格不高是其主要优势，且通信自费比较便宜，当前移动公司对于GPRS资费包月非常实惠。在GPRS网中，只需与网络建立一次连接，就可长时间的保持这种连接，并只在传输数据时才占用信道，进行计费，保持时不占用信道通常是不计费的。所以营业点不用频繁建立连接，也不用支付传输间隙时多余的费用。再加上网络的安装比较方便，不用担心线路维护或迁移中的通讯中断，传输速度很快，分组交换接入的时间在一秒以内，并提供快速即使的连接，同时覆盖面较广，支持IP协议、X.25协议和VPN组网。

3.2 系统功能比较齐全

温湿度远程监控的操作系统具有安全的用户登陆和界面管理，只能制定用户具有使用权限，界面采用中文操作简单并富于人性化。能够实现远程数据传输和监控，通过授权的计算机可以在远程读取主机计算机上的实时数据，进行远程的监测和打印。

系统操作的自动化管理。温湿度远程监控系统在监控室内的温度和湿度参数时具有一定的自动性，当湿度超过设定值的时候，自动的开启或者关闭喷雾设备，并由PLC进行下位的采集控制，保障系统在PC机不正常工作的情况下运行。

能够科学的显示环境变化的参数信息。通过显示系统采集到的实际数据形成曲线或图形，便于及时的存储和检测，通过历史测量参数的变化曲线，分析参数变化对作物的生长影响，设置系统参数值。

报警功能的多样性。在进行温室度的远程监控过程中，当发现检测的结果超出了设定值的时候，会立即进行报警，报警的形式多样，具有E-MAIL报警、电话报警、声光报警和短信报警等多种形式。

组建无线传感器网络系统，并有效实现信息的无线传输。根据温室监控面积和测试点多少的要求，建立系统化的传感器网络，实现智能化的检测和管理，进行所有计算机的联网远程控制。

参考文献

[1]郑华.浅谈远程监控机房温湿度报警系统的设计与实现[J].数字技术与应用，2010（12）.

[2]金树兴，石国春.E-Net温湿度监控系统在普通环境动物实验室中的应用[J].实验动物科学，2009（4）.

基于zigbee温湿度监控 篇7

我国对无线传感器网络的研究工作起步比较晚, 但随着国际大环境的影响, 一些研究机构如哈尔滨工业大学以及浙江大学等学术团体对传感器网络进行了跟踪研究。研究内容具体有覆盖控制技术、无线传感器节点的硬件设计、操作系统、节能技术、网络路由技术等。国外研究人员已经开展了无线传感器网络在农业领域的应用研究, 其中的一些技术还得到了成功的实践。无线传感器环境监测网络可以根据应用环境不同划分为农田应用、温室应用和果田应用[3,4]。

现阶段, 针对温室的信息检测的研究方向主要是温度和湿度的检测。如果室内温度过高, 蔬菜会因失水萎蔫而影响生长, 在缺水严重的情况下, 甚至会造成植株死亡[5,6]。如果土壤湿度过高, 则会对根系的发育和吸收造成影响。当前流行的检测温湿度的装置多为SHT系列数字型温湿度传感器, 但因数字型传感器多存在非线性误差, 需要对其进行误差补偿。本文设计采用PSO-BP神经网络算法对传感器进行非线性误差补偿以提高系统检测精度。

1 检测系统总体设计

根据温室环境的需要, 设计了温室监测系统, 系统结构如图1所示。无线传感器网络由分布在温室中多个智能Zig Bee节点组成, 包括Zig Bee终端节点和Zig Bee协调器节点, 网络的拓扑结构采用星形结构。这些节点按适当的间距分布在温室内, 在保证最大利用率的前提下, 完成温湿度的实时采集及传输[7,8]。

系统的整体工作过程如下:

协调器节点组建Zig Bee网络, 等待终端节点加入;终端节点会自动查找并加入Zig Bee网络, 同时将自身的物理地址传送给协调器节点;PC机可以随时发送相应终端节点的物理地址及测量指令来获取某一终端节点的数据;协调器节点会接收到目标节点的物理地址, 并向其发送数据, 传达测量指令;终端节点收到测量指令后, 通过传感器测量数据, 然后将测量结果传送给协调器节点, 最终在PC机上进行显示。

2 系统软硬件设计

2.1 系统硬件设计

本系统硬件设计主要包括终端节点及协调器节点硬件设计, 本文以终端节点设计为例做相应介绍。终端节点是Zigbee网络中直接负责数据采集的节点, 传感器是其重要组成部分。本次选用瑞士Sensirion公司的SHT11型传感器。SHT11是一款具有二线串行接口的单片数字式温湿度传感器, 具有数字式输出、免调试、免标定、免外围电路及全互换等特点[9]。

终端节点温湿度采集流程如下:终端节点接收到来自协调器节点的采集指令后, 将SHT11传感器定期采集的温湿度数据进行预处理, 然后在显示屏上显示出温湿度信息并通过无线网络与协调器节点进行通讯。温湿度采集流程图如图2所示, 终端节点通常为节能考虑而间歇性工作, 在传输数据之后会进入一定时间的休眠, 等待下一个采集指令的到来。

2.2 系统软件设计

本系统的硬件操作, 需要软件的设计来实现。利用的是美国德州仪器公司的Z-STACK协议栈。Z-STACK协议基于轮转查询式操作系统来实现。软件设计主要分为终端节点软件及协调器节点软件两部分, 本文以终端节点为例做简单介绍。

终端节点上电后, 首先初始化硬件及协议栈, 自动搜索空间范围内可用网络并申请加入, 当没有信息采集指令时, 进入休眠状态, 需要采集信息则采取中断唤醒的方式进入工作状态[10]。之后采取中断唤醒的工作机制。当有数据传输请求时, 进入工作模式, 采集并传送温湿度信息。终端节点软件流程图如图3所示。

3 基于PSO-BP传感器误差校正模型

本系统所采用的SHT11型传感器的输入-输出具有一定的非线性, 为提高测量准确度, 将对传感器非线性误差进行校正。目前, 人工神经网络误差校正法是新兴的方法, 具有使用的样本数少、算法较简单等优点。本文将使用PSO-BP神经网络实现传感器非线性误差校正。

3.1 BP神经网络

BP神经网络的学习规则是通过反向传播来不断调整网络的权值和阈值, 使网络的误差平方和最小[11,12,13]。BP神经网络一般包括输入层、隐含层和输出层。设一个任意网络有L层和N个节点, 给定P个样本 (xk, dk) (k=1, 2, …, P) , 网络中第l层的第j个神经元的输入总和为Iljk, 输出为Oljk, l-1层的第i个神经元与l层的第j个神经元的权连接为Wij, 则

反向传播时, 定义网络的期望输出dk与实际输出yk的误差平方和为目标函数, 即

P个样本的总误差定义为

网络的学习问题等价于无约束最优化问题, 通过调整权值W, 使总误差E极小, 使权值沿误差函数的负梯度方向变化, 即

式中t———迭代次数;

η———步长。

通常情况下, 最常见的是三层BP神经网络。其网络模型图如图4所示。

3.2 PSO-BP复合算法

神经网络的学习过程就是不断对网络权值优化的过程, 因此用PSO算法对BP神经网络的优化就是对其权值的优化。将BP神经网络的连接权数作为粒子向量的维数, 每个粒子就是BP神经网络权值的一个解, 整个权值空间为粒子群的搜索空间。PSO的适应度函数为神经网络的输出误差, 公式。

式中m———输出节点数;

P———训练集样本数;

yjk———BP网络的实际输出;

djk———期望输出。

采用PSO算法对BP网络进行训练后, 因信息传播过程的改变而使搜索速度加快, 并能够使整个算法的收敛速度适宜。本算法的基本流程图如图5所示。

3.3 神经网络模型构建

本次设计一个三层BP神经网络基本可以实现按照系统的非线性误差校正需求, 设Δt (i) 作为BP神经网络的输出节点。Δt (i) 为数字温度传感器测量值t1 (i) 与实际温度值t2 (i) 的差值;将T (i) 和U (i) 作为BP神经网络的输入层的两个输入节点, 其中, U (i) 为传感器输出电压A/D采样数据, T (i) 为标准温度信号。

对于隐含层节点的选取, 有如下经验公式:

式中nI———输入层节点数;

nO———输出层节点数;

q———隐含层节点数。

通常情况下, 隐含层中的转移函数取Sigmoid函数, 即

输出层中的转移函数取线性函数, 即:f2=x

根据以上初始条件的选择, 确定本系统采用的三层神经网络为两个输入节点、五个隐含层节点及一个输出节点。温度传感器误差分析神经网络结构图, 如图6所示。

4 仿真分析

4.1 实验数据采集

本文以黑龙江省森林植物园内温室作为实验温室。按照温室面积大小共设置9个实验节点。其中, 协调器节点1个, 终端节点8个。在实验的过程中, 有效利用空调的调节功能来模拟温湿度的变化。在使用传感器测量数据的同时, 进行以温湿度计测量数据的对照实验。为避免实验结果的偶然性, 记录约20组数据, 为实验分析做准备。本文仅列出温度实验的数据结果以供参考。实验数据结果如表1所示。

4.2 实验数据归一化处理

首先需要对温度传感器采集到的数据进行归一化处理, 就是将输出值从其取值区间映射到[0, 1]区间上去, 通常可采用线性映射的方式进行, 即

式中zmax、zmin———输出值的上、下界;

z0———原值;

z1*———归一化处理后的值[14]。

本文中温度数据归一化后的值如表2所示。

4.3 Matlab软件仿真

本文可以通过Matlab软件中神经网络工具箱进行仿真, 建立适合数字温度传感器非线性误差补偿的BP模型的参数的选择主要包括:网络的层数, 隐含层的神经元个数, 学习速率和期望误差的选取。

按照模型的设定BP网络的层数设置为3层, 隐含层的神经元个数为5个, 期望误差选择为10-3级。则PSO-BP算法的收敛曲线如图7所示。

从收敛曲线的走向可以发现, 使用PSO-BP神经网络补偿后的传感器的检测精度有了很大的提高。误差值从100级逐步向期望误差值10-3级收敛。

5 结论

基于zigbee温湿度监控 篇8

1 系统硬件设计

1.1 信号采集电路设计

由AD 590、HS1100及多路开关CD 4051组成。

1.1.1 温度传感器

采用集成温度传感器AD 590, 通过对电流的测量可得到所需要的温度值, 图2为AD 590的应用电路。本设计系统为八路的温度信号采集, 采用CD 4051组成多路分时的模拟量信号采集电路, 其硬件接口如图3所示。

1.1.2 湿度传感器

采用HS1100电容传感器, 在电路构成中等效于一个电容器件, 其电容量随着所测空气湿度的增大而增大。将该湿敏电容置于555振荡电路中, 将电容值的变化转为与之成反比的电压频率信号, 可直接被计算机所采集。频率输出的555测量振荡电路如图4所示。

1.2 信号分析与处理电路设计

1.2.1 A/D转换

为了把温度、湿度检测电路测出的模拟信号转换成数字量送CPU处理, 本系统选用了双积分A/D转换器MC 14433, 它精度高, 分辨率达1/1999。对于8031单片机的应用系统来说, MC 14433可以直接和其P1口或扩展I/O口8155/8255相连。图5为MC 14433与8031单片机P1口直接相连的硬件接口电路。

1.2.2 程序存储器的扩展

由于8031无内部ROM, 故扩展的程序存储器地址为0000H～FFFFH, 考虑系统的需要, 我们将8031的程序存储器扩展为4K EPROM, 采用2764作为ROM芯片, 如图6所示。

1.2.3 数据存储器的扩展

在单片机中有128字节的数据存储器, 但往往在系统的要求下片内RAM不能满足要求。我们采用8K静态RAM 6264进行扩展, 如图7所示。

1.3 显示与报警电路的设计

1.3.1显示电路

本设计是利用8031的串行口实现键盘/显示器接口。应用8031的串行口方式0的输出方式, 在串行口外接移位寄存器74LS164, 构成键盘/显示器接口, 其硬件接口电路如图8所示。

1.3.2 报警电路

本设计是为在温湿度测量中对温湿度的上下限超出的提示报警, 接口位于单片机AT89C 51的P3.2口, 采用蜂鸣音报警电路。

2 系统的软件流程

温度控制主程序的设计应考虑以下问题键盘扫描、键码识别和温度显示; (2) 温湿度采样, 数字滤波; (3) 越限报警和处理; (5) 温度标度转换。本设计温度控制程序由主程序 (如图9) 和T0中断服务程序 (如图10) 两部分组成。

3 结论

基于8031的仓库温湿度监控系统设计包括A/D转换、单片机、复位电路、温度检测、湿度检测、键盘及显示、报警电路、系统软件等部分。克服了采用传统的人工测试方法费时费力、效率低、测试的温度及湿度误差大的缺点, 使用方法简单、普及率高、省时省力保证了仓库日常管理工作的顺利进行。

摘要：本设计是基于单片机对数字信号的高敏感及可控性、温湿度传感器可产生模拟信号和A/D模拟数字转换芯片的高性能性, 设计了以8031基本系统为核心的一套仓库温湿度检测系统。可检测温度湿度、显示温度湿度、过限报警, 具有造价低廉、使用方便且测量准确的特点。

关键词：温湿度检测,单片机系统,传感器

参考文献

[1]张琳娜, 刘武发.传感检测技术及应用[M].北京:中国计量出版社, 1999.

[2]沈德金, 陈粤初.MCS-51系列单片机接口电路与应用程序实例[M].北京:北京航空航天大学出版社, 1990.

[3]胡汉才.单片机原理及接口技术[M].北京:清华大学出版社, 1996.

[4]李志全等.智能仪表设计原理及应用[M].北京:国防工业出版社, 1998 (6) .

[5]何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计[M].北京:北京航空航天大学出版社, 1990 (1) .

[6]李建民.单片机在温度控制系统中的应用[J].江汉大学学报, 1996 (6) .

基于zigbee温湿度监控 篇9

关键词：ZigBee,无线网络,医疗监控

一、引言

近年来, 无线网络正在各行各业中被逐渐认同和应用, 其便捷性, 可移动性与灵活性是传统的有线网络所不具备的。医院的输注设备由于其多样性和零散性, 管理上很不方便, 特别像微量输注设备, 在使用过程中由于不能集中监控, 每台设备的运行状态需要医护人员实时查看, 这样在使用中很不方便。本文介绍通过在输注设备内嵌入ZigBee无线通讯模块, 构建无线监控网络, 从而使医护人员在护士站就能监控到所有病房内的设备的实时运行状态。

ZigBee基于IEEE 802.15.4协议, 使用的是2.4G免费频段, 是一种近距离无线组网通讯技术。ZigBee主要适合用于自动控制和远程控制领域, 并且可以方便的嵌入设备内。其特点是近距离、复杂程度低、具有自组织能力、功耗低、数据速率低、成本低。ZigBee的发射功率非常小, 不会对其他医疗设备造成干扰, 安全方便。无线通讯模块采集设备的实时运行状态并且发送到网络的中心节点, 中心节点再将收到的数据传送到计算机内, 通过监控软件将这些数据形象的表现为设备的运行状态, 这样一台计算机就可以监控到所有的设备的实时运行状态, 便于及时的发现和处理输注过程中出现的各种问题。软件还可以汇总每位患者的输液情况, 便于患者数据的存储和管理。

二、ZigBee的网络结构

ZigBee具有强大的组网功能, 支持的三种无线网络类型分别是星型网络结构、网状网络结构和簇状网络结构。而且网络中还可以具有多级路由功能, 组成蜂窝网状网络结构, 从而使网络具有很强的稳定性和安全性。ZigBee还具有很大的网络容量, 一个ZigBee网络最多可容纳65535个节点。网络可以方便地增加新设备或者去掉现有设备, 为医院的输注设备使用提供了极大的方便性。

本文的无线输注设备网络采用的SZ05系列ZigBee无线通讯模块, SZ02系列中心节点和中继路由, 星型网络结构, 广播数据发送模式。嵌入输注设备中的无线通讯模块 (SZ05) 采集设备的实时运行状态, 经过无线网络传输到中心节点再将数据传送到计算机。计算机的监控软件将采集到的数据还原为设备的实时运行状态, 医护人员在计算机前就可以监控到所有的设备的运行状态。

三、医院的网络组建

Zig Bee的网络组建非常方便, 只需在医院的护士站配备一台带有RS232或RS485通讯口的计算机即可。如果医院的病房很多, 传输的距离很远, 那么为了保证传输信号的可靠性, 需要在网络中的适当位置加装中继路由器, 中继路由器的数量根据传输距离来确定。

一般在病房的门口附件加装。最好是每隔2个门加装一个路由, 这样数据会自动寻找最佳的传输路径, 直接传送到中心节点或者通过中继路由来传输数据。

四、监控软件

计算机的监控软件是可以根据客户需要来开发的。一般需要能清楚地表示出输注设备的工作状态, 如床位号、设备号、流速、药物名称、正常运行、注射结束, 故障报警等等, 医护人员只需要在计算机前即可全面监控所有病房内的正在使用的注射泵的状态, 清晰直观。如果需要统计数据的话, 那么包括每个患者在什么时间注射的什么药物等等都可以生成相应的统计表格, 便于医护人员的管理。软件还可以存储一段时间内的报警记录等等信息, 便于对设备的维修养护提供参考信息。

该无线网络通过在临床经上的使用与验证, 网络组建及各节点加入网络的时间比较快, 运行稳定可靠, 完全可以满足输注设备的无线监控要求。

参考文献

[1]吕治安.ZigBee网络原理与应用开发[M].北京航空航天大学出版社, 2008:3-50.

[2]瞿雷, 刘盛德, 胡咸斌.ZigBee技术及应用[M].北京航空航天大学出版社, 2007:10-15.

[3]张菊梅, 吴效明.基于ZigBee的ICU病房实时监护系统设计[J].医疗卫生装备, 2009, 30 (7) :25-29.

[4]李文仲, 段朝玉.ZigBee无线网络技术入门与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2007.

[5]C114中国通信网, ZigBee技术详解[OL], 2011/3/31, http://tech.c114.net/164/a592466.html.