基于ZigBee的无线温湿度数据采集器设计

2021-11-30陈亚军

农业与技术 2021年22期

陈亚军

(内蒙古自治区大气探测技术保障中心，内蒙古呼和浩特 010051)

引言

温湿度是与生活生产息息相关的气象要素，不同应用领域对温湿度数据采集的精度要求不同，通常军工、气象行业、工矿业领域对温湿度检测装置精度和运行稳定性等参数要求较高，民用领域的要求相对较低。与传统单点监测方式不同的是，随着设备生产成本的逐渐降低与科技的进步，小范围内的多点温湿度监测应用领域越来越广。鉴于多点温湿度监测的可拓展能力、安装复杂度等考虑，采用无线方式进行通讯是较好的解决方案。

本文采用使用广泛、技术成熟的ZigBee无线网络进行数据传输，使用温湿度一体敏感元件SHT21作为温湿度传感器进行设计，相比于气象行业普遍使用的PT100铂电阻温度传感器及HMP155等型湿度传感器，SHT21温湿度传感器具有结构简单、体积小巧、成本低廉等优势，基于ZigBee无线网络技术与SHT21温湿度传感器研发的无线温湿度数据采集节点可以广泛应用于设施农业、温室大棚、仓储厂库、大型实验室、养殖育雏基地、城市气象监测等领域。

1 传感器数据采集单元硬件设计

温湿度数据采集主要由处理器及SHT21温湿度传感器组成，温湿度气象要素通过SHT21转换为电信号，通过处理器按照电信号特点和通信协议进行数据采集。

1.1 SHT21温湿度传感器检测电路

SHT21传感器芯片配有一个全新设计的CMOSens©芯片。除了配有电容式相对湿度传感器和能隙温度传感器外，该芯片还包含一个放大器、A/D转换器、OTP内存和数字处理单元。并且每一个传感器都经过校准和测试。此外，SHT21的分辨率可以通过输入命令进行改变(8/12bit至12/14bit的RH/T)。传感器以标准I2C格式输出经过标定的数字信号进行通讯[1]。

SHT21传感器的湿度测量范围为0～100%RH；分辨率在12bit模式时，为0.04%RH；25℃时的误差典型值为±2%RH(20%RH～80%RH)，最大值为±3%RH(20%RH～80%RH)，在0%RH时的误差典型值约为±3%RH。

SHT21传感器的温度测量范围为-40～120℃；分辨率在14bit模式时，为0.01℃；误差典型值为±0.3℃(10～60℃)，在-40℃时的误差典型值约为±0.75℃。

SHT21温湿度传感器电路如图1所示，传感器通过I2C总线进行通讯，I2C总线由2条线路组成，分别串行数据线SDA和时钟线SCL。将SHT21温湿度传感器的I2C总线与STM32微处理器的I2C1接口对应信号端口相连，同时总线分别连接10K上拉电阻，实现SHT21传感器的硬件连接。

图1 SHT21电路原理图

相比于气象观测领域常用的温湿度传感器及数据采集器，该方案具有电路结构简单，功能高度集成的优势。

1.2 ZigBee无线传输模块电路设计

应用于小区域内的密集型温湿度数据采集时，采用无线数据传输与蓄电池供电方式是相对便捷的方案，能够避免有线连接的布线复杂、成本高、升级难度大、扩展监测点不易等缺点。短距离、低功耗的无线通信技术中，ZigBee技术是相对成熟和使用广泛的通讯方式。

ZigBee技术是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，是一种短距离、低功耗的无线通信技术，其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。ZigBee协议从下到上分别为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)等。

ZigBee无线网络单元电路原理如图2所示，该电路选用CC2530作为核心处理芯片，该芯片结合了德州仪器业界领先的黄金单元ZigBee协议栈(Z-StackTM)，提供了一个强大且完整的ZigBee片上系统(SoC)解决方案，其能够以非常低的材料成本建立强大的网络节点。此外，CC2530结合了领先的RF收发器性能，集成了低功耗的8051微控制器内核，具有系统内可编程闪存[2]。

图2 ZigBee无线网络单元电路原理图

CC2530具有2个支持多种串行通信协议的USART接口，外围电路简单，只需极少的外接元件即可正常运行。如图2所示，CC2530可通过晶振及基本分立元件搭建电路，其中P1_5与P1_4引脚为一个USART接口，用于数据通讯，连接于MCU处理器STM32芯片的RXD1和TXD1引脚。此外，CC2530具有极高的接收灵敏度和抗干扰性能，其无线通讯天线可采用PCB天线方式设计，该天线方式具有成本低廉、尺寸小巧的特点。为了便于使用中了解设备的运行情况，电路设置了2个发光二极管D7和D8，分别反映电路的运行状态和网络连接情况。

1.3 核心处理电路设计

核心处理电路选用STM32F103RCTX作为总控制器，该芯片采用Cortex-M3内核，CPU最高速度达72MHz，具有256KB Flash、多种控制外设，是一种集高性能、低功耗、低电压于一身，同时保持高集成度和开发简易特点的芯片，是基于工业标准的处理器[3]。

如图3所示，STM32F103RCTX芯片通过连接晶振和复位电路，实现最小系统的电路搭建，通过I2C外设，连接SHT21温湿度传感器，进行传感器的参数配置与温湿度数据读取；通过USART接口连接CC2530电路单元，与CC2530进行数据通讯，实现温湿度监测数据的无线传输与温湿度数据采集器的远程控制；同时，为便于数据和参数存储，核心电路配备SPI总线接口的存储器芯片W25X16。此外，核心电路MCU的其它接口作为预留，可通过选装合适的传感器或人机交互模块，对采集器的观测要素进行拓展，对采集器的本地显示和输入功能进行升级[4]。

图3 MCU微处理器电路图

2 固件程序设计

该数据采集器的CC2530芯片与STM32芯片均需进行固件程序的开发，其中前者主要实现ZigBee通讯、组网方式的配置，后者完成数据采集、传输和控制等功能。

STM32芯片固件程序使用Keil开发平台进行编写，流程图如图4所示。程序上电后首先进入初始化阶段，按照既定的参数对芯片的外设以及SHT21、CC2530等进行初始化，并通知CC2530进行ZigBee组网；设备完成初始化后进行设备运行参数设置，以便设备按照设定的运行模式进行运行；当采集器收到总机命令后，执行总机响应程序，包括数据读取以及运行参数设置及存储等。完成初始化及参数配置后，系统进入数据读取程序，MCU读取SHT21的温湿度监测数据，进行数据质量控制，并进行原始数据与质控数据的存储，进入数据输出环节[5]。

图4 STM32固件程序流程图

数据输出包括2种方式，ZigBee网络方式，该方式分为主动模式与被动模式，主动模式工作时，各个温湿度数据采集器节点依次间隔发送实时采集数据到网络；被动模式工作时，当温湿度数据采集器收到总机读取数据指令后，再发送相应的温湿度数据。在扩展了显示器的情况下，将实时温湿度数据更新显示在显示装置上，便于离线获取温湿度监测数据。

3 组网工作模式

无线温湿度数据采集器主要基于ZigBee无线组网方式进行使用，ZigBee网络结构设置为星型拓扑结构，如图5所示。星型拓扑是最简单的一种拓扑形式，其包含一个Co-ordinator(协调者)节点和一系列的End Device(终端)节点。每一个End Device节点只能和Co-ordinator节点进行通讯。