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基于ZigBee技术+CC2530无线传输模块+数字温湿度传感器DHT11的粮库环境监测系统设计方案

来源: 21ic
2021-11-24
类别:工业控制
eye 7
文章创建人 拍明

原标题:基于ZigBee技术的粮库环境监测系统设计方案

基于ZigBee技术+CC2530无线传输模块+数字温湿度传感器DHT11的粮库环境监测系统设计方案

一、系统总体设计概述

粮库环境监测系统的核心目标是实现对粮库内部温湿度环境的实时监控与预警,避免因环境异常导致的粮食霉变、虫害等问题。传统粮库监测系统存在布线复杂、维护成本高、数据传输不稳定等缺陷,而基于ZigBee技术的无线传感器网络凭借其低功耗、自组网、高可靠性等优势,成为粮库环境监测的理想解决方案。本系统采用CC2530无线传输模块作为核心通信单元,结合DHT11数字温湿度传感器,构建分布式监测网络,通过上位机软件实现数据采集、处理、存储及报警功能。

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二、系统硬件设计

2.1 核心元器件选型与功能解析

2.1.1 CC2530无线传输模块

元器件型号:TI CC2530F256
作用:作为ZigBee网络的核心通信单元,负责传感器数据的无线传输与网络管理。
选型理由

  1. 低功耗特性:CC2530采用增强型8051内核,主频32MHz,支持多种低功耗模式(如PM2模式),休眠电流仅0.4μA,适合电池供电场景。

  2. 高集成度:集成2.4GHz IEEE 802.15.4射频收发器、128KB Flash、8KB RAM、12位ADC、4个定时器及18个GPIO,满足传感器数据采集与处理的全部需求。

  3. 抗干扰能力强:接收灵敏度达-97dBm,最大输出功率+4.5dBm,结合DSSS扩频技术,在粮库复杂电磁环境中仍能保证稳定通信。

  4. 协议栈支持:兼容Z-Stack协议栈,支持星型、树型、网状拓扑结构,便于构建多节点监测网络。

功能实现

  • 协调器节点:负责网络初始化、节点地址分配、数据汇聚及与上位机通信。

  • 路由器节点:扩展网络覆盖范围,支持多跳传输,增强系统可靠性。

  • 终端节点:连接DHT11传感器,定时采集温湿度数据并通过ZigBee网络上传。

2.1.2 DHT11数字温湿度传感器

元器件型号:AOSONG DHT11
作用:实时采集粮库内部的温度与湿度数据。
选型理由

  1. 高性价比:单总线数字输出,无需额外A/D转换电路,简化硬件设计。

  2. 宽测量范围:温度测量范围-20℃~+60℃,湿度测量范围5%~95%RH,覆盖粮库环境需求。

  3. 长期稳定性:内置校准系数,出厂前在精确湿度校验室中完成校准,确保测量精度(温度±2℃,湿度±5%RH)。

  4. 低功耗设计:待机电流仅0.06mA,测量时最大电流1.0mA,适合长时间运行。

功能实现

  • 终端节点通过GPIO接口与DHT11连接,按照单总线协议发起数据采集指令。

  • DHT11响应后,通过DATA引脚发送40位数据包(湿度整数、湿度小数、温度整数、温度小数、校验和)。

  • 终端节点解析数据包,提取温湿度值并通过ZigBee网络上传。

2.1.3 电源管理模块

元器件型号:AMS1117-3.3V(稳压芯片)、CR2032纽扣电池/锂电池
作用:为系统提供稳定电源,延长设备续航时间。
选型理由

  1. 稳压芯片:AMS1117-3.3V输出电流1A,压差仅1.2V,效率高,适用于3.3V系统供电。

  2. 电池选择:CR2032纽扣电池容量220mAh,体积小,适合终端节点;锂电池容量更高(如18650电池2000mAh),适合协调器与路由器节点。

功能实现

  • 终端节点采用CR2032电池供电,结合CC2530的低功耗模式,续航时间可达数月。

  • 协调器与路由器节点采用锂电池供电,支持USB充电,确保长时间稳定运行。

2.2 硬件电路设计

2.2.1 CC2530最小系统电路

  • 晶振电路:采用32MHz无源晶振,匹配22pF负载电容,确保时钟稳定。

  • 复位电路:通过按键实现手动复位,结合上电自动复位功能,提高系统可靠性。

  • 射频电路:采用CC2591射频前端芯片,增强发射功率(最大+20dBm),扩展通信距离。

2.2.2 DHT11接口电路

  • DATA引脚通过5.1kΩ上拉电阻连接至CC2530的GPIO口,确保信号稳定。

  • VCC与GND之间并联0.1μF去耦电容,滤除高频噪声。

2.2.3 电源电路

  • 电池输入端串联自恢复保险丝(如1A/250V),防止过流损坏电路。

  • 稳压芯片输入输出端并联10μF电解电容与0.1μF陶瓷电容,优化瞬态响应。

三、系统软件设计

3.1 ZigBee网络协议栈配置

Z-Stack协议栈:基于TI官方Z-Stack-CC2530-2.5.1a版本,进行以下配置:

  1. 网络拓扑:采用网状拓扑结构,支持1个协调器、2个路由器、5个终端节点的组网规模。

  2. 信道选择:优先使用2.4GHz频段的11~26信道,避免与Wi-Fi等设备干扰。

  3. 安全机制:启用AES-128加密,确保数据传输安全。

3.2 终端节点程序设计

功能模块

  1. 初始化:配置GPIO、定时器、ADC等外设,启动ZigBee协议栈。

  2. 数据采集:通过单总线协议读取DHT11数据,解析温湿度值。

  3. 数据传输:将温湿度数据打包,通过点对点单播模式发送至协调器节点。

关键代码示例


void SampleApp_Send_P2P_Message(void) {

uint8_t temp[3], humidity[3];

char strData[20];



// 读取DHT11数据

DHT11_Read();



// 格式化温湿度数据

temp[0] = (wendu_shi + '0');

temp[1] = (wendu_ge + '0');

temp[2] = '';



humidity[0] = (shidu_shi + '0');

humidity[1] = (shidu_ge + '0');

humidity[2] = '';



// 打包数据

sprintf(strData, "T:%s H:%s", temp, humidity);



// 发送数据

SampleApp_Send_P2P_Message(strData, strlen(strData), SAMPLEAPP_ENDPOINT,

SAMPLEAPP_PROFID, SAMPLEAPP_CLUSTERID,

AF_DISCV_ROUTE, AF_DEFAULT_RADIUS);

}

3.3 协调器节点程序设计

功能模块

  1. 网络初始化:启动后创建ZigBee网络,分配16位网络地址。

  2. 数据接收:通过串口将接收到的温湿度数据上传至上位机。

  3. 指令处理:解析上位机指令,控制终端节点的开启、关闭及采集间隔。

关键代码示例


void SampleApp_MessageMSGCB(afIncomingMSGPacket_t *pkt) {

uint8_t *pData = pkt->cmd.Data;

uint8_t len = pkt->cmd.DataLength;



// 将接收到的数据通过串口发送至上位机

HAL_UART_Write(UART0, pData, len);



// 处理上位机指令(如关闭节点)

if (len == 3 && pData[0] == 'F' && pData[1] == 'F' && pData[2] == '8') {

// 关闭所有终端节点

SampleApp_Send_Control_Command(0xFFFF, "OFF");

}

}

3.4 上位机软件设计

开发工具:VC6.0
功能模块

  1. 数据接收与显示:通过MSComm控件接收串口数据,实时显示温湿度值及节点电压。

  2. 报警功能:当温湿度超过阈值时,单元格颜色变红(超上限)或变蓝(超下限),并发出报警声。

  3. 节点控制:通过按钮控件发送指令,控制终端节点的开启、关闭及采集间隔。

关键代码示例

void CSerialPortDlg::OnComm() {
VARIANT var;
COleSafeArray sa;
long len, i;
BYTE rxdata[2048];
CString strTemp, strHumidity;

if (m_Comm.GetCommEvent() == 2) {
var = m_Comm.GetInput();
sa = var;
len = sa.GetOneDimSize();

for (i = 0; i < len; i++) {
sa.GetElement(&i, rxdata + i);
}

// 解析温湿度数据(假设格式为"T:25 H:60")
if (strstr((char *)rxdata, "T:") != NULL) {
strTemp = ((char *)rxdata).Mid(2, 2);
strHumidity = ((char *)rxdata).Mid(7, 2);

// 更新界面显示
m_Grid.SetTextMatrix(1, 1, strTemp);
m_Grid.SetTextMatrix(1, 2, strHumidity);

// 温度报警判断
int temp = atoi(strTemp);
if (temp >= 30) {
m_Grid.SetCellBackColor(1, 1, RGB(255, 0, 0));
MessageBeep(0xFFFFFFFF);
} else {
m_Grid.SetCellBackColor(1, 1, RGB(255, 255, 255));
}
}
}
}

四、系统测试与优化

4.1 实验室测试

测试环境

  • 1个协调器节点、2个路由器节点、5个终端节点。

  • 终端节点间距10米,模拟粮库分布式监测场景。

测试结果

  1. 数据采集:DHT11传感器温湿度测量误差均在允许范围内(温度±2℃,湿度±5%RH)。

  2. 数据传输:ZigBee网络丢包率几乎为0,最大通信距离达50米(无障碍物)。

  3. 报警功能:当温度超过30℃时,上位机界面单元格变红并发出报警声。

4.2 现场优化

优化措施

  1. 天线设计:采用PCB天线替代外置天线,减小节点体积,提高安装便利性。

  2. 电源管理:优化CC2530休眠策略,将终端节点休眠时间延长至10秒,进一步降低功耗。

  3. 网络冗余:增加路由器节点数量,确保单个节点故障时网络仍能正常运行。

五、系统应用价值与前景

5.1 应用价值

  1. 提高粮库管理效率:实时监测温湿度,避免人工巡检的滞后性与误差。

  2. 降低粮食损耗:及时预警环境异常,减少霉变、虫害等损失。

  3. 节省维护成本:无线组网方式减少布线成本,低功耗设计延长设备寿命。

5.2 前景展望

  1. 多参数扩展:集成氧气浓度传感器(如ZE03-02)、二氧化碳传感器,实现粮库气体环境综合监测。

  2. 智能联动:与通风、制冷设备联动,自动调节粮库环境参数。

  3. 大数据分析:通过长期数据积累,优化粮库环境控制策略,提升储粮质量。

六、结论

本系统基于ZigBee技术与CC2530无线传输模块,结合DHT11数字温湿度传感器,构建了粮库环境监测的分布式无线传感器网络。通过实验室测试与现场优化,验证了系统的稳定性、可靠性与低功耗特性。该方案有效解决了传统粮库监测系统的布线复杂、维护成本高等问题,具有显著的应用价值与推广前景。未来,可通过集成更多传感器与智能联动功能,进一步提升粮库环境管理的智能化水平。

责任编辑:David

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