原標(biāo)題：基于ZigBee技術(shù)的糧庫環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案

基于ZigBee技術(shù)+CC2530無線傳輸模塊+數(shù)字溫濕度傳感器DHT11的糧庫環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案

一、系統(tǒng)總體設(shè)計概述

糧庫環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的核心目標(biāo)是實現(xiàn)對糧庫內(nèi)部溫濕度環(huán)境的實時監(jiān)控與預(yù)警，避免因環(huán)境異常導(dǎo)致的糧食霉變、蟲害等問題。傳統(tǒng)糧庫監(jiān)測系統(tǒng)存在布線復(fù)雜、維護成本高、數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定等缺陷，而基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)憑借其低功耗、自組網(wǎng)、高可靠性等優(yōu)勢，成為糧庫環(huán)境監(jiān)測的理想解決方案。本系統(tǒng)采用CC2530無線傳輸模塊作為核心通信單元，結(jié)合DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，構(gòu)建分布式監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，通過上位機軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、處理、存儲及報警功能。

二、系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 核心元器件選型與功能解析

2.1.1 CC2530無線傳輸模塊

元器件型號：TI CC2530F256
作用：作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心通信單元，負(fù)責(zé)傳感器數(shù)據(jù)的無線傳輸與網(wǎng)絡(luò)管理。
選型理由：

1. 低功耗特性：CC2530采用增強型8051內(nèi)核，主頻32MHz，支持多種低功耗模式（如PM2模式），休眠電流僅0.4μA，適合電池供電場景。

2. 高集成度：集成2.4GHz IEEE 802.15.4射頻收發(fā)器、128KB Flash、8KB RAM、12位ADC、4個定時器及18個GPIO，滿足傳感器數(shù)據(jù)采集與處理的全部需求。

3. 抗干擾能力強：接收靈敏度達(dá)-97dBm，最大輸出功率+4.5dBm，結(jié)合DSSS擴頻技術(shù)，在糧庫復(fù)雜電磁環(huán)境中仍能保證穩(wěn)定通信。

4. 協(xié)議棧支持：兼容Z-Stack協(xié)議棧，支持星型、樹型、網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，便于構(gòu)建多節(jié)點監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。

功能實現(xiàn)：

• 協(xié)調(diào)器節(jié)點：負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)初始化、節(jié)點地址分配、數(shù)據(jù)匯聚及與上位機通信。

• 路由器節(jié)點：擴展網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，支持多跳傳輸，增強系統(tǒng)可靠性。

• 終端節(jié)點：連接DHT11傳感器，定時采集溫濕度數(shù)據(jù)并通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)上傳。

2.1.2 DHT11數(shù)字溫濕度傳感器

元器件型號：AOSONG DHT11
作用：實時采集糧庫內(nèi)部的溫度與濕度數(shù)據(jù)。
選型理由：

1. 高性價比：單總線數(shù)字輸出，無需額外A/D轉(zhuǎn)換電路，簡化硬件設(shè)計。

2. 寬測量范圍：溫度測量范圍-20℃~+60℃，濕度測量范圍5%~95%RH，覆蓋糧庫環(huán)境需求。

3. 長期穩(wěn)定性：內(nèi)置校準(zhǔn)系數(shù)，出廠前在精確濕度校驗室中完成校準(zhǔn)，確保測量精度（溫度±2℃，濕度±5%RH）。

4. 低功耗設(shè)計：待機電流僅0.06mA，測量時最大電流1.0mA，適合長時間運行。

功能實現(xiàn)：

• 終端節(jié)點通過GPIO接口與DHT11連接，按照單總線協(xié)議發(fā)起數(shù)據(jù)采集指令。

• DHT11響應(yīng)后，通過DATA引腳發(fā)送40位數(shù)據(jù)包（濕度整數(shù)、濕度小數(shù)、溫度整數(shù)、溫度小數(shù)、校驗和）。

• 終端節(jié)點解析數(shù)據(jù)包，提取溫濕度值并通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)上傳。

2.1.3 電源管理模塊

元器件型號：AMS1117-3.3V（穩(wěn)壓芯片）、CR2032紐扣電池/鋰電池
作用：為系統(tǒng)提供穩(wěn)定電源，延長設(shè)備續(xù)航時間。
選型理由：

1. 穩(wěn)壓芯片：AMS1117-3.3V輸出電流1A，壓差僅1.2V，效率高，適用于3.3V系統(tǒng)供電。

2. 電池選擇：CR2032紐扣電池容量220mAh，體積小，適合終端節(jié)點；鋰電池容量更高（如18650電池2000mAh），適合協(xié)調(diào)器與路由器節(jié)點。

功能實現(xiàn)：

• 終端節(jié)點采用CR2032電池供電，結(jié)合CC2530的低功耗模式，續(xù)航時間可達(dá)數(shù)月。

• 協(xié)調(diào)器與路由器節(jié)點采用鋰電池供電，支持USB充電，確保長時間穩(wěn)定運行。

2.2 硬件電路設(shè)計

2.2.1 CC2530最小系統(tǒng)電路

• 晶振電路：采用32MHz無源晶振，匹配22pF負(fù)載電容，確保時鐘穩(wěn)定。

• 復(fù)位電路：通過按鍵實現(xiàn)手動復(fù)位，結(jié)合上電自動復(fù)位功能，提高系統(tǒng)可靠性。

• 射頻電路：采用CC2591射頻前端芯片，增強發(fā)射功率（最大+20dBm），擴展通信距離。

2.2.2 DHT11接口電路

• DATA引腳通過5.1kΩ上拉電阻連接至CC2530的GPIO口，確保信號穩(wěn)定。

• VCC與GND之間并聯(lián)0.1μF去耦電容，濾除高頻噪聲。

2.2.3 電源電路

• 電池輸入端串聯(lián)自恢復(fù)保險絲（如1A/250V），防止過流損壞電路。

• 穩(wěn)壓芯片輸入輸出端并聯(lián)10μF電解電容與0.1μF陶瓷電容，優(yōu)化瞬態(tài)響應(yīng)。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧配置

Z-Stack協(xié)議棧：基于TI官方Z-Stack-CC2530-2.5.1a版本，進行以下配置：

1. 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/span>：采用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，支持1個協(xié)調(diào)器、2個路由器、5個終端節(jié)點的組網(wǎng)規(guī)模。

2. 信道選擇：優(yōu)先使用2.4GHz頻段的11~26信道，避免與Wi-Fi等設(shè)備干擾。

3. 安全機制：啟用AES-128加密，確保數(shù)據(jù)傳輸安全。

3.2 終端節(jié)點程序設(shè)計

功能模塊：

1. 初始化：配置GPIO、定時器、ADC等外設(shè)，啟動ZigBee協(xié)議棧。

2. 數(shù)據(jù)采集：通過單總線協(xié)議讀取DHT11數(shù)據(jù)，解析溫濕度值。

3. 數(shù)據(jù)傳輸：將溫濕度數(shù)據(jù)打包，通過點對點單播模式發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點。

關(guān)鍵代碼示例：

void SampleApp_Send_P2P_Message(void) {

uint8_t temp[3], humidity[3];

char strData[20];



// 讀取DHT11數(shù)據(jù)

DHT11_Read();



// 格式化溫濕度數(shù)據(jù)

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

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

temp[2] = '