基于Arduino和ZIGBEE模块的婴儿房温湿度监控系统设计
摘要：婴儿是祖国的希望，婴儿能够健康成长，需要一个良好的环境。我们走访了很多婴儿房，发现在对温湿度监控度上能控制房间的温湿度。但是，仅仅靠人员的定时监测去改善房间的温湿度环境，是这方面，很多都是使用传统的方法，通过人员定时观测数字温湿度计，记录房间的温湿度变化。这种方式在一定程远远不够的，因为某个瞬间可能温度上升很快，监护人员没有办法及时发现温湿度的骤变，或者，在晚上重复的监测也给监护人员带来巨大的负担。
近些年，开源硬件逐渐进入人们的生活，通过开源硬件，可以快速开始，设计出人们想要的硬件产品，开放，自由的理念，促使其这几年飞速发展，本设计也通过开源硬件（Arduino MEGA2560）作为本设计的控制板，使用C语言作为编程语言，开发一套能够自动监控婴儿房温湿度变化的系统。当温湿度超过或者低于设定的值时，系统能够自动通过声光电路报警，提示用户。同时，能够将温湿度的值显示在显示器上，方便用户查看。
关键词：ZIGBEE模块；Arduino；温湿度传感器；报警。
Design of temperature and humidity monitoring system for baby room
Abstract:Baby is the hope of the motherland, the baby can grow up healthily, need a good environment. We visited a lot of baby room, found in the monitoring of temperature and humidity, many are using the traditional method, the digital temperature and humidity measurement by personnel timing, recording room temperature and humidity changes. This way to a certain extent, can control the room temperature and humidity. But only rely on the timing of monitoring personnel to improve the temperature and humidity of the room, is far from enough, because temperature rise quickly in a moment, care staff there is no way to detect sudden changes in temperature and humidity, or monitoring and repeated in the evening to care personnel bring huge burden.
In recent years, open source hardware gradually into people's lives, through the open source hardware, quick start, people want to hardware products, open, the concept of freedom, prompting the few years rapid development, the design also through open source hardware (Arduino mega2560) as the design of the control panel using C language as a programming language, to develop a set of automatic monitoring of the baby room temperature and humidity change system. When the temperature and humidity exceeds or is lower than the set value, the system automatically prompts the user through the acousto-optic alarm circuit. At the same time, temperature and humidity values can be displayed on the display, convenient for users to view.
Keywords: ZIGBEE module； Arduino； temperature and humidity sensors；alarm.
一、引言
1.1婴儿房温湿度监控系统的背景及意义
婴儿房的温湿度是评估宝宝生活环境的重要参量，其直接影响宝宝的休息质量和身体健康。但是，现在大部分婴儿房依然使用传统的温湿度表，通过人员定时查看来控制房间的温湿度，这样存在很多的弊端。通过本设计的婴儿房温湿度监控系统，可以自动的，全方位的，实时的监控环境中的温湿度变化。当温湿度超过某个设定的值后，系统会给出声光报警，同时，基于ZIGBEE[1]的无线传感网络，我们使用无线采集终端节点的温湿度，省去了繁琐的连线，给安装带来了很大的方便。
[[1]赵云龙.ZIGBEE原理.航空航天大学出版社.2009.6]1.2 婴儿房温湿度监控系统的研究现状
对于无线，自动监控报警的婴儿房温湿度监控系统，如今市面上非常稀缺，多节点，实时，自动的监控系统在国外依然非常少见。通过调查发现，有通过蓝牙设备[2]进行无线传输的温湿度监控系统，但是，蓝牙存在不能组网通讯等缺点，蓝牙设备知识取代了短距离的导线，所以，在市面上很难推广，知道的人也非常少。很多人对温湿度的检测不是很关心，觉得这是一个靠感觉就可以的环境参量，不需要使用额外的设备。但是，人的感觉往往不能够给婴儿的健康带来保障。通过ZIGBEE作为无线温湿度传输的方案有很多，但是，很少有人将其做成完整的成品，特定的使用在婴儿房环境中，多数用于智能农业中。通过本设计的改造，对中心控制系统的程序优化，对设备节点的设计，设计一款特定用于婴儿房的温湿度监控系统，能够给宝宝的健康带来保障。
[[2]赵玉婷.蓝牙核心技术及应用.科学出版社.2014.6]1.3 婴儿房温湿度监控系统的技术特点
本设计的婴儿房温湿度监控系统是基于ZIGBEE无线传感网络的无线传感系统，通过ZIGBEE节点采集，路由转发，协调器接收的通讯步骤，实现多点的，实时的温湿度数据监测。基于ZIGBEE无线组网的特点，本设计有多节点同时采集，空间中全方位采集，结果更精确，适用的范围更广。节点采用电池供电，安装方面具有非常强的灵活性，在房间中可以到处移动。在数据采集提示方面，具有液晶实时显示特点，同时，具有声光报警功能，及时给用户报告异常情况。
1.4 婴儿房温湿度监控系统的研究内容
婴儿房温湿度监控系统的研究类容包括：
1、ZIGBEE节点对数据的采集和传输。
2、Arduino控制液晶显示器和声光报警。
二、婴儿房温湿度监控系统的总体方案设计
2.1 婴儿房无线温湿度监控系统的系统要求
婴儿房温湿度监控系统是一款能够实时的监测房间温湿度，并且将监测数据无线传输到控制端的微型监控系统[1]。其要求1、温湿度采集终端能够采集环境温湿度，并且误差不超过1℃。有多个采集终端节点，每个节点定时自动的采集温湿度信息，并且能够将信息发送到控制端。2、控制端能够将数据显示在显示器上，当有数据更新的时候，显示器上面的数据能够及时的更新。3、多个终端节点采集，每个节点之间互相组成网络彼此之间可以互相通信[2]，达到一个温度点数据过高时，其他的点能够及时的知道，并做相关的处理。4、具备报警系统，当时温湿度超过设定的值时，报警系统能够及时报警。
2.2方案一：基于CC2540无线蓝牙通信论证
低功耗蓝牙（BLE）是一种短距离、低成本、可互相操作的强大的无线技术，在早期的设计中，以超低功耗的方向发展，它使用了大量的智能化手段，在各个方面都最大限度的降低功耗。其中，一款成熟的可以搭载低功耗蓝牙协议栈的芯片，由TI公司生产的CC254X系列芯片，其中最经典的是CC2540，其烧写低功耗蓝牙协议栈加上自己开发的程序，就可以实现蓝牙的无线通信。此外，低功耗蓝牙连接速度非常快，其连接之后，保存链路，在必要的时候开启链路，完成数据传输后，又以最快速度关闭链路，从而降低功耗。低功耗蓝牙同样是工作在2.4G频段的无线传输技术。适合低速率，微型传感器[3]的传输使用。本系统婴儿房温湿度监控系统，设计之初曾考虑过使用低功耗蓝牙作为无线数据传输的媒介，但是，考虑到低功耗蓝牙只能以主机，从机的方式进行数据传输，对于一个较大的房间，需要多个空间点采集温湿度信息，低功耗蓝牙在设计的时候，需要多个主机，这样不方便设计，监护人员也不方便统计监测数据。
[[3]刘伟.传感器实训教程.东南大学出版社. 2003.5]2.3方案二：基于CC2530的ZIGBEE无线通信论证
ZigBee是一种短距离、低功耗的无线通信技术。在本系统中，使用TI(德州仪器)公司的CC2530芯片，作为协议栈程序的烧写芯片，实现系统的无线通信，ZIGBEE应用领域主要在自动控制和远程控制领域。ZIGBEE支持星型网络，树型网络，网状网络等，这是其最关键的一点，在一个空间中，采用多个终端节点，共同连接到协调器上面，协调器连接中心控制模块。在每次发送数据的时候，ZigBee设备终端在数据包中保存自己的网络地址，这样，ZIGBEE协调器就可以知道是具体的哪一个节点发送的数据，通过查阅资料，ZIGBEE通信速率在250Kb/s，而这通信链路上的速率完全可以满足传感器[4]发送的数据。在可靠性方面，每个网络支持65000个节点，如果设备掉线，脱离网络，其有自动恢复能力，一般可以做到1s之内恢复网络。通过比较，使用ZIGBEE方式通信，简短研发时间。同时，TI提供了完美的程序代码库，我们使用外部器件时，大部分驱动不需要重新编写，在外围硬件驱动层，可以调用按键，液晶显示器，PWM等多个驱动函数接口。在本设计中，我们只需要写DHT11的驱动函数，就可以实现ZIGBEE终端对其温湿度的采集。在模块大小上，DHT11传感器的体积和ZIGBEE模块相当，可以做成非常小的终端采集系统。使用电池供电，给系统提供一个可移动的前提条件。通过上述比较，ZIGBEE具有非常明显的优点，其可以一个控制端控制所有的温湿度节点，这一点是蓝牙不具备的。其也是选取ZIGBEE的重要原因。
目录
一、引言 4
1.1婴儿房温湿度监控系统的背景及意义 4
1.2 婴儿房温湿度监控系统的研究现状 4
1.3 婴儿房温湿度监控系统的技术特点 4
1.4 婴儿房温湿度监控系统的研究内容 4
二、婴儿房温湿度监控系统的总体方案设计 5
2.1 婴儿房无线温湿度监控系统的系统要求。 5
2.2 方案一：基于CC2540无线蓝牙通信论证 5
2.3 方案二：基于CC2530的ZIGBEE无线通信论证 5
2.4 婴儿房温湿度监控系统的系统框图。 6
2.5 婴儿房温湿度监控系统整体方案设计思路 7
2.5.1 婴儿房温湿度监控系统终端节点设计 7
2.5.2 婴儿房温湿度监控系统传感网络设计 7
2.5.3 婴儿房温湿度监控系统中心控制系统设计 7
三、婴儿房温湿度监控系统的电路设计和论证 8
3.1 婴儿房温湿度监控系统的硬件设计思路 8
3.1.1 婴儿房温湿度监控系统传感器硬件设计 8
3.1.2 婴儿房温湿度监控系统中心控制模块硬件设计 11
四、婴儿房温湿度系统软件设计 14
4.1程序流程框图 14
4.2 程序 15
4.2.1 主程序 15
4.2.2 子程序 16
五、系统软硬件的联合调试 16
5.1 系统安全测试 16
5.2 软硬件联合调试 17
5.2.1 终端节点程序的烧写 17
5.2.2 终端节点程序测试。 18
5.3 中心控制板Arduino测试 19
5.4 整机系统调试 20
六、总结 20
小结 20
系统电路原理图 23
参考文献 24
[1]赵云龙.ZIGBEE原理.航空航天大学出版社.2009.6
[2]赵玉婷.蓝牙核心技术及应用.科学出版社.2014.6
[3]刘伟.传感器实训教程.东南大学出版社. 2003.5
[4]鲍丙豪.传感器手册.化学工业出版社. 2004.10
[5]隆俊. OLED显示概论.电子工业出版社 2015.07
