毕业设计（论文）-基于ZigBee的农业大棚光照环境监控系统设计.doc

毕业设计（报告）课题:基于ZigBee的农业大棚光照环境监控系统设计学生: 系部:物联网 班级:物联网1203班 学号: 指导教师: 装订交卷日期:2015.04.28毕业设计（报告）成绩评定记录表指导教师评语（包含学生在毕业实习期间的表现）:成绩（平时成绩）: 指导教师签名：年 月 日评阅教师评语：成绩（评阅成绩）: 评阅教师签名：年 月 日答辩情况记录:答辩成绩:答辩委员会主任(或答辩教师小组组长)签名:年 月 日总评成绩:注：1.此表适用于参加毕业答辩学生的毕业设计（报告）成绩评定；2.平时成绩占20%、卷面评阅成绩占50%、答辩成绩占30%，在上面的评分表中，可分别按20分、50分、30分来量化评分，三项相加所得总分即为总评成绩，总评成绩请转换为优秀、良好、中等、及格、不及格五等级计分。教务处制毕业设计（报告）成绩评定记录表指导教师评语（包含学生在毕业实习期间的表现）:成绩（平时成绩）: 指导教师签名：年 月 日评阅教师评语：成绩（评阅成绩）: 评阅教师签名：年 月 日总评成绩:注：1.此表适用于不参加毕业答辩学生的毕业设计（报告）成绩评定；2.平时成绩占40%、卷面评阅成绩占60%，在上面的评分表中，可分别按40分、60分来量化评分，二项相加所得总分即为总评成绩，总评成绩请转换为优秀、良好、中等、及格、不及格五等级计分。教务处目录第一章 绪 论31.1 论文背景31.2 主要需求4第二章 系统分析52.1 设计原理52.2 系统节点设计62.3 系统总体架构7第三章 系统硬件设计93.1 Zigbee节点硬件设计93.2 传感器节点硬件设计93.3 光照数据采集节点设计11第四章 基站节点设计134.1 ZigBee技术概述134.2 ZigBee技术优缺点134.3 ZigBee网络配置144.4 ZigBee工作模式16第五章 系统测试185.1系统测试步骤185.2 系统测试结果185.2.1 系统硬件测试185.2.2 协议栈测试195.2.3 上位机测试195.3系统测试结果分析20总结21参考文献22摘要 随着农业应用技术及科技的发展，温室大棚已经成为农业的一个重要组成部分，而且能带动农业高效的发展。因此，对于农业生产环境来说，对一些重要参数进行检测与控制就显得十分重要且必要，这些参数包括光照强度、温度、湿度、二氧化碳浓度等。这些参数控制得当，就改变了植物的生长环境，为植物创造了最佳的生长环境，而且避免了外界四季变化和恶劣气候对植物生长的影响。目前，ZigBee技术已经广泛应用于近距离传输的无线通信领域，尤其是在工农业控制、医疗卫生方面日益起着越来越重要的作用。本设计意在通过ZigBee无线通信技术构建一个无线传感器网络（WSN），采用树型网络拓扑结构，对加入该网络的传感器节点进行温度、湿度、光照强度和二氧化碳浓度的数据进行采集和分析，将此应用于对农业里温室的环境检测和控制当中，避免了有线网络的布线问题和成本问题。本设计利用了一个结构合理的Web应用程序，搭建Web服务器来动态显示传感终端所采集的温室数据。关键词：ZigBee；CC2530；无线传感器网络；光照传感器26第一章 绪论第一章 绪 论1.1 论文背景 近几年来，随着物联网、传感器、电子标签、智能装备等技术的重大突破及广泛应用，也渐渐改变了农业传统的生产经营方法，扩大了农业的发展空间。近年来，温室大棚种植为提高人们的生活水平带来极大的便利，得到了迅速的推广和应用。种植环境中的温度、湿度、光照度、CO2浓度等环境因子对作物的生产有很大的影响。传统的人工控制方式难以达到科学合理种植的要求，目前国内可以实现上述环境因子自动监控的系统还不多见，而引进国外具有多功能的大型连栋温室控制系统价格昂贵，不适合国情针对目前大棚发展的趋势，提出了一种大棚智能监控系统的设计。根据大棚智能监控的特殊性，需要传输大棚现场参数给管理者，并把管理者的命令下发到现场执行设备，同时又要使上级部门可随时通过互连网或者手机信息了解区域大棚的实时状况。基于GPRS的智能大棚监控系统使这些成为可能。第一章 绪论图1-1 农业大棚智能化监控1.2 主要需求 在每个智能农业大棚内部署无线空气温湿度传感器、无线土壤温度传感器、无线土壤含水量传感器、无线光照度传感器、无线CO2传感器等，分别用来监测大棚内空气温湿度、土壤温度、土壤水分、光照度、CO2浓度等环境参数。为了方便部署和调整位置，所有传感器均应采用电池供电、无线数据传输。大棚内仅需在少量固定位置提供交流220V市电（如：风机、水泵、加热器、电动卷帘）。每个农业大棚园区部署1套采集传输设备（包含路由节点、长距离无线网关节点、Wi-Fi无线网关等），用来覆盖整个园区的所有农业大棚，传输园区内各农业大棚的传感器数据、设备控制指令数据等到Internet上与平台服务器交互。在每个需要智能控制功能的大棚内安装智能控制设备（包含一体化控制器、扩展控制配电箱、电磁阀、电源转换适配设备等），用来接受控制指令、响应控制执行设备。实现对大棚内的电动卷帘、智能喷水、智能通风等行为的实现。第二章 系统分析第二章 系统分析2.1 设计原理 该检测系统充分利用ZigBee技术的软、硬件资源,辅以相应的测量电路和SHT10数字式集成温湿度传感器等智能仪器,能实现多任务、多通道的检测和输出。并且通过RS232接口实现与上位PC机的连接,进行数据的分析、处理和存储及打印输出等。它具有测量范围广、测量精度高等特点,前端测量用的传感器类型可在该基础上修改为其他非电量参数的测量系统。温湿度检测系统采用SHT10为温湿度测量元件。系统在硬件设计上充分考虑了可扩展性,经过一定的添加或改造,很容易增加功能。根据温室大棚内的温湿度、土壤水分、土壤温度等传感器采集到的信息，利用串口通信RS-232将传感器信息发送给上位计算机，然后再接到上位计算机上进行显示，报警，查询。监控中心将收到的采样数据以表格形式显示和存储，然后将其与设定的报警值相比较，若实测值超出设定范围，则通过屏幕显示报警或语音报警，并打印记录。与此同时，监控中心可向现场控制器发出控制指令，监测仪根据指令控制风机、水泵、等设备进行降温除湿，以保证大棚内作物的生长环境。监控中心也可以通过报警指令来启动现场监测仪上的声光报警装置，通知大棚管理人员采取相应措施来确保大棚内的环境正常。图2-1 总线型架构图2.2 系统节点设计数据采集节点及其基站节点是一组安放在蔬菜大棚实地内的传感器和无线通信模块的终端集合。主要是负责大棚内空气的温湿度的数据采集，并接收从基站发来的指令，定时通过无线模块将本节点采集到的温湿度数据传输给基站节点。图2-2 采集节点结构1、 数据采集节点是定时的(默认设置成10S采集一次温湿度数据)采集数据，个时间间隔可以是网络中的基站向温湿度传感器节点发送重新设置时间间隙控制命令来完成设置的。PPP(Point-to-Point Protocol)协议是在设计和实现络中基站节点功能所要用到的技术。PPP协议是为在同等单元之间传输数据包样的简单链路设计的链路层协议。这种链路提供全双工操作，并按照顺序传递据包。设计目的主要是用来通过拨号或专线方式建立点对点连接发送数据，使成为各种主机、网桥和路由器之间简单连接的一种共通的解决方案。传感器应了其技术从而实现了数据的接力传送，从而提高了网络通信的效率。数据采集节点主要由电源模块、处理器模块、温湿度传感器收集模块和无线通信模块4个模块构成的：（1） 电源：采用两节1.5V的纽扣电池组成的3V直流电为整个系统供电。（2） 处理器模块和无线通信模块：采用增强型工业标准的CC2530核心板，它是加强版的Zigbee模块。（3）温湿度传感器收集模块：采用CC2530核心板集成光照传感器SHT10。2、 温湿度采集节点也是基于Zigbee通信协议的终端设备。Zigbee的基础是IEEE 802.15.4,但IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，因此Zigbee联盟扩展了IEEE，对其网络层协议和API进行了标准化。与其他无线标准802.11或802.16不同，Zigbee以250Kbps的最大传输速率承载有限的数据流量。它满足国际标准组织(ISO)开放系统互连(OSI)参考模型，主要包括物理层、数据链路层。第二章 系统分析3、 Zigbee是一种新兴的短距离、低速率、低功耗的无线可自组的网络技术。主要用于近距离无线连接。在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信，这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。图2-3 混搭型架构图2.3 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。本系统的模型主要分为四块:光照的数据采集节点、负责从节点接收数据并向主机发送数据的系统节点、主机（服务器）以及最终的用户。图2-4 系统模型框架该系统由上位机（PC）监控端和下位机ZigBee网络两部分组成。下位机ZigBee网络系统负责采集温室大棚内的光照数据，上位机负责显示光照数据并第二章 系统分析进行实时监控。下位机ZigBee网络系统由光照传感器模块、路由器模块和协调器模块组成。光照传感器模块主要负责采集、存储和上传光照信息。路由器模块主要负责转发光照信息。协调器模块主要完成光照数据的汇聚。下位机ZigBee网络系统和上位机之间通过RS-232串口进行通信。当监测大棚光照信息时，首先通过上位机端监控软件设置好波特率和串口号等参数，然后协调器开始组建ZigBee网络，这时路由器节点和光照传感器节点开始加入ZigBee网络。分布在各个大棚内的光照传感模块开始采集光照信息，并存储在Flash中，通过单跳或者多跳的方式发送到上位机，上位机监控端接收到温湿度信息后，把各个大棚内的光照信息显示出来。ZigBee组网流程如下图2-5。图2-5 无线网络形成流程第三章 系统硬件设计第三章 系统硬件设计3.1 Zigbee节点硬件设计ZigBee节点硬件主要由CC2530射频芯片和传感器构成。CC2430芯片整合了高性能2.4 GHz DSSS（直接序列扩频）射频收发器内核和工业标准的增强型8051 MCU，还包括了8 KB的SDRAM、128 KB的Flash，是一种片上系统（SOC）解决方案。将相应的传感器与CC2530的IO引脚连接，可测得所需的温室环境参数，并通过ZigBee无线网络进行传输。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CC2530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CC2530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、CC2530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。图3-1 数据采集结构图3.2 传感器节点硬件设计第三章 系统硬件设计 传感器节点是由无线收发器CC2530、射频天线RFID、电源模块、晶振电路和串口电路组成。由于CC2530芯片本身带有温度传感器，因而本实验直接采用了CC2530的内置温度传感器监测温度。但是该温度传感器的精度有限，如果要求更高的精度，可以扩展出一个温湿度传感器，如SHT10。传感器终端设备由RFID收发模块、传感器模块和执行器驱动模块组成。其中执行器驱动模块主要是由继电器电路组成，而传感器模块由数字温度传感器DS18B20、数字湿度传感SHT21、微型数字二氧化碳传感器S-100及TSL230B光照强度频率传感芯片组成，RFID收发模块使用的是TI公司提供的CC2530无线收发模块。下面对每个部分的功能和指标进行详细介绍：(1)信息收集终端：即协调器，放置于监控室，完成网络的建立与维护，和节点之间绑定的建立，实现数据的汇总，然后以有线的方式传送到上位机软件，进行进一步数据处理。本设计采用RS-232串口将采集到的数据发送到上位机。(2)温度采集终端：即节点，放置在需要采集温度的地方。温度采集终端可以实现网络的加入、与协调器绑定的建立、温度的检测。检测到的温度通过ZigBee无线网络发送到协调器。(3)上位机：位于监控室，完成对所采集温度的汇总与显示。采集到的数据实时保存到文档中，同时以折线图的形式实时反映出温度的变化趋势，使其更为直观。第三章 系统硬件设计图3-2 采集节点数据发送给上位机流程图3.3 光照数据采集节点设计数据采集节点按功能模块划分可分为：无线通信模块和光照数据采集模块。 （1）无线通信模块CC2530是一块符合IEEE802.15.4标准的片上Zigbee芯片。它的无线通信模块的基础是数据采集节点之间是采用点对点的通信方式。在系统启动，数据采集节点开启后，并完成初始化工作后，节点将开始搜索其无线范围内的网络信息。由于Zibgee网络内的节点具有路由转发的功能，所以节点之间也可以互发数据，直至将源数据发送到最终的基站节点。 (2) 光照数据采集模块光照采集模块式采用光照传感器，将光照传感器、A/D转换器及数字接口无缝结合。光照传感器（BH1750FVI）采用I2总线方式传输数据，光源依赖性不大，采集范围可以从160000勒克斯，且受红外线影响较小，支持I2C BUS接口(f/s Mode Support) 、接近视觉灵敏度的光谱灵敏度特性、输出对应亮度的数字值，无需其他外部件，光源依赖性弱（白炽灯，荧光灯，卤素灯，白光LED，日光灯），第三章 系统硬件设计可调的测量结果影响较大的因素为光入口大小，最小误差变动在20%。终端控制节点如图3-3所示。图3-3 控制节点流程图第四章 基站节点设计第四章 基站节点设计4.1 ZigBee技术概述ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。ZigBee的名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈来分享新发现的食物源的位置、距离和方向等信息，借此来寓意ZigBee的特点。ZigBee是一种新兴的短距离、低速率的无线通信网络技术。它有自己的协议标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以通信效率非常高。图4-1 协议结构图4.2 ZigBee技术优缺点ZigBee技术可以弥补其它短距离无线通信技术的缺陷，它具有以下的优点：(1)数据传输速率低。ZigBee技术的数据传输速率，一般在10kb/s250kb/s，非常适合于于低传输速率应用。(2)功耗低。由于工作周期很短，收发信息功耗较低，并且采用了休眠模式，因第四章 基站节点设计此在通常情况下，两节普通5号干电池支持节点工作长达6个月到2年左右的时间，从而避免充电和频繁更换电池。这是ZigBee技术最引以为豪的独特优势。(3)协议简单。(4)低成本。由于ZigBee数据传输速率低，协议简单和较小的存储空间，所以大大降低了成本。每片芯片的价格一般在23 美元，并且ZigBee协议是免专利费的。(5)网络容量大。一个ZigBee网络可以容纳最多254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100 个ZigBee网络。(6)工作频段灵活。(7)传输可靠性高。(8)安全性高。(9)时延短。(10)网络的自组织、自愈能力强。图4-2 协议结构图4.3 ZigBee网络配置（1）ZigBee设备功能类型ZigBee网络的基本成员即“设备”，按照功能的不同可分为两类：全功能设备FFD(Full Function Device)和精简功能设备RFD(Reduced Funetion Deviee)。全功能设备(FFD)是具有转发与路由能力的节点。它拥有足够的存储空间来存放路由信息，其处理控制能力也相对较强。FFD可作为协调器、路由器和终端设备，支持任何拓扑结构。精简功能设备(RFD)只能接收和发送信号，其内存小、功耗低、功能简洁，在网络中只能作为终端设备使用。第四章 基站节点设计图4-3 加入网络流程图（2）ZigBee设备节点类型 ZigBee网络中根据设备所处的角色不同定义了三种逻辑设备类型：协调器(Coordinator)、路由器(Router)和终端设备(End Device)。图4-4 发送数据流程图第四章 基站节点设计（3） 接收数据ZigBee协议栈能够自动过滤掉以非本节点为目的节点的所有数据，而只接收以本节点号为目的节点号的无线传输的数据。图4-5 接收数据流程图4.4 ZigBee工作模式ZigBee网络的工作模式可以分为信标(Beacon)模式和非信标(Non-beacon)模式两种。信标模式可以实现网络中所有设备的同步工作和同步休眠，以达到最大限度地节省功耗，而非信标模式只允许ZE进行周期性休眠，协调器和所有路由器设备长期处于工作状态。信息平台功能框图如图4-6所示。第四章 基站节点设计图4-6 信息平台功能框图第五章 系统测试第五章 系统测试5.1系统测试步骤（1）检查开发板电源、串口线以及外扩设备连接是否正常。（2）下载协调器代码到开发系统的表演板。（3）下载传感器节点代码到电池板。（4）用串口调试助手观察协议栈运行是否正常。（5）测试上位机软件，PC端能否正常接收数据以及能否将数据存到数据库中，可否正常画出曲线。图5-1 协调器模块连接5.2 系统测试结果5.2.1 系统硬件测试系统的硬件测试包括对开发平台的电源、内存、按键、LED灯、串口，以及配套电路进行测试。下载各模块的程序后，系统各硬件均能正常工作。第五章 系统测试图5-2 协调器模块、光照传感器模块连接5.2.2 协议栈测试下载协调器模块到表演板、节点模块到电池板后，程序运行正确，从串口能正确接收到节点的地址以及所采集到的温度。5.2.3 上位机测试打开上位机软件，从串口读入当前温度值，能够实时显示光照并能够绘出光照曲线，能够顺利在多个曲线间进行切换，能够存储过往数据并且能够查看。如图5-3所示。图5-3 串口调试图5.3系统测试结果分析经测试，系统软硬件均工作正常，实现了需求中的绝大部分功能。例如：通过ZigBee节点组网测试，无线传感网络的各节点组