基于ZigBee协议的温室远程监控系统.doc

兰州工业高等专科学校兰州工业高等专科学校 毕业设计 论文 毕业设计 论文 题目题目 基于基于 ZigBee 的温室的温室 远程监控系统远程监控系统 系系 别别 电子信息工程系电子信息工程系 专专 业业 电子信息工程技术电子信息工程技术 班班 级级 电信电信 09 1 姓姓 名名 陈陈 涛涛 学学 号号 200910101102 指导教师 职称 指导教师 职称 李祥林 副教授 李祥林 副教授 日日 期期 2012 2 24 兰州工业高等专科学校兰州工业高等专科学校 毕业设计 论文 任务书毕业设计 论文 任务书 电子信息工程电子信息工程 系系 12 届届 电子信息工程技术电子信息工程技术 专业专业 毕业设计 论文 题目基于基于 ZigBee 的温室远程监控系统的温室远程监控系统 课题内容性质工程技术研究 课题来源性质结合教师科研课题设计 论文 校内 外 指导教师职 称工作单位及部门联系方式 李祥林副教授电子信息工程lxiangl01 一 题目说明 目的和意义 利用 ZigBee JavaEE 技术及 DBS 设计并实现一个温室远程监测系统 使用本系统 可 以实现温室环境监测 本设计题目主要利用 ZigBee 和 JavaEE 实现基于 MVC 模式的应用开发 在设计与实现 过程中将涉及 JSP JavaBean 和 Servlet 的使用技巧及常用的 Web 服务器 Tomcat 通过本 设计项目的学习 使学生学会如何分析 设计与实现基于嵌入式的应用系统 利用 ZigBee 网 络实时采集温室环境数据 利用 J2EE 技术设计结构合理的 Web 应用程序 搭建 WEB 应用 服务器 通过本设计使学生掌握科技文献的检索 资料整理 科技论文撰写 二 设计 论文 要求 工作量 内容 要求学生能够使用某一种数据库管理系统 学习 Java EE 的程序编写 学习应用 ZigBee 技术实现组网 数据采集和传输 以及 GPRS 的基本知识 此外参加设计的学生还应用做到 1 每周主动和指导教师联系两次 定期汇报毕业设计进展 听取指导教师意见 并要 求有书面报告材料 2 撰写毕业论文 1 万字 3 答辩前一周将毕业论文终稿和设计结果交指导教师审定 4 毕业答辩 首先学生陈述 10 15 分钟 然后接受答辩组成员的 5 10 分钟的提问 5 每个学生必须独立完成毕业设计 论文 6 毕业设计 论文 书写规范 文字通顺 图表清晰 测试数据完整 结论明确 7 毕业设计 论文 应有中英文摘要 150 200 字 8 毕业设计 论文 正文前附 毕业设计 论文 任务书 后附参考文献 9 毕业设计 论文 要求文字打印 统一格式 统一封面 装订成册 详见毕业设计撰写 要求 三 进度表 日 期内 容 第 15 周 第 16 周 第 17 周 第 18 19 周 第 20 周 第 1 2 周 下学期 通过对市区周围的温室大棚的实际调研 参考和学习网上成功 的各种 基于 ZigBee 的信息管理系统 借助书店 图书馆查阅相 关资料 制定设计计划 进行需求分析 以电子邮件形式提交分析报 告 系统功能设计 系统总体架构设计 节点硬件设计 以电子邮件交 指导老师 要求通过小组答辩方可进行下一阶段设计 节点软件设计 数据库设计 并将所有数据表以电子邮件方式交 指导老师 要求通过小组答辩方可进行下一阶段设计 根据系统需求 配置软件 硬件开发环境 编写程序代码 并 以电子文档提交指导教师审定 对毕业设计进行总结 认真阅读毕业设计 论文 的书写要求 撰写毕业论文 将毕业论文以书面与电子文档两种形式 提交指导 教师批阅 论文答辩 进一步完善毕业论文 提交终稿 完成日期第 20 周 本学期 答辩日期第 1 2 周 下学期 四 主要参考文献 资料 设备和实习地点及翻译工作量 一 参考文献 1 黄海平 无线传感器网络技术及其应用 人民邮电出版社 2011 4 2 王志良等编著 物联网工程导论 北京航空航天大学出版社 2011 9 3 李文仲 pic 单片机与 ZIGBEE 无线网络实战 清华大学出版社 2008 1 4 钟永锋 ZigBee 无线传感器网络 北京邮电大学出版社 2011 3 5 仵博等编著 2ME 无线开发实用教程 清华大学出版社 2006 8 二 设备和设计地点 微机等 嵌入式实验室 教室 三 翻译工作量 英文摘要 250 单词以内 关键词 5 8 个词 指导教师签字教研室主任签字主管系领导签字 年 月 日年 月 日年 月 日 注 本任务书要求一式两份 一份系部留存 一份报教务处实践教学科 摘摘 要要 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 本方案设计了一个基于 ZigBee 协议的温室远程监控系统 该系统借助移动通信网络 Internet 和无线传感网络的互联 利用 ZigBee 无线传感网络将终端节点采集到的数据 经 协调器节点和 GPRS 模块发送到 GPRS 网络 再经 GPRS 网络到用户机 根据数据显示 远程控制温室环境 实现温室远程监控的效果 本系统实现无人值守 具有低成本 实 时和便捷性 为我国温室的自动化控制提供了方便 关键词 关键词 ZigBee GPRS 无线传感器网络 远程监控 Abstract Greenhouse cultivation to improve the people s living standard bring great convenience to get rapid promotion and application of Cultivation of environmental temperature humidity light intensity concentration of CO2 and other environmental factor for crop production has a great influence on The design of a programme based on ZigBee protocol remote greenhouse monitoring system The system with the help of mobile communication network Internet and wireless sensor networks the use of ZigBee wireless sensor network terminal node of the data acquisition the coordinator node and GPRS module is sent to a GPRS network then the GPRS network to the user machine according to the data display remote control of greenhouse environment to achieve the effect of greenhouse remote monitoring This system realizes unattended has low cost real time and convenience for our country greenhouse automatic control provides a convenient Keywords ZigBee GPRS wireless sensor network remote monitoring 目目 录录 1 绪绪 论论 1 1 1 研究背景与意义 1 1 2 国内外研究的现状 1 1 2 1 国内外温室测控系统研究现状 1 1 2 2 国内外无线传感器网络系统在温室中应用研究现状 2 2 系统分析系统分析 3 2 1 基本功能 3 2 2 基本组成 3 2 3 系统构架 3 2 4 系统难点分析 4 2 5 无线网络结构 4 3 系统技术概述系统技术概述 6 3 1 无线网络技术 6 3 2 GPRS 技术 8 3 3 无线传感器网络技术 8 3 4 GPRS 模块 DTP S05CI 9 3 5 CC2430 芯片 9 3 6 温度传感器模块 DS18B20 11 3 6 1 技术性能 11 3 6 2 DS18B20 的工作原理 12 3 7 湿度传感器模块 12 4 系统设计系统设计 14 4 1 硬件的设计 14 4 1 1 网关硬件设计 14 4 1 2 ZIGBEE节点硬件设计 14 4 1 3 温室无线传感器控制节点的设计 15 4 2 软件设计 16 4 2 1 移植 LINUX内核 17 4 2 2 移植根文件系统和 BOA 服务器 17 4 2 3 无线传感网络控制节点应用程序的设计 18 4 2 4 网关软件设计 21 5 系统测试系统测试 24 5 1 测试设备 24 5 2 系统测试方案 24 5 2 1 ZigBee 节点组网测试 24 5 2 2 GPRS 测试 24 5 3 结果分析 25 5 3 1 测试数据 25 5 3 2 短信报警数据 26 5 4 实现功能 26 6 展展 望望 27 结结 论论 28 致致 谢谢 29 参考文献参考文献 30 1 绪绪 论论 1 1 研究背景与意义研究背景与意义 农业是国家的经济命脉 原始的劳动生产手段 落后的劳动生产力及低下的劳动生 产率已不能满足当今社会的需求 提高农业劳动生产率的重要方法之一就是实现农业生 产的智能化和信息化 农产品及各种水产养殖品的成活质量与它们赖以生存的环境之间 有着密切的关系 而温室的主要作用就是能够在一年四季都提供给作物以他们所必需的 生长环境 温室控制的首要任务是采集作物生长环境的参数 国内目前绝大多数采用的 是人工实地测试 一天多次或者几天一次的读取温室里的测量仪 这样不仅耗费不必要 的人力物力损耗 还不能实时的监测温室内变化 更不能智能化的自动打开相应设备来 调控参数 无法进一步实现温室作物的质量和产量的提高 无线传感器网络在农业生产中的应用将这一难题变为可能 它可以有效的监测温室 内各个角度的参数 并且将数据实时反馈给数据中心 数据中心根据已经定义好的规则 库 按作物的不同生长阶段由专家系统识别判断参数的合法性 从而向控制节点发送指 令 控制各个调控设备协同工作 最大程度上的在第一时间保护农作物不被环境所影响 从而提高作物产量 无线传感器网络技术的进一步发展为其在农业上的推广应用打下了 坚实的基础 现在的无线传感器网络节点定位和能耗有待于进一步提高 它所给养殖户 带来的巨大效益和布网的经济性 采集参数的实时性 准确性都直接推动了其在农作物 温室培育方法的广泛应用 1 2 国内外研究的现状国内外研究的现状 1 2 1 国内外温室测控系统研究现状国内外温室测控系统研究现状 将温室用于养殖生产实践 并取得最大成绩获得最大经济效益的当属荷兰 它的现 场布置系统及后台的软件控制专家系统都是走在世界前列的 由于得天独厚的地理位置 荷兰所采用的温室中有绝大多数是玻璃温室 主要用于花卉和农作物的种植 在人工干 预农作物的成熟期方面 美国拥有最成功的案例 他们不仅为农作物提供了自身生长所 必须的生存环境 还根据农作物成熟期的自然规律采取人工干预 通过调节作物所必须 的温度 PH 值 光照 湿度 氨氮等参数来保证农作物的最佳成熟期 以满足市场的需 要 不仅如此 美国还利用自己的信息高速公路 通过网络和 GPS 系统远程监控温室 我国现代化温室的应用在台湾很早就已见诸报端 台湾夏季气候高温多雨 并不利 于生产质优的高价农作物 环控温室的应用保护了农作物免受恶劣天气影响 用以提高 温室生产效率高 并稳定农作物产量及品质 环控温室是一所以透明胶膜或胶板密封的 种植室 可就农作物生长情况而调节室内的温度 湿度和光照度 提供一个适合全年耕 作的环境 1 2 2 国内外无线传感器网络系统在温室中应用研究现状国内外无线传感器网络系统在温室中应用研究现状 国外早已开始了将无线传感器网络应用于温室测控系统的实践 摩托沃克系统是美 国在温室无线传感网络应用中比较成熟的一个监控系统 另外 以色列也有同样成功的 案例 如 Phytomonitoring 监控系统 摩托沃克系统采用 ISM 波段 该波段无需付段 这 为它的推广应用提供了极为有利的条件 它所涉及的传感器有扭矩传感器 温度传感器 湿度传感器 光敏传感器 加速度传感器等等 操作系统选用伯克力大学研发的 TinyOS 操作系统 节点仅需 3 伏锂电池供电 锂电池可拆卸并可以方便充电 通信协议选用近 距离 低复杂度 自组织 低功耗 低数据速率 低成本的 ZigBee 协议 该监控数据可 以方便的经由数据中心通过因特网远程监控 在国内 已有很多研究机构开始着手进行研究如何在温室中应用无线传感器网络 并有相关探讨性文章发表 但还没有将无线传感器网络成功应用于温室农业的报道 该 技术还处于起步阶段 尚有很长的探索之路要走 2 系统系统分析分析 2 1 基本功能基本功能 该系统研究一种基于 ZigBee 技术的温室远程监控系统 在温室远程监控系统的设计 中 采用 ZigBee 模块与传感器模块组成无线传感器节点 对所覆盖环境中的温度 湿度 等参数进行实时采集并传至路由节点 由路由节点转发其它子节点传输来的信息 逐步 将信息转发给同一子网的协调器节点 协调器节点把这些数据通过 GPRS 模块发送 GPRS 网络中 再由 GPRS 网络将数据发送到 Internet 手机客户端和监控主机 监控主机负责 数据存储和对数据的进一步处理 监控中心接收无线传感网络采集的数据 实时显示 并存储在数据库里面 形成对温室环境状况的长期记录 由监控中心对温室环境进行评 估与分析 并根据检测到的温室环境发出提示信息 2 2 基本组成基本组成 该系统由监测系统和控制系统组成 其中 监测系统由 ZigBee 通信子网和远程监测 终端构成 控制系统由控制单元和 ZigBee 通讯模块构成 如下图所示 远程监控系统 监测系统控制系统 无线网络 技术 图 2 1 基本组成图 2 3 系统构架系统构架 该系统的具体构成以及各模块连接如图 2 2 所示 图 2 2 系统模块构成图 2 4 系统难点分析系统难点分析 本系统涉及数据的无线收发 节点设计 数据的监测 温室的自动控制模块和数据 库的分析整理等 其中无线网络的互联是本设计的关键 也是设计中的难点 2 5 无线网络结构无线网络结构 基于 ZigBee 和 GPRS 相结合的无线数据传输网络 由 CC2430 节点连接传感器对温 温度传感器湿度传感器CO2 传感器 ZigBee 无线网络 CC2430 网关硬件 S3C2440A Internet 用户监控机 GPRS 模块 DTP S05CI 服务器 数据库 手机终端 控制中心 微处理器 增 氧 机 帘 幕 循 环 泵 加 热 器 室中的湿度 温度等信息进行实时采集 经 ZigBee 局域网中心节点收集采集的数据后 由 GPRS 远程传送数据到手机客户端或网络基站 在网络基站中建立自己的网络数据库 并负责将传送上来的数据收集到建立好的数据库中 经监控中心对数据进行综合分析作 出相应的预警处理 其检测系统主要分为以下五部分 1 温室环境监测与数据采集部分 2 无线网络传输单元 3 远程数据传输单元 4 监测中心数据处理分析部分 5 PC 机显示部分 具体系统网络结构如图 2 3 所示 CC2 430 Internet ZigBee 网关 ZigBee 无线网络 用户监控机 温度传感器 CO2 传感器 湿度传感器 温度传感器 CO2 传感器 湿度传感器 图 2 3 系统网络结构图 3 系统技术概述系统技术概述 3 1 无线网络技术无线网络技术 ZigBee 是一种成熟的短距离 低速率 低功耗无线网络技术 它是一种介于无线传感 技术和蓝牙之间的技术提案 它此前被称作 HomeRF Lite 或 FireFly 无线技术 主 要用于近距离无线连接 它有自己的无线电标准 在数千个微小的传感器之间相互协调 实现通信 ZigBee 是一种无线连接 可工作在 2 4GHz 全球流行 868MHz 欧洲流行 和 915 MHz 美国流行 3 个频段上 分别具有最高 250kbit s 20kbit s 和 40kbit s 的传输速率 它的 传输距离在 10 75m 的范围内 但可以继续增加 作为一种无线通信技术 ZigBee 具有如 下特点 1 低功耗 由于 ZigBee 的传输速率低 发射功率仅为 1mW 而且采用了休眠模式 功 耗低 因此 ZigBee 设备非常省电 据估算 ZigBee 设备仅靠两节 5 号电 池就可以维持长 达 6 个月到 2 年左右的使用时间 这是其它无线设备望尘莫及的 2 成本低 ZigBee 模块的初始成本在 6 美元左右 估计很快就能降到 1 5 2 5 美元 并且 ZigBee 协议是免专利费的 低成本对于 ZigBee 也是一个关键的因素 3 时延短 通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短 典型的搜索设备时延 30ms 休眠激活的时延是 15ms 活动设备信道接入的时延为 15ms 因此 ZigBee 技术适用于对 时延要求苛刻的无线控制 如工业控制场合等 应用 4 网络容量大 一个星型结构的 ZigBee 网络最多可以容纳 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 而且网络组成灵活 5 可靠 采取了碰撞避免策略 同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙 避 开了发送数据的竞争和冲突 MAC 层采用了完全确认的数据传输模式 每个发送的数 据包都必须等待接收方的确认信息 如果传输过程中出现问题可以进行重发 6 安全 ZigBee 提供了基于循环冗余校验 CRC 的数据包完整性检查功能 支持鉴权 和认证 采用了 AES 128 的加密算法 各个应用可以灵活确定其安全属性 ZigBee 技术并不是完全独有 全新的标准 它的物理层 MAC 层和链路层采用了 IEEE802 15 4 无线个人区域网 协议标准 但在此基础上进行了完善和扩展 其网络层 应用会聚层和高层应用规范 API 由 ZigBee 联盟进行了制定 整个协议栈架构如图 3 1 所 示 应用软件 应用层规范 API 网络层 数据链路层DLL 介质存取层MAC 物理层PHY 用户代码 ZigBee stack 802 15 4 图 3 1 ZigBee 协议栈架构 IEEE ZigBee 是以一个独立的工作节点为依托 通过无线通信组成星状 片状或网状网络 因此 每个节点的功能并非都相同 为降低成本 系统中大部分的节点为子节点 从组 网通信上 它只是其功能的一个子集 称为精简功能设备 RFD 而另外还有一些节点 负责与所控制的子节点通信 汇集数据和发布控制 或起到通信路由的作用 称之为全 功能设备 FFD 即协调器 如图 3 2 所示 图 3 2 ZigBee 拓扑结构图 3 2 GPRS 技术技术 GPRS GeneralPacket Radio Service 是 通用分组无线服务 的英文简称 是中国移动 开辟的无线移动服务业务 在许多方面具有明显的优势 1 网络覆盖面广 接入范围大 系统构建便捷 运行成本较低等特点 2 传输速率较高 理论数据传输速率可高达 171 bps 3 登录和接入等待时间短 可快速建立连接 4 提供实时在线功能 用户将处于 永远在线 状态 这将使访问服务变得非常简 单 快速 几乎不会出现 掉线 或信息丢失现象 5 计费合理 用户只有在发送或接收数据期间才占用资源 即使用户可以一直在线 但只按数据流量收取费用 GPRS 上述优势特点非常适用于间歇的 突发的 频繁的 小流量的数据传输 同时 对偶有大流量数据传输也能承受 3 3 无线传感器网络技术无线传感器网络技术 无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成 通过无线 通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统 其目的是协作地感知 采集和处理网络 覆盖区域中被感知对象的信息 并发送给观察者 传感器 感知对象和观察者构成了无 线传感器网络的三个要素 无线传感器网络 wireless sensor network 简称 WSN 是一种由大量小型传感器所组 成的网络 这些小型传感器一般称作 sensor node 传感器节点 或者 mote 灰尘 此种 网络中一般也有一个或几个基站 称作 sink 用来集中从小型传感器收集的数据 WSN 具有以下特点 1 硬件资源有限 WSN 节点采用嵌入式处理器和存储器 计算能力和存储能力十分 有限 所以 需要解决如何在有限计算能力的条件下进行协作分布式信息处理的难题 2 电源容量有限 WSN 节点通过自身携带的电他来提供电源 当电池的能量耗尽 往往被废弃 甚至造成网络的中断 所以 任何 WSN 技术和协议的研究都要以节能为前 提 3 无中心 WSN 没有严格的控制中心 所有节点地位平等 是一个对等式网络 节 点可以随时加入或离开网络 任何节点的故障不会影响整个网络的运行 具有很强的抗 毁性 4 自组织 网络的布设和展开无需依赖于任何预设的网络设施 节点通过分层协议 和分布式算法协调各自的行为 节点开机后就可以快速 自动地组成一个独立的网络 5 多跳 Multi hop 路由 WSN 节点通信能力有限 覆盖范围只有几十到几百米 节点只能与它的邻居直接通信 如果希望与其射频覆盖范围之外的节点进行信 则需要 通过中间节点进行路由 WSN 中的多跳路由是由普通网络节点完成的 6 动态拓扑 WSN 是一个动态的网络 节点可以随处移动 一个节点可能会因为电 池能量耗尽或其他故障 退出网络运行 也可能由于工作的需要而被添加到网络中 这 些都会使网络的拓扑结构随时发生变化 因此网络应该具有动态拓扑组织功能 7 节点数量众多 分布密集 WSN 节点数量大 分布范围广 难于维护甚至不可维 护 所以 需要解决如何提高传感器网络的软 硬件健壮性和容错性 3 4 GPRS 模块模块 DTP S05CI DTP 系列 GSM GPRS Modem 是针对工业级用户 采用 GSM GPRS 网络为传输媒介 的无线通讯产品 可广泛用于工业控制 远程抄表 道路交通监控 环境监控 GPS 定 位 金融交易 移动办公等领域 DTP S05Ci 的内核主体是西门子双频工业手机模块 支持 EGSM900 GSM1800 频段 能提供语音 SMS FAX GPRS 多种通讯方式 产品具有以下特点 1 采用 5VDC 电压 500mA 电流的外接电源 功耗低 方便用户系统供电 2 产品体积小巧 设计时考虑到不同环境下的应用 避免了各种内因造成的工作隐 患 既可作为嵌入式使用 也可以外置使用 3 外壳采用铝合金材料 坚固耐用 抗强电磁干扰能力和散热能力极强 4 工作温度 20 55 工作湿度 90 5 用户可根据自身需要灵活选择产品接口 6 使用 RS232 标准串口通信 设计结构简洁 3 5 CC2430 芯片芯片 CC2430 芯片以强大的集成开发环境作为支持 内部线路的交互式调试以遵从 IDE 的 IAR 工业标准为支持 得到嵌入式机构很高的认可 它结合 Chipcon 公司全球先进的 ZigBee 协议 工具包和参考设计 展示了领先的 ZigBee 解决方案 其产品广泛应用于汽 车 工控系统和无线感应网络等领域 同时也适用于 ZigBee 之外 2 4 GHz 频率的其他 设备 CC2430 芯片延用了以往 CC2420 芯片的架构 在单个芯片上整合了 ZigBee 射频 RF 前端 内存和微控制器 它使用 1 个 8 位 MCU 8051 具有 128 KB 可编程闪存和 8 KB 的 RAM 还包含模拟数字转换器 ADC 几个定时器 Timer AES128 协同处理器 看 门狗定时器 Watch dog timer 32 kHz 晶振的休眠模式定时器 上电复位电路 Power On Reset 掉电检测电路 Brown out detection 以及 21 个可编程 I O 引脚 CC2430 包括四个定时器 一个 16 位 MAC 定时器 用以为 IEEE 802 15 4 的 CSMA CA 算法提供定时以及为 IEEE 802 15 4 的 MAC 层提供定时 一个一般的 16 位和两个 8 位定时器 支持典型的定时 计数功能 例如 输入捕捉 比较输出和 PWM 功能 CC2430 内集成的其他外设有 实时时钟 上电复位 8 通道 8 14 位 ADC 可编程 看门狗 两个可编程 USART 用于主 从 SPI 或 UART 操作 为了更好的处理网络和应用操作的带宽 CC2430 集成了大多数对定时要求严格的一 系列 IEEE 802 15 4 MAC 协议 以减轻微控制器的负担 这包括 自动前导帧发生器 同 步字插入 检测 CRC 16 校验 CCA 信号强度检测 数字 RSSI 连接品质指示 LQI 和 CSMA CA 协处理器 CC2430 芯片采用 0 18 m CMOS 工艺生产 工作时的电流损耗为 27 mA 在接收和 发射模式下 电流损耗分别低于 27 mA 或 25 mA CC2430 的休眠模式和转换到主动模式 的超短时间的特性 特别适合那些要求电池寿命非常长的应用 CC2430 芯片的主要特点 如下 1 高性能和低功耗的 8051 微控制器核 2 集成符合 IEEE802 15 4 标准的 2 4 GHz 的 RF 无线电收发机 3 优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性 4 较宽的电压范围 2 0 3 6 V 5 具有电池监测和温度感测功能 6 集成了 14 位模数转换的 ADC 7 集成 AES 安全协处理器 8 强大和灵活的开发工具 CC2430 芯片引脚如图 3 3 所示 图 3 3 CC2430 芯片引脚图 3 6 温度传感器模块 温度传感器模块 DS18B20 该产品采用美国 DALLAS 公司生产的 DS18B20 可组网数字温度传感器芯片封 装而成 具有耐磨耐碰 体积小 使用方便 封装形式多样 适用于各种狭小空间设 备数字测温和控制领域 DS18B20 的主要特性 1 适应电压范围更宽 电压范围 3 0 5 5V 在寄生电源方式下可由数据线供电 2 独特的单线接口方式 DS18B20 在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微 处理器与 DS18B20 的双向通讯 3 DS18B20 支持多点组网功能 多个 DS18B20 可以并联在唯一的三线上 实现组网 多点测温 4 DS18B20 在使用中不需要任何外围元件 全部 传感元件及转换电路集成在形如一 只三极管的集成电路内 5 温度范围 55 125 在 10 85 时精度为 0 5 6 可编程 的分辨率为 9 12 位 对应的可分辨温度分别为 0 5 0 25 0 125 和 0 0625 可实现高精度测温 7 在 9 位分辨率时最多在 93 75ms 内把温度转换为数字 12 位分辨率时最多在 750ms 内把温度值转换为数字 速度更快 8 测量结果直接输出数字温度信号 以 一 线总线 串行传送给 CPU 同时可传送 CRC 校验码 具有极强的抗干扰纠错能力 9 负压特性 电源极性接反时 芯片不会因发热而烧毁 但不能正常工作 3 6 1 技术性能技术性能 独特的单线接口方式 在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与 DS18B20 的双向通讯 测温范围是 55 125 固有测温分辨率为 0 5 支持多点 组网功能 多个 DS18B20 可以并联在唯一的三线上 但是最多只能并联 8 个 如果数量 过多 会使供电电源电压过低 从而造成信号传输的不稳定 实现多点测温 它的工作 电源为 3 5V DC 在使用中不需要任何外围元件 测量结果以 9 12 位数字量方式串行传 送 描述 DS18B20 的数字温度计提供 9 至 12 位可编程设备温度读数 信息被发送到 DS18B20 的 1 线接口 所以中央微处理器与 DS18B20 只有一条线连接 它的用途很多 包括空调环境控制 感测建筑物内温设备或机器 并进行过程监测和控制 DS18B20 GND DQVDD 1 2 3 图 3 4 DS18B20 的 PR35 封装 1 接地端 接地 2 信号端 数字信号输入输出 3 电源端 可选电源管脚 3 6 2 DS18B20 的工作原理的工作原理 DS18B20 的内部结构如图 3 5 所示 由图 3 5 可知 DS18B20 由三个主要数字器件组 成 64bit 闪速 ROM 温度传感器 非易失性温度报警触发器 TH 和 TL 64bit 闪 速 ROM 的结构如下 MSB LSB MSB LSB MSB LSB 图 3 5 DS18B20 的 ROM 结构 它既可寄生供电也可由外部 5v 电源供电 在寄生供电情况下 当总线为高电平时 DS18B20 从总线上获得能量并储存在内部电容上 当总线为低电平时 由电容向 DS18B20 供电 DS18B20 的测温原理 内部计数器对一个受温度影响的振荡器的脉冲计数 低温时振 荡器的脉冲可以通过门电路 而当到达某一设置高温时振荡器的脉冲无法通过门电路 计数器设置为 55 时的值 如果计数器到达 0 之前 门电路未关闭 则温度寄存器的值 将增加 这表示当前温度高于 55 同时 计数器复位在当前温度值上 电路对振荡器 的温度系数进行补偿 计数器重新开始计数直到回零 3 7 湿度传感湿度传感器模块器模块 HS1101 湿度传感器在电路中等效于一个电容器 Cx 其电容随所测空气的湿度增大而 增大 在相对湿度为 0 100 RH 的范围内 电容的容量由 160pF 变化到 200pF 其误差 不大于 2 RH 响应时间小于 5s 温度系数为 0 04pF 其特点如下 8bit 检验 CRC 48bit 序列号8bit 工厂代码 10H 1 全互换性 在标准环境下不需校正 2 长时间饱和下快速脱湿 3 可以自动化焊接 包括波峰焊或水浸 4 高可靠性与长时间稳定性 5 专利的固态聚合物结构 6 可用于线性电压或频率输出回炉 7 快速反应时间 HS1101 湿敏电容元件 专利的固态聚合物结构高精度 2 RH 极好的线形输出宽 量程 1 99 RH 宽工作温度范围 40 100 湿度输出受温度影响极小 常温使用无须 温度补偿响应时间 5 秒 浸水或结露后 10 秒钟迅速恢复 抗静电 防灰尘 有效抵抗 各种腐蚀性气体物质长期稳定性及可靠性 互换性好 HS1101 全互换性 在标准环境下不需校正 长时间饱和下可以快速脱湿 也可以自 动化焊接 包括波峰焊或水浸 具有高可靠性与长时间稳定性 专利的固态聚合物结构 具有快速的反应时间 最大参数值为 Ta 25 工作温度在 40 100 之间 储存温度为 40 125 供电电压是 10 V 湿度范围在 RH 0 100 RH 之间 4 系统设计系统设计 4 1 硬件的设计硬件的设计 本文用嵌入式 BOA 服务器作为 2 个网络的信息中转站 以实现网关的功能 BOA 服 务器是一个小巧高效的 Web 服务器 运行于 Unix 或 Linux 系统下 支持 CGI 的 适合 用于嵌入式系统的单任务的 HTTP 服务器 4 1 1 网关硬件设计网关硬件设计 嵌入式 BOA 服务器可以在嵌入式 Linux 操作系统的支持下进行设计 网关硬件结构 如图 4 1 所示 CC2430 UART64MB SDRAM256MB Falsh S3C2440A MAX3232C 调节接口 电源接口 DM9000A 图 4 1 网关硬件结构 DM9000AEP 是一款完全集成的和符合成本效益单芯片快速以太网 MAC 控制器与一 般处理接口 一个 10 100M 自适应的 PHY 和 4K DWORD 值的 SRAM 它的目的是在 低功耗和高性能进程的 3 3V 与 5V 的支持宽容 S3C2440A 是三星公司生产的一种 16 32 位 RISC 结构微处理器芯片 其带有先进的 ARM920T 内核 0 13 m 的 CMOS 标准宏单元和存储器单元 总线采用最新的 AdvancedMicro controller Bus Architecture AMBA 架构 ARM920T 内核采用 MMU AMBA BUS 和 Harvard 的高速缓存结构 具有独立的 8 字长 16 kb 指令缓存 器和 16 kb 数据缓存器 S3C2440A 可提供一套通用的外设接口 无需在额外扩展外围 器件 其功耗低 简单 方便 且全静态设计 特别适合于对成本和功率要求比较高的 应用中 MAX3232C 负责串行口发送接收信号的电平转换 4 1 2 ZigBee 节点硬件设计节点硬件设计 ZigBee 节点硬件结构如图 4 2 所示 主要由 CC2430 射频芯片和传感器构成 图 4 2 ZigBee 节点硬件结构 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 CC2430 的 I O 引脚连接 可测得所需的温室环境参数 并通过 ZjgBee 无线网络进行传输 本系统在每个 ZigBee 节点上分别连接温度传感器 湿度传感 器和 CO2 传感器来监测不同节点处相应的环境信息 4 1 3 温室无线传感器控制节点的设计温室无线传感器控制节点的设计 应用于温室无线传感网络的控制节点其基本结构如图 4 3 所示 I 部分包括传感器 放大滤波电路 A D 转换 II 部分主要由控制单元组成 III 负 责通讯 温室环境无线监测系统 的传感器系统包括 PH 传感器 温度传感器 光照 传感器等 控制部分节点构成图 4 4 如下所示 CC2430 SRAMFlash RF JTAG 调 试接口 UART 接口 3V 电池 传感器传感器传感器 天线 传感器节 点控制模 块 传感器滤波器 ZigBee 通讯模块控制单元 A D 图 4 3 控制节点结构 图 4 4 控制节点模块 4 2 软件设计软件设计 本设计基于嵌入式 Linux 操作系统 通过编写 DM9000A 网卡驱动和 UART 异步串口 驱动实现以太网与 ZigBee 网络的互联 网关的分层结构如图 4 5 所示 在 TCP IP 协议和 ZigBee 协议上分别开发 Web CGI 程序以及无线收发程序 Web CGI 程序用于人机交互界面 无线收发程序用 来实现 ZigBee 网络的通信 无线收发程序 TCP IP 协议 Web CGI 程序 ZigBee 协议 嵌入式 BOA 服务器 DM9000A 驱动UART 驱动 嵌入式 Linux 系统 4 5 网关的分层结构图 CGI Common Gateway Internet 规定 Web 服务器调用其他程序的接口协议标准 提 供给 Web 服务器一个执行外部程序的通道 这种服务端技术使得浏览器和服务器之间具 有交互性 CGI 程序属于一个外部程序 编译成可执行文件后 可以在服务端运行 通过 调用 CGI 程序可实现 Web 服务器与 Web 浏览器的交互 CGI 程序接收 Web 浏览器发送 给 Web 服务器的控制命令 并进行处理 再将响应结果回送给 Web 服务器及 Web 浏览 器 由于 BOA 服务器搭建在 Linux 系统之上 因此需要将嵌入式 Linux 系统移植到 S3C2440 芯片上 4 2 1 移植移植 Linux 内核内核 Linux 内核是嵌入式操作系统的核心 内核移植包括内核配置 内核编译 内核下载 3 个部分 嵌入式设备主要用 NAND Flash 作为存储器 NAND Flash 容量有限 因此在 配置内核时需要裁减一些不需要的功能以减小内核的体积 由于要将编译好 Linux 内核映 像和文件系统映像烧写到 NAND Flash 中 因此设置 NAND Flash 分区 本项目采用 256 MB 的 NAND Flash 将其分为 3 个区 0 区为 Bootloader 分区 1 区为内核分区 2 区为 根文件系统分区 内核配置完成后执行 make zImage 命令生成 Linux 内核映像文件 然后 将内核映像文件下载至 NAND Flash 的内核分区上 4 2 2 移植根文件系统和移植根文件系统和 BOA 服务器服务器 根文件系统是嵌入式 Linux 系统启动的重要组成部分 也是用户应用程序的载体 本 方案采用 busybox 制作 yaffs2 文件系统 并在文件系统中加入 BOA 服务器 BOA 是一款 单任务的 HTTP 服务器 当有连接请求到来时 通过建立 HTTP 请求列表来处理多路 HTTP 连接请求 同时它为 CGI 程序创建新的进程 移植好 BOA 服务器后 在文件系统中建立 var www cgi bin 文件夹 此文件夹用 于存放静态网页和 CGI 程序 4 2 3 无线传感网络控制节点应用程序的设计无线传感网络控制节点应用程序的设计 无线传感网络控制节点上电后 1 首先按照预定义的网络地址分配规则自检自身地址是否合法 合法跳过 不合法 则向网络发布探测信号 将网络所未占用的网络地址按由低至高的顺序 先选取三个作 为自身候选网络地址 同时向数据中心申请注册 若网络节点未被注册 则申请通过 若该地址被占用且未被释放 则再次依顺序选取三个候选地址向数据中心申请 直至符 合条件 2 控制节点处于侦听工作状态 检测网络中与自身相关的控制指令 它有两个来源 一个是汇聚节点直接发送给自身的指令 另一个是由其它控制节点转发而来的指令 先 检测一下该指令是否由其它节点转发而来 若是转发的 则查看其中相关控制节点的部 分是否已经被执行过 若已执行过 并带有反馈的工作状态 则抛弃该指令 若未被执 行过 则按照优先级的高低 对该指令按次序执行 执行后同时监测控制设备的反馈工 作状态 若未正常打开或关闭 则再次发送控制信号 三次控制指令后仍未正常工作的 上报数据中心并标记为设备工作异常 3 将该控制状态与先前工作状态进行信息融合 若该设备长时间内始终处于同一工 作状态 则不必重复记录 仅将时间段延长至当前时间 若工作状态发生变化 则将时 间点与工作状态同时记录 便于日后查询 4 检测指令中是否还有其它控制节点的控制信息 如果有 则将该指令相关自身的 部分标记为己执行 并附上反馈信息 再转发给该节点 如果没有 则直接将工作状态 反馈给汇聚节点 由于温室中具有多个参数 虽然这些参数都是对温室养殖有影响的 但是它们对农作 物的影响有轻重之份 因此我们在执行指令时 尤其是当多个参数发生变化 多个设备 同时需要操作时 这时控制节点要有选择的按照优先级别 先执行紧要指令 等待最重 要的设备启动完毕并反馈正确后 才继续执行下一条指令 依次完成所有指令并正常反 馈信息 这四种指令的优先级别是 温控指令 光控指令 循环泵指令 增氧机控制指令 系统执行过程的示意图 4 6 如下所示 决策 电 源 ZigBee 模块 S3C2440A 类别 门限划 分 控制外 设 打开状 态规则 处理 控制规则 转换 器 反馈状态 打开 失败 图 4 6 系统执行过程示意图 节点控制程序 void UARTO Init void uintl6 Fdiv UOLCR 0 x83 DLAB 始能对除数锁存的访问 1 8位数据位 1位停止位 无奇偶 校验 Fdiv Fpclk 16 9600 UODLM Fdiv 256 UODLL Fdiv 256 UOLCR Ox03 DLAB 0 void UARTl Init void uintl6 Fdiv U1LCR 0 x83 DLAB 始能对除数锁存的访问 l 8位数据位 1位停止位 无奇偶校 验 Fdiv Fpclk 16 115200 U1DLM Fdiv 256 U1DLL Fdiv 256 U1LCR Ox03 DLAB 0 void UARTO SendByte uint8 data UOTHR data while UOLSR Ox40 0 等待数据发送完毕 void UARTl sendByte uint8 data U1THR data while U1LSR Ox40 0 等待数据发送完毕 void ISendStr char str while 1 if str 0 break 结束字符 UARTO SendByte str void ISendStr UARTl char str while 1 if str O break 结束字符 UARTl SendByte str void GPRS INITIALIZE char str while 1 if str 0 UARTl SendByte str Break 结束字符 UARTl SendByte str void UARTO ReceiveByte while UOLSR UORBR包含有效数据 data UORBR void UARTl ReceiveByte while U1LSR UORBR包含有效数据 data U1RBR void UARTO RceciveSentence char str while 1 UARTO ReceiveByte 0 str data if data O break if data Z break 4 2 4 网关软件网关软件设计设计 网关软件程序流程如图 4 7 所示 S3C2440 通过 I O 端口触发 CC2430 使其无线发 送相应的指令 远程控制传感器节点进行数据采集 采集到的数据通过 UART 串口传回 S3C2440 并上传至嵌入式 BOA 服务器 用户通 过 IE 浏览器就可以实时采集到相应的环境信息 传感节点采集到的数据最终将上传至嵌入式 BOA 服务器上 用户可通过 IE 浏览器 访问服务器 IP 地址来监测温室的环境信息 S3C240 初始化 开始开始 等待浏览器发出命令 开始 通过 I O 触发 CC2430 芯片并发送相应指令 等待 CC2430 芯片传回数据 将数据上传 至服务器 数据在浏览 器上显示 CC2430 初始化 建立 ZigBee 网络 等待 I O 触发相应指 令 向传感器节点无线 发送相应指令 有数据传 回 通过串口发送至 S3C2440 CC2430 初始化 加入 ZigBee 网络 等待接收无线发 送的相应指令 执行相应传感器 数据采集程序 无线发送采集到 的数据 N Y 图 4 7 网关软件程序流程图 传感节点采集到的数据最终将上传至嵌入式 BOA 服务器上 用户可通过 IE 浏览器 访问服务器 IP 地址来查看温室的环境信息 对温室的环