基于GPRS与ZigBee的果园环境监测与决策支持系统.doc

本科毕业设计基于GPRS与ZigBee的果园环境监测与决策支持系统摘 要随着传感器、无线通信、嵌入式系统等技术的发展，在宽带移动通信、下一代网络和云计算等技术的支撑下，物联网己经广泛应用在仓储物流、智能电网、公共安防、智能楼宇等领域，因其巨大的应用前景得到各国政府的重视，视为继计算机互联网与移动通信网络之后的第三次信息化浪潮。作为连接感知网络与传统通信网络/互联网的桥梁，物联网网关在物联网应用中起到极为重要的角色，在网络架构上有利于现有的通信网络/互联网与感知网络的无缝融合，在应用模式上有利于对传感器网络和感知节点的管理和控制。结合物联网典型应用场景和电信运营商的应用需求，提出了一个基于ZigBee/GPRS的物联网网关系统，实现了传感网与电信网络之间的数据传送、不同类型感知网络之间的协议转换，以及对传感器网络的部分管理控制功能。最后，给出原型系统的实现技术和系统验证。 本文首先介绍了ZigBee , GPRS技术的概念及其协议架构，然后介绍了ZigBee-GPRS网关的设计与实现、远程无线传感器网络节点的硬件及其软件的设计方法，进而完成ZigBee与GPRS融合组网。ZigBee传感器节点采用CC2530作为无线数据收发芯片。GPRS模块采用ComWay模块。用户通过操作终端进行远程测控，可获取ZigBee无线传感器网络内部各节点的传感信息。与类似系统相比，本系统实现简单，功能完善，具备实际推广价值。文中最后对本无线传感器网络进行了测试，试验表明所研发的无线传感器网络具有较好的远程监测性、扩展性和移植性，可实现远程无线传感监测功能。关键词：物联网 无线传感网 ZigBee 以太网 GPRSOrchard environmental monitoring and decision support system based on GPRS and ZigBeeChen ShuRong(College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China)Abstract:Under the support of broadband mobile communication. Next generation network and cloud computing. Internet of Things(IOT) has been widely used in warehouses,SmartGrids, public security, intelligent buildings and so on.Along with the development of sensors, wireless communication and embedded systems. Because of its huge prospect in public applications, Internet of Things has been paid special attention by governments all over the world, viewed as the third wave of information technology following Internet and mobile network. As the bridge between sensor network and traditional communication network/Internet, IOT gateway plays an important role in IOT applications. IOT gateway is used for seamless integration of sensor networks and Internet/telecommunication networks,also facilitates the control and management of sensor networks and sensor nodes. In this paper, we propose an IOT gateway system based on ZigBee and GPRS protocols according to the typical networking scenarios and application requirements of telecom operators;enable the data transmission between sensor networks and telecommunications network, protocol conversion of different sensor network protocols and some control functions of sensor network;and finally give the implementation details of the prototype system and performance evaluation. This paper firstly introduces the concept and the framework agreement, of ZigBee and GPRS technology,and then introduces ZigBee-GPRS gateways design and implementation,and remote wireless sensor network node of the hardware and the method of software design,after that accomplish ZigBee and GPRS fusion networking. The node of ZigBee sensor uses CC2530 as a wireless data transceiver chip. GPRS module uses ComWay module. The user can remote control via terminal operation, and then it can obtain the sensor information of each interna node of ZigBee wireless sensor network. Compared with a similar system, this system has the simple implementation and strong maneuverability and perfect function and the actual value of popularization. The final test shows that the wireless sensor network has very good remote monitoring sex, scalability, and portability, Which enables remote monitoring wireless sensor.Key words: IOT WSN ZigBee Ethernet GPRS目 录1 前言11.1 课题研究的依据和意义11.1.1 选题的依据11.1.2 农业监测控制的必要性11.2 国内外课题研究现状21.2.1 国外的发展与现状21.2.2 国内的发展与现状21.3 本文主要工作41.3.1 研究目标41.3.2 研究内容42 系统总体设计方案52.1 系统无线网络技术52.1.1 ZigBee无线网络技术52.1.2 GPRS无线网络技术52.1.3 Wi-Fi无线网络技术52.1.4 蓝牙无线网络技术62.1.5 ZigBee与主要无线网络技术的比较62.2 系统主要功能与结构72.3 系统硬件总体设计82.4 系统软件总体设计93 系统硬件设计与实现93.1 系统的硬件模块93.2 CC2530介绍103.2.1 ZigBee 协调器硬件电路123.2.2 ZigBee 节点硬件电路133.3 GPRS网关设计153.3.1 GPRS 模块与SIM 卡接口电路设计153.3.2 GPRS 模块与ZigBee 通讯电路设计163.4 传感器模块的设计173.4.1 SHT11温湿度传感器的硬件设计173.4.2 土壤水分传感器的硬件设计183.4.3 光敏传感器的硬件设计183.5 电磁阀控制系统的设计193.5.1 电磁阀控制电路193.5.2 电磁阀驱动电路设计204 系统软件设计204.1 系统的软件模块204.2 系统的开发环境214.2.1 基于IAR软件的ZigBee开发流程214.2.2 基于C# 软件的上位机设计234.3 CC2530的IAR软件开发244.3.1 CC2530协议栈的介绍244.3.2 CC2530的组网参数设定254.3.3 CC2530的数据通讯程序274.3.4 串口通讯程序284.3.5 SHT11温湿度采集程序304.3.6 土壤温湿度采集程序324.3.7 光照强度采集程序334.3.8 电磁阀控制程序334.4 上位机管理平台354.4.1 实时显示354.4.2 拓扑功能364.4.3 报表功能374.4.4 系统设置404.4.5 控制决策435 系统测试与分析445.1 实验平台的搭建445.2 数据传输测试465.3 无线模块通信距离测试465.4 串口通讯测试475.5 电磁阀测试485.6 人机界面测试486 结论和展望496.1 结论496.2 展望49参考文献51附录52附录A ZigBee采集节点与协调器的实物图52附录B ZigBee采集节点与协调器电路图53附录C 系统测试实验图55致谢56华南农业大学本科生毕业设计成绩评定表1 前言1.1 课题研究的依据和意义1.1.1 选题的依据我国是一个农业大国，果树种植具有地域分布广泛、环境因子不确定等特点，传统的果树种植业一般是靠果农的经验来定性地估计各种环境因子，无法对生产过程中的各种环境信息进行精确测量，实现最优化生产；另一方面，由于果树种植的区域性特点比较强，不能有效进行环境因子的搜集，难于进行统一集中管理。果园环境监测系统，可以对果园果树生长环境土壤温湿度、空气温湿度、光照等必要参数的监测及相关问题的研究。一方面减轻了果农的劳动强度，为环境参数的调节提供可靠地依据，另一方面为果树生长的研究提供精确的数据，对果品提高有着重要的作用。果园采用环境监测系统，进行综合环境监控和调节，可以最大程度创造果树适宜的生长环境，提高水果的产量和质量。既增加果农的经济收入，又满足人们对水果数量、质量的需求。实现果园环境的自动化监测对解决农业领域存在的问题，尽快推进我国设施农业的规模化和产业化，走农业可持续发展的道路有着重要意义。作物正常的生命活动需要一定的环境条件，果树也同样如此。分析环境参数对果树的影响及其相互关系，为果树的生长、开花、结果等创造出更适宜的环境条件就尤为重要。适宜的环境条件不仅直接关系到果树本身的生长状况，而且影响到果农关心的果实的产量和品质。影响果树生长的主要环境参数有土壤养分、土壤湿度、温度、光照强度、气候条件等。为了能使果树达到高产高质，必须要对这些环境参数进行精确的检测和综合的调控。果园环境信息监测系统的设计对实现果树管理的现代化、精细化有着非常重要的意义。1.1.2 农业监测控制的必要性当前，不少果园由于缺少一套合理的果园灌溉策略，以至在确定合适的灌水时间和水量时，往往带有较大的盲目性，或灌得太多，或灌得太少；或者灌得太早，或者灌得太晚，与推行作物节水高产灌溉制度有较大的偏差，导致水资源的浪费和不合理利用。因此，开展节水农业研究，合理利用有限水资源，依据果园环境信息、土壤墒情、作物旱情和渠道工程实际，进行渠系的优化调配，切实地作好渠系引水、输水、配水和田间灌水。根据灌区特点实行计划用水与非充分灌溉（限额灌溉），即按作物水分生产函数与作物需水规律来调配水量，以求单位水量最大的经济效益。实施节水型的灌溉农业，这是事关我国农业持续发展乃至国民经济持续发展的一项带战略性的根本大事，也是提高农业用水利用率，解决西北地区水问题的有效途径。1.2 国内外课题研究现状1.2.1 国外的发展与现状在一些设施农业发达的国家，其环境测控仪器起步较早，发展也较快。在美国、以色列、荷兰、日本、韩国、加拿大、英国、法国等设施农业相对发达的国家中，智能化环境测控技术已经得到了广泛的普及和应用。美国现在大部分果园、农场装备了环境控制计算机，采用专家系统对环境进行调节，创造出适宜作物生长的条件。美国Dasibi公司研制的Dasibi-1000系列环境空气系统专门用于对空气中的主要污染物进行测量。Rehard D.Driver et al（1999）设计了一个在线实时监测系统，用于检测工业加工过程中硫和氮的浓度，给工厂工作环境安全带来一定的保障。这已经在生产中发挥了积极的作用，取得了显著的经济效益。在高度发达的工业化影响下，荷兰农业也具有了高度工业化的特征。作物环境温度、光照、湿度等都采用智能控制系统进行测控，同时也对作物生长情况进行计算机监控。荷兰开发的温室计算机控制系统是通过人机交互界面进行参数设置和必要信息的显示，可绘制出设定参数曲线、修正值曲线以及测量的数据曲线，可以从数据库内调出设定的时间段内参数以便于必要的数据查询，并能直接对计算机串行口进行操作，完成上位机与下位机之间的通信。上位机软件集参数设置、信息显示、控制等功能于一体，同时还能够很好地完成灌溉和气候的控制和管理。欧洲环保局已经建立了欧洲环境信息和观测网，各参加国之间的合作是依靠电子网络来实现的。它的主要目标是为欧洲环保局收集资料、数据，以便于欧洲环保局能对欧洲环境的现状及其发展趋势作出及时和准确的判断。向欧共体及其成员国有关欧洲环境的客观、可靠和可比较的信息，使各国能够采取必要的措施来保护环境。与此同时，加拿大宇航局研制的太空大气监测系统已成功的向地面传回完整图像，科学家通过这些图片，首次从太空鉴别地球大气污染的主要来源。可见，环境监测的科技化、网络化、信息化必将成为未来的趋势。在许多国家遥测技术以广泛应用在环境监测中，用以对土地、农作物、洪水、森林火灾等进行监测。1.2.2 国内的发展与现状目前，我国果园环境参数控制系统的研究与国外还有一定差距，首先我国的设施农业现代化管理程度不高，有些只能实现对部分环境参数的控制，或需要人工控制，监控条件也够高。其次作物环境参数监控仪器在全国的应用具有明显的不均衡性，从国外引进以及我国自行开发的控制仪器，主要应用于资金充足、技术实力雄厚的科研院所或农业高新示范园，广大农村果园经营者很少购买。监控仪器系统在中国还没有被广泛的推广开来。自 70 年代末起，在吸收国外发达国家果园环境监控方面的高新科技的基础上，我国农业科研工作人员进行了果园温度、湿度、光照、养分等环境参数测控技术的综合研究。但这些研究缺乏相应的优化软件，基本上是环境单因素检测和控制，没有进行全系统的研究，管理的效率不高。一些从国外引进的环境智能测控系统，界面操作对于国内用户来说显得难以应。另外由于各国的气候有较大差异，按照国外气候设计的控制系统不一定符合国内的控制要求，而且其核心技术对我们进行了封锁，大多数运行费用过高，其价格更是难以接受，在我国很难推广。为针对我国特定环境下，许多学者也着手开发适合我国特定环境监测系统。罗鸿兵（2005）设计了GIS环境监测信息管理系统，本文采用GIS专业软件 (Map Info Professional 6. 5 )和快速软件开发平台(Delphi7.0) ，并利用Map X控件技术，研制了都江堰市GIS环境监测信息管理系统。该系统具有对都江堰地表水环境、环境空气、环境噪声、工业废水等环境要素进行监测管理，同时具有都江堰市环境监测信息的空间查询、表达、统计和绘图等功能，可使都江堰市环境监测站直观、有效地进行环境监测信息管理。樊志平等（2010）设计实现了基于 ZigBee 无线传感网络和J2EE 三层 B/S 架构技术的柑橘园土壤墒情远程监控系统。系统采用具有 ZigBee 无线数据传输功能的 XBee-PRO 模块和ECH2O 型土壤水分传感器 EC-5 为核心组成传感器节点，部署于柑橘园的各个采集点对土壤墒情信息进行采集、预处理和无线发送等工作，通过基于 ARM9 的嵌入式网关与 Internet 网络连接，采集数据传输至远程 Web 主机，通过远程监控中心系统实现对采集数据分析处理和系统运行的远程和实时监控。王文山等（2012）设计了基于物联网的果园环境信息监测系统，该果园环境信息监测系统主要由数据采集模块、无线传感网络模块、远程数据传输模块和数据管理模块四部分组成。其中数据采集模块主要完成风速、风向、空气温湿度、二氧化碳浓度、土壤温湿度、电导率以及视频信息的自动采集；无线传输网络负责将采集到的信息迅速高效可靠地传输到总节点；远程数据传输模块负责将总结点的的监测数据通过 GPRS 网络经 Internet 传输到数据库，供数据管理模块使用，同时还负责将管理模块发出的摄像头云台控制指令传送到采集端的控制器，通过控制器来对摄像头进行远程控制；数据管理模块的主要功能是存储属性数据，对数据进行录入、删除、修改、存储、检索和统计等管理。1.3 本文主要工作1.3.1 研究目标 用ZigBee节点、ZigBee协调器、ZigBee路由器和ZigBee移动终端等，搭建一个ZigBee无线传感器网络实验平台，实现温度、湿度、电压等信息的传输和收集、共享等。ZigBee协调器与GPRS模块之间的连接主要是通过串口(DART)进行连接，传输的过程是透明的，由此实现ZigBee与GPRS网关的开发设计。基于上述模块实现ZigBee与GPRS的网络融合，进而研究网络路由协议，通过模拟获取数据，研究网络的设计方案。1.3.2 研究内容1.深入了解ZigBee协议栈各层协议，包括媒介质接入层(MAC层)的信标管理机制、信道接入机制、保证时隙(GTS )管理机制、CSMA-CA机制、安全模式以及超帧结构；深入了解ZigBee网络层的网络路由协议、网络拓扑结构等。详细了解各层协议之间的接口。2.研发具有ZigBee无线通信功能的传感器模块，在硬件平台上移植ZigBee协议栈。3.研究ZigBee的组网形式和网络拓扑结构。4.搭建ZigBee网络实验平台，在网络节点上加上各种传感器，实现基于ZigBee的无线传感器网络实验平台，开展应用研究。5.研究GPRS模块的硬件组成平台，理解GPRS相关协议，在其上通过串口(UART)植入ZigBee无线传感网络。6.研究基于ZigBee与GPRS技术融合组网的工作原理和实现过程，数据如何在融合后的无线网络之间的传输，如何获取远程的目标信息，开展应用研究。2 系统总体设计方案2.1 系统无线网络技术2.1.1 ZigBee无线网络技术2003年，一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术ZigBee诞生。它主要适用于短距离无线通信方式，依照802.15.4/19标准，可以使用大量的微型传感器之间相互协同工作实现通信。ZigBee的出现加快了无线传感器网络的研究进展，在早期的无线传感器网络研究中，ZigBee一直都被应用于传送那些简单的感知信息或者远程控制的信号量。但是随着近几年需求的不断增长，一些研究人员也开始尝试在ZigBee的环境下传送语音、图像，并建立了相应的节点模型和网络模型。目前市场上大多数多媒体传感器节点也都使用ZigBee射频模块，如前文提到的TelosB , MicaZ, Tmote Sky等都是采用了ZigBee射频模块CC2420/CC2430。ZigBee是一种介于无线标记和蓝牙之间的技术，主要用于近距离无线连接。ZigBee的传输距离在10m-100m范围内，在空旷的环境中可达150m。1台ZigBee设备可与多达254台其他ZigBee设备连接，它依据IEEE 802 15.4标准和ZigBee协议，可以在数千个微小的传感器之间相互协调并实现通信。这些传感器只需很少的能量，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。典型的ZigBee无线传感器网络包括协调器、路由器和终端节点。ZigBee无线传感器网络，采用星型拓扑结构。所有传感器节点将采集到的状态信息都通过路由传送到协调器节点，协调器节点通过RS- 232串口与外部通讯。2.1.2 GPRS无线网络技术GPRS网络是一种以分组交换技术为基础，传输数据及指令的高效数据传输网络。它的基本功能是在移动终端和Internet网络的路由器之间传递分组数据。与电路交换相比，具有数据传输速率高、永久在线和费用低等特点。2.1.3 Wi-Fi无线网络技术Wi-Fi (Wireless Fidelity)，就是高保真无线通信的一种协议，正式名称是IEEE802.11b，属于短距离无线通信技术。 1997年由IEEE发表的IEEE802.11协议，随着技术的发展己经有了IEEE802.11 a/b/g/n等不同的版本，通常被统称为Wi-Fi。它是一种短距离无线传输技术，其主要特性为:安全性好，传输速率快，在较开阔的区域，没有较多障碍物的条件下，通信距离可达300米。目前己有不少研究人员提出了基于IEEE802.11系列协议的无线多媒体传感器节点架构，它通过使用PCMCIA接口直接插入网卡通信，可以获得极高的服务质量，多用于传输图像视频流等多媒体文件。但由于其成本高、能量消耗大、连接能力有限等，更多的只能应用于室内环境。2.1.4 蓝牙无线网络技术蓝牙 (Bluetooth)，也就是后来的IEEE802.15.1，它是一种低成本短距离的无线通信技术。1998年由IBM、3COM等多家巨头公司共同推出的蓝牙技术(Bluetooth，也就是后来的IEEE802.15.1)，它是一种低成本短距离的无线通信技术，为固定与移动设备建立一个无线通信环境。蓝牙技术因其开放式接口标准、开源的软件支持和适度的电源消耗令工业控制、自动控制、玩具制造等业者雀跃不己，同时随着WSN的深入研究有些学者也考虑使用蓝牙技术传输多媒体图像和语音信息。蓝牙技术的数据速率能达到1Mbit/s且支持语音与数据传输，但它的通信距离一般只有l0m，而且网络节点数最多只能支持7个。由于蓝牙技术的特点，使用蓝牙技术构建的无线多媒体传感器网络一般应用于对服务质量要求较高、数据速率要求较快、工作节点数目不多的环境中。2.1.5 ZigBee与主要无线网络技术的比较我们将从无线网络的传输速率、网络大小和传输距离，价格等方面，将 ZigBee 与 Wi-Fi， GPRS和Bluetooth技术比较如表1所示。表1 四种传输标推之间的比较ZigBeeGPRSWi-FiBluetooth最大数据速率250Kbps64128+ Kbps54Mbps3Mbps（v2.0）输出功率12mW11000mW40200mW1100mW覆盖范围220m1000+m20100m20100m使用频段2.4GHz900 MHz2.4GHz2.4GHz最大网络节点数650001307协议标准IEEE802.15.4CDMA/GSMIEEE802.11IEEE802.15.1模块价格约 3 美元约15美元约25 美元2-5 美元ZigBee 与现在的无线网络技术相比，蓝牙的传输距离太短，Wi-Fi成本高，综合考虑后采用ZigBee与GPRS融合技术的方案。 GPRS技术是移动通信技术和IP技术相结合的产物，数据在传送过程中要遵循TCP/IP协议。移动网络路由直接和因特网相连，被分配一个固定的IP地址，提供了移动网络与广域网的接口。设备服务器处在广域网中，ZigBee设备要接入服务器，有两种方式，一种是直接接入宽带网络，别一种是通过移动网络接入Internet。如果ZigBee设备通过移动互联网接入Internet，就必然要实现ZigBee协议到TCP/IP协议的转换。这便有了ZigBee-GPRS网关。 在ZigBee无线传感网络完成数据采集、网络节点定位和控制等一系列功能后，整个ZigBee无线传感网络的数据发送到ZigBee网络汇节点(协调器)，对数据进行整合处理后，汇接点将数据转发给GPRS网络，最后由GPRS网络传送给远程的控制总台;同时，控制总台的指令等数据由反向链路回送给ZigBee网络。因此有必要在ZigBee无线传感网络和GPRS网络间，设计一个安全、可靠、性能高的GPRS-ZigBee网关，以实现两个网络间数据的平滑传输。ZigBee-GPRS网关是ZigBee网络与移动网络的一个中转站，它实现了移动网络与ZigBee网络的数据传输及协议的转换。通过GPRS移动网关，也可实现ZigBee网络与Internet网络的互联。 网关是整个网络平台的核心。它可以接收各种设备传送上来的信息，对这些信息进行智能处理后上传至GPRS网络或互联网；也可以将从GPRS网络或互联网传送过来的控制信息传送至特定的一台设备。2.2 系统主要功能与结构 系统在于提供一种基于物联网的果园监测与智能灌溉决策支持系统。该系统能对果园的土壤水分、土壤湿度、温度、光照强度、气候条件等基本信息进行自动采集，然后根据作物的需水理论构造相应的灌溉策略模型，结合现场实际情况作出灌溉决策，并控制下位机工作以实现智能灌溉。下图是物联网果园监控与决策系统框图1。图1 物联网果园监控与决策系统框图在环境监控方面，该物联网系统将ZigBee节点放置监控区域内，各节点能够自主形成监控网络，每个传感器终端节点搜集周围环境的温度、湿度、光照强度等信息，这些终端节点将采集到的环境信息传送给ZigBee网络中的协调器，协调器对环境信息进行处理后再通过无线传感网络传至ZigBee-GPRS网关节点，由网关节点通过GPRS网络将温度等信息发送到监控管理中心，监控人员根据检测信息及时进行决策和处理。系统可分为果园环境信息采集系统与果园环境智能决策系统。果园环境信息采集系统的基本功能是通过各类传感器和采集设备实时采集果园现场环境的基本信息，土壤含水量、降雨量、气温、光照度信息等。这些基本信息是整个系统决策的依据，这些信息被传输到系统后，系统将根据情况作出灌溉决策。所以，信息采集的及时性、可靠性和完整性，是对信息采集系统的基本性能要求。果园环境智能决策系统的基本功能是根据信息采集系统传送来的灌区基本情况信息，结合系统知识库里的作物需水需肥等理论依据和特性要求，按照一定的规则进行推理计算，及时作出准确的灌溉决策，并向控制子系统发出具体的操作指令。2.3 系统硬件总体设计利用本文设计的GPRS网关，用户可以实现无线传感器网络与互联网之间的互通，无线网关可转发无线传感器网节点采集到的数据至互联网中的PC主机。通讯的效果示意图如图2所示。图2 通讯的效果示意图2.4 系统软件总体设计该系统通过ZigBee网关来采集节点的信息，包括土壤温度、湿度值，光照强度，每个节点都有特定的IEEE地址地址，用C#编程，如图3显示通讯的界面示意图。图3 通讯的界面示意图3 系统硬件设计与实现3.1 系统的硬件模块 ZigBee-GPRS网关是一个小服务器系统，该系统由ZigBee协调器、嵌入式服务器和GPRS模块组成，作为ZigBee无线网络与以监测平台数据交换的中转站，所有无线节点数据均发送给协调器，协调器转发给服务器，并由其进行地址、协议转换后发送给以太网和GSM网，通过GSM网关发送到Internet上；反之，Internet和GSM数据也需由服务器进行地址、协议转换后，才发送给ZigBee网络。该子系统主要包括三个部分： a.协调器：协调器由ZigBee节点构成，通过串口与GPRS模块相连，是ZigBee网络与外部网络的接口，负责ZigBee网络的组建与管理，通过它能控制整个网络，以及它与外部网络的连接方式； b.路由器：路由器由ZigBee节点构成，放置在环境终端采集环境信息； c.GPRS模块：GPRS模块通过串口与嵌入式服务器相连，用于将ZigBee数据转换为IP数据或将IP数据转换为ZigBee数据，通过GSM/GPRS网络，将数据发送至移动客户端，实现对监测环境的实时移动监测。如图4是系统的硬件组成模块。1 GPRS网关，2 以太网协调器网关，3终端采集节点，4 土壤水分含量传感器、土壤温度湿度传感器图4 系统的硬件组成模块3.2 CC2530介绍CC2530的内部结构图如图5所示， CC2530 结合了领先的RF 收发器的优良性能，业界标准的增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM 和许多其他强大的功能。CC2530 具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。图5 CC2530内部结构图CC2530模块是由CC2530芯片添加极少的外围元器件组成，包括晶振时钟电路、射频输入和输出匹配电路。通过添加这些外围器件，CC2530具备了无线通信的功能，频率为2.4G。CC2530模块的最小系统电路图如图6所示。图6 CC2530模块最小系统电路图3.2.1 ZigBee 协调器硬件电路该部分电路图详见附录B，主要由RF CC2530模块、串口电路模块、电源模块、JTAG下载模块、OM12864液晶模块和按键模块等组成，ZigBee协调器主要汇聚终端节点采集回来的信息、打包并加以处理，然后通过串口输出。图7 ZigBee 协调器硬件电路3.2.2 ZigBee 节点硬件电路该部分电路图详见附录B，主要由RF CC2530模块、电源模块、EEPPROM、继电器模块、电源模块和传感器采集模块等组成，ZigBee节点主要采集温湿度、两路电压值、光照强度和控制继电器驱动电磁阀。图8 ZigBee节点硬件电路3.3 GPRS网关设计3.3.1 GPRS 模块与SIM 卡接口电路设计表2 GPRS模块引脚与SIM卡对应接口表管脚号信号名称功能1SIMCLKSIM 卡时钟2VSIMSIM 卡电源3SIMIOSIM 卡数据4SIMRSTSIM 卡复位5GNDSIM卡接地图9 GPRS模块电路图10 GPRS模块与SIM卡接口电路3.3.2 GPRS 模块与ZigBee 通讯电路设计ZigBee和GPRS的通讯电路设计如图11所示。其实质就是一个ZigBee的串口模块通过RS232与GPRS通信模块连接。图11 ZigBee和GPRS的通讯电路图12 GPRS串口电路与ZigBee连接电路图13 ZigBee芯片引脚接口电路图3.4 传感器模块的设计3.4.1 SHT11温湿度传感器的硬件设计SHT11有四个引脚，分别是VCC、GND、DATA、SCK。VCC是电源引脚，工作电压是2.3-5.2V，GND接地，DATA是数据引脚，SCK是时钟引脚。CC2530内置的8051处理器与SHT11之间的时钟同步用的是SCK引脚。DATA管脚用于数据读取。SHT11的详细连接电路如下：1、VCC 管脚连接3.3V电源；2、VCC管脚和GND管脚之间加入一个100nF的极性滤波电容；3、DATA管脚和主控的P0.3管脚相连,为了避免信号冲突，VCC和DATA之间再接一个10K的上拉电阻；4、SCK管脚和主控的P0.2管脚相连。具体的电路设计如图14所示。图14 SHT11电路连接图3.4.2 土壤水分传感器的硬件设计该模块由以下几个部分组成：水分传感元件、电位器和输出端口。其中水分传感元件是一个湿敏电阻，可以通过吸收空气中的水分来改变其电阻值,电位器用来调节电压大小，系统采集土壤水分含量的传感器的电路如图15。图15 土壤水分传感器电路图3.4.3 光敏传感器的硬件设计系统的光敏传感器选择光敏电阻来采集光照强度，需要将CC2530 的P0_1设置为输出，且为低电平，使得S_VDD与VCC连通，为3V左右。光敏传感器的原理图如图16所示。图16 光敏传感器的原理图以3V为供电电压，如果ADC采集得到的电压设为x伏（已知）；那么照度拟合计算公式(X单位：千欧，Y单位：lux)以幂函数方式拟合照度（lux）曲线方程，其中x为瞬时的光电阻值，y为照度值；通过matlab函数绘图语句： fplot(x) 1155*x(-1.5)+1.97, 1 1000)图17 光照度拟合曲线图3.5 电磁阀控制系统的设计3.5.1 电磁阀控制电路TLP521是可控制的光电藕合器件，通过三极管8050来驱动DC 5V的继电器，然后可以通过继电器的开合来控制电磁阀的开关。图18 电磁阀控制电路图3.5.2 电磁阀驱动电路设计电磁阀的驱动使用LG9110S芯片，该芯片被广泛应用于玩具汽车电机驱动、自动阀门电机驱动、电磁门锁驱动等电路。电磁阀驱动电路如图6所示，VCC_VALUE是电源线，IA、IB为输入端口，连接单片机的P0.1、P0.2；VOUT1和VOUT2为输出端口，连接在电磁阀的两端。VOUT1和VOUT2之间连的电阻和电容，主要的作用是防静电干扰。图19 电磁阀驱动电路图4 系统软件设计4.1 系统的软件模块本研究旨在基于WSN的环境监测系统及GPRS无线传输技术下开发一套能够根据采集到的信息为果园灌溉管理用户提供优化分配的决策支持的果园灌溉决策支持系统。该系统可根据ZigBee采集到土壤水分，温湿度，光照度等信息，再通过GPRS网络传给上位机，PC机在控制界面利用决策结果对果园灌溉设备进行自动控制。因此，系统的软件设计流程图如图20所示。图20 系统软件设计流程图4.2 系统的开发环境4.2.1 基于IAR软件的ZigBee开发流程ZigBee无线网络软件开发平台IAR Embedded Workbench（简称EW）的C/C+交叉编译器和调试器是今天世界最完整的和最容易使用专业嵌入式应用开发工具。EW对不同的微处理器提供一样直观用户界面。EW今天已经支持35种以上的8位/16位32位ARM的微处理器结构。EW包括：嵌入式C/C+优化编译器，汇编器，连接定位器，库管理员，编辑器，项目管理器和C-SPY调试器中。使用IAR的编译器最优化最紧凑的代码，节省硬件资源，最大限度地降低产品成本，提高产品竞争力。EWARM是IAR目前发展很快的产品，EWARM已经支持ARM7/9/10/11XSCALE，并且在同类产品中具有明显价格优势。其编译器可以对一些SOC芯片进行专门的优化。如Atmel，TI，ST，Philips。除了EWARM标准版外，IAR公司还提供EWARM BL（256K）的版本，方便了不同层次客户的需求。IAR System是嵌入式领域唯一能够提供这种解决方案的公司。EW支持35种以上的8位/16位/32位的微处理器结构。典型无线传感器网络ZigBee协议栈结构是基于标准的开放式系统互联(OSI)七层模型，如图21是ZigBee协议栈的开发界面。图21 ZigBee协议栈的开发界面程序正常启动时，打开串口，设置好 ZigBee协调器的信道和PAN ID号，初始化协调器，连接GPRS服务器。当串口接收到来自ZigBee协调器的数据包时，进行解析并且处理相关的数据，再通过互联网转发至服务器主机；主机同样也可以通过指令控制ZigBee 协调器或者节点。基于IAR软件的ZigBee开发的总体流程图如图22所示。图22 ZigBee开发的总体流程图4.2.2 基于C# 软件的上位机设计Visual Studio是微软公司推出的开发环境，Visual Studio可以用来创建Windows平台下的Windows应用程序和网络应用程序，也可以用来创建网络服务、智能设备应用程序和Office插件。它是一套完整的开发工具集，用于生成ASP.NET Web应用程序、XML Web Services、桌面应用程序和移动应用程序。Visual Basic、Visual C+、Visual C#和Visual J#全都使用相同的集成开发环境(IDE)，利用此IDE可以共享工具且有助于创建混合语言解决方案。另外，这些语言利用了.NET Framework的功能，通过此框架可使用简化ASP Web应用程序和XML Web Services开发的关键技术。C#NET则是一种高级的面向组件的编程语言；C#NET采用了内存垃圾的回收技术，即内存的分配是自动完成的，当被C#的对象占用的内存在该对象不再被使用时，将被释放；C#NET中的对象会被自动地转换成C#NET模式；总之，C#NET是一种类型安全的、现代的、简单的，由C和C+衍生出来的面向对象的编程语言，兼具Visual Basic的开发时间短和C+的效率高的特点。本文软件开发采用Visual Studio 2010。它同时带来了.NET Framework4.0、Microsoft Visual Studio 2010 CTP( Community Technology Preview-CTP)，并且支持开发Windows 7的应用程序。本文软件Visual Studio基于C# 语言开发出来的ZigBee拓扑图如图22。图22 C#开发的ZigBee拓扑图4.3 CC2530的IAR软件开发4.3.1 CC2530协议栈的介绍ZigBee协议使用IEEE 802.15.4规范作为介质访问层(MAC)和物理层(PHY)。IEEE802.15.4总共定义了3个工作频带：2.4 GHz, 915 MHz和868 MHz。每个频带提供固定数量的信道。例如，2.4 GHz频带总共提供16个信道(信道11-26), 915 MHz频带提供10个信道(信道1-10)而868 MHz频带提供1个信道(信道0)。协议的比特率由所选择的工作频率决定。2.4 GHz频带提供的数据速率为250 kbps。915 MHz频带提供的数据速率为40 kbps而868 MHz频带提供的数据速率为20 kbps。由于数据包开销和处理延迟，实际的数据吞吐量会小于规定的比特率。IEEE 802.15.4 MAC数据包的最大长度为127字节。每个数据包都由头字节和16位CRC值组成。16位CRC值验证帧的完整性。此外，IEEE802.15.4还可以选择使用应答数据传输机制。使用这种方法，所有特殊ACK标志位置1的帧均会被它们的接收器应答。这就可以确定帧实际上已经被传递了。如果发送帧的时候置位了ACK标志位而且在一定的超时期限内没有收到应答，发送器将重复进行固定次数的发送，如仍无应答就宣布发生错误。注意接收到应答仅仅表示帧被MAC层正确接收，而不表示帧被正确处理，这是非常重要的接收节点的MAC层可能正确地接收并应答了一个帧，但是由于缺乏处理资源，该帧可能被上层丢弃。因此，很多上层和应用程序要求其他的应答响应。在ZigBee 网络中存在三种逻辑设备类型：Coordinator(协调器)，Router(路由器)和End-Device(终端设备)。ZigBee 网络由一个Coordinator、多个Router（也可以没有）和多个End-Device（也可以没有）组成。图23 ZigBee设备类型4.3.2 CC2530的组网参数设定CC2530有Primary IEEEE addre