基于无线传感器网络的温室控制系统设计

目录 摘要 Abstract 第一章 前言 1 1 1 研究目的和意义 1 1 2 国内外研究现状 2 1 3 研究内容 2 第二章 系统相关技术 4 2 1 无线传感器网络 4 2 2 ZigBee 无线通信技术 4 2 3 GPRS 概述 5 第三章 温室参数分析和系统总体设计 6 3 1 温室参数分析 7 3 2 系统总体设计 5 第四章硬件设计 6 4 1 微处理器模块 7 4 2 无线收发模块 10 4 3 数据采集模块 11 4 4 报警模块 15 第五章 软件设计 16 5 1 管理中心设计 16 5 2 ZigBee 软件开发环境 17 5 3 传感器节点设计 18 5 4 汇聚节点设计 19 5 5 执行结构模块设计 20 第六章 结论 21 致谢 22 参考文献 23 摘要 摘要 我国的农业正在向现代化 规模化 智能化发展 温室大棚作为现代农业生产中不可 缺少的部分 对温室环境的有效管理能提高温室作物生产效率和农民经济效益 温室环境 的湿度 温度 光照强度等因数对温室作物的生长有很大的影响 针对温室控制的需要 设计了一个基于无线传感器网络的温室控制系统 该系统通过分布在温室区域内的大量传 感器节点采集信息 数据以 Zigbee 无线传送方式发送至汇聚节点 汇聚节点通过 GPRS 网 络与远程服务中心通信 同时汇聚节点能接收远程服务中心发出的控制命令 控制部署在 温室的控制节点 进而调节温室各参数达到合适要求 关键词 无线传感器网络 温室 ZigBee 技术 Abstract Abstract China s agriculture is to modern large scale intelligent development Greenhouse an indispensable part of modern agricultural production the effective management of the greenhouse environment can improve the efficiency of greenhouse crop production and farmers economic benefits Greenhouse environment humidity temperature light intensity and other factors on the growth of greenhouse crops have a great impact A greenhouse control system based on wireless sensor network is designed for the needs of greenhouse control The system collects information through the sensor nodes distributed in the greenhouse area and the data is sent to the sink node in ZigBee wireless transmission mode The convergence node communicates with the remote service center through the GPRS network and the collection node can receive the control commands issued by the remote service center to control the control nodes deployed in the greenhouse and then adjust the greenhouse parameters to meet the requirements The system has the advantages of low cost and convenient deployment Key words Wireless Sensor Network Greenhouse ZigBee Technology 第一章 前言 第一章 前言 1 1 研究目的和意义 目前很多温室控制系统采用的是有线传输方式 有线传输需要铺设大量的信号传输线 由于天气和其他原因设备之间的连接线很容易坏 提高了检修和维护的难度 将无线传感 器网络应用在温室控制系统中 除去了设备之间的信号传输线 不仅提高了系统的准确性 系统的扩展性也得到提高 也方便了系统的检修和维护 基于无线传感器网络的温室控制 系统 能准确地监测温室内温度 湿度 光照强度等参数 大幅度提高温室作物的产量和 品质 1 2 国内外研究现状 20 世纪 基于总线技术包括以太网技术的温室控制系统得到了快速发展 葡萄牙的 Metrolho J C 等人在 1999 建立了基于 CAN 总线以及 PC 机等组建的典型温室控制系统 1 美国兴起了划时代意义的无线传感器网络技术 并尝试性地将其运用到温室监测中 由分 布在监测区域内大量微型传感器节点组成 以多跳的形式自组织成网络系统 各传感器采 集和分析网络覆盖区域中监测对象的信息 并发送给观察者的技术引起了人们的关注 2 3 在无线传感器的技术这个方面 我国的温室无线控制技术仍处于起步阶段 目前 星型网络拓扑结构在温室控制系统中是运用最多的无线数据传输 系统中 主机直接与温 室大棚中的传感器节点相连 拓扑结构相对简单 易于检修和维护 运用温室智能环境监 控技术 无线传感器网络技术构成无线温室控制系统 实现温室环境的自动化 规模化控 制是未来的发展方向 4 5 1 3 研究内容 本文根据温室环境参数和无线传感器网络的特点 提出温室控制系统的设计方案 设 计了一个基于无线传感器网络的温室控制系统 该系统通过分布在温室里传感器节点采集 信息 数据以 ZigBee 无线传送方式将信息发送至汇聚节点 汇聚节点通过 GPRS 技术传输 到远程服务中心 同时汇聚节点能接收远程服务中心发出的控制命令 控制部署在温室的 控制节点 进而调节温室环境参数达到合适要求 本系统具有成本不高 部署便利等优点 第二章 系统相关技术 第二章 系统相关技术 2 1 无线传感器网络 无线传感器网络 Wireless Sensor Networks WSN 是由部署在监测区域内大量的低成 本 低功耗微型传感器节点组成 节点之间通过无线通信形成的一个多跳自组织网络系统 6 WSN 由无线传感器节点 汇聚节点 传输网络和远程控制中心组成 其基本组成结构 如图 1 图 1 无线传感器网络的基本组成部分 部署在被监测区域的监测节点实时 有效 准确的对监测区域进行数据采集 对数据 进行存储以无线传输的方式传输到汇聚节点 汇聚节点对数据进一步的处理 分析 存储 在显示屏上显示 便于观察者查看 通过互联网传输到远程管理中心 远程管理中心可以 对被监测区域发出控制任务和收集数据 2 2 ZigBee 无线通信技术 目前 在短距离无线传输技术大家族中 除 ZigBee 技术外 还有许多 如 蓝牙技 术 UWB 技术 Wi Fi 等 表 1 给出了几种常见的短距离无线传输技术 5 6 表 1 几种短距离无线通信技术的比较 蓝牙 UWB Wi Fi ZigBee 规范标准 802 15 1 未定 802 11b802 15 4 工作频段 2 4GHz 3 1 10 6GHz2 4GHz 5GHz 868 915GHz 2 4 GHz 最大传输速率 1 Mb s110 Mb s 54 Mb s250kb s 最大功耗 1 100mW200mW 100mW1 3mW 传输距离 l 0m 10m10 100m 10 75m 网络容量 8 8256 65536 电池寿命 4 8 小时1 2 小时1 3 小时半年以上 成本低高 低低 第二章 系统相关技术 从上面的表格可以对比得到 ZigBee 技术在温室控制系统中有如下优点 1 成本低 相比于其他几种短距离无线通信技术 ZigBee 技术的协议栈设计相对简单 ZigBee 不收任何协议专利费 因此 ZigBee 通信模块的成本低 很适合用在无线传感器网络 中 2 容量大 ZigBee 有星型 树型 网状结构 一个主节点管理若干个子节点 一个主节 点可以管理 254 个子节点 主节点可以由上层网络管理可以组成 65535 个节点 3 低速率 从上表中可以看出 ZigBee 技术传输速率是最低的 最大为 250kb s 在温室 控制系统中 温室采集数据的周期大且数据量大 传输速率低有利于节能 适合温室应用 4 功耗低 相比其他技术的功耗 ZigBee 是最低的 而且 ZigBee 技术允许设备空闲时 转入睡眠功能 这有利于节点节能 减少了更换电池的次数 增加电池使用寿命 ZigBee 网络层支持星型拓扑结构 树型和网状拓扑结构 如图 2 所示 图 2 ZigBee 技术的网络拓扑机构图 星型拓扑结构由一个协调器控制 协调器可以直接与远程控制中心进行数据通信 当 一个节点发生故障时不会影响其他节点工作 在温室控制系统中部署在监测区域的传感器 自组织成网络 以多跳传输数据 树型拓扑结构包括一个协调器和若干路由器和终端节点 通信原则是 子节点只能和父节点通信 网状拓扑结构和树型拓扑结构组成大致相同 由 协调器 路由器 终端节点组成 不同的是网状拓扑结构任意节点间可以通信 并且是自 动寻找一条信息传输的最优路径 ZigBee 技术可在 868MHz 915MHz 2 4GHz 三个频段上工 作 这三个频段分别适用于全球 欧洲 美国 三个频段的传输速率为 20kbit s 40kbit s 250kbit s 通信延迟时间在 15ms 30ms 之间 它的传输距离在 10 75m 之间 用干电池供电 适合与温室控制系统的短距离传输 低功耗的特点 2 3 GPRS 概述 GPRS General Packet Radio Service 是通用分组无线服务技术 的简称 英国 BT Cellnet 公司于 1993 年提出在 GSM 发展新的分组数据承载业务 GPRS 作为向第三代移动通信 3 G 过渡的一种技术 是 GSM Phase2 规范实现的内容之一 GPRS 采用与 GSM 相同的频段 频 第二章 系统相关技术 带宽度 突发结构 无线调制标准 跳频规则以及 TDMA 帧结构 面向用户提供移动分组 的 IP 或者 X 25 连接 从而为用户同时提供语音与数据业务 9 11 从外部看 GPRS 同时又是 Internet 的一个子网 GPRS 网络主要有以下特点 实时在线 管理中心与汇聚节点实时保持通信 方便用户查阅温室大棚数据 按量计费 只有传输数据是才会产生流量费用 没有数据传输 用户可以挂在网 上 不会产生任何费用 高速传输 GPRS 采用分组交换技术 数据传输速率最高可达 171 2kbps 本文采用 GPRS 技术进行 WSN 与监控中心之间的通信 第三章 温室参数分析和系统总体设计 第三章 温室参数分析和系统总体设计 3 1 温室参数分析 温度对作物的影响温度对作物的影响 农作物生长与温度有密切的关系 在农作物适宜温度范围内 温度越高 呼吸作用和 光合作用越旺盛 农作物的生长就越好 而温度过低低 农作物呼吸作减弱 生长缓慢 晚上农作物只进行呼吸作用 呼吸作用消耗有机物质 在一定温度范围内 晚上温度越低 呼吸作用越弱 消耗的有机物就少 因此对温室大棚的温度控制特别重要 对温室温度的 实时监测有利于提高农作物产量 增加农民收入 湿度对作物的影响湿度对作物的影响 温室内的空气湿度是由土壤水分的蒸发 灌溉补充水分和植物的蒸腾作用在设施密闭 情况下形成的 12 温室内作物代谢旺盛 生长旺盛 作物叶面积指数高 蒸腾作用释放出大 量的水蒸气 同时 由于温室大棚的空间小 密闭性强 空气流通比较稳定 温室大棚内水蒸 气经常超标 保持温室大棚湿度在一个适宜范围非常重要 光照度对作物的影响光照度对作物的影响 农作物想要旺盛的生长 适宜的光照强度必不可少 光以光照强度对农作物产生影响 光照强度太低或者太高对农作物的生长都有很大的影响 太低 光合作用效率低 太高 效率也会降低 光照强度太高会导致农作物气孔关闭 光合作用受阻 3 2 系统总体设计 温室控制系统的目的是对温室内环境参数的的采集 以及根据监测的数据控制相应的 控制节点来控制设备调整温室大棚的环境参数 使其达到农作物的生长的适宜环境 用户 可以根据采集到的参数对农作物适宜生长参数进行调整 使温室作物产量达到最高 农民 的收入最大化 温室系统的具体要求如下 1 传感器器节点实时 准确的监测温室环境参数是温室控制必须达到的要求 也是非 常关键的部分 2 汇聚节点可以实时接收传感器节点发送的数据 能准确的显示在显示屏上 并且还 要准确无误的传输到远程服务中心 远程服务中对接收到的数据进行分析 存储 并和原 始数据比较 得出最佳的温室环境参数 3 远程服务中心收到汇聚节点传输的数据与原始数据比较 高出或低于原始设置数据 发出控制命令 控制 装置做出相应反应 调节温室环境参数达到适宜的生长环境 4 提供客户端远程管理软件 方便用户方便实时读取温室环境参数 查询历史环境参 数数据 发送控制命令 本文设计的系统主要包括无线传感器节点 控制装置 汇聚节点或者基站 远程服务 器 远程管理 总体框架如下图 3 所示 第三章 温室参数分析和系统总体设计 图 3 系统总体结构 根据应用需求 将大量微型廉价的传感器节点合理分布在被监测区域中 被监测区域 有大量的传感器节点和一个汇聚节点 部分节点带有控制设备 控制天窗 遮阳网 热风 机 湿帘风机 灌溉装置 补光光源继电器的开启和关闭来调节环境参数 传感器节点对 温室大棚内的温度 湿度 光照强度等信息进行采集 用 ZigBee 无线通信模块传输至汇聚 节点 汇聚节点通过 GPRS 网络将数据传输给管理中心 同时汇聚节点可以接收管理中心传 输来的控制命令并将命令转发给相应的控制节点 控制节点驱动相应的阀门设备调整环境 参数 管理中心接收数据 分析数据 存储数据并做出控制命令 发送控制命令给汇聚节 点 汇聚节点通过 ZigBee 发送到控制节点 控制相应设备做出反应 第四章 硬件设计 第四章 硬件设计 汇聚节点接收监测节点发送的数据并进行分析 存储 显示通过 GPRS 技术传输到远程 管理中心 汇集节点还可以接收管理中心的控制命令 发送给控制装置调节温室环境参数 汇聚节点由微处理器模块 无线收发模块 报警模块构成 现场监测节点由控制模块 无 线收发模块 数据采集模块组成 4 1 微处理器模块 在本设计中微处理器模块主要由以下模块构成 微控制器 数据存储模块 实时时钟模 块 按键及显示模块 微控制器用于对传感器节点采集的环境参数处理与传输 本设计选用 MSP430F149 芯 片作为微控制器芯片 MSP430 系列单片机是美国德州仪器生产的一种 16 位超低功耗的混 合处理器 数据存储模块用于存储传感器节点采集的数据 实时时钟模块主要用于提供系 统的实时时钟 按键及显示模块主要用于操作显示被监测区域的温度 湿度 光照强度等 环境参数 显示模块还能显示时间 电池电量 方便用户对温室进行控制和观察 ZigBee 无 线通信模块用于汇聚节点与温室内传感器节点之间的无线数据通讯 GPRS 网络模块用于汇 聚节点与管理中心之间的远程无线数据传输 执行机构模块用于对温室内环境参数的控制 使农作物处于适宜的生长环境 报警模块用于系统发生故障或者电池电量低需要更换电池 时的报警 通知用户及时处理 数据存储模块设计 FM24CL64 是采用先进铁电工艺生产的一个保存时间很长的存储器 在断电的情况下 存储的数据可以保存 45 年 具有 64kb 的容量 操作电源为 2 7V 3 6V 最大工作电流 40 A 最大读写频率为 1MHz 具有快速的两线串行接口 FM24CL64 采用 I2C 总线进行 数据传输 I2C 总线是由 Philips 公司开发的一种简单 双向二线制同步串行总线 它只需 要两根线即可在连接于总线上的器件之间传送信息 13 由于温室控制系统一次传输的数据量相对较小 1 片 FM24CL64 可完成系统数据存 储 FM244CL6 与 MSP430F149 单片机的接口电路如图 4 所示 第四章 硬件设计 图 4 数据存储模块电路图 单片机 MSP430F149 接收到传感器节点传输的数据 传输到 FM24CL64 进行存储时 需要占用 MSP430F149 三个引脚 使用起来很方便 SDA 是串行数据引脚 数据的输 入 输出 传送地址信息等操作用 SDA 引脚 SCL 是串行同步时钟引脚 WP 写保护引脚 WP 为 0 时有效 WP 为 1 时 单片机无法向存储单元写入数据 只有当 WP 为低电 平时 单片机才可以对存储模块进行读写 实时时钟模块设计 本系统的实时时钟模块采用 DS1302 时钟芯片设计 DS1302S 是一个低功耗 高性能 自带存储器的实时时钟芯片 DS1302 通过 SPI 是一种高速的 全双工同步的通信总线 三线接口完成与 CPU 之间的同步通信 DS1302 可对时 分 秒 年 月 日 星期进行 计时 当出现闰年和一个月不足 30 或多于 30 天时可自行调整 DS1302 有主电源和备用 电源供电 可设置备用电源进行涓流充电 14 即串行时钟线 SCLK 数据线 I O 和复位线 RST DS1302 和 MSP430F149 的连接电 路图需要三条线即串行时钟线 SCLK 数据线 I O 和复位线 RST4 如图 5 图 5 实时时钟模块电路图 DS1302 有两个电源 VCC2 是主电源 VCC1 引脚上连接一个 0 5 F 电容作后备电 源 系统正常工作是 VCC1 处于充电模式 当主电源断电时是 后备电源继续供电 DS1302 读取 MSP430F149 写入的时间 进行时间调整 MSP430F149 再从 DS1302 里读 取时钟信息 RST 是复位 当 RST 输入高电平时数据开始传输 X1 X2 是振荡源外接 32768Hz 晶振 SLCK 为时钟输入端 I O 口为串行数据输入输出端 第四章 硬件设计 按键及显示模块设计 在汇聚节点处 设计按键及显示模块 显示数据显示温室内不同区域的温度 湿度 光照强度 时间 系统报警及更换电池等信息 操作模块主要操作显示上述数据 系统的按键模块提供了 K1 K2 K3 K4 分别表示 选项 确定 左 右 四个按键 按键模块的电路设计如图 6 所示 图 6 按键模块电路图 液晶显示如图 7 所示 图 7 液晶显示图 液晶显示模块采用具有低成本 低功耗 多功能的 HT 1621 与 MSP430F149 单片机连 接仅需 4 根线 集成 HT1621 芯片的液晶显示模块完全满足本设计的显示模块需求 HT 1621 写模式时序图如图 8 所示 图 8 时序图 第四章 硬件设计 HT 1621 只有 CS RD WR 和 DATA 共 4 个引脚与 MSP430F149 单片机相连接 CS 负责串行接口电路初始化 中断通信 CS 为高电平时 MSP430F149 与 HT1621 之间 不工作 当 CS 为低电平是进行数据传输 DATA 负责串行数据的输入与输出 RD 为读 操作 数据在 RD 下降沿时输出到 DATA 在 RD 上升沿和 RD 下降沿之间时 MSP430F149 读出数据 WR 为写操作 WR 为高电平写入 DATA 上的命令 地址以及数 据 显示模块电路如图 9 所示 图 9 显示模块电路图 液晶显示具有低功耗的特点 只有当按键按下时才开启 60s 内无操作液晶显示屏自 动黑屏 液晶显示模块显示温室环境内的温度 湿度 光照强度参数和电池过低报警 系 统异常 4 2 无线收发模块 CC2530 是 TI 公司推出一款符合 ZigBee 技术的 SOC 芯片 使用 IEEE 802 15 4 标准 具有较高的数据传输灵敏度和较强的抗干扰能力 CC2530 集成了 RF 收发器 8kB RAM 系 统内可编程闪存存储器 增强型 8051MCU 及许多其它强大功能 可以在不同的模式下运行 适用于系统要求低功耗的场合 CC2530 各个运行模式可以在较短的时间内进行转换 实现 低能源消耗 15 运行条件 CC2530 的最佳运行条件 表 2 运行条件 最小值最大值单位 运行环境温度 40125 运行供电电压 2 3 6V 第四章 硬件设计 功能介绍 适应 2 4 GHz IEEE 802 15 4 的 RF 收发器 极高的接收灵敏度和抗干扰性能 可编程的输出功率高达 4 5 dBm 只需极少的外接元件 只需一个晶振 即可满足网状网络系统需要 6 mm 6 mm 的 QFN40 封装 4 3 数据采集模块 温湿度监测单元设计 本设计采用 DHT11 作为本系统的温湿度传感器 供电电压 3 3 5 5VDC 温湿度测量 范围 20 90 RH 0 50 它具有别的传感器不具备的稳定高效的性能 具有反应快 价格便宜性能优越的特点 DHT11 是集传统的数据采集功能和温度传感器技术于一身的 现代化温湿度传感器 DHT11 由电阻式感湿元件和测温元件组成 这就决定了其具有稳 定性强 受环境影响弱的优点 在正常的温室环境中 DHT11 的精确度很高 湿度 5 RH 温度 2 这样的精度完全满足温室的设计准则 再加上其体积小 能耗低 功率大等特点 使其成为温湿度传感器的不二选择 即使在同类产品繁多的市场上也 是最佳选择 DHT11 与 CC2530 接线图如图 10 图 10 DHT11 与 CC2530 接线图 DHT11 引脚说明 表 3 引脚说明 pin名称注释 1VDD供电 3 5 5VDC 2DATA串行数据 单总线 3NC空脚 请悬空 4GND接地 电源负极 第四章 硬件设计 温湿度传感器 DHT11 与无线传输模块的数据传输是通过 DATA 引脚完成的 完整的一次 传输大概需要 4ms 传输的数据总和为 40 为 传输的数据包括整数和小数两个部分 前四 个字节是温度和湿度的整数部分和小数部分 后一个字节是前面四个字节相加 主要用于 检查传输的正确性 光照强度监测单元设计 光敏传感器是运用广泛和最常见的传感器 光敏传感器主要是利用光敏元件将光照强 度转换成电信号输出 由输出电流的强弱判断光照的强度 光敏传感器包括光电管 光敏 电阻 紫外线传感器 光敏三节管等传感器 本文选用具有低功耗 低成本的硫化镉 CDS 光敏电阻器 UR 74A UR 74A 具有以下特性 光照强度与光电流正相关与电阻值负相关 即所受光照强度越强 产生的光电流越大 电阻值越小 接收光照后 光电流上升到正常值的 63 时所用的时间 称为 上升时间 结束光照后 光电流下降到正常值的 63 时所用的时间称为 衰弱时 间 通常为 1 0ms 至数秒 负载电阻越大 则上升时间越短 衰弱时间越长 17 光照强度 检测电路如图 11 所示 图 11 光照强度监测电路图 光敏电阻受光的照射 电阻值发生变化 使输入 CC2530 芯片 P0 7 端口的电压发生改变 即可得出被测区域所受的光照强度 温室环境的光照采用模拟自然光或者直接用自然光 光敏电阻具有很快的反应速度 监测的数据具有很高的准确性 光敏电阻器不仅操作简单 而且成本和功耗也特别低 符合温室系统的特性 4 4 控制模块 当系统监测的数据与设定的农作物适宜生长参数阈值有差别时 汇聚节点会自动对控 制节点发出命令 通过开启或关闭天窗 遮阳网 热风机 湿帘风机 灌溉装置 补光光 源等执行子系统对环境参数进行调节 远程控制中心有时候也会认为的发出控制命令调节 温室内参数 第四章 硬件设计 执行子系统的设计如下 1 温度控制设计 部署在温室大棚内的温度传感器监测温室环境的温度参数 把监测的参数与设定阈值 进行比较 高于或低于阈值时相应的控制节点做出反应 冬天室内外温差相差较大 开启 热风机提高温室温度 温差越大热风机工作时间越长 夏天的时候温室的温度会时间的变 化而发生变化 降温的措施要随之而改变 温度相差较小时可以打开天窗降温 在正午时 温室温度会急剧升高打开遮阳网启动湿帘风机进行降温 温度达到适宜弄作曲生长时关闭 相应控制器 2 湿度控制设计 部署在温室大棚内的湿度传感器监测温室环境的湿度参数 把监测的参数与设定阈值 进行比较 启动相应的控制器节点控制设备进行增湿 除湿 在对温室进行增湿或除湿时 会对其他参数产生影响 尽可能的选择对湿度影响较大的对其他参数影响较小的调节设备 遮阳网可以影响光照强度温度 温室内湿度低 温度和光照强度高时可以打开遮阳网和开 启灌溉装置 湿度高 光照强度低是可以打开遮阳网和热风机 3 光照强度控制设计 部署在温室大棚内的光敏传感器监测温室环境的光照强度 把监测的参数与设定阈值 进行比较 当监测到的光照强度和阈值不一样时 系统自动开启或关闭遮阳网 调节光照 强度 由于打开或关闭遮阳网会影响温室的温度和光照强度 当光照强度和温度低于设定 阈值时 可以打开遮阳网调节 单独进行温度调节是 要检测所测区域的光照强度是否高 于设定阈值下限 若高于下限 则可以开启遮阳网 当阴雨天时 光照强度低于设定阈值 则开启补光光源进行补光操作 15 16 控制模块的控制装置较多而且工作功率较大 因此无法用 MSP430F149 单片机直接控制 需要用继电器作为各个控制装置的开关 需要打开某个控制装置时相应继电器开关闭合 打开相应的控制模块 直到该温室环境参数符合农作物的生长继电器开关才闭合 本设计采用的继电器是 JQX 13F 控制执行子系统工作 JQX 13F 型继电器的线圈功耗为 0 9W 线圈电阻为 640 工作温度为 25 40 绝缘电阻 100M 驱动电流为 37 5mA 执行机构模块电路如图 12 所示 图 12 控制模块电路图 第四章 硬件设计 TLP521 是光耦合器件 可增强电路的安全性 减小电压的干扰 继电器主要是通过 MSP430F149 单片机的 P4 0 引脚和三接管 Q1 控制 当 P4 0 为高点平时三接管 Q1 导通 发 光二接管 D14 发光 继电器开关闭合 相应的控制系统工作 对监测区域的参数进行调节 此处二极管 D1 的作用是在继电器断开后 将继电器线圈两端的电流迅速释放出去 防止其 发生突然变化产生反电动势损坏三极管 Q1 4 5 报警模块 由于长时间处于工作状态系统可能会出现故障 监测模块 无线传输模块 控制模块 发生故障 电池电量过低等等 根据系统的需求设计了一个声光报警模块 声光报警模块 电路如图 13 所示 声光报警模块中 555 用于构成多谐振荡器 555 定时器成本低 性能可靠 电路简单 外加几个电阻和电容可以实现多种功能 电阻 R42 R44 C54 和 555 定时器构成多谐振荡 器 当系统发生故障时 MSP430F149 单片机引脚 P5 4 为低电平 三接管 Q2 截至 555 的 4 引脚为高电平 振荡器振动 555 定时器的 3 引脚输出 三接管 Q3 导通 发光二节管 D8 发光 B 发出声音报警 反之当无故障时 P5 4 为高电平 Q2 截至 4 引脚复位 不会发出 报警 图 13 报警模块电路图 第四章 硬件设计 第五章 软件设计 5 1 管理中心设计 在本设计中温室环境监控系统管理中心软件采用 VC 6 0 软件进行开发 VC 是一个 跟好的 C 或者 C 开发环境 一般被简称为 VC 或者 VC 该开发环境提供了优秀的代码编 辑功能同时提供了编译连接程序 在开发环境里 输入完源代码 可立即编译运行 并其 可以参照代码进行调试 19 管理中心软件要实现参数调节功能 数据实时显示功能 选择功能 通信功能 如图 14 图 14 管理中心显示窗口 参数调节功能 管理中心接收到的环境参数与阈值进行比较 然后发出相应 的控制命令 第五章 软件设计 数据实时显示功能 管理中心软件能实时准确的显示从监测节点传输来的数 据 方便用户观察 选择功能 管理中心可以选择查看某一区域具体的监测节点 控制节点和控 制中心 通信功能 管理中心能实时接收汇聚节点的实时数据 能准确的想控制节点 发送命令 5 2 ZigBee 无线通信模块设计 ZigBee 堆栈的基础是 IEEE802 15 4 定义了协议的 MAC 和 PHY 在本设计中 只对应 用层加以设计开发 网络初始化和节点加入网络是 Zigbee 网络组建的必要因数 网络初始 化主要是协调器组网 终端设备和路由设备发现网络以及加入网络 确定网络协调器 网 络初始化完成后节点将选择区域内信号最强的父节点加入网络 节点在入网成功后将得到 一个 16 位的网络短地址 并通过这个地址完成数据收发 地址保存在节点各自的 Flash 中 ZigBee 无线通信程序设计主要是汇聚节点和现场监测节点 ZigBee 无线通信程序设计 程序流程图如图 15 图 16 第五章 软件设计 图 15 汇聚节点 ZigBee 无线通信程序流程图 在本设计中 ZigBee 网络完成汇聚节点的协调器节点和现场 图 16 现场监测节点 ZigBee 无线通信程序流程图 监测的终端节点之间的通信 汇聚节点的协调器节点主要用于建立网络 管理网络节 点 对终端节点即传感器节点收发信息 现场监测的传感器节点主要用于采集环境参数数据 传送汇聚节点 从汇聚节点接收信息 协调器启动后 系统进行初始化 建立起一个 ZigBee 的无线传感器网络 如果有新的传感器节点加入 协调器会自动加入新的传感器节点 汇 聚节点读取传感器节点发送的环境参数数据 并把数据传送到管理中心 当汇聚中心有命令 时 通过 ZigBee 无线传输技术传输到控制节点 并自动判断是否发送成功 若未成功 则 第五章 软件设计 继续发送 5 3 传感器节点设计 整个传感器监测节点数量较多 为了减少系统功耗 传感器节点命令传感器每五分钟 进行一次数据采集 初始化成功之后 判断是否收到汇聚节点发送的数据采集命令 收到 后先后进行温度采集 湿度采集 和光照强度采集 并将采集的数据上传到汇聚节点 现场监测节点的程序流程如图 17 第五章 软件设计 图 17 传感器节点流程图 5 4 汇聚节点设计 汇聚节点能与现场监测节点和管理中心通信 汇聚节点主要任务是对温室环境传感器 节点进行巡视和发送命令 汇聚节点收到管理中心的控制命令 发送给相应控制节点调节 环境参数 定时时间到以后汇集节点命令监测节点传输监测数据 汇聚节点接收并上传到 管理中心 在汇聚节点显示模块显示 如果管理中心发出修改阈值命令则修改 没有收到 修改阈值命令则和设定阈值做比较 然后做出相应的控制措施调节温室参数 汇聚节点的程序流程如图 18 图 18 汇聚节点流程图 第五章 软件设计 5 5 执行结构模块设计 执行机构模块由汇聚节点控制 当汇聚节点接收到监测节点发送的现场监测参数后 超出和低于设定阈值 汇聚节点发出命令 闭合相应的节电器 启动相应执行机构子系统 通过遮阳网 热风机 湿帘风机 灌溉装置及补光光源等装置的开闭 对温室内温度 湿 度 光照强度进行调节 改善作物的生长环境 执行机构模块程序流程如图 19 所示 图 19 执行机构流程图 第六章 结论 第六章 结论 本课题在查看文献 理论分析的基础上 将无线传感器网络技术引入到了温室环境自 动控制中 提出和设计了温室无线传感器网络控制系统 本文的主要特点和不足如下 1 采用 ZigBee 无线通信技术和 GPRS 通信技术对监测节点和汇聚节点 汇聚节点和控 制中心进行通信 2 系统可以实时 准确的检测温室环境参数并对温室环境参数传输到远程控制中心 方便用户实时查看 3 当温室环境参数发送变化时 系统会控制相应的控制装置进行调节 使温室环境参 数达到作物适宜生长环境 4 当系统任何地方发生故障时或者电池电量过低 报警模块会发出声光报警 提醒用 户及时排查或者更换电池 5 本系统具有远程监控的特点 较大地方便了用户对作物生长状态的监控 由于经验的不足 本设计还有一些需要完善的地方 主要体现在以下几点 1 无线传输模块采用的是星型拓扑结构 该结构只有一个协调器 当协调器发生故障 时 系统无法进行数据传输 2 执行机构还有待完善 需要根据温室环境的实际情况 可以智能的控制各个控制模 块开启或关闭的时间 比如遮阳网的开启或关闭面积等 致谢 致谢 随着时光的流逝 我在大连海洋大学的学习生活即将要结束 这四年的大学生活让我 学到了很多专业知识 使我的生活更加充实 首先 我要衷心感谢老师 老师以其深厚的 专业知识 严谨的学术研究态度 感染了我 默默奉献的精神时刻深深影响着我 在撰写 本论文时 我获得老师的认真指导 无论从开始设定方向还是在检查准备过程中 始终耐 心地给我指导和建议 使我在学术和写作方面有很大的提高 向老师致以诚挚的谢意 还 要感谢我的每一学科老师对我孜孜不倦的教诲 在美丽的大连海洋大学 我遇到的一帮来 自五湖四海的大学同窗 我们一起度过了一个愉快的大学生活 我们有很好的友谊 我真 诚地感谢你们在大学生活中的关心和照顾 参考文献 参考文献 1 Metrolho J C Serodio C M J A Couto C A C M CAN based actuation system for greenhouse control Proceedings of the IEEE International Symposium 1999 945 一 950 2 XuGang GuoShirong Zhang Changwei etal Expert system formini watermelon culture management in greenhouse based on the growth model Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering 2006 22 4 157 161 3 Ding Weilong Xiong Fanlun Liang Ronghual Expert syste