基于无线传感器网络的温室控制系统设计

目录摘要一摘要第一章前言11.1研究目的和意义11.2国内外研究现状21.3研究内容2第二章系统相关技术42.1无线传感器网络42.2紫蜂无线通信技术42.3 GPRS概述5第三章温室参数分析及总体系统设计63.1温室参数分析73.2整体系统设计5第4章硬件设计64.1微处理器模块74.2无线收发器模块104.3数据采集模块114.4报警模块15第五章软件设计165.1管理中心设计165.2紫蜂软件开发环境175.3传感器节点设计185.4汇聚节点设计195.5结构模块设计的实施20第六章结论21致谢22参考文献23第一章大连海洋大学毕业论文(设计)前言1摘要i摘要中国农业正朝着现代化、规模化、智能化方向发展。作为现代农业生产不可或缺的一部分，温室环境的有效管理可以提高温室作物的生产效率和农民的经济效益。温室环境中的湿度、温度和光强等因素对温室作物的生长有很大的影响。根据温室控制的需要，设计了一种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的大量传感器节点收集信息，并通过Zigbee无线传输将数据发送到汇聚节点。汇聚节点通过GPRS网络与远程服务中心通信。同时，汇聚节点可以接收远程服务中心发送的控制命令，控制部署在温室中的控制节点，然后调整温室的参数以满足相应的要求。关键词：无线传感器网络、温室、ZigBee技术i摘要1摘要中国农业正在向现代化、规模化、智能化发展。温室是现代农业生产中不可缺少的一部分，有效管理温室环境可以提高温室作物生产效率和农民经济效益。绿林利用环境、湿度、温度、光照强度等因素对温室作物的生长有很大影响。针对温室控制的需要，设计了一种基于无线传感器网络的温室控制系统。系统通过分布在温室区域的传感器节点收集信息，并以ZigBee无线传输方式将数据发送到汇聚节点。汇聚节点通过GPRS网络与远程服务中心通信，采集节点可以接收远程服务中心发出的控制命令，控制部署在温室内的控制节点，然后根据需要调整温室参数。该系统具有成本低、部署方便的优点。关键词：无线传感器网络，温室，紫蜂技术二第一章前言1第一章前言1.1研究目的和意义目前，许多温室控制系统采用有线传输方式，需要铺设大量的信号传输线。由于天气等原因，设备之间的连接线容易断裂，增加了维护和维修的难度。无线传感器网络在温室控制系统中的应用消除了设备间的信号传输线路，不仅提高了系统的准确性，而且提高了系统的可扩展性，方便了系统的维护和维修。基于无线传感器网络的温室控制系统能够准确监测温室内的温度、湿度、光强等参数，大大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发展迅速。1999年，葡萄牙首都LHO和其他城市建立了一个典型的基于CAN总线和PC机的温室控制系统1。一种划时代的无线传感器网络技术已经在美国出现，并已在实验基础上应用于温室监测。它由分布在监控区域的大量微传感器节点组成，以多跳的形式自组织成一个网络系统。每个传感器收集和分析网络覆盖区域内监控对象的信息并将其发送给观察者的技术已经引起了人们的注意2-3。在无线传感器技术方面，中国的温室无线控制技术仍处于起步阶段。目前，星型网络拓扑是温室控制系统中应用最广泛的无线数据传输方式。在该系统中，主机直接连接到温室中的传感器节点。拓扑结构相对简单，易于维修和维护。利用智能温室环境监测技术和无线传感器网络技术组成无线温室控制系统，实现温室环境的自动化和大规模控制是4-5未来的发展方向。1.3研究内容根据温室的环境参数和无线传感器网络的特点，提出了温室控制系统的设计方案。设计了一种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中传感器节点收集信息，并将数据以ZigBee无线传输方式发送到汇聚节点。汇聚节点通过GPRS技术传输到远程服务中心。同时，汇聚节点可以接收来自远程服务中心的控制命令来控制部署在温室中的控制节点，从而调整温室环境参数以满足适当的要求。该系统具有成本低、部署方便的优点。10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)是由部署在监控区域的大量低成本、低功耗的微型传感器节点通过无线通信形成的多跳自组织网络系统。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。它的基本结构如图1所示。图1无线传感器网络的基本组件部署在监控区域的监控节点实时、有效、准确地收集数据，并存储数据，通过无线传输传输到汇聚节点。汇聚节点进一步处理、分析和存储数据，这些数据显示在显示屏上供观察者查看。通过互联网传输到远程管理中心，远程管理中心可以向监控区域发送控制任务和收集数据。2.2 ZigBee无线通信技术目前，在众多的短距离无线传输技术中，除了ZigBee技术之外，还有很多其他的技术，如蓝牙技术、超宽带技术、无线网络等。表1显示了几种常见的短距离无线传输技术5-6。表1几种短程无线通信技术的比较蓝牙技术超宽带无线网络ZigBee标准802.15.1无常的802.11b802.15.4工作频带2.4千兆赫3.1-10.6千兆赫2.4千兆赫；5千兆赫868/915 GhZ；2.4千兆赫最大传输速率1 Mb/s110 Mb/s54 Mb/s250kb/s最大功耗1-100毫瓦200兆瓦100毫瓦13mW传输距离l 0米10m10-100米10-75米网络容量8825665536电池寿命4-8小时1-2小时1-3小时半年多了费用低的高的低的低的从上表可以看出，ZigBee技术在温室控制系统中具有以下优势：(1)低成本：与其他短距离无线通信技术相比，紫蜂技术具有相对简单的协议栈设计，紫蜂不收取任何协议使用费。因此，ZigBee通信模块成本低，非常适合在无线传感器网络中使用。(2):具有星形、树状和网状结构。一个主节点管理几个子节点，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，可以形成65535个节点。(3)低速率：从上表可以看出，紫蜂技术的传输速率最低，最高可达250千字节/秒。在温室控制系统中，温室数据采集周期长，数据量大。低传输速率有利于节能，适合温室应用。(4)功耗比其他技术低：其中紫蜂技术最低，紫蜂技术允许设备在空闲时切换到睡眠功能，有利于节点节能，减少电池更换次数，提高电池使用寿命。ZigBee网络层支持星形拓扑、树形拓扑和网状拓扑，如图2所示。图2 ZigBee技术的网络拓扑图星形拓扑由协调器控制。协调器可以直接与远程控制中心通信。当一个节点出现故障时，它不会影响其他节点的工作。部署在温室控制系统监控区域的传感器自组织成网络，以多跳方式传输数据。树形拓扑结构包括一个协调器、几个路由器和终端节点。通信原则是子节点只能与父节点通信。网状拓扑和树状拓扑的组成大致相同，由协调器、路由器和终端节点组成。不同之处在于，网状拓扑中的任何节点都可以相互通信，并且是自动找到信息传输的最佳路径。ZigBee技术可以工作在868MHz、915MHz和2.4GHz三个频段，分别适用于世界、欧洲和美国。三个频段的传输速率分别为20千比特/秒、40千比特/秒和250千比特/秒，通信延迟时间为15-30毫秒，传输距离为10-75米，由干电池供电。适用于温室控制系统的短距离传输，功耗低。2.3 GPRS概述通用分组无线业务是通用分组无线业务技术的缩写。英国电信公司于1993年提出在全球移动通信系统中开发一种新的分组数据承载业务全球移动通信系统，作为向第三代移动通信(3 G)过渡的技术，这是全球移动通信系统第二阶段标准实施的内容之一。GPRS采用与GSM相同的频带、频带宽度、突发结构、无线调制标准、跳频规则和时分多址帧结构，为用户提供移动分组的IP或x25连接，从而同时为用户提供语音和数据服务(9-11)。从外部来看，GPRS也是互联网的一个子网。GPRS网络主要有以下特点：在线实时，管理中心和汇聚节点保持实时通讯，方便用户查阅温室数据。按数量收费。只有在传输数据时才会产生交通费用。没有数据传输，用户可以免费上网。高速传输，GPRS采用分组交换技术，数据传输速率可达171.2kbps本文采用GPRS技术在WSN和监控中心之间进行通信。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农作物的生长与温度密切相关。在作物适宜的温度范围内，温度越高，呼吸和光合作用越旺盛，作物生长越好。但是温度太低，作物呼吸减弱，生长缓慢。晚上，庄稼只能呼吸，这消耗了有机物质。在一定的温度范围内，夜间温度越低，呼吸越弱，消耗的有机物越少。因此，控制温室的温度尤为重要。温室温度的实时监测有助于提高作物产量，增加农民收入。湿度对作物的影响温室内的空气湿度是由土壤水分蒸发、灌溉补充水分和植物蒸腾在封闭设施条件下形成的12。在温室中，作物代谢旺盛，生长旺盛，叶面积指数高。蒸腾作用释放出大量的水蒸气。同时，由于温室空间小、气密性强、空气循环相对稳定，温室内的水蒸气经常超标，因此保持温室内的湿度在合适的范围内是非常重要的。光照强度对作物的影响适当的光照强度对作物的旺盛生长至关重要。光以光强度影响作物。太低