农业大棚环境监测无线传感器网络节点的设计与实现

1、目 录摘要. i abstract . .ii 第 1 章引言 . 1 1.1 论文的研究背景和意义 . 1 1.2 wsn 概述 . 1 1.3wsn 在环境监测中的研究现状及趋势 . 2 1.4 论文的主要内容和结构安排 . 3 第 2 章 系统总体方案设计 . 4 2.1 系统总体方案设计 . 4 2.2 硬件电路方案设计 . 4 2.2.1 微处理器选型 . 5 2.2.2 传感器选型 . 6 2.3 系统软件方案设计 . 8 2.4 本章小结 . 9 第 3 章 节点的硬件设计 . 10 3.1 最小系统设计 . 10 3.1.1 cc2530射频通信 . 11 3.1.2 复位电路

2、设计 . 12 3.1.3 cc2530晶振模块设计 . 12 3.2 数据采集模块 . 13 3.2.1 温度传感器模块 . 13 3.2.2 co2传感器模块 . 14 3.2.3 光强度传感器块 . 15 3.3 电源模块设计 . 15 3.3.1 3.3v 电源电路设计 . 15 3.3.2 6v 电源电路设计 . 16 3.3.3 电压检测电路设计 . 17 3.4 lcd 显示 . 18 3.5 本章小结 . 19 第 4 章 节点的软件设计 . 20 4.1 温度传感器程序设计 . 错误！未定义书签。4.2 二氧化碳与光强传感器程序设计 . 错误！未定义书签。4.3 zigbee

3、无线通信程序设计 . 21 4.4 本章小结 . 25 第 5 章 系统测试 . 26 5.1 系统的硬件介绍 . . 265.2 传感器模块调试 . . 26 5.2.1 dsi8b20 模块调试 .27 5.2.2 mg811 模块调试 .27 5.2.3 bh1750 模块调试 .28 5.3 zigbee通信测试 . . 26 5.4 本章小结 . . 29 第 6 章 总结和展望 . 30 参考文献 . 错误！未定义书签。致谢. 32 附录.33 i 农业大棚环境监测无线传感器网络节点的设计与实现摘要为提高农业大棚温室生产过程的自动化，非常有必要实时获取大棚温室环境的光强度、温度、

4、co2 浓度等基本环境参数。针对农业大棚环境监测易变、多样的考虑，本设计提出了一种基于zigbee 的农业大棚环境监测无线传感器网络节点设计方案。微处理器采用cc2530 单片机； 软件上移植了德州仪器（ti）zigbee 协议栈， 并在应用层开发了通信程序。本文设计了系统的整体结构和硬件电路，并给出了软件流程图。实验表明， 该设计具有良好的稳定性和较高的通信效率，可以满足农业大棚环境监测对无线通信网络的传输和组网要求，具有较高的推广价值和应用前景。关键字： 大棚环境监测； cc2530；zigbee；无线传感网络ii the design of greenhouse environment

5、monitoring based on wireless sensor network nodesabstract to improve the agriculture greenhouse greenhouse production process automation，it is a necessary to obtain the light intensity,temperature,and co2 concentration.for volatile agricultural greenhouse environment monitoring, diverse consideratio

6、ns,this design is put forward a kind of agricultural greenhouse environment monitoring based on zigbee wireless sensor network node design.the design of the core cc2530 single-chip microprocessors ; software transplanted texas instruments (ti) zigbee protocol stack and application layer developed a

7、communications program. according to the technical requirements of the greenhouse environment monitoring system , system architecture and hardware design of the circuit , it gives the software process . through testing experiment, it shows that the design has good stability and high communication ef

8、ficiency to meet the greenhouse environmental monitoring requirements for network transmission and wireless communication networks , the promotion of high value and application prospect. key words :greenhouse environment monitoring ； cc2530 ； zigbee ； wireless sensor network 1 第 1 章引言1.1 论文的研究背景和意义众

9、所周知， co2 是作物光合作用的重要元素，它对作物的生长发育起着与水肥同等的作用， co2 若供给不足会直接影响作物正常的光合作用，从而导致减产减收。 阳光是作物赖以生存的必要条件，是进行光合作用、 制造有机物的能量来源，其对作物生长起着关键的作用。 而作物的光合作用是在温度和光照条件下进行，不同的农作物对于光强度、co2 浓度和温度这三个基本环境参数的需求也不尽相同。因此，准确掌握大棚温室环境的光强度、co2 浓度和温度等信息参数，给农业大棚温室内的作物提供合理的生存条件，对于提高作物的产量和效益有着不可小觑的作用。 以往，由于受经济和技术条件的限制，多数农业大棚采用人工方式定时对环境参数

10、进行监测。但是对于生产规模较大的农业大棚来说，人工方式既不方便又浪费人力，且不易保存光强度、co2 浓度和温度的历史数据。本设计采用的无线传感器网络（wsn）技术是通过传感器节点无线通信方式形成的一个多跳的（multi-hops）自组织网络系统。它是传感器技术和信息通信技术的综合体， 是一种由传感器节点构成的网络，其目的是感知、 采集和处理无线网络覆盖区域内被监测的各种基本环境参量的信息，并发送给观察者。把无线传感器网络（ wsn）技术应用于农业大棚环境监测中，能够实现对网络覆盖区域（农业大棚）的各种基本环境参量（如光强、温度、co2 气体浓度）信息的采集。无线传感器网络（wsn）借助于节点中

11、内置的各种类型传感器来监测农业大棚环境的光强度、co2 浓度和温度等基本环境参量，以达到对这些信息参数准确掌握的目的。wsn 为大棚环境监测系统提供了新型的信息采集技术，具有十分广泛的应用前景。1.2 wsn 概述wsn 为 wireless sensor network 的简称，也就是无线传感器网络。无线传感器网络（ wsn）是由部署在监测环境区域内的大量廉价微型传感器节点，通过无线通信方式所形成的一个多跳的自组织网络系统，从而来实现对网络覆盖区域内基本对象的信息采集、感知、量化、处理、融合以及传输应用的功能。无线传感器网络（ wsn）一般都是由一个低功耗的微控制器（mcu） 、传感器、若干

12、个存储器和无线电/光通信装置等器件集成，通过传感器、通信装置、2 动臂结构以及与他们所存在的外界环境来进行交互。如果将其大量的分布到所需监测的农业大棚温室环境中，并组成一个无线传感器网络（wsn） ，然后在性能良好的软件系统平台上布施， 就可以实时准确地完成强大的农业大棚环境监测功能。随着高集成、低功耗数字设备和微机系统的迅速发展，实现小体积、低功耗、低成本的传感器节点已经不再是设想。低功耗的无线传感器模块， 便是组成无线传感器网络（ wsn）的节点。无线传感器网络（wsn）正是由大量的这些节点组成，它是传感器、无线通信、信息处理等多领域综合的技术。通过各种类型的无线传感器对所需监测的基本环境

13、参量信息进行实时采集，再由嵌入式微处理器对采集到的信息进行处理，然后由zigbee 无线通信网络将处理后的信息传送至远程客户端。经过采集、分析，最后实现对环境参量的监测。涉及无线传感器网络（wsn）的关键技术从总体上可分为无线通信技术、信号处理技术、网络技术及应用技术四个方面。总的来说，无线传感器网络（wsn）是信息化获取技术的发展结果，它的核心目标是进行分布式的感知，以完成对环境和物体的识别。无线传感器网络（ wsn）具有以下四个特点：1.节点数量大2.支持自组织（ ad-hoc）多跳（ multi-hops）网络3.短距离无线连接4.低功耗无线传输wsn 是一种开拓了全新应用领域的新型概念

14、和新型技术。低功耗是它最重要的设计准则之一。传感器节点、监测对象和监测者是无线传感器网络（wsn）的三个基本要素。1.3wsn 在环境监测中的研究现状及趋势环境监测是在分析环境基本参数的基础上，通过对环境质量因素的监测， 研究环境质量的变化， 并描述环境状态、 科学地预报环境质量的变化趋势，以达到优化环境发展状态的目的。环境监测按照监测区域可划分为厂区监测和区域监测。本设计中的农业大棚环境监测则属于区域监测。无线传感器网络（ wsn）作为 21 世纪最具重要性的技术之一，它的发展日渐成熟，方向也开始呈现出多样化。无线传感器网络（wsn）自组织、环境适应、随机布投等特点， 非常适用于现代农业大棚

15、类型的区域环境监测，现阶段已得到了较大范围的推广。 目前，环境监测已跻身于英特尔公司“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”中的重要应用领域之一。无线传感器网络（wsn）3 经过几十年的发展， 虽然已经取得到了较好的技术改进，但是仍将继续努力朝着以下几个方向发展：（1）低耗能、高寿命，低误差、低成本；（2）大数据的处理和管理的模式开发；（3）嵌入式网关技术的应用；（4）无线通讯的标准统一化。然而，从传感器网络节点本身来说，它所具有的存储能力、处理能力、通信能力和能量等方面都存在一定程度的限制；从实际应用环境来说， 节点数目比较庞大，节点分布也相当密集， 而环境因素变化和节点故障会不可避免地造成

16、网络拓扑结构的变化等等。 基于上述对传感器节点本身限制和环境因素的考虑，得出节点出现故障的机率可能大大上升。所有的这些，对wsn 在环境监测中的研究提出了新的挑战。1.4 论文的主要内容和结构安排本论文基于无线传感网络（wsn）技术的发展，阅读了大量资料文献，对农业大棚环境监测进行了整体分析。在深入研究 zigbee无线通信协议的基础上，提出了基于 ti 公司的 cc2530 单片机设计无线传感网络节点的系统总体方案，并设计了系统的硬件和软件方案，本设计的主要内容如下：第一章，介绍了本设计的背景和意义，分析当前无线传感器网络（wsn）技术的发展、传统的大棚环境监测限制性，以及把无线传感器网络（

17、wsn）技术和无线通信引入到大棚监测中的优势。第二章，提出了系统总体方案设计，完成各部分硬件电路选型。第三章，设计了以 cc2530为核心的传感器节点。根据设计要求对三种传感器电路、复位电路、电源电路和lcd 显示电路进行设计。第四章，设计了系统软件方案，以模块化的思想，给出各部分程序流程图。主要包含对节点中传感器信息获取的程序设计和zigbee 无线通信程序设计。第五章，选取了典型场景对设计的硬件电路进行测试，并对实验结果进行了分析。第六章，总结研究论文，分析了存在的不足，并指出改进方向，提出了对于未来研究中的设想和展望。4 第 2 章 系统总体方案设计2.1 系统总体方案设计wsn 节点主

18、要包括传感器部分、电源电路部分、存储器部分、a/d 转换器部分、微处理器（射频通信）部分等。节点一般采用原电池供电，当电源电能耗尽的时候， 节点工作能力将丧失。 为了提高电源的利用率， 在系统硬件电路方案设计方面， 应尽量考虑低功耗器件。 在系统软件设计方案中， 各层的通信协议均应本着节能的原则。本设计提出的无线传感网络(wsn)节点农业大棚环境监测方案， 不需铺设多余电缆。在农业大棚温室内放置所需的传感器节点，由传感器定时采集各节点处基本环境参量信息（光强度、co2 浓度和温度）， 采集的信息结果可以显示在lcd上。各环境参量信息经处理后通过zigbee 传输并进行节点间的无线通信，再由监测

19、终端对采集的信息统一进行管理分析。对于传感器节点的设计， 硬件方面，必须考虑低功耗型， 选取无线传输方式；软件方面，必须能支持多跳（multi-hops）路由协议。 zigbee 协议充分考虑了无线传感器网络（ wsn）的应用要求，是现阶段业界内统一看好的一种无线通信协议。在这些基本思想和考虑下，本设计选取了以cc2530单片机为核心，结合外围光强度、 co2 浓度和温度三种传感器构建无线传感器网络（wsn）节点。cc2530控制传感器采集农业大棚环境的光强度、co2 浓度和温度等基本环境参量，由 cc2530 自身集成的 zigbee 模块将采集的数据发送给节点，实现节点间的无线通信。从而实

20、现对农业大棚温室环境基本参量的监测。2.2 硬件电路方案设计系统的硬件电路设计采用模块化设计思想，可分为下面三个模块： 微处理器模块、传感器模块和电源模块。其中，选用的cc2530微处理器本身具有信号处理和射频通信的双重功能， 故不需再外设射频通信模块， 从微处理器模块外接天线即可。传感器模块包含了温度传感器、光强度传感器和co2 传感器。传感器节点的硬件结构如图2-1 所示。5 co2传感器cc2530mcu电 源 模 块rf温度传感器光强度传感器lcd显示图2-1 传感器节点的硬件结构图2.2.1 微处理器选型微处理器选择的是cc2530芯片。它工作在 2.4ghz ism 频带，是真正意

21、义上最新的符合 zigbee 协议的片上系统解决方案，与此同时，cc2530是现阶段诸多zigbee 设备产品中最具特色的微处理器之一。cc2530采用一个通用处理器核为基础，该处理器核不但能够支持一种完善的指令集，而且能达到应用环境下的大部分要求。 cc2530内含一个 zigbee协议兼容无线收发器，射频通信能在芯片内部自行控制。此外，它还包括了一个微控制器（mcu ）与无线设备间的接口，让系统能按一定的次序工作： 发出命令读取状态自动操作确定无线设备事件。这些都使得采用cc2530操作只需要连接极少的外部元件，整体硬件电路设计趋于优化态。 cc2530采用业界标准的增强型8051cpu，

22、实现系统内可编程闪存，8kb ram 和很多其他强大的功能。另外，它可以以十分低的总材料成本建立起十分强大的网络节点。由于其硬件设计简单、功耗低、封装小，在无线传感器网络（ wsn）中得到了一致认可。 cc2530引脚如图 2-2所示。6 图 2-2 cc2530 引脚图2.2.2 传感器选型1. co2传感器本设计采用的是 mg811电化学 co2传感器。 mg811对 co2浓度有良好的灵敏度和感知， 受外界环境变化影响小， 稳定性良好。 相比于其他的比如tgs4160电化学 co2传感器， mg811更适于做手持式或者便携式co2测量仪器。它预热的时间比较短， 5min 左右即可，能够实

23、现即时测量的目的。同时传感器的功率也比较小，符合本设计中对于系统低功耗的考虑，十分适合应用于农业大棚环境内的 co2监测。mg811采用固体电解质电池原理。 元件加热电压由外电路提供， 当其表面温度足够高时， 元件相当于一个电池， 其两端会输出电压信号， 信号值比较符合能斯特方程。元件测量时放大器的阻抗须在1001000g 之间，其测试电流应控制在1pa 以下，同时，当co2浓度越高时，系统输出电压则越低。mg811传感器如图 2-3所示。7 图 2-3 mg811 传感器图2. 温度传感器本设计采用的是dsi8b20 单总线数字式温度传感器。与传统的分立式温度传感器相比， dsi8b20 集

24、温度测量和 a/d 转换于一体，能够直接在lcd 上读出显示出被测温度值，并且可根据实际应用要求实现912 位的数字值读数方式。它与单片机接口需要的外围元件非常少，使得硬件电路结构简单。从ds18b20读/写信息只需要一根口线（单线接口） ，温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的ds18b20 供电，无需补充额外电源。另外，dsi8b20 具有分辨率高，转换速度快，能自动报警等特性，可广泛用于节点分布多的场合。使用 ds18b20 可使系统结构更趋简单，可靠性更高，十分适用于本设计中的农业大棚环境内的温度监测。采用 dsi8b20 温度传感器，可直接读取被测温度值并进行转换。测温

25、范围是-55+125，固有测温分辨率为0.5。具有传输距离远，精度性高，软硬件易于实现的优点，而且单片机的接口便于系统的再扩展，满足本设计要求。dsi8b20 传感器如图 2-4 所示。从左至右引脚分别为：dq gnd vdd 。图 2-4 dsi8b20 传感器图8 3. 光强传感器本设计采用的光强传感器为bh1750fvi 。bh1750fvi 是一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路。利用i2c 总线接口数字型的bh1750fvi 光强度传感器，可以尽量避免由ad 转化系统带来的不必要误差，同时可在 lcd 上直接进行数据测量。该传感器组成的系统具有光强度采集精度高、受红

26、外线影响小、实时性强等优点，并且无需连接其他外部件，硬件电路设计较为简单， 容易实现与集成， 它可以根据光线强度来进行农业大棚环境内的光强度监测。利用它的1lx65535lx 高分辨率可以探测到农业大棚环境内较大范围的光强度变化。 bh1750fvi 传感器如图 2-5 所示。dvi 是 i2c 总线的参考电压终端，同时也是异步重置终端。在vcc 供应后必须设置为“ l” ，在 dvi 设置为“ l”期间，内部状态设置为电源掉电模式。addr 端口是用来缓冲内部测试的3 种状态而设计的， sda 和 scl 都是 i2c 接口，vcc 是 3.3v 电源接口。图 2-5 bh1750fvi 传

27、感器图2.3 系统软件方案设计软件设计上移植了德州仪器（ti）zigbee协议栈，采用的射频芯片是ti 公司的 cc2530 单片机。 zigbee 协议栈无线网络的开发语言为c 语言，以iar embedded workbench 7.51a作为开发平台。本系统各传感器节点间的组网方式采用 zigbee 网络中的星型网络。这样设计不仅可以组建出稳定的网状网络，并且数据传输稳定，功耗低，还可以与ti 公司支持的其他方案混合组网，以实现网络的最优化。 本设计节点软件分为两种类型：传感器节点和网络协调器节点。传感器节点负责完成农业大棚环境的信息采集，并将采集到的信息传送给无线传输9 模块，然后通过

28、zigbee 技术无线传送给网络协调器；网络协调器节点负责接收传感器节点的信息并将信息发送给pc 机，然后进行信息处理。2.4 本章小结本章节在考虑可用性， 可靠性，可实现性和成本性等基本因素的前期下，经过深入研究，分析，设计出了基于ti 公司的 cc2530 单片机下农业大棚环境监测无线传感器网络节点系统。 并分硬件电路和系统软件两方面进行了阐述。硬件方面介绍了对系统采用的主控芯片cc2530 和 co2、温度、光强度三种传感器的选型。软件方面给出了一个整体的设计线路。整合软硬件的设计， 更好的体现出基于低功耗原则下的整个设计方案的可靠性和真实性。10 第 3 章 节点的硬件设计传感器节点是

29、为无线传感器网络（wsn）特别设计的微型计算机系统。无线传感器网络（ wsn）的特点决定了传感器节点的硬件设计应着重考虑低功耗、低成本、稳定性和安全性等方面的问题。3.1 最小系统设计cc2530 的最小硬件系统由电源电路、复位电路、晶振（时钟）电路组成。其中，射频通信部分在cc2530 单片机片内自行构建，晶振部分也应用cc2530片内的晶振。 电源电路部分作为系统所有模块的基础模块，在本设计中单独提出来进行阐述。单片机最小系统框架如图3-1 所示。复位电路电源电路cc2530射频通信晶振图3-1 单片机最小系统框图cc2530最小系统有 32mhh 和32.768khz 两个外部晶振电路。

30、其中，32mhz的晶振电路是由 1个32mhz 的石英谐振器和 2个电容构成 (管脚22和23)。32.768 khz 的晶振电路是用 1个32.768 khz 的石英晶振器和 2个电容 (管脚33和32)构成。另外，在信号输出端处设计了一个滤波网络至天线接口，增强了信号的稳定性和抗干扰能力。 并且在每个电源引脚处设计了一至两个滤波电容，有利于系统更加稳定地工作。 cc2530最小系统电路如图 3-2所示。11 图 3-2 cc2530 最小系统电路图3.1.1 cc2530射频通信射频通信模块由无线射频电路和天线组成。射频通信收发模块是传感器节点中最为主要的耗能模块， 同时也是传感器节点的设

31、计重点。射频收发的主要功能是对传感器节点板块的数据进行无线收发操作。天线是射频通信模块的重要器件，是信号收发所必不可少的， 天线设计的优劣会直接影响射频通信模块的整体性能。通过对各种类型天线的分析及zigbee 整体通信系统的要求， 本设计采用 2.4g 增益为 3db的 sma 全向天线作为 zigbee 射频模块的天线。它能在水平方向图上表现为360 的均匀辐射，适合本设计的农业大棚环境监测这样的范围小距离使用，精度较高， 且成本较低。 天线传输单元有 4 种工作状态：发送、接收、空闲、休眠。考虑到空闲态仍然具有比较高的功耗，在本设计中选用动态定时与应答机制，在传输能正常进行的前提下，让无

32、线传输单元处于休眠态， 以配合系统低功耗的设计原则。本设计所应用的射频收发模块电路如图 3-3 所示。图3-3 射频收发模块电路图12 3.1.2 复位电路设计在单片机系统中，复位电路是十分关键的。 当程序运行不正常或停止运行时，就需要进行复位。 本设计采用按键方式用于系统的复位。当按键闭合时， 为低电平，cc2530 处于复位状态；当按键开启时，为高电平，cc2530 处于正常工作状态。为了保证系统的稳定性和可靠性，在按键的输出端接上拉电阻r2。复位电路如图 3-4 所示。图3-4 cc2530复位电路图3.1.3 cc2530晶振模块设计晶振模块是一个电路系统正常工作的基本架构之一，大部分

33、的电路均是以晶振产生的时钟信号来驱动的。 晶振可用做时钟信号发生器， 为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。本设计晶振模块部分采用的是cc2530 单片机的片内晶振。 cc2530 内部有四个晶振：两个内部（ 16m rc 晶振， 32k rc 晶振） ，两个外部（ 32.768k 的石英晶振， 32m 的石英晶振）。一般，石英晶振的精度高、启动慢、耗电大；rc晶振精度稍低，但是启动快、耗电小。在上电时，默认的是使用内部的这两个晶振。外部晶振是由管脚33 和 32 构成的 32.768 khz 晶振电路，管脚 22 和 23 构成 32 mhz 的晶振电路。同

34、时需要注意的是，两个低频晶振不能同时上电，即不可以同时起振。 晶振在重新使用之前必须处于掉电状态一段时间，以保护晶振不受损坏。晶振电路如图3-5 所示。13 图3-5 晶振电路图3.2 数据采集模块3.2.1 温度传感器模块温度传感器模块主要功能是实时、准确地采集农业大棚环境中的温度参数，及时将数据信息传输到微处理器中。 dsi8b20 单总线数字式温度传感器集温度测量和 a/d 转换与一体，整体硬件电路设计简单， 运用上拉电阻 r7 提高输出能力。温度传感器电路设计如图3-6 所示。如图所示， dq 是数据线，用于和cpu 的 p0.5 接口连接传送串行数据，不需要外部件和备份电源，可直接用

35、数据线供电。gnd 是地线接口， vcc 是 3.3v电源接口。图 3-6 温度传感器模块图14 3.2.2 co2 传感器模块co2 传感器模块主要功能是实时、准确地监测农业大棚环境中co2 浓度参数，及时地将数据信息传送给微处理器。co2 传感器电路设计如图3-7 所示。如图所示，由于 mg811 工作电压在 6v，输出电压在 40ma 左右，单片机不能直接采集， 所以增加了一个高输入阻抗、低偏置电流的运放ca3140 来放大信号至 1.2v 左右，能够简单提高co2 浓度的分辨率，使单片机可以直接采集。后接一个 lm393 双电压比较器集成电路，将模拟信号转换为数字信号，利于单片机用不同

36、方式来处理信号。 通过正负端输入电压大小比较的变化直观显示在指示灯 d5 上。比较器反相输入端有固定电压输入，当同相端的传感器信号减小至小于反相输入端电压时，指示灯熄灭。co2 浓度越高，输出电压越低。当co2 浓度由低变高时，万用变显示电压降低，d5 指示灯会由亮变灭。图 3-7 co2 传感器模块图3.2.3 光强度传感器块光强度传感器模块主要功能是实时、准确地采集农业大棚环境中光强度参数，及时地将数据信息传送给微处理器。光强度传感器电路设计如图3-8 所示。如图所示，光强度传感器模块用3.3v 电源供电。 addr 和 dvi 均采用低电平电压输入，利用 sda 和 scl 串口进行 i

37、2c 通信，可在 lcd1602上直接读出光强度数据测量结果。 bh1750只需占用主控器的 3个 i/o 端口（ p0.1，p0.2，p0.3）就可以正常工作。15 图 3-8 光强度传感器模块图3.3 电源模块设计电源模块是所有电子系统必需的基础模块。针对传感器节点来讲， 电源模块直接关系到传感器节点的成本、效率、寿命等问题。因此，合理选择电源种类是电源设计模块中首选思考的问题。本设计核心系统板采用外接5v 电池供电，原电池能量密度高、 低廉、容易购买等特点使得整个系统能稳定工作。但基于节点所需要的电压不止一种，为确保单片机和传感器节点正常工作，根据cc2530对电源的要求，系统需要提供3

38、.3v 和 6v 这两种电压。为让系统整体正常运行，本设计引入了一个电压转换电路，使用两块电源芯片给系统供电。一种是eup3412降压电路设计后得到3.3v 稳压电压给系统其他部分供电；另一种是利用 lm2623进行升压电路设计得到6v 稳压电压后单独给 co2传感器模块供电。3.3.1 3.3v 电源电路设计3.3v 电源对除 co2 传感器部分以外的其他所有模块供电。采用的电压转换器芯片是 eup3412降压芯片。采取电阻降压，电容滤波的方法提供3.3 伏电压。电源接口处接5v 电源控制开关， c11、c12 电容为滤波电容，引脚均接地，主要滤掉高频纹波，防止自激振荡;通过 eup3412

39、，3.3v 电压输出以后，分别送到cc2530的 vcc 引脚和温度、 光强度传感器的vcc 引脚。3.3v 电源电路设计如图 3-9 所示。eup3412是电流控制模式的dc-dc 电压转换器， 输出电压与输出端的两个电阻比值有关，输出电压计算公式为vout=0.5v*(1+r12/r13)，通过选值，可得16 本设计的电压输出为3.3v。图3-9 eup3412电源电路3.3.2 6v 电源电路设计根据 co2 浓度传感器正常工作的要求，需对其使用6v 电源供电。采用的电压转换器芯片为lm2623 升压芯片。 lm2623 是一个高效率，通用，升压型dc-dc 切换为电池供电和低输入电压系

40、统的稳压器。6v 电源电路设计如图3-10所示。lm2623 是一个高效率，通用，升压型dc-dc 电压转换稳压器。输出电压公式为 vout=1.24*(1+r18/r19)，通过输出端的电阻选值，可得本设计的电压输出为 6v。图 3-10 lm2623 电源电路17 3.3.3 电压检测电路设计本设计采用 5v 原电池作为大棚环境监测的系统供电方式，当它工作时，由于电池内部损耗和外部环境的影响，电池电压会下降。 为了使系统监测能够长久稳定地进行，电源模块中增加了一个电压检测的设计。电压检测电路如图3-11所示。如图所示，电压检测电路选用ht7033a 低电压检测器， 默认使用 5v 原电池供

41、电，连接一个欠压指示灯d5在输出端口。当系统电压降低至3.3v 时，欠压指示灯 d5点亮，提醒要更换电池。图 3-11 电压检测电路3.4 lcd 显示在日常生活中， 液晶显示器随处可见。 液晶显示模块早已作为诸多电子产品的显示器件， 显示的主要为数字、 专用符号和图形。 液晶显示器为一般的单片机的人机交流界面基本输出方式之一。其在各个方面有着广泛的应用。液晶显示的原理比较简单， 它是利用液晶独特的物理特性， 通过电压控制其显示区域，通电即能显示的原理，来控制显示的图形。液晶显示器具有厚度薄、显示质量高、价格低廉、适用于大规模集成电路直接驱动、体积小、重量轻、功耗低等特点， 目前已得到大众的青

42、睐， 广泛涉及在众多领域。 在本设计的农业大棚环境监测中，采用的是lcd1602 液晶显示。以下是对lcd1602 的基本介绍。lcd 尺寸如图 3-12 所示。18 图 3-12 1602-lcd 尺寸图1、关于 lcd1602的电气参数说明： 一般来说， 大部分 lcd1602使用的驱动器为 hd44780s。hd44780s 的供电电压为 5v10%。经测试发现， lcd1602的供电电压虽然规定必须为 5v，但是其控制总线和数据总线可用3.3v 电平（ ttl 电平来说，大于 2.5v 的可以算高电平）。不过，在3.3v 的电平下，数据的通信速度可能会降低。2、 关于 lcd1602

43、的硬件连接说明： lcd1602 的通信模式可分为4bit 或 8bit两种，通信方式也可分为双向和单向两种。由于 lcd1602 不支持点阵绘图功能，所以本设计使用的都是单向通信。lcd1602 可以和单片机直接接口，硬件连接比较简单。 3.3v 的背光电压，有三根控制线，以及八根数据线。在实验前应将显示切换开关切换到lcd 工作状态。 lcd1602 硬件连接如图 3-13所示。19 图 3-13 lcd 硬件连接3.5 本章小结本章完成了农业大棚环境监测无线传感器网络节点通信对硬件电路的设计。包括 cc2530 最小系统的设计和数据采集模块、 电源模块、lcd 显示电路的设计。其中 cc

44、2530 最小系统设计包括了晶振电路、电源电路和复位电路三部分。晶振部分采用 cc2530 内部晶振，射频通信部分也是作为cc2530 内部成分进行阐述的。数据采集模块的电路设计包括温度传感器电路、co2 传感器电路、光强度传感器电路三个部分的设计。 电源模块作为系统整体最基础的部分，分为两个电路设计进行阐述。本地显示电路采用lcd1602 显示。目前，无线传感器网络（wsn）的硬件开发技术已经取得了比较好的进步，但仍旧面临多方面的挑战，比如硬件系统的可扩展性设计、 高能量密度电池与能量收集技术以及多种应用需求方面的矛盾和权衡等还需要做出进一步的改善。20 第 4 章 传感器节点的软件设计传感

45、器节点是由 cc2530 单片机，温度、光强、二氧化碳三种传感器，电源及 lcd1602 构成。每个传感器节点被初始化为无线传感器网络（wsn）中的终端设备。cc2530作为整个 zigbee节点的核心模块， 主要负责管理节点外围设备、存储传感器采集的数据信息， 并对采集的数据进行无线收发操作。电源则负责为整个 zigbee节点供电， lcd 负责显示传感器采集到的数据信息。4.1 温度传感器程序设计温度传感器程序设计中采用了一种阈值监测温度报警设计，它通过预先设置在 cc2530中的温度值来对采集到的温度进行判断，在设定温度范围之外的值则视为非常值。温度测量每 10min 进行一次，并不断进

46、行刷新操作，从而达到实时监测农业大棚温度的目的。lcd1602负责显示ds18b20采集的当前温度值。其程序流程如图 4-1所示。初始化温度设定温度采集温度刷新温度显示非常值？报警ny图4-1 温度传感器程序流程图21 4.2 二氧化碳与光强传感器程序设计二氧化碳与光强传感器程序设计比温度传感器程序设计增加了一个a/d 转换。系统主程序首先对各个部分进行初始化，设定正常值范围， 完成后开始接收用户的命令，读取并计算传感器采集到的数据值，经a/d 转换后在 lcd1602 上显示出来。若 lcd 显示出传感器采集到的数据不在正常值范围内则报警。程序不断地循环执行， 达到实时监测农业大棚里二氧化碳

47、浓度与光强度的目的。系统的程序流程如图 4-2 所示。初始化正常值设定采集数据a/d 转换数据显示非常值？报警ny图 4-2 二氧化碳与光强传感器程序流程图4.3 zigbee无线通信程序设计大棚环境监测 wsn 网络采用基于 ieee 802.15.4通信协议的 zigbee 无线传输技术。 zigbee 无线传输技术工作在开放式的、无需注册的2.4ghz 工业、科学以及医疗（ industrial scientific medical， ism）频段，传输距离大概范围在10m75m，若使用增益天线，传输距离可增加到1500m。此外，传输速率可达250kbit/s10mbit/s。ieee

48、802.15.4/zigbee 技术仅分为4 层， zigbee 协议栈是建立在ieee 802.15.4的 phy 层和 mac 子层规范之上的。它实现了网络层 (networklayer， nwk)22 和应用层 (applicationlayer， apl) 的功能。在应用层内提供了应用支持子层(application support sub layer，aps)和 zigbee 设备对象 (zigbee device object，zdo)。zigbee协议架构如图 4-3 所示。硬件实现软件实现图4-3 zigbee 协议栈架构图从网络结构上看， zigbee网络有星形、网状和树状3

49、 种模式，按照网络节点功能划分可分为终端节点、协调器节点(cp)、路由器节点 3 种。其网络拓扑结构分别如图 4-4abc 所示。图 4-4 网络拓扑结构图23 zigbee网络节点硬件设计的的核心是微处理器芯片。微处理器模块在无线收发模块的协作下完成zigbee 网络的建立与维护，数据采集与处理，无线数据收发以及 zigbee协议栈的正常运行。其网络层数据通信实现过程为：1.当有数据要发送时， 高层通过数据原语nlde-data.request 请求网络层发送数据帧；2.收到数据请求原语之后，网络层利用路由机制发送网络层数据帧：3.当网络层数据帧发送出去之后，网络层通过nlde-data.c

50、onfirm原语告诉高层数据发送的结果。包括状态、网络层净荷句柄和发送时间等参数。主程序流程如图 4-5所示。24 开始系统初始化zigbee 模块初始化进入查询状态有通信节点？进入建立通信链路状态建立成功？进入休眠模式激活传感器节点进入数据通信状态信息准确？通信完成？结束中断请求图 4-5 主程序流程图25 4.4 本章小结本章将基于无线传感器网络（wsn）的大棚环境监测系统中的传感器节点软件进行了阐述并画出了流程图。整体可划分为三个功能模块： 温度传感器程序设计、二氧化碳与光强度传感器程序设计和zigbee 无线通信程序设计。采用模块化的设计方式设计的软件灵活性较强，易于实现系统的扩展功能

51、。 若系统规模需要扩大， 或者增加测量对象时， 只需增加调用次数即可实现系统扩展，不用需重新设计电路。这也是基于无线传感器网络（wsn）的农业大棚环境监测系统比传统大棚监控系统更有优势的地方。26 第 5 章 系统测试5.1 系统的硬件介绍本文根据无线传感器网络节点的设计要求，结合农业大棚环境监测的实际情况，设计出了一款农业大棚环境监测无线传感器网络节点的硬件设计方案。选用cc2530 单片机作为系统的微处理器，配以ds18b20 温度传感器、 bh1750fvi光强度传感器以及mg811co2 传感器，选取5v 原电池作为系统供电电源，lcd1602 的显示方式，在 zigbee 协议作为

52、wsn 的传输协议下，实现了一种简易、低功耗的无线传感器网络节点硬件平台。完成系统硬件设计后，利用altium designer winter09 设计电路图，并制作pcb 板，完成硬件电路的焊接，下图为焊接之后的pcb板硬件实物图。图5-1 pcb 板硬件实物图5.2 传感器模块调试本设计开发了一个农业大棚环境无线监测网络，硬件搭接和软件烧录完毕之后，在实验室进行了调试， 先对系统分模块进行了初步的测试，然后对系统整体做出了调试。以下是对三个传感器模块调试情况作出的介绍。27 5.2.1 dsi8b20 模块调试调试 ds18b20温度传感器模块， 可以通过在 lcd1602 模块上显示出由

53、温度传感器 ds18b20采集的温度数据。用温度计测量的当前室温为18.5度，温度传感器采集到的温度为18 度。通过计算，得出测量误差为2.8%，该值在误差允许范围内，满足设计要求，适用于农业大棚温度的监测。温度显示结果如图5-2 所示。图5-2 温度显示5. 2.2 mg811 模块调试调试 mg811co2 传感器模块，在室温无处理情况下，co2 浓度值为 1.07v，但大于电压比较器的反相输入端固定电压，所以指示灯常亮。co2 浓度值显示如下图所示。图 5-3 co2 浓度显示（灯亮）当对着 co2 传感器吹气时，周围 co2 浓度增加，导致传感器输出信号减小，co2 浓度值为 0.96v。比较器反相输入端有固定电压输入，当同相端的传感器信号减小至小于反相输入端电压时，指示灯熄灭，如下图所示。28 图 5-4 co2 浓度显示（灯灭）通过调试，表明该co2 浓度传感器模块设计正确。可以通过调节比较器反相输入端的固定电压，来改变该模块对co2 浓度灵敏度的强弱，适用于农业大棚中对二氧化碳浓度监测的应用。5.2.3