【《基于ZigBee的农业温室环境无线传感系统设计》12000字（论文）】

PAGE4基于ZigBee的农业温室环境无线传感系统设计中文摘要温室环境是一种受控环境，与农业大田环境相比其波动性更大。因此，实时监测农业温室环境对于室内作物生长至关重要。在农作物的生长过程中，空气温度与湿度、CO2浓度以及光照强度是四个重要的环境参数。因此本次毕设采用ZigBee技术，设计了面向农业温室环境的无线传感器节点。首先，根据毕设任务要求并根据毕业任务要求以及现行的国家行业标准（温室控制系统设计规范）中的指标要求，确定了系统设计方案及各个环境参数传感器的型号；然后，完成了传感器节点的软硬件设计与开发，并通过测试实验对节点进行了验证。在传感器节点的硬件电路设计中，选择了CC2530无线通信模块、B-LUX-V30B型号的照度传感器、SHT30温湿度传感器、二氧化碳传感器JX-CO2-102等器件。为消除太阳光辐射对温湿度测量结果的影响，增加了防辐射罩。在传感器节点的软件开发中，采用IAR开发环境，完成了各类环境数据监测程序以及无线传输的开发。在上位机上，采用VisualStudio环境完成了数据采集界面开发，以便实时查看监测数据。最后，进行了测试实验。将所设计的传感器节点放在宿舍楼大厅花坛中（模拟温室环境）。设置数据采集周期为1分钟。同时，把RC-4HA型温湿度自动记录仪与传感器节点放置在一起，同时进行测量。实验结果表明，所设计的传感器节点能够稳定采集环境数据。与温湿度记录仪的测量数据相比，平均误差值约分布在3.1-5.1之间，符合行业标准中对误差值的规定。关键词：ZigBee；传感器；农业温室；环境监测目录TOC\o"1-3"\h\u17615第一章绪论 7189701.1课题背景及研究意义 7192131.1.1课题背景 7287131.1.2国内外研究现状 7147591.1.3研究意义 8247411.2主要研究内容 860051.3本文内容安排 83357第二章系统功能与方案 10178102.1系统功能分析 10227462.1.1工作原理 1036422.1.2系统架构 10288942.2方案分析 1239282.2.1可行性分析 12134852.2.2方案选择 1216822.3主要功能分析 13160332.3.1数据采集 13294212.3.2数据传输 1420372第三章硬件设计 15246213.1温湿度传感器 15166773.1.1传感器对比选择 1547713.1.2接口说明 16314653.2光照强度传感器 16158833.2.1传感器对比选择 1626173.2.2接口说明 1722063.3CO2浓度传感器 17147353.3.1传感器对比选择 18254883.3.2接口说明 18111363.4ZigBee模块 18195923.4.1CC2530微处理器模块 18242803.4.2ZigBee模块 19265863.5电源 20277613.6非技术因素 2085833.6.1实物组装 2052863.6.2行业标准 2113138第四章软件设计 2386094.1ZigBee协议栈 2383004.1.1开发环境介绍 2332814.1.2协议栈搭建 23316174.2数据采集节点 2323734.2.1工作流程 23128464.2.2部分采集节点软件开发 24250334.3数据读取节点 25125824.3.1协调器工作流程 25207224.3.2上位机软件 263734第五章功能测试 28272615.1测试环境 2852535.2结果与分析 29104085.2.1PC端界面 2949235.2.2数据记录 2914035.2.3误差计算 31256015.2.4结果分析 311807第六章总结 3217136.1已完成任务 3280246.3结论与展望 3222765参考文献 34768附录 36

第一章绪论1.1课题背景及研究意义1.1.1课题背景随着农业生产的要求越来越高，市场对农产品环境的要求也越来越严格，以保证农产品的质量。市场上的许多公司也更加致力于与环境监测系统协同工作的无线通信系统的研究和应用。农业工作领域较广，如何整合不同区域的环境数据并集中监测，是农业现代化进程中的一个探索点。传统的农业监控在人工场所的仪器是重要的测量记录，有时也接受有线或无线传感器也收集发送到专门从事业务的好监控界面，这些程序工作成本效益和大大改进。温室大棚的应用历史较长，但以往均在技术方面存在一定的短板，使得温室大棚在应用过程中仍存在诸多有待改善的实际问题。我们可采用基于ZigBee的农业温室环境无线传感器大棚环境监测系统，提高大棚管理效率和结果的准确性。此监测系统是ZigBee技术的拓展应用[2]。1.1.2国内外研究现状无线传感器网络作为一个全新的发展方向出现在现代信息科学领域中，以其空前的发展潜力在学术界引起了广泛关注；ZigBee2002年ZigBeeAlliance成立，2006年比较成熟的ZigBee2006标准协议被推出[29]。对ZigBee技术的深入研究与广泛应用推动着农业自动化在我国的一步步建设进程。目前，已经有许多利用ZigBee无线传感器网络所研发的产品应用在农业自动化方面，特别是环境监控方面，具有监测和控制功能，被工业和农业环境频繁利用；来自美国克尔斯博科技公司的无线通信系列产品，应用于农业环境监测中，对环境数据进行采集。虽然ZigBee应用越来越多，芯片出货量也逐年递增，但总体来说，ZigBee市场仍然处于起步探索阶段，虽然ZigBee在艰难前行，但未来整个ZigBee产品还是值得拭目以待[29]。1.1.3研究意义研究温室中小范围气候环境自动监测系统对于提高温室中小气候环境控制的自动化水平和提高温室生产效率等均具有重要意义。因此将无线通信模式的传感器在温室环境监测系统中的应用，帮助克服了有线监控系统中的许多缺点，例如，在大棚环境监测中，受仪器精密度的影响，加之方法不科学，容易造成应用成本较高的结果，从而导致使用效果难以得到保障。在温室内的小气候环境中，棚内空气温度、相对湿度、空气照度和CO2气体浓度是重要的环境因子，因此在检测温室环境的过程中，对空气温度、空气湿度、照度以及CO2浓度进行准确的测量与数据收集十分重要。1.2主要研究内容ZigBee技术突破了有线传感器的局限性，可方便用户随时了解大棚内的环境变化情况，依据此类数据资料及时进行种植调整，避免因人为原因的疏忽影响农业物长势。ZigBee技术是智慧化农业的具体表现，具有显著的应用优势，因此值得在农业生产中大范围推广应用。ZigBee技术基于CC2530微处理器模块，对温度传感器、湿度传感器、光照强度传感器以及CO2浓度传感器所采集的温室环境进行收集打包，然后通过ZigBee无线通信技术将数据无线传输到上位机，以此达到本次毕业设计的最终成果。1.3本文内容安排第二章主要概括地介绍本次毕设的系统整体功能和方案的选定，对毕设作品的工作原理进行整体介绍，并展示功能框图；对整体工作流程从数据采集和数据传输方面进行具体梳理并展示工作流程图；通过对整体工作流程的梳理，以及对功能的需求，分析所需要实现的功能和最终要达到的目的，进行方案的罗列和选择。第三章的内容则是对本次设计中所使用到的硬件进行选择，主要介绍所选择传感器、微处理器的特点、工作范围以及选择的理由，并将所选器件与其他同作用不同类型元件进行比较，陈述本次选择的原因理由以及最终的决定会对设计的最终目标造成的影响。来到第四章时本文就开始介绍本次毕设的软件设计部分。从数据采集的步骤开始到最终的数据显示，每一步的软件设计与编程代码是如何编写与实现功能的，都会在第四章以终端采集、协调器传输、上位机软件显示的顺序进行详细介绍与解说，细说每一步的功能与代码之间的实现可能性。第五章的内容则是把以上章节所描述的软硬件联合起来，进行本次毕业设计产品的最终调试。将软件程序导入硬件设备，选择合适的实验环境，将设备布置好后定周期定范围的进行一定时间长度的实验以验证本次设计的可行性，并对所出现的问题和已完成的任务进行分析与总结。第二章系统功能与方案2.1系统功能分析2.1.1工作原理空气中的温度与空气湿度由温湿度传感器进行数据采集，大棚内的光照强度由照度传感器来采集，空气中CO2浓度数据由CO2浓度传感器采集后，通过终端的ZigBee模块进行连接、接受数据并打包以及发送，通过两个ZigBee模块之间的无线传输，由协调器ZigBee模块接收数据，然后再由协调器连接的上位机电脑，在电脑软件上显示所收集到的温度、湿度、光照强度以及CO2浓度数据。2.1.2系统架构根据如工作原理所述的工作过程，可将功能实现过程绘制成如图2.1的系统功能框图，无线发射装置即与微处理器相连的ZigBee终端，无线接收装置即与PC端相连的ZigBee接收模块——协调器。图2.SEQ图\*ARABIC1系统功能框图为实现数据采集功能和数据传输功能，需要相对应的程序支持，而进行程序代码编写和软件设计之前，需要对具体的功能流程有一定的了解，即有了如图2.2所示的功能流程图，如图2所示是本次设计中功能流程如何在软件，启动工作后，首先进行系统和ZigBee模块的初始化，然后成功接通串口通信，接通后依次采集所需数据，经过无线传输后闭环重复进行数据采集和数据显示工作。图2.SEQ图\*ARABIC2功能流程图2.2方案分析2.2.1可行性分析首先从经济角度出发，在过往的农业大棚经济中大多数采用的是有线传感器监测系统，不仅在初次使用的过程中会经历较为麻烦的布线过程，而且会带来较高的成本压力，且在每次更新有线设备时，需要耗费大量的人力、财力，并不可取。而无线通信的监测形式，不仅免去了布线所耗费的大量时间，也节省了不必要的安排布线的人员和资金浪费，设备维护时也不需要大动干戈，仅挪动所部属的传感器即可。如此便捷的管理维护方式更适合现代化的农业大棚发展需求。其次从技术层面考虑，当前物联网技术发展迅速，ZigBee组网作为一种现代常用的短距离通信手段，提供了一种较为稳定的双向无线通信模式。ZigBee组网与其他通信技术相比，又具有成本较低、实用性相对比较强、延时略短等优点，因此被广泛应用于各类电子产品领域。ZigBee系统具备良好的兼容性和易于在农业项目中实现的操作性，有很好的发展前景和隐藏潜力。现如今随着物联网的发展与成熟，ZigBee组网技术的应用场景也在日益丰富，以及它与传感器、控制器的结合，都大大提升了现代化信息数据交互的能力。接下来从市场可行性来看，在农产品事业日益重要的今天，市场对农业大棚产品的需求也在不断增加，而本次毕设的监测系统使用了ZigBee无线通信系统，提高了农业发展中的自动化程度，减少了不必要的成本浪费，部署方便，操作简单，改动便捷，可以满足大部分的客户需求，又市场上的无线监测系统暂时较少，因此在市场上具有较高的可行性和竞争力。最后，根据同一种功能的传感器不同型号之间的测量范围、价格。测量精度等不同，对传感器进行选择，将在第三章中进行详细的分析介绍。由于温湿度传感器、照度传感器和CO2浓度传感器的工作温度范围和工作湿度范围最小交集为0-60℃和0-95%RH，符合普遍大棚的棚内温度和湿度，可确定下所选用的传感器型号符合本次方案。2.2.2方案选择根据以上的可行性分析，分别有以下几种方案选择：方案一：单片机STM32经传感器采集到数据后，通过Wi-Fi无线通信模块ESP8266上传到云平台，然后通过云端和手机APP查看通信查看采集的数据；方案二：单片机8051经传感器采集到参数后，通过NB-IoT网络上传到云平台，最终可通过云端和手机APP进行数据的手机和查看；方案三：微处理器CC2530通过传感器收集数据，通过ZigBee无线通信传输给连接上位机的协调器，最终在上位机软件中显示所收集的数据。对方案一与方案二而言，都各有其优缺点：Wi-Fi无线通信有全球统一标准，使用方便，但通讯距离有限，稳定性差、功耗较大且组网能力和安全性都相对较差；NB-IoT网络这种纯粹中央型网络管理的方法可能存在每轮询问周期时间太长的问题，除此之外，NB-IoT的网络特性与理论也相差过远，大连接、低功耗等这些实际表现出来的特性与宣传差距都相差甚远，号称10年的低功耗特性、每小区50K的连接，然而实际的应用中，与其宣传的目标效果还有较大距离。而方案三中所提及的ZigBee无线通信模块，虽有效范围相对较小，但同时兼具了迎合市场需求的种种优点：ZigBee提供了数据检查的完整性和调用功能，因此具有高安全性；传输速率低，传输数据量很小也是ZigBee技术的优点，因此信号的收发具有低功耗的优点；ZigBee响应速度也较快。节点连接进入网络只需30ms，由此可得ZigBee系统进一步节省了电能；通过大幅简化协议，以及降低对节点存储和计算能力的要求，降低了ZigBee系统的成本；又得益于ZigBee系统的低速率和传输可靠等优点，使得它非常适宜支持简单器件，同时也就具备了网络容量大的优点。综合比较之下，本次毕业设计决定选择方案三，使用具有低功耗低成本等优点的ZigBee系统，以及微处理器CC2530模块完成本次数据采集和传输的目标。2.3主要功能分析2.3.1数据采集数据采集模块主要是应用了CC2530控制器作为微处理器模块，对温度湿度的传感器、照度传感器以及CO2浓度传感器进行统一控制，迅速准确采集大棚范围内各项环境指标数据并进行打包处理。SHT30温湿度传感器，由于温度与湿度在环境中的关联性，二者可在同一传感器中同时实现数据采集，可对周围空气环境中的温湿度进行灵敏的反应，数字采集温度和湿度数据；B-LUX-V30B光照强度传感器在光照环境下，对光线进行感应，并埃及照度数据；JC-CO2-102传感器对应采集CO2浓度数据，在避光且空气流通的环境中进行。如图2.3所示的数据采集过程中，三方传感器采集数字信号后统一将信号传输至CC2530微处理器，并通过终端ZigBee模块无线发送完成下一步的数据传输。更为详细的传感器将在硬件设计中进行描述。图2.SEQ图\*ARABIC3数据采集流程框图2.3.2数据传输传感器所获得的数据，通过CC2530微处理器模块收集处理后，通过ZigBee模块的无线传输功能，终端发送给协调器ZigBee模块进行数据的传输与接收，再由ZigBee模块发送给相连接的PC端，在电脑软件上进行数据显示。具体的数据传输流程如图2.4所示，终端与协调器之间的信息传输通过ZigBee模块的无线通信功能实现。图2.SEQ图\*ARABIC4数据传输流程框图

第三章硬件设计3.1温湿度传感器由于温度与湿度传感器之间具有较高的关联性，因此有很多温度与湿度集成的传感器，既能检测温度也能检测湿度。3.1.1传感器对比选择温湿度传感器例如DHT系列以及SHT系列，均经常使用于工业与农业中，经过如表3.1的各类型号温湿度传感器之间的对比分析，本次毕设选择了SHT3X系列的SHT30温湿度传感器如图3.1所示，除了表中所示的优点之外，还具有响应时间短、使用方式更方便以及价格更低等优点。由表可知它的工作范围在-40℃~125℃的温度内、以及在0％RH~100％RH的湿度范围内；测量精度在±0.3℃、±3％RH，满足在农业大棚中所可能出现的温度环境和湿度范围。表3.SEQ表\*ARABIC1各型号温湿度传感器对比传感器型号核心成本稳定性工作范围DHT11湿敏电阻较低较差-20-60℃20-90%RHSHT11湿敏电容较高较好-40-125℃0-100%RHSHT30较低好图3.1温湿度传感器实物图3.1.2接口说明本次设计中，SHT30的引脚连接为：VCC接3V3电源正极，GND接地，SDA接数据串行口，SCL接串行数据IO口，模片内部链接到VSS。SHT30的工作电压范围为2.4-5.5V，VCC接3V3较为合适；GND默认接地；SCL为传感器与单片机之间的数据通信，支持根据IIC标准进行适中拉伸的命令；SDA用于传感器之间的数据传输，二极管到VDD和VSS，IIC总线上的设备必须只驱动接地的线路。3.2光照强度传感器3.2.1传感器对比选择光照度传感器在农业大棚、城建照明以及工业车间中十分常用，也具有多种型号，例如工作范围在0—20000Lux的HB-LX100传感器和HA2003光照传感器，以及测量0-200000Lux的B-LUX-V30B环境光传感器。经比较后，HB-LX100传感器需5-24V直流供电，而HA2003传感器可测量范围相对较小，因此本次毕设选择综合条件比较合适的B-LUX-V30B传感器，如图3.2所示。该传感器可提供I2C数字输出，可理想化地适用于生活中各行各业的传感器应用场景中。该器件的工作电流小于0.8mA，属于相对低功耗的环境光传感器；同时它具有32位光照值寄存器和112字节EEPROM数据存储单元，测量0—200000Lux光照强度值。本次使用的V30B传感器，有0流明至200000流明宽的检测范围，微光精度0.054流明[1Lux=1流明（lm）/平方米]。工作电流ICC=0.7mA，工作电压为2.7-6V，工作温度范围在-40-+85℃。图3.2光照度传感器实物图3.2.2接口说明V30B传感器的使用中，VCC接3V3电源，GND接地，SCL接IIC时钟总线，SDA接IIC数据总线，EN传感器片选使能端，H高有效，L关闭传感器。器件地址为：0x94写数据地址；0x95读数据地址。V30B环境光传感器的工作电压范围在2.7-6V范围内，因此VCC端接3V3合适，GND为默认接地。该数字比特流经过数字处理同时可以保存在输出寄存器内，通过I2C接口读取。3.3CO2浓度传感器CO2传感器的功能是实时监测周围环境的CO2浓度。3.3.1传感器对比选择CO2传感器中有以下几种，利用红外感应的CO2传感器、利用热传导测量CO2传感器和以催化的途径来测量CO2的传感器，其中烟雾传感器和红外传感器均经常使用于监测CO2的场景，经过对比分析，热传导传感器主要依靠空气中的可燃气体改变电阻大小以达到测量CO2浓度的目标，而催化传感器输出为电流信号且大多运用在化工冶炼的场合，烟雾传感器功耗较高，上述均不适合使用于本次毕设。而红外传感器具有功耗比较低、对氧气没有依赖性以及灵敏度相对较高和使用寿命长等优秀的特点，因此综合上述优点和使用限制来看，严谨考虑后最终选择了型号为JX-CO2-102的红外传感器，如图3.3所示。在标准温度25℃的情况下，响应时间约为30秒，预热时间约为1分钟，预计达到所需精度的时间在5分钟之内，工作在0-95%RH的湿度范围内，以及-10-60℃的温度范围内。图3.3CO2浓度传感器3.3.2接口说明在本次毕设中，CO2浓度传感器的VCC接工作电压5V，GND接地，TX引脚接TTL电平信号。预留有HD引脚、DA电压信号，以及RX引脚连接TTL电平信号。3.4ZigBee模块3.4.1CC2530微处理器模块在大多数情况下，STM32的使用较为广泛，且具有资料多、外设丰富等优点，但功耗也相对较大。而CC2530具有相对功耗较小，以及成本也相对较低的优点。经过对比分析，本次无线传感器决定使用CC2530微处理器。CC2530集成了8051内核和无线收发模块，如此集成在一个芯片上的集成芯片设计，总得来说比使用单独的微处理器和单独的无线收发模块要方便许多。CC2530芯片内核为8位的8051并有内置的射频模块，同时具备了2个USART通信口、21个通用I/O引脚、P0端口可设置为差分输入或者单端的8个ADC通道，转换精确值甚至可达12位、8千字节的SRAM和256千字节的ROM，完整满足客户对现场数据处理速度的高要求和数据存储与数据发送的多需求。图3.4CC2530底板原理图3.4.2ZigBee模块ZigBee技术具有功耗低，成本低，延时短，容量大，布线自由等特点。如果以ZigBee技术为核心来升级现有的温室监测系统，将大大提高监测效率，并极大降低监测复杂度和维护成本。采用ZigBee技术构建无线传感器网络，可以实现每个传感器节点的实时数据处理，且具有组网简单、系统成本低、网络扩展容易、通信稳定和维护简单等优点。本次使用的ZigBee开发板实物如图3.5所示，其底板原理图如图3.4所示，有48个引脚，其中核心板与底板的3V3、GND以及P10-P21引脚相连接；CO2浓度传感器连接5V引脚和P02、GND引脚；温湿度传感器和光照度传感器分别连接P06、P07引脚和P13、P12引脚，以及共同连接的3V3和GND引脚。图3.5ZigBee模块实物图3.5电源终端节点的设备电路能否正常工作主要取决于电源的配置。温室大棚一般不会出长时间有人员看守的情况，而且棚内环境会随外界气候变化而发生小幅改变，有时还会受到人为因素的影响，因此尽量选择对供电电压要求较低的数字型传感器。并且，为了适应温室大棚内较为多变的大棚环境，无线传感节点还需要具有移动性，同时CC2530模块和所需三种传感器的的供电电

压

分别是3.3V和5V，所以选择额定电压为5V的移动电源设备进行棚内终端节点的供电，通过5V的供电和5V、3V3的电平转换即可满足所有模块的供电需求。3.6非技术因素3.6.1实物组装检测半成品功能全部实现后，进行外部组装，定制184×184×130的塑料盒采用ABS颗粒材料，有效防水并延长监测节点在潮湿环境中的使用年限；下方采用防雨防尘的百叶罩，保护温湿度和CO2浓度传感器在大棚中不受尘土或湿度影响测量结果。图3.6硬件内部图根据硬件内部模块的传感器设计并进行组装后如图3.7所示，光照强度传感器被安装在直视管线的组装盒上方，CO2浓度传感器和温湿度传感器为避免光照对传感器工作的影响安装在组装和下方。同时安装有防辐射罩并喷有三防漆，有效防止下方的传感器潮湿影响传感器的使用寿命和精确性。图3.7实物外观图3.6.2行业标准根据中华人民共和国机械行业标准中温室控制系统规范，本次传感器的选择和实验环境的确定符合如表3.2所示连栋温室测量内容中中测量范围和准确度的规定。具体数值展示和误差计算将在5.2.2和5.2.3中详细表述。表3.SEQ表\*ARABIC2连栋温室测量内容、测量范围和准确度测量内容测量范围准确度温度（℃）0-50±0.5湿度（RH%）10-100±5室外光照（Lux）10-200000±10室内CO2浓度（10-6）10-250010

第四章软件设计4.1ZigBee协议栈4.1.1开发环境介绍用于ZigBee无线网络进行编程的软件是

8051

的

IAR

FOR

workspace。在这次开发过程中，本次毕设决定采用模块化的概念。换句话，模块程序提供的功能被适当地使用，而没有将功能和实现方法视为每个模块之一的功能和实现方法。4.1.2协议栈搭建在这次创建的这个程序中使用了定期唤醒终端，自动收集传感器数据，然后传输数据的方法。根据上面的写法，还可以创建自己的环境监测感官因素无线网络，包括温度、湿度、光照强度和CO2浓度。4.2数据采集节点4.2.1工作流程本次收集数据的端节点通过收集节点启动关联信号并创建协调器网络。系统启动后，CC2530

模块开始扫描通道，检查是否存在协调器，发送请求，找到后匹配，等待短地址，并响应新的连接和连接状态。分配一个结果检查帧包含命令。这样子节点和协调器就可以正常连接，然后相互通信。协调器ZigBee节点是ZigBee网络的重要启动或建立设备，本系统选用与CC2530芯片配套的ZigBee协议栈以及IAR集成的开发环境。上电后，先进行CC2530芯片和ZigBee协议栈的初始化，然后由ZigBee协调器节点进行组网，并接着指定该网络的ID号，等待着终端采集节点加入网络。终端节点在入网后，可以用来对温室环境的参数进行采集，以及在需要操作终端的情况下，可以通过继电器控制器来实现对终端设备的控制和运行。图4.1为终端设备节点在采集数据时的工作流程图。图4.1终端采集节点工作流程图4.2.2部分采集节点软件开发以读取温湿度传感器读数为例，展示所使用的部分代码。写地址后读取周期采集的数据，读地址后对数据进行存储，将最后一个数据回到NOACK。If(!vRval)vRval|=SHT30_SendByte((SHT30_PERIODOC_MEASURE_READ>>8)&0xFF); /此命令下/读取周期采集数据if(!vRval)vRval|=SHT30_SendByte(SHT30_SlaveAddress+1);//命令语句读地址if(vRval) returnvRval;vBuf[i]=SHT30_RecvByte(); //命令语句存储数据SHT30_SendACK(1);//最后一个数据回NOACKSHT30_SendACK(0);//回应ACK4.3数据读取节点4.3.1协调器工作流程协调器主要负责收集和转发来自网络节点的数据，是监控系统的重要组成部分。CC2530硬件模块被纳入程序协调器后，第一次初始化，然后扫描信道，然后检查ZigBee

网络是否成功。成功后连接无线人体监控系统，当端节点请求入网许可时，自动分配单个16位网络地址，同时存储终端地址和更新数据。协调器通过PC的串行功能从端节点传输数据。协调器能够发起网络组建功能。同时协调器也能够起到汇聚信息的功能，它能够将设备采集节点的采集数据上传至PC端，也能将PC端的控制指令下传至设备控制节点，图4.2为一个协调器的主要工作流程图。图4.2协调器主要工作流程4.3.2上位机软件根据系统需求，本次毕设的上位机软件使用的是visualstudio（VS）开发工具，开发了如图4.3所示的上位机显示界面，可方便用户在大棚之外的上位机随时查看此时此刻的棚内作物生长环境数据。本文采用C#对其进行开发，该软件可以对所采集并传输到上位机的温湿度、光照强度和CO2浓度数据进行显示。此次的软件设计模块化，模块功能的不同课作为依据做出针对性极强的设计，降低了软件功能模块间的耦合性，系统平稳运行有了保障，温室环境监测因子数据——包括温度、湿度、光照变化等——在被获取并被整合。上位机软件基于模块化设计，预留各模块数据窗口。本设计中，系统采用定时器的方式，设定为每100ms调用一次定时器，对串口数据进行一次读取。用户可通过输入正确的端口和波特率信息，并连接串口的方式，查看此时的温度湿度、空气中CO2浓度以及光照强度数据。图4.3上位机软件界面第五章功能测试5.1测试环境为验证本次毕设作品的可实施性，系统安装完毕后即进行了性能测试。在实验时，将终端设备放置在模拟的大棚环境中，即如图所示类似大棚生态的花坛中，并在花坛外放置接收信号的协调器和与协调器相连的上位机。系统上电之后，等待初始化和传感器预热，系统正常运行工作后，打开上位机软件，可观察到如第四章4.3.2中所示的图4.3的界面，选择正确的端口，默认波特率为9600后连接串口，可观察到每100ms变化一次的温度、湿度、CO2浓度以及光照度数据，为验证本次实验的数据准确性，在模拟环境周围安排人员进行实时测量，每1min采集一次数据，将温湿度自动测量仪器中记录的数据与上位机数据进行对比。误差5%之内，则表示本次测量精度符合检测精度的要求即代表本次系统监测有效监测大棚内环境参数信息，且数据准确、实时性较高，大致可得出其达成了工作目标。图SEQ图\*ARABIC5.3模拟检测场景5.2结果与分析5.2.1PC端界面系统上电并初始化完成后，选择正确的端口连接，等待传感器预热结束，即可得到如图5.3所示的数据显示情况。图5.4上位机数据显示界面5.2.2数据记录根据本次测试的可信度，分别选择了五个时间段进行共计三十次的数据测量，每组六次，每一分钟进行一次读数完成一组的数据测量。统计后填写表中（见附录）并绘制折线图（温度对比5.4、湿度对比5.5、光照强度对比5.6以及CO2浓度变化折线图），方便将数据与已有的精确仪器的数据进行比较与分析。CO2浓度的测量并没有可供参考的数据测量仪器，因此仅展现测量组数据的变化情况折线图。图5.5温度测量值与参照值对比折线图图5.6湿度测量值与参照值对比折线图图5.7光照强度测量值和参照值对比折线图图5.8CO2浓度测量值折线图5.2.3误差计算由误差值计算方法的公式M=(A-E)可知，其中A表示测量值，E表示正常值，自动测量仪所记录的数据即为E正常值，本设计所测量并记录的值为A测量值。计算每组数据的误差后可得，每组温度测量值和正常值之间的平均误差分别为0.55、0.4、0.38、0.48和0.45，排除设备刚启动时的预热和不稳定，此次温度测量符合行业标准中所说的±0.5准确度；湿度的测量值和正常值之间的平均误差分别为5.1、4.71、3.2、3.1、3.23，由误差可看出本次的湿度测量也符合行业标准中规定的准确度；光照强度在测量值与正常值的比较之后可得误差值为5.8、5.6、5.5、4.8、6.7同时也符合此次监测所遵循的行业标准中对温室光照强度的准确度要求。虽在本系的对比测量中，缺少CO2浓度的测量仪，但根据12:30到15:55的时间段里，CO2浓度的变化曲线符合普通大棚中的CO2变化规律，因此也可暂时认为CO2浓度的测量是基本符合自然变化规律的。5.2.4结果分析根据本次实验的数据记录结果和误差计算数据可得出本次的结果分析——在中午12:30到下午15:55的时间里，不论是温度和湿度的数据还是CO2浓度和光照强度的数据，都有一定的曲线变化，实际值与测量值之间的误差符合精确度，因此本次的实验数据符合行业标准。第六章总结6.1已完成任务本次毕设的目标旨在完成大棚环境内温度数据、湿度数据、CO2浓度数据和光照强度数据的采集和传输，利用ZigBee模块的无线传输方式，终端ZigBee模块采集数据后，在自组网内发送数据给协调器ZigBee模块，由协调器将数据传输给相连接的上位机，并在上位机软件中显示以方便用户的监测狱与管理。在此次基于ZigBee的设计中，我首先学习掌握了ZigBee协议栈工作的原理、开发技术，为在整个设计中得到充分的利用和发挥做好准备；并通过无线通信功能达到了本毕业设计的主要目标。在数据采集中，不同的传感器甚至同功能传感器的不同型号，都具有不同的引脚连接、工作范围和测量精度，在了解并熟练运用传感器的不同参数之后，也做到了利用所需要的合适的传感器进行数据采集方便后续的数据传输和读取；在数据传输时，学习无线传输的特点并加以利用；在功能测试时选择合适的实验环境和较为适中的数据统计时间，与已有的数据记录进行对比并计算误差，得出第六章的实验结果并进行数据分析。6.3结论与展望整个系统的正常运行需要靠很多不同设备同时配合操作能完成的，而这些设备都有很多电源线以及复杂的信号线，所以在安装的时候，消耗的时间比较长、成本高；使用和移动时也会带来不必要的麻烦。因为线路较多且杂的限制，这样并不利于设备之间的更新与维护。温室监控系统的发展都因这些因素而有所阻碍。为了解决这些窒碍，本文设计的这种以ZigBee为基础的温室监控系统，可以提高农业生产监测中的自动化程度，节约监测成本，更高的经济收益也被提上日程。但由于本次毕设的设计时间有限、开发时间较短，任务较重，因此可能会存在一些不可避免的缺点和漏洞。系统的功能以及硬件和软件的反馈和管理控制功能的实施需要在今后继续完善，并建设更大规模、更多采集节点的智能温室监控。可以说，本次毕设的监测系统并没有成为农业大棚发展大势的能力，只能作为一个本科毕业设计达到其基础的目标要求。若要更进一步提升农业温室大棚的监管水平和自动化程度，可以安排多节点数据采集，也可以深入了解并开发出不仅可以支持监测并且可以支持用户进行反馈管理以及数据自动化统计比较的检测系统，在监测的基础之上开发出管理与控制的功能，可以说是农业大棚监测中的更进一步发展。参考文献王瑞娜,潘晓贝.基于ZigBee的温室大棚环境监测系统研究设计[J].常州信息职业技术学院学报,2021,20(02):24-28.王子博.ZigBee技术在大棚环境监测系统中的应用[J].乡村科技,2021,12(01):125-126.李佳辕,刘彬.基于ZigBee的温室监测系统设计与实现[J].现代信息科技,2020,4(24):13-16.蓝善根.基于ZigBee组网的温室大棚监测技术研究[J].电子技术与软件工程,2020(24):9-10.舒丹丹,许钟,强大壮,李宁.基于ZigBee的温室大棚监控系统的设计[J].辽宁师专学报(自然科学版),2020,22(03):80-84.姜杰.温室大棚种植中ZigBee无线传感器网络技术的应用[J].农业开发与装备,2020(07):138-139.张天恒,刘小枫,瞿宝华,贾彦平.基于ZigBee的温室大棚环境远程监控系统设计[J].重庆理工大学学报(自然科学),2020,34(06):200-204.饶章宇.基于ZigBee的智能大棚系统设计[J].计算机时代,2019(08):21-23+28.王腾.面向ZigBee的温室监控系统的设计研究[J].南方农机,2019,50(11):196.魏韬.基于ZigBee无线传感网络的大棚数据采集系统的设计[D].安徽理工大学,2019.杨蕊,李勇伟,赵慧芳,杨方,潘大丰,崔玉祥.基于PLC和ZigBee的温室群集控系统的设计与应用[J].安徽农业科学,2019,47(09):224-226+239.程芳,基于ZigBee技术的温室大棚智能监控系统设计.河北省,河北农业大学,2019-02-27.钟馨怡,李成勇.基于Zigbee的温室监控系统的设计[J].电信快报,2019(01):38-42.吴永亮,顾丽霞.ZigBee组网技术在智能温室系统中的运用[J].农村经济与科技,2018,29(24):276-277.潘琳.基于ZigBee技术的温室大棚环境参数远程监测[J].时代农机,2018,45(11):232-233.李康,周晓,何慧华,袁玲,许建国.基于物联网的温室大棚环境监测控制系统[J].信息与电脑(理论版),2018(21):86-87+90.马黎.基于Zigbee的农业温室环境监控系统[J].杨凌职业技术学院学报,2018,17(03):37-40.刘忠超,范伟强,常有周.基于ZigBee的智能温室远程监控系统设计[J].江苏农业科学,2018,46(16):166-170.郑慧珍.基于ZigBee的温室环境监测系统设计与应用[J].长春师范大学学报,2018,37(08):42-45.于明月.基于ZigBee的日光温室监测系统的研究与设计[D].沈阳农业大学,2018.翁连娟.基于ZigBee技术的桑园环境监控系统设计[D].中国计量大学,2018.OBADIMOHAMMEDESMAILAHMED.无线传感器网络在农业温室测控系统中的应用[D].哈尔滨理工大学,2018.赵历明,杨建飞,张年初,黄日葵,杨舒,王欢欣,邵曙光,储勇.ZigBee技术在农业物联网中的应用[J].齐齐哈尔大学学报(自然科学版),2018,34(01):53-57.胡晓进,李江涛,郭显显.基于物联网的温室环境监控系统设计[J].电脑迷,2018(01):75+77.季永权.基于ZigBee无线传感网络的温室智能监控系统的研究与应用[D].浙江农林大学,2018.LiMa,HengLongYu,LiYingCao.AgriculturalInformationRemoteCollectionSystemBasedonZigbeeResearch[J].AppliedMechanicsandMaterials,2014,3512.GenrenWang,YongChang.MaterialHandlingSystemBasedonZigBeeWirelessRemoteContro