1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上目錄 摘要Abstract第一章 前言11.1 研究目的和意義11.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.3 研究內(nèi)容2第二章 系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)42.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)4 2.2 ZigBee無線通信技術(shù)4 2.3 GPRS概述 5第三章 溫室參數(shù)分析和系統(tǒng)總體設(shè)計63.1 溫室參數(shù)分析73.2 系統(tǒng)總體設(shè)計 5第四章硬件設(shè)計64.1 微處理器模塊74.2 無線收發(fā)模塊104.3 數(shù)據(jù)采集模塊114.4 報警模塊15第五章 軟件設(shè)計165.1 管理中心設(shè)計165.2 ZigBee 軟件開發(fā)環(huán)境175.3 傳感器節(jié)點設(shè)計185.4 匯聚節(jié)點設(shè)計195.5 執(zhí)行結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計20第六章 結(jié)論

2、21致謝22參考文獻(xiàn)23專心-專注-專業(yè)摘要我國的農(nóng)業(yè)正在向現(xiàn)代化、規(guī)?；?、智能化發(fā)展。溫室大棚作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的部分，對溫室環(huán)境的有效管理能提高溫室作物生產(chǎn)效率和農(nóng)民經(jīng)濟效益。 溫室環(huán)境的濕度、溫度、 光照強度等因數(shù)對溫室作物的生長有很大的影響。針對溫室控制的需要，設(shè)計了一個基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過分布在溫室區(qū)域內(nèi)的大量傳感器節(jié)點采集信息，數(shù)據(jù)以Zigbee無線傳送方式發(fā)送至匯聚節(jié)點。 匯聚節(jié)點通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程服務(wù)中心通信，同時匯聚節(jié)點能接收遠(yuǎn)程服務(wù)中心發(fā)出的控制命令，控制部署在溫室的控制節(jié)點，進而調(diào)節(jié)溫室各參數(shù)達(dá)到合適要求。 關(guān)鍵詞： 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，溫

3、室，ZigBee技術(shù) AbstractChinas 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.

4、 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 no

5、des 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

6、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1.1 研究目的和意義目前很多溫室控制系統(tǒng)采用的是有線傳輸方式，有線傳輸

7、需要鋪設(shè)大量的信號傳輸線，由于天氣和其他原因設(shè)備之間的連接線很容易壞，提高了檢修和維護的難度。將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在溫室控制系統(tǒng)中，除去了設(shè)備之間的信號傳輸線，不僅提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)的擴展性也得到提高，也方便了系統(tǒng)的檢修和維護?；跓o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室控制系統(tǒng)，能準(zhǔn)確地監(jiān)測溫室內(nèi)溫度、濕度、光照強度等參數(shù)，大幅度提高溫室作物的產(chǎn)量和品質(zhì)。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 20世紀(jì)，基于總線技術(shù)包括以太網(wǎng)技術(shù)的溫室控制系統(tǒng)得到了快速發(fā)展。葡萄牙的Metrolho,J. C.等人在1999建立了基于CAN總線以及PC機等組建的典型溫室控制系統(tǒng)1。 美國興起了劃時代意義的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并嘗試性地將

8、其運用到溫室監(jiān)測中。由分布在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量微型傳感器節(jié)點組成，以多跳的形式自組織成網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，各傳感器采集和分析網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中監(jiān)測對象的信息，并發(fā)送給觀察者的技術(shù)引起了人們的關(guān)注2-3。 在無線傳感器的技術(shù)這個方面，我國的溫室無線控制技術(shù)仍處于起步階段。 目前， 星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在溫室控制系統(tǒng)中是運用最多的無線數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)中，主機直接與溫室大棚中的傳感器節(jié)點相連。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相對簡單，易于檢修和維護。運用溫室智能環(huán)境監(jiān)控技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)成無線溫室控制系統(tǒng)，實現(xiàn)溫室環(huán)境的自動化、規(guī)?；刂剖俏磥淼陌l(fā)展方向4-5。 1.3 研究內(nèi)容本文根據(jù)溫室環(huán)境參數(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點，提出溫室控制系統(tǒng)

9、的設(shè)計方案。設(shè)計了一個基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過分布在溫室里傳感器節(jié)點采集信息，數(shù)據(jù)以ZigBee無線傳送方式將信息發(fā)送至匯聚節(jié)點。 匯聚節(jié)點通過GPRS技術(shù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)中心，同時匯聚節(jié)點能接收遠(yuǎn)程服務(wù)中心發(fā)出的控制命令，控制部署在溫室的控制節(jié)點，進而調(diào)節(jié)溫室環(huán)境參數(shù)達(dá)到合適要求。本系統(tǒng)具有成本不高，部署便利等優(yōu)點。 第二章 系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks, WSN）是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的低成本、低功耗微型傳感器節(jié)點組成，節(jié)點之間通過無線通信形成的一個多跳自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 6。WSN 由無線傳感器節(jié)點、匯

10、聚節(jié)點、傳輸網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程控制中心組成，其基本組成結(jié)構(gòu)如圖1。圖1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本組成部分部署在被監(jiān)測區(qū)域的監(jiān)測節(jié)點實時、有效、準(zhǔn)確的對監(jiān)測區(qū)域進行數(shù)據(jù)采集，對數(shù)據(jù)進行存儲以無線傳輸?shù)姆绞絺鬏數(shù)絽R聚節(jié)點。匯聚節(jié)點對數(shù)據(jù)進一步的處理、分析、存儲，在顯示屏上顯示，便于觀察者查看。通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程管理中心，遠(yuǎn)程管理中心可以對被監(jiān)測區(qū)域發(fā)出控制任務(wù)和收集數(shù)據(jù)。 2.2 ZigBee無線通信技術(shù) 目前，在短距離無線傳輸技術(shù)大家族中，除ZigBee技術(shù)外， 還有許多，如：藍(lán)牙技術(shù)、 UWB技術(shù)、Wi-Fi 等。表1給出了幾種常見的短距離無線傳輸技術(shù) 5-6。 表1幾種短距離無線通信技術(shù)的比較 藍(lán)牙UW

11、B Wi-Fi ZigBee 規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)802.15.1未定802.11b802.15.4 工作頻段 2.4GHz 3.1-10.6GHz2.4GHz; 5GHz868/915GHz；2.4GHz最大傳輸速率1 Mb/s110 Mb/s 54 Mb/s250kb/s 最大功耗 1-100mW200mW 100mW13mW傳輸距離 l 0m 10m10-100m 10-75m網(wǎng)絡(luò)容量 8 8256 65536 電池壽命 4-8小時1-2小時1-3小時半年以上 成本低高 低低 從上面的表格可以對比得到，ZigBee技術(shù)在溫室控制系統(tǒng)中有如下優(yōu)點：(1)成本低:相比于其他幾種短距離無線通信技術(shù)，Zig

12、Bee技術(shù)的協(xié)議棧設(shè)計相對簡單， ZigBee不收任何協(xié)議專利費。因此ZigBee通信模塊的成本低，很適合用在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。(2)容量大: ZigBee有星型、樹型、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。一個主節(jié)點管理若干個子節(jié)點，一個主節(jié)點可以管理254個子節(jié)點，主節(jié)點可以由上層網(wǎng)絡(luò)管理可以組成65535個節(jié)點。(3)低速率:從上表中可以看出ZigBee技術(shù)傳輸速率是最低的，最大為250kb/s，在溫室控制系統(tǒng)中，溫室采集數(shù)據(jù)的周期大且數(shù)據(jù)量大，傳輸速率低有利于節(jié)能，適合溫室應(yīng)用。 (4) 功耗低: 相比其他技術(shù)的功耗，ZigBee是最低的，而且ZigBee技術(shù)允許設(shè)備空閑時轉(zhuǎn)入睡眠功能，這有利于節(jié)點節(jié)能，減少了更

13、換電池的次數(shù)，增加電池使用壽命。 ZigBee網(wǎng)絡(luò)層支持星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、樹型和網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2所示。圖2 ZigBee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錂C構(gòu)圖星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由一個協(xié)調(diào)器控制，協(xié)調(diào)器可以直接與遠(yuǎn)程控制中心進行數(shù)據(jù)通信，當(dāng)一個節(jié)點發(fā)生故障時不會影響其他節(jié)點工作。在溫室控制系統(tǒng)中部署在監(jiān)測區(qū)域的傳感器自組織成網(wǎng)絡(luò)，以多跳傳輸數(shù)據(jù)。樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括一個協(xié)調(diào)器和若干路由器和終端節(jié)點，通信原則是：子節(jié)點只能和父節(jié)點通信。網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)組成大致相同，由協(xié)調(diào)器、路由器、終端節(jié)點組成，不同的是網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)任意節(jié)點間可以通信，并且是自動尋找一條信息傳輸?shù)淖顑?yōu)路徑。ZigBee技術(shù)可在868MHz、915M

14、Hz、2.4GHz三個頻段上工作，這三個頻段分別適用于全球、歐洲、美國，三個頻段的傳輸速率為20kbit/s、40kbit/s、250kbit/s。通信延遲時間在15ms-30ms之間，它的傳輸距離在10-75m之間，用干電池供電。適合與溫室控制系統(tǒng)的短距離傳輸，低功耗的特點。 2.3 GPRS概述 GPRS(General Packet Radio Service)是通用分組無線服務(wù)技術(shù) 的簡稱。英國BT Cellnet公司于1993年提出在GSM發(fā)展新的分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)GPRS，作為向第三代移動通信(3 G)過渡的一種技術(shù)，是GSM Phase2+規(guī)范實現(xiàn)的內(nèi)容之一。GPRS采用與GSM相

15、同的頻段、頻帶寬度、突發(fā)結(jié)構(gòu)、無線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、跳頻規(guī)則以及TDMA幀結(jié)構(gòu)，面向用戶提供移動分組的IP或者X.25連接，從而為用戶同時提供語音與數(shù)據(jù)業(yè)務(wù) 9-11。從外部看，GPRS同時又是Internet的一個子網(wǎng)。 GPRS網(wǎng)絡(luò)主要有以下特點:l 實時在線，管理中心與匯聚節(jié)點實時保持通信，方便用戶查閱溫室大棚數(shù)據(jù)。l 按量計費，只有傳輸數(shù)據(jù)是才會產(chǎn)生流量費用，沒有數(shù)據(jù)傳輸，用戶可以掛在網(wǎng)上，不會產(chǎn)生任何費用。l 高速傳輸，GPRS采用分組交換技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)171.2kbps。本文采用GPRS技術(shù)進行WSN與監(jiān)控中心之間的通信。 第三章 溫室參數(shù)分析和系統(tǒng)總體設(shè)計3.1 溫室參數(shù)分析

16、 l 溫度對作物的影響農(nóng)作物生長與溫度有密切的關(guān)系，在農(nóng)作物適宜溫度范圍內(nèi)，溫度越高，呼吸作用和光合作用越旺盛，農(nóng)作物的生長就越好。而溫度過低低，農(nóng)作物呼吸作減弱，生長緩慢。晚上農(nóng)作物只進行呼吸作用，呼吸作用消耗有機物質(zhì)。在一定溫度范圍內(nèi)，晚上溫度越低呼吸作用越弱，消耗的有機物就少。因此對溫室大棚的溫度控制特別重要，對溫室溫度的實時監(jiān)測有利于提高農(nóng)作物產(chǎn)量，增加農(nóng)民收入。l 濕度對作物的影響溫室內(nèi)的空氣濕度是由土壤水分的蒸發(fā)、 灌溉補充水分和植物的蒸騰作用在設(shè)施密閉情況下形成的12。溫室內(nèi)作物代謝旺盛、生長旺盛、作物葉面積指數(shù)高, 釋放出大量的水蒸氣。同時,由于溫室大棚的空間小、密閉性強、空氣

17、流通比較穩(wěn)定,溫室大棚內(nèi)水蒸氣經(jīng)常超標(biāo), 保持溫室大棚濕度在一個適宜范圍非常重要。l 光照度對作物的影響農(nóng)作物想要旺盛的生長，適宜的光照強度必不可少。光以光照強度對農(nóng)作物產(chǎn)生影響，光照強度太低或者太高對農(nóng)作物的生長都有很大的影響。太低，光合作用效率低；太高，效率也會降低。光照強度太高會導(dǎo)致農(nóng)作物氣孔關(guān)閉，光合作用受阻。 3.2 系統(tǒng)總體設(shè)計 溫室控制系統(tǒng)的目的是對溫室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的的采集，以及根據(jù)監(jiān)測的數(shù)據(jù)控制相應(yīng)的控制節(jié)點來控制設(shè)備調(diào)整溫室大棚的環(huán)境參數(shù)，使其達(dá)到農(nóng)作物的生長的適宜環(huán)境。用戶可以根據(jù)采集到的參數(shù)對農(nóng)作物適宜生長參數(shù)進行調(diào)整，使溫室作物產(chǎn)量達(dá)到最高，農(nóng)民的收入最大化。溫室系統(tǒng)的具

18、體要求如下： (1)傳感器器節(jié)點實時、準(zhǔn)確的監(jiān)測溫室環(huán)境參數(shù)是溫室控制必須達(dá)到的要求，也是非常關(guān)鍵的部分。(2)匯聚節(jié)點可以實時接收傳感器節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，能準(zhǔn)確的顯示在顯示屏上，并且還要準(zhǔn)確無誤的傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)中心，遠(yuǎn)程服務(wù)中對接收到的數(shù)據(jù)進行分析、存儲、并和原始數(shù)據(jù)比較，得出最佳的溫室環(huán)境參數(shù)。(3)遠(yuǎn)程服務(wù)中心收到匯聚節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)比較，高出或低于原始設(shè)置數(shù)據(jù)，發(fā)出控制命令，控制 裝置做出相應(yīng)反應(yīng)，調(diào)節(jié)溫室環(huán)境參數(shù)達(dá)到適宜的生長環(huán)境。(4)提供客戶端遠(yuǎn)程管理軟件，方便用戶方便實時讀取溫室環(huán)境參數(shù)，查詢歷史環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，發(fā)送控制命令。本文設(shè)計的系統(tǒng)主要包括無線傳感器節(jié)點、控制裝置、

19、匯聚節(jié)點或者基站 ，遠(yuǎn)程服務(wù)器，遠(yuǎn)程管理?？傮w框架如下圖3所示。 圖3系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)根據(jù)應(yīng)用需求，將大量微型廉價的傳感器節(jié)點合理分布在被監(jiān)測區(qū)域中，被監(jiān)測區(qū)域有大量的傳感器節(jié)點和一個匯聚節(jié)點，部分節(jié)點帶有控制設(shè)備，控制天窗、遮陽網(wǎng)、熱風(fēng)機、濕簾風(fēng)機、灌溉裝置、補光光源繼電器的開啟和關(guān)閉來調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)。傳感器節(jié)點對溫室大棚內(nèi)的溫度、濕度、光照強度等信息進行采集，用ZigBee無線通信模塊傳輸至匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸給管理中心。同時匯聚節(jié)點可以接收管理中心傳輸來的控制命令并將命令轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的控制節(jié)點，控制節(jié)點驅(qū)動相應(yīng)的閥門設(shè)備調(diào)整環(huán)境參數(shù)。管理中心接收數(shù)據(jù)、分析數(shù)據(jù)、存儲數(shù)據(jù)并

20、做出控制命令，發(fā)送控制命令給匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點通過ZigBee發(fā)送到控制節(jié)點?？刂葡鄳?yīng)設(shè)備做出反應(yīng)。第四章 硬件設(shè)計 匯聚節(jié)點接收監(jiān)測節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)并進行分析、存儲、顯示通過GPRS技術(shù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程管理中心，匯集節(jié)點還可以接收管理中心的控制命令，發(fā)送給控制裝置調(diào)節(jié)溫室環(huán)境參數(shù)。匯聚節(jié)點由微處理器模塊、無線收發(fā)模塊、報警模塊構(gòu)成?，F(xiàn)場監(jiān)測節(jié)點由控制模塊、無線收發(fā)模塊、數(shù)據(jù)采集模塊組成。4.1 微處理器模塊在本設(shè)計中微處理器模塊主要由以下模塊構(gòu)成:微控制器、數(shù)據(jù)存儲模塊、實時時鐘模塊、按鍵及顯示模塊。 微控制器用于對傳感器節(jié)點采集的環(huán)境參數(shù)處理與傳輸，本設(shè)計選用MSP430F149芯片作為微控制器芯

21、片，MSP430系列單片機是美國德州儀器生產(chǎn)的一種16位超低功耗的混合處理器。數(shù)據(jù)存儲模塊用于存儲傳感器節(jié)點采集的數(shù)據(jù)，實時時鐘模塊主要用于提供系統(tǒng)的實時時鐘，按鍵及顯示模塊主要用于操作顯示被監(jiān)測區(qū)域的溫度、濕度、光照強度等環(huán)境參數(shù)，顯示模塊還能顯示時間，電池電量，方便用戶對溫室進行控制和觀察。ZigBee無線通信模塊用于匯聚節(jié)點與溫室內(nèi)傳感器節(jié)點之間的無線數(shù)據(jù)通訊，GPRS網(wǎng)絡(luò)模塊用于匯聚節(jié)點與管理中心之間的遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)傳輸，執(zhí)行機構(gòu)模塊用于對溫室內(nèi)環(huán)境參數(shù)的控制，使農(nóng)作物處于適宜的生長環(huán)境，報警模塊用于系統(tǒng)發(fā)生故障或者電池電量低需要更換電池時的報警，通知用戶及時處理。l 數(shù)據(jù)存儲模塊設(shè)計F

22、M24CL64是采用先進鐵電工藝生產(chǎn)的一個保存時間很長的存儲器，在斷電的情況下存儲的數(shù)據(jù)可以保存45年，具有64kb的容量，操作電源為2.7V3.6V，最大工作電流40A。最大讀寫頻率為1MHz，具有快速的兩線串行接口。 FM24CL64采用I2C總線進行數(shù)據(jù)傳輸， I2C總線是由公司開發(fā)的一種簡單、雙向二線制同步串行總線。它只需要兩根線即可在連接于總線上的器件之間傳送信息13。 由于溫室控制系統(tǒng)一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量相對較小， 1片F(xiàn)M24CL64可完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲，F(xiàn)M244CL6與MSP430F149單片機的接口電路如圖4所示。圖4 數(shù)據(jù)存儲模塊電路圖單片機MSP430F149接收到傳感器節(jié)點

23、傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，傳輸?shù)紽M24CL64進行存儲時 ，需要占用MSP430F149三個引腳，使用起來很方便。SDA是串行數(shù)據(jù)引腳， 數(shù)據(jù)的輸入、輸出、傳送地址信息等操作用SDA引腳。SCL是串行同步時鐘引腳。WP寫保護引腳，WP為0時有效，WP為1時，單片機無法向存儲單元寫入數(shù)據(jù)，只有當(dāng)WP為低電平時，單片機才可以對存儲模塊進行讀寫 。l 實時時鐘模塊設(shè)計 本系統(tǒng)的實時時鐘模塊采用DS1302時鐘芯片設(shè)計。DS1302S是一個低功耗、高性能自帶存儲器的實時時鐘芯片。DS1302通過SPI（是一種高速的，全雙工同步的通信總線）三線接口完成與CPU之間的同步通信，DS1302可對時、分、秒、年、月、日、

24、星期進行計時，當(dāng)出現(xiàn)閏年和一個月不足30或多于30天時可自行調(diào)整。DS1302有主電源和備用電源供電，可設(shè)置備用電源進行涓流充電14即串行時鐘線SCLK、數(shù)據(jù)線I/O和復(fù)位線RST 。DS1302和MSP430F149的連接電路圖需要三條線即串行時鐘線SCLK、數(shù)據(jù)線I/O和復(fù)位線RST4。如圖5圖5 實時時鐘模塊電路圖 DS1302有兩個電源，VCC2是主電源，VCC1引腳上連接一個0.5 F電容作后備電源，系統(tǒng)正常工作是，VCC1處于充電模式，當(dāng)主電源斷電時是，后備電源繼續(xù)供電。DS1302讀取MSP430F149寫入的時間，進行時間調(diào)整，MSP430F149再從DS1302里讀取時鐘信息

25、。RST是復(fù)位，當(dāng)RST輸入高電平時數(shù)據(jù)開始傳輸。 X1、X2是振蕩源外接32768Hz晶振，SLCK為時鐘輸入端，I/O口為串行數(shù)據(jù)輸入輸出端。l 按鍵及顯示模塊設(shè)計 在匯聚節(jié)點處，設(shè)計按鍵及顯示模塊， 顯示數(shù)據(jù)顯示溫室內(nèi)不同區(qū)域的溫度、濕度、光照強度、時間、系統(tǒng)報警及更換電池等信息。操作模塊主要操作顯示上述數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的按鍵模塊提供了K1、K2、K3、K4分別表示“選項”、“確定”、“左”、“右”四個按鍵。按鍵模塊的電路設(shè)計如圖6所示。圖6 按鍵模塊電路圖液晶顯示如圖7所示。圖7 液晶顯示圖液晶顯示模塊采用具有低成本、低功耗、多功能的HT 1621，與MSP430F149單片機連接僅需4根線

26、。集成HT1621芯片的液晶顯示模塊完全滿足本設(shè)計的顯示模塊需求。HT 1621寫模式時序圖如圖 8所示。圖8 時序圖 HT 1621只有CS ， RD ，WR和DATA共4個引腳與MSP430F149單片機相連接。CS負(fù)責(zé)串行接口電路初始化、中斷通信。CS為高電平時，MSP430F149與HT1621之間不工作，當(dāng)CS為低電平是進行數(shù)據(jù)傳輸。DATA負(fù)責(zé)串行數(shù)據(jù)的輸入與輸出， RD為讀操作，數(shù)據(jù)在RD下降沿時輸出到DATA，在RD上升沿和RD下降沿之間時，MSP430F149讀出數(shù)據(jù)。WR為寫操作，WR為高電平寫入DATA上的命令、地址以及數(shù)據(jù) 顯示模塊電路如圖9所示。圖9 顯示模塊電路圖

27、液晶顯示具有低功耗的特點，只有當(dāng)按鍵按下時才開啟，60s內(nèi)無操作液晶顯示屏自動黑屏。液晶顯示模塊顯示溫室環(huán)境內(nèi)的溫度、濕度、光照強度參數(shù)和電池過低報警、系統(tǒng)異常。 4.2無線收發(fā)模塊 CC2530是TI公司推出一款符合ZigBee技術(shù)的SOC芯片，使用IEEE 802.15 .4標(biāo)準(zhǔn)，具有較高的數(shù)據(jù)傳輸靈敏度和較強的抗干擾能力。CC2530集成了RF收發(fā)器、8kB RAM、系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存存儲器、增強型8051MCU及許多其它強大功能，可以在不同的模式下運行，適用于系統(tǒng)要求低功耗的場合。CC2530各個運行模式可以在較短的時間內(nèi)進行轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)低能源消耗15l 運行條件CC2530的最佳運行條件

28、 最小值最大值單位運行環(huán)境溫度-40125運行供電電壓2 3.6V表2運行條件l 功能介紹 適應(yīng)2.4-GHz IEEE 802.15.4 的RF 收發(fā)器極高的接收靈敏度和抗干擾性能可編程的輸出功率高達(dá)4.5 dBm只需極少的外接元件只需一個晶振，即可滿足網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)需要6-mm 6-mm 的QFN40 封裝 4.3 數(shù)據(jù)采集模塊l 溫濕度監(jiān)測單元設(shè)計 本設(shè)計采用DHT11作為本系統(tǒng)的溫濕度傳感器，供電電壓3.3-5.5VDC,溫濕度測量范圍20-90%RH、0-50。它具有別的傳感器不具備的穩(wěn)定高效的性能，具有反應(yīng)快，價格便宜性能優(yōu)越的特點，DHT11是集傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集功能和溫度傳感器技術(shù)于

29、一身的現(xiàn)代化溫濕度傳感器。DHT11由電阻式感濕元件和測溫元件組成，這就決定了其具有穩(wěn)定性強，受環(huán)境影響弱的優(yōu)點。在正常的溫室環(huán)境中DHT11的精確度很高，濕度5%RH，溫度2。這樣的精度完全滿足溫室的設(shè)計準(zhǔn)則，再加上其體積小，能耗低，功率大等特點，使其成為溫濕度傳感器的不二選擇。即使在同類產(chǎn)品繁多的市場上也是最佳選擇。 DHT11與CC2530接線圖如圖10圖10 DHT11與CC2530接線圖DHT11引腳說明表3 引腳說明pin名稱注釋1VDD供電 35.5VDC2DATA串行數(shù)據(jù)，單總線3NC空腳，請懸空4GND接地，電源負(fù)極 溫濕度傳感器DHT11與無線傳輸模塊的數(shù)據(jù)傳輸是通過DAT

30、A引腳完成的，完整的一次傳輸大概需要4ms。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)總和為40為，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括整數(shù)和小數(shù)兩個部分，前四個字節(jié)是溫度和濕度的整數(shù)部分和小數(shù)部分，后一個字節(jié)是前面四個字節(jié)相加，主要用于檢查傳輸?shù)恼_性。l 光照強度監(jiān)測單元設(shè)計 光敏傳感器是運用廣泛和最常見的傳感器，光敏傳感器主要是利用光敏元件將光照強度轉(zhuǎn)換成電信號輸出，由輸出電流的強弱判斷光照的強度。光敏傳感器包括光電管、光敏電阻、紫外線傳感器、光敏三節(jié)管等傳感器。本文選用具有低功耗、低成本的硫化鎘(CDS)光敏電阻器UR-74A 。 UR-74A具有以下特性:光照強度與光電流正相關(guān)與電阻值負(fù)相關(guān)，即所受光照強度越強，產(chǎn)生的光電流越大，電阻值

31、越小。接收光照后，光電流上升到正常值的63%時所用的時間稱為“上升時間”，結(jié)束光照后，光電流下降到正常值的63%時所用的時間稱為“衰弱時間”，通常為1 0ms至數(shù)秒;負(fù)載電阻越大，則上升時間越短，衰弱時間越長17。光照強度檢測電路如圖11所示。圖11 光照強度監(jiān)測電路圖光敏電阻受光的照射，電阻值發(fā)生變化，使輸入CC2530芯片P0.7端口的電壓發(fā)生改變，即可得出被測區(qū)域所受的光照強度。溫室環(huán)境的光照采用模擬自然光或者直接用自然光，光敏電阻具有很快的反應(yīng)速度，監(jiān)測的數(shù)據(jù)具有很高的準(zhǔn)確性，光敏電阻器不僅操作簡單而且成本和功耗也特別低，符合溫室系統(tǒng)的特性。4.4 控制模塊 當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測的數(shù)據(jù)與設(shè)定的農(nóng)

32、作物適宜生長參數(shù)閾值有差別時， 匯聚節(jié)點會自動對控制節(jié)點發(fā)出命令，通過開啟或關(guān)閉天窗、遮陽網(wǎng)、熱風(fēng)機、濕簾風(fēng)機、灌溉裝置、補光光源等執(zhí)行子系統(tǒng)對環(huán)境參數(shù)進行調(diào)節(jié)。遠(yuǎn)程控制中心有時候也會認(rèn)為的發(fā)出控制命令調(diào)節(jié)溫室內(nèi)參數(shù)。 執(zhí)行子系統(tǒng)的設(shè)計如下:（1）溫度控制設(shè)計部署在溫室大棚內(nèi)的溫度傳感器監(jiān)測溫室環(huán)境的溫度參數(shù)，把監(jiān)測的參數(shù)與設(shè)定閾值進行比較，高于或低于閾值時相應(yīng)的控制節(jié)點做出反應(yīng)。冬天室內(nèi)外溫差相差較大，開啟熱風(fēng)機提高溫室溫度，溫差越大熱風(fēng)機工作時間越長。夏天的時候溫室的溫度會時間的變化而發(fā)生變化。降溫的措施要隨之而改變。溫度相差較小時可以打開天窗降溫，在正午時溫室溫度會急劇升高打開遮陽網(wǎng)啟動

33、濕簾風(fēng)機進行降溫。溫度達(dá)到適宜弄作曲生長時關(guān)閉相應(yīng)控制器。（2）濕度控制設(shè)計部署在溫室大棚內(nèi)的濕度傳感器監(jiān)測溫室環(huán)境的濕度參數(shù)，把監(jiān)測的參數(shù)與設(shè)定閾值進行比較，啟動相應(yīng)的控制器節(jié)點控制設(shè)備進行增濕、除濕。在對溫室進行增濕或除濕時會對其他參數(shù)產(chǎn)生影響，盡可能的選擇對濕度影響較大的對其他參數(shù)影響較小的調(diào)節(jié)設(shè)備。遮陽網(wǎng)可以影響光照強度溫度，溫室內(nèi)濕度低、溫度和光照強度高時可以打開遮陽網(wǎng)和開啟灌溉裝置；濕度高、光照強度低是可以打開遮陽網(wǎng)和熱風(fēng)機。（3）光照強度控制設(shè)計 部署在溫室大棚內(nèi)的光敏傳感器監(jiān)測溫室環(huán)境的光照強度，把監(jiān)測的參數(shù)與設(shè)定閾值進行比較，當(dāng)監(jiān)測到的光照強度和閾值不一樣時，系統(tǒng)自動開啟或關(guān)

34、閉遮陽網(wǎng)，調(diào)節(jié)光照強度。由于打開或關(guān)閉遮陽網(wǎng)會影響溫室的溫度和光照強度，當(dāng)光照強度和溫度低于設(shè)定閾值時，可以打開遮陽網(wǎng)調(diào)節(jié)，單獨進行溫度調(diào)節(jié)是，要檢測所測區(qū)域的光照強度是否高于設(shè)定閾值下限，若高于下限，則可以開啟遮陽網(wǎng)。當(dāng)陰雨天時，光照強度低于設(shè)定閾值，則開啟補光光源進行補光操作15-16 控制模塊的控制裝置較多而且工作功率較大，因此無法用MSP430F149單片機直接控制 ，需要用繼電器作為各個控制裝置的開關(guān)。需要打開某個控制裝置時相應(yīng)繼電器開關(guān)閉合，打開相應(yīng)的控制模塊，直到該溫室環(huán)境參數(shù)符合農(nóng)作物的生長繼電器開關(guān)才閉合。 本設(shè)計采用的繼電器是JQX-13F控制執(zhí)行子系統(tǒng)工作，JQX-13F

35、型繼電器的線圈功耗為0.9W、線圈電阻為640，工作溫度為-25+40，絕緣電阻100M，驅(qū)動電流為37.5mA。執(zhí)行機構(gòu)模塊電路如圖12所示。圖12 控制模塊電路圖 TLP521是光耦合器件，可增強電路的安全性，減小電壓的干擾。繼電器主要是通過MSP430F149單片機的P4.0引腳和三接管Q1控制，當(dāng)P4.0為高點平時三接管Q1導(dǎo)通，發(fā)光二接管D14發(fā)光，繼電器開關(guān)閉合，相應(yīng)的控制系統(tǒng)工作，對監(jiān)測區(qū)域的參數(shù)進行調(diào)節(jié)。此處二極管D1的作用是在繼電器斷開后，將繼電器線圈兩端的電流迅速釋放出去，防止其發(fā)生突然變化產(chǎn)生反電動勢損壞三極管Q1。 4.5 報警模塊由于長時間處于工作狀態(tài)系統(tǒng)可能會出現(xiàn)故

36、障，監(jiān)測模塊、無線傳輸模塊、控制模塊發(fā)生故障、電池電量過低等等。根據(jù)系統(tǒng)的需求設(shè)計了一個聲光報警模塊。聲光報警模塊電路如圖13所示。聲光報警模塊中555用于構(gòu)成多諧振蕩器。555定時器成本低，性能可靠，電路簡單，外加幾個電阻和電容可以實現(xiàn)多種功能。電阻R42、R44、C54和555定時器構(gòu)成多諧振蕩器。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時MSP430F149單片機引腳P5.4為低電平，三接管Q2截至，555的4引腳為高電平，振蕩器振動，555定時器的3引腳輸出，三接管Q3導(dǎo)通，發(fā)光二節(jié)管D8發(fā)光，B發(fā)出聲音報警。反之當(dāng)無故障時P5.4為高電平，Q2截至，4引腳復(fù)位，不會發(fā)出報警。 圖13 報警模塊電路圖第五章 軟

37、件設(shè)計5.1 管理中心設(shè)計在本設(shè)計中溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)管理中心軟件采用VC+ 6.0軟件進行開發(fā)，VC+是一個跟好的C或者C+開發(fā)環(huán)境，一般被簡稱為VC或者VC+。該開發(fā)環(huán)境提供了優(yōu)秀的代碼編輯功能同時提供了編譯連接程序，在開發(fā)環(huán)境里，輸入完源代碼，可立即編譯運行，并其可以參照代碼進行調(diào)試19管理中心軟件要實現(xiàn)參數(shù)調(diào)節(jié)功能、數(shù)據(jù)實時顯示功能、選擇功能、通信功能。如圖14圖14 管理中心顯示窗口l 參數(shù)調(diào)節(jié)功能：管理中心接收到的環(huán)境參數(shù)與閾值進行比較，然后發(fā)出相應(yīng)的控制命令。l 數(shù)據(jù)實時顯示功能：管理中心軟件能實時準(zhǔn)確的顯示從監(jiān)測節(jié)點傳輸來的數(shù)據(jù)，方便用戶觀察。l 選擇功能：管理中心可以選擇查看某

38、一區(qū)域具體的監(jiān)測節(jié)點，控制節(jié)點和控制中心。l 通信功能：管理中心能實時接收匯聚節(jié)點的實時數(shù)據(jù)，能準(zhǔn)確的想控制節(jié)點發(fā)送命令。5.2 ZigBee 無線通信模塊設(shè)計ZigBee堆棧的基礎(chǔ)是IEEE802.15.4，定義了協(xié)議的MAC和PHY 。在本設(shè)計中，只對應(yīng)用層加以設(shè)計開發(fā)。網(wǎng)絡(luò)初始化和節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)是Zigbee網(wǎng)絡(luò)組建的必要因數(shù)，網(wǎng)絡(luò)初始化主要是協(xié)調(diào)器組網(wǎng)，終端設(shè)備和路由設(shè)備發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)以及加入網(wǎng)絡(luò)，確定網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。網(wǎng)絡(luò)初始化完成后節(jié)點將選擇區(qū)域內(nèi)信號最強的父節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點在入網(wǎng)成功后將得到一個16位的網(wǎng)絡(luò)短地址，并通過這個地址完成數(shù)據(jù)收發(fā)。 地址保存在節(jié)點各自的Flash中。ZigBee無

39、線通信程序設(shè)計主要是匯聚節(jié)點和現(xiàn)場監(jiān)測節(jié)點ZigBee無線通信程序設(shè)計。程序流程圖如圖15，圖16：圖15 匯聚節(jié)點ZigBee無線通信程序流程圖在本設(shè)計中，ZigBee網(wǎng)絡(luò)完成匯聚節(jié)點的協(xié)調(diào)器節(jié)點和現(xiàn)場圖16 現(xiàn)場監(jiān)測節(jié)點ZigBee無線通信程序流程圖監(jiān)測的終端節(jié)點之間的通信。匯聚節(jié)點的協(xié)調(diào)器節(jié)點主要用于建立網(wǎng)絡(luò)、管理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、對終端節(jié)點即傳感器節(jié)點收發(fā)信息;現(xiàn)場監(jiān)測的傳感器節(jié)點主要用于采集環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)、傳送匯聚節(jié)點、從匯聚節(jié)點接收信息。協(xié)調(diào)器啟動后，系統(tǒng)進行初始化，建立起一個ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，如果有新的傳感器節(jié)點加入，協(xié)調(diào)器會自動加入新的傳感器節(jié)點，匯聚節(jié)點讀取傳感器節(jié)點發(fā)送的

40、環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)傳送到管理中心;當(dāng)匯聚中心有命令時，通過ZigBee無線傳輸技術(shù)傳輸?shù)娇刂乒?jié)點，并自動判斷是否發(fā)送成功，若未成功，則繼續(xù)發(fā)送。 5.3傳感器節(jié)點設(shè)計 整個傳感器監(jiān)測節(jié)點數(shù)量較多，為了減少系統(tǒng)功耗，傳感器節(jié)點命令傳感器每五分鐘進行一次數(shù)據(jù)采集。 初始化成功之后，判斷是否收到匯聚節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)采集命令，收到后先后進行溫度采集、濕度采集、和光照強度采集，并將采集的數(shù)據(jù)上傳到匯聚節(jié)點?，F(xiàn)場監(jiān)測節(jié)點的程序流程如圖17圖17 傳感器節(jié)點流程圖5.4 匯聚節(jié)點設(shè)計 匯聚節(jié)點能與現(xiàn)場監(jiān)測節(jié)點和管理中心通信，匯聚節(jié)點主要任務(wù)是對溫室環(huán)境傳感器節(jié)點進行巡視和發(fā)送命令，匯聚節(jié)點收到管理中心的控

41、制命令，發(fā)送給相應(yīng)控制節(jié)點調(diào)節(jié)環(huán)境參數(shù)。定時時間到以后匯集節(jié)點命令監(jiān)測節(jié)點傳輸監(jiān)測數(shù)據(jù)，匯聚節(jié)點接收并上傳到管理中心 ，在匯聚節(jié)點顯示模塊顯示。如果管理中心發(fā)出修改閾值命令則修改，沒有收到修改閾值命令則和設(shè)定閾值做比較，然后做出相應(yīng)的控制措施調(diào)節(jié)溫室參數(shù)匯聚節(jié)點的程序流程如圖18：圖18 匯聚節(jié)點流程圖5.5執(zhí)行結(jié)構(gòu)模塊設(shè)計 執(zhí)行機構(gòu)模塊由匯聚節(jié)點控制，當(dāng)匯聚節(jié)點接收到監(jiān)測節(jié)點發(fā)送的現(xiàn)場監(jiān)測參數(shù)后，超出和低于設(shè)定閾值，匯聚節(jié)點發(fā)出命令，閉合相應(yīng)的節(jié)電器，啟動相應(yīng)執(zhí)行機構(gòu)子系統(tǒng)，通過遮陽網(wǎng)、熱風(fēng)機、濕簾風(fēng)機、灌溉裝置及補光光源等裝置的開閉，對溫室內(nèi)溫度、濕度、光照強度進行調(diào)節(jié)，改善作物的生長環(huán)境

42、。執(zhí)行機構(gòu)模塊程序流程如圖19所示。圖19 執(zhí)行機構(gòu)流程圖 第六章 結(jié)論本課題在查看文獻(xiàn)、理論分析的基礎(chǔ)上，將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)引入到了溫室環(huán)境自動控制中，提出和設(shè)計了溫室無線傳感器網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。本文的主要特點和不足如下： 1.采用ZigBee無線通信技術(shù)和GPRS通信技術(shù)對監(jiān)測節(jié)點和匯聚節(jié)點、匯聚節(jié)點和控制中心進行通信。 2.系統(tǒng)可以實時、準(zhǔn)確的檢測溫室環(huán)境參數(shù)并對溫室環(huán)境參數(shù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制中心，方便用戶實時查看。3.當(dāng)溫室環(huán)境參數(shù)發(fā)送變化時，系統(tǒng)會控制相應(yīng)的控制裝置進行調(diào)節(jié)，使溫室環(huán)境參數(shù)達(dá)到作物適宜生長環(huán)境。 4.當(dāng)系統(tǒng)任何地方發(fā)生故障時或者電池電量過低，報警模塊會發(fā)出聲光報警，提醒用戶

43、及時排查或者更換電池。 5.本系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程監(jiān)控的特點，較大地方便了用戶對作物生長狀態(tài)的監(jiān)控 。由于經(jīng)驗的不足，本設(shè)計還有一些需要完善的地方，主要體現(xiàn)在以下幾點: 1.無線傳輸模塊采用的是星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)只有一個協(xié)調(diào)器，當(dāng)協(xié)調(diào)器發(fā)生故障時，系統(tǒng)無法進行數(shù)據(jù)傳輸。 2.執(zhí)行機構(gòu)還有待完善，需要根據(jù)溫室環(huán)境的實際情況，可以智能的控制各個控制模塊開啟或關(guān)閉的時間，比如遮陽網(wǎng)的開啟或關(guān)閉面積等。 致謝 隨著時光的流逝，我在大連海洋大學(xué)的學(xué)習(xí)生活即將要結(jié)束。這四年的大學(xué)生活讓我學(xué)到了很多專業(yè)知識，使我的生活更加充實。首先，我要衷心感謝老師。老師以其深厚的專業(yè)知識，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)術(shù)研究態(tài)度，感染了我，默默奉獻(xiàn)

44、的精神時刻深深影響著我。在撰寫本論文時，我獲得老師的認(rèn)真指導(dǎo)，無論從開始設(shè)定方向還是在檢查準(zhǔn)備過程中，始終耐心地給我指導(dǎo)和建議，使我在學(xué)術(shù)和寫作方面有很大的提高。向老師致以誠摯的謝意。還要感謝我的每一學(xué)科老師對我孜孜不倦的教誨。在美麗的大連海洋大學(xué)，我遇到的一幫來自五湖四海的大學(xué)同窗，我們一起度過了一個愉快的大學(xué)生活，我們有很好的友誼。我真誠地感謝你們在大學(xué)生活中的關(guān)心和照顧。 參考文獻(xiàn)1 Metrolho, J.C., Serodio, C.M.J.A., Couto, C.A.C.M. CAN based actuation system for greenhouse control. P

45、roceedings 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 system for tomato planting management in greenhouse based on virtual growth model. Transactions of the Chinese Society