word文檔可自由復(fù)制編輯目錄TOC\o"1-3"\h\z\u23550摘要 I846Abstract II2295第1章引言 1185911.1論文的研究背景和意義 134411.2WSN概述 147451.3WSN在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的研究現(xiàn)狀及趨勢(shì) 2112061.4論文的主要內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排 315605第2章系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 4121292.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 4287052.2硬件電路方案設(shè)計(jì) 420572.2.1微處理器選型 528902.2.2傳感器選型 6215802.3系統(tǒng)軟件方案設(shè)計(jì) 897032.4本章小結(jié) 931841第3章節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì) 10254813.1最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10186823.1.1CC2530射頻通信 11306793.1.2復(fù)位電路設(shè)計(jì) 12322293.1.3CC2530晶振模塊設(shè)計(jì) 12254023.2數(shù)據(jù)采集模塊 13323623.2.1溫度傳感器模塊 13302723.2.2CO2傳感器模塊 14291173.2.3光強(qiáng)度傳感器塊 15227163.3電源模塊設(shè)計(jì) 15204923.3.13.3V電源電路設(shè)計(jì) 15315253.3.26V電源電路設(shè)計(jì) 16176453.3.3電壓檢測(cè)電路設(shè)計(jì) 17185913.4LCD顯示 18194063.5本章小結(jié) 1931281第4章節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì) 2058594.1溫度傳感器程序設(shè)計(jì) 20216954.2二氧化碳與光強(qiáng)傳感器程序設(shè)計(jì) 21123094.3Zigbee無(wú)線(xiàn)通信程序設(shè)計(jì) 2197694.4本章小結(jié) 2523221第5章系統(tǒng)測(cè)試 2616105.1系統(tǒng)的硬件介紹 26220965.2傳感器模塊調(diào)試 265.2.1DSI8B20模塊調(diào)試275.2.2MG811模塊調(diào)試275.2.3BH1750模塊調(diào)試2816105.3Zigbee通信測(cè)試 2916105.4本章小結(jié) 298862第6章總結(jié)和展望 3010884參考文獻(xiàn) 319873致謝 32附錄33word文檔可自由復(fù)制編輯農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要為提高農(nóng)業(yè)大棚溫室生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化，非常有必要實(shí)時(shí)獲取大棚溫室環(huán)境的光強(qiáng)度、溫度、CO2濃度等基本環(huán)境參數(shù)。針對(duì)農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)易變、多樣的考慮，本設(shè)計(jì)提出了一種基于Zigbee的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案。微處理器采用CC2530單片機(jī)；軟件上移植了德州儀器（TI）Zigbee協(xié)議棧，并在應(yīng)用層開(kāi)發(fā)了通信程序。本文設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和硬件電路，并給出了軟件流程圖。實(shí)驗(yàn)表明，該設(shè)計(jì)具有良好的穩(wěn)定性和較高的通信效率，可以滿(mǎn)足農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)對(duì)無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸和組網(wǎng)要求，具有較高的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。關(guān)鍵字：大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)；CC2530；Zigbee；無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)ThedesignofgreenhouseenvironmentmonitoringbasedonwirelesssensornetworknodesAbstractToimprovetheagriculturegreenhousegreenhouseproductionprocessautomation，Itisanecessarytoobtainthelightintensity,temperature,andCO2concentration.Forvolatileagriculturalgreenhouseenvironmentmonitoring,diverseconsiderations,ThisdesignisputforwardakindofagriculturalgreenhouseenvironmentmonitoringbasedonZigbeewirelesssensornetworknodedesign.ThedesignofthecoreCC2530single-chipmicroprocessors;softwaretransplantedTexasInstruments(TI)Zigbeeprotocolstackandapplicationlayerdevelopedacommunicationsprogram.Accordingtothetechnicalrequirementsofthegreenhouseenvironmentmonitoringsystem,systemarchitectureandhardwaredesignofthecircuit,itgivesthesoftwareprocess.Throughtestingexperiment,itshowsthatthedesignhasgoodstabilityandhighcommunicationefficiencytomeetthegreenhouseenvironmentalmonitoringrequirementsfornetworktransmissionandwirelesscommunicationnetworks,thepromotionofhighvalueandapplicationprospect.Keywords:greenhouseenvironmentmonitoring；CC2530；Zigbee；Wirelesssensornetwork第1章引言1.1論文的研究背景和意義眾所周知，CO2是作物光合作用的重要元素，它對(duì)作物的生長(zhǎng)發(fā)育起著與水肥同等的作用，CO2若供給不足會(huì)直接影響作物正常的光合作用，從而導(dǎo)致減產(chǎn)減收。陽(yáng)光是作物賴(lài)以生存的必要條件，是進(jìn)行光合作用、制造有機(jī)物的能量來(lái)源，其對(duì)作物生長(zhǎng)起著關(guān)鍵的作用。而作物的光合作用是在溫度和光照條件下進(jìn)行，不同的農(nóng)作物對(duì)于光強(qiáng)度、CO2濃度和溫度這三個(gè)基本環(huán)境參數(shù)的需求也不盡相同。因此，準(zhǔn)確掌握大棚溫室環(huán)境的光強(qiáng)度、CO2濃度和溫度等信息參數(shù)，給農(nóng)業(yè)大棚溫室內(nèi)的作物提供合理的生存條件，對(duì)于提高作物的產(chǎn)量和效益有著不可小覷的作用。以往，由于受經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件的限制，多數(shù)農(nóng)業(yè)大棚采用人工方式定時(shí)對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。但是對(duì)于生產(chǎn)規(guī)模較大的農(nóng)業(yè)大棚來(lái)說(shuō)，人工方式既不方便又浪費(fèi)人力，且不易保存光強(qiáng)度、CO2濃度和溫度的歷史數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)采用的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）技術(shù)是通過(guò)傳感器節(jié)點(diǎn)無(wú)線(xiàn)通信方式形成的一個(gè)多跳的（multi-hops）自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。它是傳感器技術(shù)和信息通信技術(shù)的綜合體，是一種由傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，其目的是感知、采集和處理無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)被監(jiān)測(cè)的各種基本環(huán)境參量的信息，并發(fā)送給觀(guān)察者。把無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)中，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域（農(nóng)業(yè)大棚）的各種基本環(huán)境參量（如光強(qiáng)、溫度、CO2氣體濃度）信息的采集。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）借助于節(jié)點(diǎn)中內(nèi)置的各種類(lèi)型傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境的光強(qiáng)度、CO2濃度和溫度等基本環(huán)境參量，以達(dá)到對(duì)這些信息參數(shù)準(zhǔn)確掌握的目的。WSN為大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)提供了新型的信息采集技術(shù)，具有十分廣泛的應(yīng)用前景。1.2WSN概述WSN為WirelessSensorNetwork的簡(jiǎn)稱(chēng)，也就是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是由部署在監(jiān)測(cè)環(huán)境區(qū)域內(nèi)的大量廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信方式所形成的一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，從而來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)基本對(duì)象的信息采集、感知、量化、處理、融合以及傳輸應(yīng)用的功能。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）一般都是由一個(gè)低功耗的微控制器（MCU）、傳感器、若干個(gè)存儲(chǔ)器和無(wú)線(xiàn)電/光通信裝置等器件集成，通過(guò)傳感器、通信裝置、動(dòng)臂結(jié)構(gòu)以及與他們所存在的外界環(huán)境來(lái)進(jìn)行交互。如果將其大量的分布到所需監(jiān)測(cè)的農(nóng)業(yè)大棚溫室環(huán)境中，并組成一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN），然后在性能良好的軟件系統(tǒng)平臺(tái)上布施，就可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地完成強(qiáng)大的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)功能。隨著高集成、低功耗數(shù)字設(shè)備和微機(jī)系統(tǒng)的迅速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)小體積、低功耗、低成本的傳感器節(jié)點(diǎn)已經(jīng)不再是設(shè)想。低功耗的無(wú)線(xiàn)傳感器模塊，便是組成無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的節(jié)點(diǎn)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）正是由大量的這些節(jié)點(diǎn)組成，它是傳感器、無(wú)線(xiàn)通信、信息處理等多領(lǐng)域綜合的技術(shù)。通過(guò)各種類(lèi)型的無(wú)線(xiàn)傳感器對(duì)所需監(jiān)測(cè)的基本環(huán)境參量信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，再由嵌入式微處理器對(duì)采集到的信息進(jìn)行處理，然后由Zigbee無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)將處理后的信息傳送至遠(yuǎn)程客戶(hù)端。經(jīng)過(guò)采集、分析，最后實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境參量的監(jiān)測(cè)。涉及無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的關(guān)鍵技術(shù)從總體上可分為無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及應(yīng)用技術(shù)四個(gè)方面。總的來(lái)說(shuō)，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是信息化獲取技術(shù)的發(fā)展結(jié)果，它的核心目標(biāo)是進(jìn)行分布式的感知，以完成對(duì)環(huán)境和物體的識(shí)別。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）具有以下四個(gè)特點(diǎn)：節(jié)點(diǎn)數(shù)量大支持自組織（ad-hoc）多跳（multi-hops）網(wǎng)絡(luò)短距離無(wú)線(xiàn)連接低功耗無(wú)線(xiàn)傳輸WSN是一種開(kāi)拓了全新應(yīng)用領(lǐng)域的新型概念和新型技術(shù)。低功耗是它最重要的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則之一。傳感器節(jié)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)對(duì)象和監(jiān)測(cè)者是無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的三個(gè)基本要素。1.3WSN在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的研究現(xiàn)狀及趨勢(shì)環(huán)境監(jiān)測(cè)是在分析環(huán)境基本參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)環(huán)境質(zhì)量因素的監(jiān)測(cè)，研究環(huán)境質(zhì)量的變化，并描述環(huán)境狀態(tài)、科學(xué)地預(yù)報(bào)環(huán)境質(zhì)量的變化趨勢(shì)，以達(dá)到優(yōu)化環(huán)境發(fā)展?fàn)顟B(tài)的目的。環(huán)境監(jiān)測(cè)按照監(jiān)測(cè)區(qū)域可劃分為廠(chǎng)區(qū)監(jiān)測(cè)和區(qū)域監(jiān)測(cè)。本設(shè)計(jì)中的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)則屬于區(qū)域監(jiān)測(cè)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）作為21世紀(jì)最具重要性的技術(shù)之一，它的發(fā)展日漸成熟，方向也開(kāi)始呈現(xiàn)出多樣化。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）自組織、環(huán)境適應(yīng)、隨機(jī)布投等特點(diǎn)，非常適用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)大棚類(lèi)型的區(qū)域環(huán)境監(jiān)測(cè)，現(xiàn)階段已得到了較大范圍的推廣。目前，環(huán)境監(jiān)測(cè)已躋身于英特爾公司“基于微型傳感器網(wǎng)絡(luò)的新型計(jì)算發(fā)展規(guī)劃”中的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，雖然已經(jīng)取得到了較好的技術(shù)改進(jìn)，但是仍將繼續(xù)努力朝著以下幾個(gè)方向發(fā)展：（1）低耗能、高壽命，低誤差、低成本；（2）大數(shù)據(jù)的處理和管理的模式開(kāi)發(fā)；（3）嵌入式網(wǎng)關(guān)技術(shù)的應(yīng)用；（4）無(wú)線(xiàn)通訊的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一化。然而，從傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)本身來(lái)說(shuō)，它所具有的存儲(chǔ)能力、處理能力、通信能力和能量等方面都存在一定程度的限制；從實(shí)際應(yīng)用環(huán)境來(lái)說(shuō)，節(jié)點(diǎn)數(shù)目比較龐大，節(jié)點(diǎn)分布也相當(dāng)密集，而環(huán)境因素變化和節(jié)點(diǎn)故障會(huì)不可避免地造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化等等?；谏鲜鰧?duì)傳感器節(jié)點(diǎn)本身限制和環(huán)境因素的考慮，得出節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障的機(jī)率可能大大上升。所有的這些，對(duì)WSN在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的研究提出了新的挑戰(zhàn)。1.4論文的主要內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排本論文基于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）技術(shù)的發(fā)展，閱讀了大量資料文獻(xiàn)，對(duì)農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)進(jìn)行了整體分析。在深入研究Zigbee無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議的基礎(chǔ)上，提出了基于TI公司的CC2530單片機(jī)設(shè)計(jì)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)總體方案，并設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的硬件和軟件方案，本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容如下：第一章，介紹了本設(shè)計(jì)的背景和意義，分析當(dāng)前無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）技術(shù)的發(fā)展、傳統(tǒng)的大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)限制性，以及把無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）技術(shù)和無(wú)線(xiàn)通信引入到大棚監(jiān)測(cè)中的優(yōu)勢(shì)。第二章，提出了系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)，完成各部分硬件電路選型。第三章，設(shè)計(jì)了以CC2530為核心的傳感器節(jié)點(diǎn)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)三種傳感器電路、復(fù)位電路、電源電路和LCD顯示電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。第四章，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)軟件方案，以模塊化的思想，給出各部分程序流程圖。主要包含對(duì)節(jié)點(diǎn)中傳感器信息獲取的程序設(shè)計(jì)和Zigbee無(wú)線(xiàn)通信程序設(shè)計(jì)。第五章，選取了典型場(chǎng)景對(duì)設(shè)計(jì)的硬件電路進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。第六章，總結(jié)研究論文，分析了存在的不足，并指出改進(jìn)方向，提出了對(duì)于未來(lái)研究中的設(shè)想和展望。第2章系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)WSN節(jié)點(diǎn)主要包括傳感器部分、電源電路部分、存儲(chǔ)器部分、A/D轉(zhuǎn)換器部分、微處理器（射頻通信）部分等。節(jié)點(diǎn)一般采用原電池供電，當(dāng)電源電能耗盡的時(shí)候，節(jié)點(diǎn)工作能力將喪失。為了提高電源的利用率，在系統(tǒng)硬件電路方案設(shè)計(jì)方面，應(yīng)盡量考慮低功耗器件。在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案中，各層的通信協(xié)議均應(yīng)本著節(jié)能的原則。本設(shè)計(jì)提出的無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)(WSN)節(jié)點(diǎn)農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)方案，不需鋪設(shè)多余電纜。在農(nóng)業(yè)大棚溫室內(nèi)放置所需的傳感器節(jié)點(diǎn)，由傳感器定時(shí)采集各節(jié)點(diǎn)處基本環(huán)境參量信息（光強(qiáng)度、CO2濃度和溫度），采集的信息結(jié)果可以顯示在LCD上。各環(huán)境參量信息經(jīng)處理后通過(guò)Zigbee傳輸并進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間的無(wú)線(xiàn)通信，再由監(jiān)測(cè)終端對(duì)采集的信息統(tǒng)一進(jìn)行管理分析。對(duì)于傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，硬件方面，必須考慮低功耗型，選取無(wú)線(xiàn)傳輸方式；軟件方面，必須能支持多跳（multi-hops）路由協(xié)議。Zigbee協(xié)議充分考慮了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的應(yīng)用要求，是現(xiàn)階段業(yè)界內(nèi)統(tǒng)一看好的一種無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議。在這些基本思想和考慮下，本設(shè)計(jì)選取了以CC2530單片機(jī)為核心，結(jié)合外圍光強(qiáng)度、CO2濃度和溫度三種傳感器構(gòu)建無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）節(jié)點(diǎn)。CC2530控制傳感器采集農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境的光強(qiáng)度、CO2濃度和溫度等基本環(huán)境參量，由CC2530自身集成的Zigbee模塊將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的無(wú)線(xiàn)通信。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)大棚溫室環(huán)境基本參量的監(jiān)測(cè)。2.2硬件電路方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，可分為下面三個(gè)模塊：微處理器模塊、傳感器模塊和電源模塊。其中，選用的CC2530微處理器本身具有信號(hào)處理和射頻通信的雙重功能，故不需再外設(shè)射頻通信模塊，從微處理器模塊外接天線(xiàn)即可。傳感器模塊包含了溫度傳感器、光強(qiáng)度傳感器和CO2傳感器。傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。圖2-1傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)圖2.2.1微處理器選型微處理器選擇的是CC2530芯片。它工作在2.4GHzISM頻帶，是真正意義上最新的符合ZigBee協(xié)議的片上系統(tǒng)解決方案，與此同時(shí)，CC2530是現(xiàn)階段諸多Zigbee設(shè)備產(chǎn)品中最具特色的微處理器之一。CC2530采用一個(gè)通用處理器核為基礎(chǔ)，該處理器核不但能夠支持一種完善的指令集，而且能達(dá)到應(yīng)用環(huán)境下的大部分要求。CC2530內(nèi)含一個(gè)Zigbee協(xié)議兼容無(wú)線(xiàn)收發(fā)器，射頻通信能在芯片內(nèi)部自行控制。此外，它還包括了一個(gè)微控制器（MCU）與無(wú)線(xiàn)設(shè)備間的接口，讓系統(tǒng)能按一定的次序工作：發(fā)出命令—讀取狀態(tài)—自動(dòng)操作—確定無(wú)線(xiàn)設(shè)備事件。這些都使得采用CC2530操作只需要連接極少的外部元件，整體硬件電路設(shè)計(jì)趨于優(yōu)化態(tài)。CC2530采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051CPU，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8KBRAM和很多其他強(qiáng)大的功能。另外，它可以以十分低的總材料成本建立起十分強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。由于其硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、功耗低、封裝小，在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）中得到了一致認(rèn)可。CC2530引腳如圖2-2所示。圖2-2CC2530引腳圖2.2.2傳感器選型1.CO2傳感器本設(shè)計(jì)采用的是MG811電化學(xué)CO2傳感器。MG811對(duì)CO2濃度有良好的靈敏度和感知，受外界環(huán)境變化影響小，穩(wěn)定性良好。相比于其他的比如TGS4160電化學(xué)CO2傳感器，MG811更適于做手持式或者便攜式CO2測(cè)量?jī)x器。它預(yù)熱的時(shí)間比較短，5min左右即可，能夠?qū)崿F(xiàn)即時(shí)測(cè)量的目的。同時(shí)傳感器的功率也比較小，符合本設(shè)計(jì)中對(duì)于系統(tǒng)低功耗的考慮，十分適合應(yīng)用于農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境內(nèi)的CO2監(jiān)測(cè)。MG811采用固體電解質(zhì)電池原理。元件加熱電壓由外電路提供，當(dāng)其表面溫度足夠高時(shí)，元件相當(dāng)于一個(gè)電池，其兩端會(huì)輸出電壓信號(hào)，信號(hào)值比較符合能斯特方程。元件測(cè)量時(shí)放大器的阻抗須在100—1000GΩ之間，其測(cè)試電流應(yīng)控制在1pA以下，同時(shí)，當(dāng)CO2濃度越高時(shí)，系統(tǒng)輸出電壓則越低。MG811傳感器如圖2-3所示。圖2-3MG811傳感器圖2.溫度傳感器本設(shè)計(jì)采用的是DSI8B20單總線(xiàn)數(shù)字式溫度傳感器。與傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器相比，DSI8B20集溫度測(cè)量和A/D轉(zhuǎn)換于一體，能夠直接在LCD上讀出顯示出被測(cè)溫度值，并且可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用要求實(shí)現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式。它與單片機(jī)接口需要的外圍元件非常少，使得硬件電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。從DS18B20讀/寫(xiě)信息只需要一根口線(xiàn)（單線(xiàn)接口），溫度變換功率來(lái)源于數(shù)據(jù)總線(xiàn)，總線(xiàn)本身也可以向所掛接的DS18B20供電，無(wú)需補(bǔ)充額外電源。另外，DSI8B20具有分辨率高，轉(zhuǎn)換速度快，能自動(dòng)報(bào)警等特性，可廣泛用于節(jié)點(diǎn)分布多的場(chǎng)合。使用DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡(jiǎn)單，可靠性更高，十分適用于本設(shè)計(jì)中的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境內(nèi)的溫度監(jiān)測(cè)。采用DSI8B20溫度傳感器，可直接讀取被測(cè)溫度值并進(jìn)行轉(zhuǎn)換。測(cè)溫范圍是-55℃~+125℃，固有測(cè)溫分辨率為0.5℃。具有傳輸距離遠(yuǎn)，精度性高，軟硬件易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，而且單片機(jī)的接口便于系統(tǒng)的再擴(kuò)展，滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)要求。DSI8B20傳感器如圖2-4所示。從左至右引腳分別為：DQ\GND\VDD。圖2-4DSI8B20傳感器圖3.光強(qiáng)傳感器本設(shè)計(jì)采用的光強(qiáng)傳感器為BH1750FVI。BH1750FVI

是一種用于兩線(xiàn)式串行總線(xiàn)接口的數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器集成電路。利用I2C總線(xiàn)接口數(shù)字型的BH1750FVI光強(qiáng)度傳感器，可以盡量避免由A\D轉(zhuǎn)化系統(tǒng)帶來(lái)的不必要誤差，同時(shí)可在LCD上直接進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量。該傳感器組成的系統(tǒng)具有光強(qiáng)度采集精度高、受紅外線(xiàn)影響小、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，并且無(wú)需連接其他外部件，硬件電路設(shè)計(jì)較為簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)與集成，它可以根據(jù)光線(xiàn)強(qiáng)度來(lái)進(jìn)行農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境內(nèi)的光強(qiáng)度監(jiān)測(cè)。利用它的1lx~65535lx高分辨率可以探測(cè)到農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境內(nèi)較大范圍的光強(qiáng)度變化。BH1750FVI傳感器如圖2-5所示。DVI是I2C總線(xiàn)的參考電壓終端，同時(shí)也是異步重置終端。在VCC供應(yīng)后必須設(shè)置為“L”，在DVI設(shè)置為“L”期間，內(nèi)部狀態(tài)設(shè)置為電源掉電模式。ADDR端口是用來(lái)緩沖內(nèi)部測(cè)試的3種狀態(tài)而設(shè)計(jì)的，SDA和SCL都是I2C接口，VCC是3.3V電源接口。圖2-5BH1750FVI傳感器圖2.3系統(tǒng)軟件方案設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)上移植了德州儀器（TI）Zigbee協(xié)議棧，采用的射頻芯片是TI公司的CC2530單片機(jī)。Zigbee協(xié)議棧無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為C語(yǔ)言，以IAREmbeddedWorkbench7.51A作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)。本系統(tǒng)各傳感器節(jié)點(diǎn)間的組網(wǎng)方式采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的星型網(wǎng)絡(luò)。這樣設(shè)計(jì)不僅可以組建出穩(wěn)定的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，并且數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，功耗低，還可以與TI公司支持的其他方案混合組網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)化。本設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)軟件分為兩種類(lèi)型：傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)完成農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境的信息采集，并將采集到的信息傳送給無(wú)線(xiàn)傳輸模塊，然后通過(guò)Zigbee技術(shù)無(wú)線(xiàn)傳送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器；網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收傳感器節(jié)點(diǎn)的信息并將信息發(fā)送給PC機(jī)，然后進(jìn)行信息處理。2.4本章小結(jié) 本章節(jié)在考慮可用性，可靠性，可實(shí)現(xiàn)性和成本性等基本因素的前期下，經(jīng)過(guò)深入研究，分析，設(shè)計(jì)出了基于TI公司的CC2530單片機(jī)下農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)。并分硬件電路和系統(tǒng)軟件兩方面進(jìn)行了闡述。硬件方面介紹了對(duì)系統(tǒng)采用的主控芯片CC2530和CO2、溫度、光強(qiáng)度三種傳感器的選型。軟件方面給出了一個(gè)整體的設(shè)計(jì)線(xiàn)路。整合軟硬件的設(shè)計(jì)，更好的體現(xiàn)出基于低功耗原則下的整個(gè)設(shè)計(jì)方案的可靠性和真實(shí)性。

第3章節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)是為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）特別設(shè)計(jì)的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的特點(diǎn)決定了傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)應(yīng)著重考慮低功耗、低成本、穩(wěn)定性和安全性等方面的問(wèn)題。3.1最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) CC2530的最小硬件系統(tǒng)由電源電路、復(fù)位電路、晶振（時(shí)鐘）電路組成。其中，射頻通信部分在CC2530單片機(jī)片內(nèi)自行構(gòu)建，晶振部分也應(yīng)用CC2530片內(nèi)的晶振。電源電路部分作為系統(tǒng)所有模塊的基礎(chǔ)模塊，在本設(shè)計(jì)中單獨(dú)提出來(lái)進(jìn)行闡述。單片機(jī)最小系統(tǒng)框架如圖3-1所示。圖3-1單片機(jī)最小系統(tǒng)框圖CC2530最小系統(tǒng)有32MHh和32.768KHz兩個(gè)外部晶振電路。其中，32MHz的晶振電路是由1個(gè)32MHz的石英諧振器和2個(gè)電容構(gòu)成(管腳22和23)。32.768kHz的晶振電路是用1個(gè)32.768kHz的石英晶振器和2個(gè)電容(管腳33和32)構(gòu)成。另外，在信號(hào)輸出端處設(shè)計(jì)了一個(gè)濾波網(wǎng)絡(luò)至天線(xiàn)接口，增強(qiáng)了信號(hào)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。并且在每個(gè)電源引腳處設(shè)計(jì)了一至兩個(gè)濾波電容，有利于系統(tǒng)更加穩(wěn)定地工作。CC2530最小系統(tǒng)電路如圖3-2所示。圖3-2CC2530最小系統(tǒng)電路圖3.1.1CC2530射頻通信射頻通信模塊由無(wú)線(xiàn)射頻電路和天線(xiàn)組成。射頻通信收發(fā)模塊是傳感器節(jié)點(diǎn)中最為主要的耗能模塊，同時(shí)也是傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。射頻收發(fā)的主要功能是對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)板塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)收發(fā)操作。天線(xiàn)是射頻通信模塊的重要器件，是信號(hào)收發(fā)所必不可少的，天線(xiàn)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣會(huì)直接影響射頻通信模塊的整體性能。通過(guò)對(duì)各種類(lèi)型天線(xiàn)的分析及ZigBee整體通信系統(tǒng)的要求，本設(shè)計(jì)采用2.4G增益為3dB的SMA全向天線(xiàn)作為ZigBee射頻模塊的天線(xiàn)。它能在水平方向圖上表現(xiàn)為360°的均勻輻射，適合本設(shè)計(jì)的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)這樣的范圍小距離使用，精度較高，且成本較低。天線(xiàn)傳輸單元有4種工作狀態(tài)：發(fā)送、接收、空閑、休眠。考慮到空閑態(tài)仍然具有比較高的功耗，在本設(shè)計(jì)中選用動(dòng)態(tài)定時(shí)與應(yīng)答機(jī)制，在傳輸能正常進(jìn)行的前提下，讓無(wú)線(xiàn)傳輸單元處于休眠態(tài)，以配合系統(tǒng)低功耗的設(shè)計(jì)原則。本設(shè)計(jì)所應(yīng)用的射頻收發(fā)模塊電路如圖3-3所示。圖3-3射頻收發(fā)模塊電路圖3.1.2復(fù)位電路設(shè)計(jì) 在單片機(jī)系統(tǒng)中，復(fù)位電路是十分關(guān)鍵的。當(dāng)程序運(yùn)行不正常或停止運(yùn)行時(shí)，就需要進(jìn)行復(fù)位。本設(shè)計(jì)采用按鍵方式用于系統(tǒng)的復(fù)位。當(dāng)按鍵閉合時(shí)，為低電平，CC2530處于復(fù)位狀態(tài)；當(dāng)按鍵開(kāi)啟時(shí)，為高電平，CC2530處于正常工作狀態(tài)。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，在按鍵的輸出端接上拉電阻R2。復(fù)位電路如圖3-4所示。圖3-4CC2530復(fù)位電路圖3.1.3CC2530晶振模塊設(shè)計(jì)晶振模塊是一個(gè)電路系統(tǒng)正常工作的基本架構(gòu)之一，大部分的電路均是以晶振產(chǎn)生的時(shí)鐘信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)的。晶振可用做時(shí)鐘信號(hào)發(fā)生器，為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)。通常一個(gè)系統(tǒng)共用一個(gè)晶振，便于各部分保持同步。本設(shè)計(jì)晶振模塊部分采用的是CC2530單片機(jī)的片內(nèi)晶振。CC2530內(nèi)部有四個(gè)晶振：兩個(gè)內(nèi)部（16MRC晶振，32KRC晶振），兩個(gè)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、啟動(dòng)慢、耗電大；RC晶振精度稍低，但是啟動(dòng)快、耗電小。在上電時(shí)，默認(rèn)的是使用內(nèi)部的這兩個(gè)晶振。外部晶振是由管腳33和32構(gòu)成的32.768kHz晶振電路，管腳22和23構(gòu)成32MHz的晶振電路。同時(shí)需要注意的是，兩個(gè)低頻晶振不能同時(shí)上電，即不可以同時(shí)起振。晶振在重新使用之前必須處于掉電狀態(tài)一段時(shí)間，以保護(hù)晶振不受損壞。晶振電路如圖3-5所示。圖3-5晶振電路圖3.2數(shù)據(jù)采集模塊 3.2.1溫度傳感器模塊溫度傳感器模塊主要功能是實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地采集農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境中的溫度參數(shù)，及時(shí)將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)轿⑻幚砥髦小SI8B20單總線(xiàn)數(shù)字式溫度傳感器集溫度測(cè)量和A/D轉(zhuǎn)換與一體，整體硬件電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，運(yùn)用上拉電阻R7提高輸出能力。溫度傳感器電路設(shè)計(jì)如圖3-6所示。如圖所示，DQ是數(shù)據(jù)線(xiàn)，用于和CPU的P0.5接口連接傳送串行數(shù)據(jù)，不需要外部件和備份電源，可直接用數(shù)據(jù)線(xiàn)供電。GND是地線(xiàn)接口，VCC是3.3V電源接口。圖3-6溫度傳感器模塊圖3.2.2CO2傳感器模塊CO2傳感器模塊主要功能是實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境中CO2濃度參數(shù)，及時(shí)地將數(shù)據(jù)信息傳送給微處理器。CO2傳感器電路設(shè)計(jì)如圖3-7所示。如圖所示，由于MG811工作電壓在6V，輸出電壓在40mA左右，單片機(jī)不能直接采集，所以增加了一個(gè)高輸入阻抗、低偏置電流的運(yùn)放CA3140來(lái)放大信號(hào)至1.2V左右，能夠簡(jiǎn)單提高CO2濃度的分辨率，使單片機(jī)可以直接采集。后接一個(gè)LM393雙電壓比較器集成電路，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，利于單片機(jī)用不同方式來(lái)處理信號(hào)。通過(guò)正負(fù)端輸入電壓大小比較的變化直觀(guān)顯示在指示燈D5上。比較器反相輸入端有固定電壓輸入，當(dāng)同相端的傳感器信號(hào)減小至小于反相輸入端電壓時(shí)，指示燈熄滅。CO2濃度越高，輸出電壓越低。當(dāng)CO2濃度由低變高時(shí)，萬(wàn)用變顯示電壓降低，D5指示燈會(huì)由亮變滅。圖3-7CO2傳感器模塊圖3.2.3光強(qiáng)度傳感器塊光強(qiáng)度傳感器模塊主要功能是實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地采集農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境中光強(qiáng)度參數(shù)，及時(shí)地將數(shù)據(jù)信息傳送給微處理器。光強(qiáng)度傳感器電路設(shè)計(jì)如圖3-8所示。如圖所示，光強(qiáng)度傳感器模塊用3.3V電源供電。ADDR和DVI均采用低電平電壓輸入，利用SDA和SCL串口進(jìn)行I2C通信，可在LCD1602上直接讀出光強(qiáng)度數(shù)據(jù)測(cè)量結(jié)果。BH1750只需占用主控器的3個(gè)I/O端口（P0.1，P0.2，P0.3）就可以正常工作。圖3-8光強(qiáng)度傳感器模塊圖3.3電源模塊設(shè)計(jì)電源模塊是所有電子系統(tǒng)必需的基礎(chǔ)模塊。針對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)來(lái)講，電源模塊直接關(guān)系到傳感器節(jié)點(diǎn)的成本、效率、壽命等問(wèn)題。因此，合理選擇電源種類(lèi)是電源設(shè)計(jì)模塊中首選思考的問(wèn)題。本設(shè)計(jì)核心系統(tǒng)板采用外接5V電池供電，原電池能量密度高、低廉、容易購(gòu)買(mǎi)等特點(diǎn)使得整個(gè)系統(tǒng)能穩(wěn)定工作。但基于節(jié)點(diǎn)所需要的電壓不止一種，為確保單片機(jī)和傳感器節(jié)點(diǎn)正常工作，根據(jù)CC2530對(duì)電源的要求，系統(tǒng)需要提供3.3V和6V這兩種電壓。為讓系統(tǒng)整體正常運(yùn)行，本設(shè)計(jì)引入了一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換電路，使用兩塊電源芯片給系統(tǒng)供電。一種是EUP3412降壓電路設(shè)計(jì)后得到3.3V穩(wěn)壓電壓給系統(tǒng)其他部分供電；另一種是利用LM2623進(jìn)行升壓電路設(shè)計(jì)得到6V穩(wěn)壓電壓后單獨(dú)給CO2傳感器模塊供電。3.3.13.3V電源電路設(shè)計(jì)3.3V電源對(duì)除CO2傳感器部分以外的其他所有模塊供電。采用的電壓轉(zhuǎn)換器芯片是EUP3412降壓芯片。采取電阻降壓，電容濾波的方法提供3.3伏電壓。電源接口處接5V電源控制開(kāi)關(guān)，C11、C12電容為濾波電容，引腳均接地，主要濾掉高頻紋波，防止自激振蕩;通過(guò)EUP3412，3.3V電壓輸出以后，分別送到CC2530的VCC引腳和溫度、光強(qiáng)度傳感器的VCC引腳。3.3V電源電路設(shè)計(jì)如圖3-9所示。EUP3412是電流控制模式的DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器，輸出電壓與輸出端的兩個(gè)電阻比值有關(guān)，輸出電壓計(jì)算公式為Vout=0.5V*(1+R12/R13)，通過(guò)選值，可得本設(shè)計(jì)的電壓輸出為3.3V。圖3-9EUP3412電源電路3.3.26V電源電路設(shè)計(jì)根據(jù)CO2濃度傳感器正常工作的要求，需對(duì)其使用6V電源供電。采用的電壓轉(zhuǎn)換器芯片為L(zhǎng)M2623升壓芯片。LM2623是一個(gè)高效率，通用，升壓型DC-DC切換為電池供電和低輸入電壓系統(tǒng)的穩(wěn)壓器。6V電源電路設(shè)計(jì)如圖3-10所示。LM2623是一個(gè)高效率，通用，升壓型DC-DC電壓轉(zhuǎn)換穩(wěn)壓器。輸出電壓公式為Vout=1.24*(1+R18/R19)，通過(guò)輸出端的電阻選值，可得本設(shè)計(jì)的電壓輸出為6V。圖3-10LM2623電源電路3.3.3電壓檢測(cè)電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用5V原電池作為大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)供電方式，當(dāng)它工作時(shí)，由于電池內(nèi)部損耗和外部環(huán)境的影響，電池電壓會(huì)下降。為了使系統(tǒng)監(jiān)測(cè)能夠長(zhǎng)久穩(wěn)定地進(jìn)行，電源模塊中增加了一個(gè)電壓檢測(cè)的設(shè)計(jì)。電壓檢測(cè)電路如圖3-11所示。如圖所示，電壓檢測(cè)電路選用HT7033A低電壓檢測(cè)器，默認(rèn)使用5V原電池供電，連接一個(gè)欠壓指示燈D5在輸出端口。當(dāng)系統(tǒng)電壓降低至3.3V時(shí)，欠壓指示燈D5點(diǎn)亮，提醒要更換電池。圖3-11電壓檢測(cè)電路3.4LCD顯示在日常生活中，液晶顯示器隨處可見(jiàn)。液晶顯示模塊早已作為諸多電子產(chǎn)品的顯示器件，顯示的主要為數(shù)字、專(zhuān)用符號(hào)和圖形。液晶顯示器為一般的單片機(jī)的人機(jī)交流界面基本輸出方式之一。其在各個(gè)方面有著廣泛的應(yīng)用。液晶顯示的原理比較簡(jiǎn)單，它是利用液晶獨(dú)特的物理特性，通過(guò)電壓控制其顯示區(qū)域，通電即能顯示的原理，來(lái)控制顯示的圖形。液晶顯示器具有厚度薄、顯示質(zhì)量高、價(jià)格低廉、適用于大規(guī)模集成電路直接驅(qū)動(dòng)、體積小、重量輕、功耗低等特點(diǎn)，目前已得到大眾的青睞，廣泛涉及在眾多領(lǐng)域。在本設(shè)計(jì)的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)中，采用的是LCD1602液晶顯示。以下是對(duì)LCD1602的基本介紹。LCD尺寸如圖3-12所示。圖3-121602-LCD尺寸圖1、關(guān)于LCD1602的電氣參數(shù)說(shuō)明：一般來(lái)說(shuō)，大部分LCD1602使用的驅(qū)動(dòng)器為HD44780S。HD44780S的供電電壓為5V±10%。經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，LCD1602的供電電壓雖然規(guī)定必須為5V，但是其控制總線(xiàn)和數(shù)據(jù)總線(xiàn)可用3.3V電平（TTL電平來(lái)說(shuō)，大于2.5V的可以算高電平）。不過(guò)，在3.3V的電平下，數(shù)據(jù)的通信速度可能會(huì)降低。2、關(guān)于LCD1602的硬件連接說(shuō)明：LCD1602的通信模式可分為4bit或8bit兩種，通信方式也可分為雙向和單向兩種。由于LCD1602不支持點(diǎn)陣?yán)L圖功能，所以本設(shè)計(jì)使用的都是單向通信。LCD1602可以和單片機(jī)直接接口，硬件連接比較簡(jiǎn)單。3.3V的背光電壓，有三根控制線(xiàn)，以及八根數(shù)據(jù)線(xiàn)。在實(shí)驗(yàn)前應(yīng)將顯示切換開(kāi)關(guān)切換到LCD工作狀態(tài)。LCD1602硬件連接如圖3-13所示。圖3-13LCD硬件連接3.5本章小結(jié) 本章完成了農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信對(duì)硬件電路的設(shè)計(jì)。包括CC2530最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)采集模塊、電源模塊、LCD顯示電路的設(shè)計(jì)。其中CC2530最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括了晶振電路、電源電路和復(fù)位電路三部分。晶振部分采用CC2530內(nèi)部晶振，射頻通信部分也是作為CC2530內(nèi)部成分進(jìn)行闡述的。數(shù)據(jù)采集模塊的電路設(shè)計(jì)包括溫度傳感器電路、CO2傳感器電路、光強(qiáng)度傳感器電路三個(gè)部分的設(shè)計(jì)。電源模塊作為系統(tǒng)整體最基礎(chǔ)的部分，分為兩個(gè)電路設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述。本地顯示電路采用LCD1602顯示。目前，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的硬件開(kāi)發(fā)技術(shù)已經(jīng)取得了比較好的進(jìn)步，但仍舊面臨多方面的挑戰(zhàn)，比如硬件系統(tǒng)的可擴(kuò)展性設(shè)計(jì)、高能量密度電池與能量收集技術(shù)以及多種應(yīng)用需求方面的矛盾和權(quán)衡等還需要做出進(jìn)一步的改善。第4章傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)是由CC2530單片機(jī)，溫度、光強(qiáng)、二氧化碳三種傳感器，電源及LCD1602構(gòu)成。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)被初始化為無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）中的終端設(shè)備。CC2530作為整個(gè)Zigbee節(jié)點(diǎn)的核心模塊，主要負(fù)責(zé)管理節(jié)點(diǎn)外圍設(shè)備、存儲(chǔ)傳感器采集的數(shù)據(jù)信息，并對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)收發(fā)操作。電源則負(fù)責(zé)為整個(gè)Zigbee節(jié)點(diǎn)供電，LCD負(fù)責(zé)顯示傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息。4.1溫度傳感器程序設(shè)計(jì)溫度傳感器程序設(shè)計(jì)中采用了一種閾值監(jiān)測(cè)溫度報(bào)警設(shè)計(jì)，它通過(guò)預(yù)先設(shè)置在CC2530中的溫度值來(lái)對(duì)采集到的溫度進(jìn)行判斷，在設(shè)定溫度范圍之外的值則視為非常值。溫度測(cè)量每10min進(jìn)行一次，并不斷進(jìn)行刷新操作，從而達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)大棚溫度的目的。LCD1602負(fù)責(zé)顯示DS18B20采集的當(dāng)前溫度值。其程序流程如圖4-1所示。圖4-1溫度傳感器程序流程圖4.2二氧化碳與光強(qiáng)傳感器程序設(shè)計(jì)二氧化碳與光強(qiáng)傳感器程序設(shè)計(jì)比溫度傳感器程序設(shè)計(jì)增加了一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)主程序首先對(duì)各個(gè)部分進(jìn)行初始化，設(shè)定正常值范圍，完成后開(kāi)始接收用戶(hù)的命令，讀取并計(jì)算傳感器采集到的數(shù)據(jù)值，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后在LCD1602上顯示出來(lái)。若LCD顯示出傳感器采集到的數(shù)據(jù)不在正常值范圍內(nèi)則報(bào)警。程序不斷地循環(huán)執(zhí)行，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)大棚里二氧化碳濃度與光強(qiáng)度的目的。系統(tǒng)的程序流程如圖4-2所示。圖4-2二氧化碳與光強(qiáng)傳感器程序流程圖4.3Zigbee無(wú)線(xiàn)通信程序設(shè)計(jì)大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)WSN網(wǎng)絡(luò)采用基于IEEE802.15.4通信協(xié)議的Zigbee無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)。Zigbee無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)工作在開(kāi)放式的、無(wú)需注冊(cè)的2.4GHz工業(yè)、科學(xué)以及醫(yī)療（IndustrialScientificMedical，ISM）頻段，傳輸距離大概范圍在10m~75m，若使用增益天線(xiàn)，傳輸距離可增加到1500m。此外，傳輸速率可達(dá)250kbit/s~10Mbit/s。IEEE802.15.4/ZigBee技術(shù)僅分為4層，ZigBee協(xié)議棧是建立在IEEE802.15.4的PHY層和MAC子層規(guī)范之上的。它實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)層(networklayer，NWK)和應(yīng)用層(applicationlayer，APL)的功能。在應(yīng)用層內(nèi)提供了應(yīng)用支持子層(applicationsupportsub—layer，APS)和ZigBee設(shè)備對(duì)象(ZigBeeDeviceObject，ZDO)。Zigbee協(xié)議架構(gòu)如圖4-3所示。圖4-3Zigbee協(xié)議棧架構(gòu)圖從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上看，zigbee網(wǎng)絡(luò)有星形、網(wǎng)狀和樹(shù)狀3種模式，按照網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功能劃分可分為終端節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)(cp)、路由器節(jié)點(diǎn)3種。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分別如圖4-4ABC所示。圖4-4網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)的的核心是微處理器芯片。微處理器模塊在無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊的協(xié)作下完成Zigbee網(wǎng)絡(luò)的建立與維護(hù)，數(shù)據(jù)采集與處理，無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)以及zigbee協(xié)議棧的正常運(yùn)行。其網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)過(guò)程為：當(dāng)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，高層通過(guò)數(shù)據(jù)原語(yǔ)NLDE-DATA.request請(qǐng)求網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送數(shù)據(jù)幀；收到數(shù)據(jù)請(qǐng)求原語(yǔ)之后，網(wǎng)絡(luò)層利用路由機(jī)制發(fā)送網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)幀：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去之后，網(wǎng)絡(luò)層通過(guò)NLDE-DATA.confirm原語(yǔ)告訴高層數(shù)據(jù)發(fā)送的結(jié)果。包括狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)層凈荷句柄和發(fā)送時(shí)間等參數(shù)。主程序流程如圖4-5所示。圖4-5主程序流程圖4.4本章小結(jié) 本章將基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的傳感器節(jié)點(diǎn)軟件進(jìn)行了闡述并畫(huà)出了流程圖。整體可劃分為三個(gè)功能模塊：溫度傳感器程序設(shè)計(jì)、二氧化碳與光強(qiáng)度傳感器程序設(shè)計(jì)和Zigbee無(wú)線(xiàn)通信程序設(shè)計(jì)。采用模塊化的設(shè)計(jì)方式設(shè)計(jì)的軟件靈活性較強(qiáng)，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的擴(kuò)展功能。若系統(tǒng)規(guī)模需要擴(kuò)大，或者增加測(cè)量對(duì)象時(shí)，只需增加調(diào)用次數(shù)即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展，不用需重新設(shè)計(jì)電路。這也是基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)比傳統(tǒng)大棚監(jiān)控系統(tǒng)更有優(yōu)勢(shì)的地方。第5章系統(tǒng)測(cè)試5.1系統(tǒng)的硬件介紹 本文根據(jù)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)要求，結(jié)合農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)出了一款農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)方案。選用CC2530單片機(jī)作為系統(tǒng)的微處理器，配以DS18B20溫度傳感器、BH1750FVI光強(qiáng)度傳感器以及MG811CO2傳感器，選取5V原電池作為系統(tǒng)供電電源，LCD1602的顯示方式，在ZigBee協(xié)議作為WSN的傳輸協(xié)議下，實(shí)現(xiàn)了一種簡(jiǎn)易、低功耗的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件平臺(tái)。完成系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)后，利用AltiumDesignerWinter09設(shè)計(jì)電路圖，并制作PCB板，完成硬件電路的焊接，下圖為焊接之后的PCB板硬件實(shí)物圖。圖5-1PCB板硬件實(shí)物圖5.2傳感器模塊調(diào)試本設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，硬件搭接和軟件燒錄完畢之后，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了調(diào)試，先對(duì)系統(tǒng)分模塊進(jìn)行了初步的測(cè)試，然后對(duì)系統(tǒng)整體做出了調(diào)試。以下是對(duì)三個(gè)傳感器模塊調(diào)試情況作出的介紹。5.2.1DSI8B20模塊調(diào)試調(diào)試DS18B20溫度傳感器模塊，可以通過(guò)在LCD1602模塊上顯示出由溫度傳感器DS18B20采集的溫度數(shù)據(jù)。用溫度計(jì)測(cè)量的當(dāng)前室溫為18.5度，溫度傳感器采集到的溫度為18度。通過(guò)計(jì)算，得出測(cè)量誤差為2.8%，該值在誤差允許范圍內(nèi)，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，適用于農(nóng)業(yè)大棚溫度的監(jiān)測(cè)。溫度顯示結(jié)果如圖5-2所示。圖5-2溫度顯示5.2.2MG811模塊調(diào)試 調(diào)試MG811CO2傳感器模塊，在室溫?zé)o處理情況下，CO2濃度值為1.07V，但大于電壓比較器的反相輸入端固定電壓，所以指示燈常亮。CO2濃度值顯示如下圖所示。圖5-3CO2濃度顯示（燈亮）當(dāng)對(duì)著CO2傳感器吹氣時(shí)，周?chē)鶦O2濃度增加，導(dǎo)致傳感器輸出信號(hào)減小，CO2濃度值為0.96V。比較器反相輸入端有固定電壓輸入，當(dāng)同