物聯(lián)網(wǎng)--基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的精準農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(共62頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上齊 齊 哈 爾 大 學畢業(yè)設(shè)計（論文）題 目 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的精準農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計學 院 通信與電子工程學院 專業(yè)班級 物聯(lián)網(wǎng)111班 學生姓名 盧 旭 指導教師 苗鳳娟 成 績 2015年 6 月 25 日專心-專注-專業(yè)摘 要眾所周知，無線傳感器技術(shù)已經(jīng)成為農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測的主要技術(shù)，通過該技術(shù)解決了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測的諸多問題，比如：設(shè)備繁多、維修困難；布線繁瑣、容易腐化；規(guī)模龐大、不易管理等。本設(shè)計基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)根據(jù)要求不僅能夠采集農(nóng)業(yè)環(huán)境參數(shù)，還利用視頻技術(shù)采集了環(huán)境的圖像信息，這樣不僅從數(shù)據(jù)分析上得到農(nóng)業(yè)環(huán)境參數(shù)，更能通過圖像直觀的觀測農(nóng)田環(huán)境，

2、為本設(shè)計提供更可靠的依據(jù)。本設(shè)計融合軟件和硬件，對于無線傳輸硬件，選擇了Zigbee模塊和Wifi模塊，Zigbee模塊主要負責傳輸傳感器的數(shù)據(jù)，Wifi負責傳輸視頻，因為需要采集溫濕度、二氧化碳濃度和光照強度，所以比較了多種傳感器后，溫濕度傳感器選擇DHT11，二氧化碳傳感器使用MG811，對于光照強度傳感器使用BH1750。傳感器監(jiān)測節(jié)點很簡單，傳感器采集數(shù)據(jù)經(jīng)過Zigbee模塊傳送給協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器在傳送到上位機即可。另一部分采用Wifi模塊傳輸攝像頭采集的視頻，將視頻傳輸?shù)缴衔粰C，監(jiān)測農(nóng)作物是否有病蟲害，或者是否有人侵入等。軟件則涉及了Altium designer設(shè)計硬件的電路圖，上

3、位機選用Visual Studio 2013，程序設(shè)計語言C#，PC機接將數(shù)據(jù)存儲、分析，若是超出了設(shè)置的范圍，則會自動實現(xiàn)報警功能，真正實現(xiàn)遠程監(jiān)測的功能。關(guān)鍵詞：環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；傳感器；協(xié)調(diào)器； AbstractAs we all know, the wireless sensor technology has become a major agricultural technology for environmental monitoring, through the technology to solve the many problems of traditional

4、agriculture environmental monitoring, such as: equipment range, difficult maintenance; wiring cumbersome, easy to corrupt; large-scale, difficult to manage and so on. The design is based on wireless sensor network technology can not only collect according to the requirements of agricultural environm

5、ental parameters, but also the use of video technology to collect the image information environment, so that not only the agricultural environment parameters obtained from the data analysis, more intuitive observation by image farmland environment-oriented designed to provide a more reliable basis.T

6、he integration of software and hardware design, hardware for wireless transmission, select the Zigbee module and Wifi module, Zigbee module is mainly responsible for the data transmission of the sensor, Wifi responsible for the transmission of video, because you need to collect temperature, humidity

7、, carbon dioxide concentration and light intensity, it is more a more after the kind of sensor, temperature and humidity sensor selection DHT11, carbon dioxide sensors MG811, the light intensity sensors BH1750. Sensors monitor node is simple sensor to collect data to the coordinator after Zigbee mod

8、ule, by the coordinator in the transmission to the host computer can be. Another part of Wifi module transmission camera to capture the video, the video transmission to the host computer, monitor crops if there are pests and diseases, or whether someone breaks the like. Altium designer software invo

9、lves the design of hardware circuit, the host machine selects Visual Studio 2013, the programming language C #, PC machines connected to data storage, analysis, if beyond the scope set alarm function will automatically truly remote monitoring functions.Keywords: environmental monitoring system; wire

10、less sensor networks; coordinator; sensors;目 錄 0第1章 緒論1.1 選題背景和意義中國是農(nóng)業(yè)大國，耕地面積也超過世界許多國家，受分布零散、環(huán)境惡劣、病蟲害等因素影響，本來顯著的優(yōu)勢并沒有得以體現(xiàn)，經(jīng)濟發(fā)展匱乏，致使中國的農(nóng)業(yè)發(fā)展前景黯淡，但是科學技術(shù)的騰飛，帶動著各行各業(yè)向前邁進一大步，很多發(fā)達國家把科學這個新助力注入到其他產(chǎn)業(yè)，取得的效果非常明顯，受到這種啟發(fā)，我國也漸漸的將眼光轉(zhuǎn)向科技與各產(chǎn)業(yè)融合，完美的實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)多元化?？墒牵r(nóng)作物眾多、多種環(huán)境參數(shù)無法預知，管理不及時、技術(shù)不成熟都導致科技農(nóng)業(yè)的發(fā)展遲緩，因此針對這些問題，實施對植物長勢的

11、動態(tài)監(jiān)測，是實現(xiàn)高效農(nóng)業(yè)、提高農(nóng)業(yè)管理水平的必要手段，也是真正提高了土地利用率1。針對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)問題，有線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測技術(shù)大規(guī)模使用，但是該種技術(shù)的農(nóng)業(yè)環(huán)境參數(shù)需要人工現(xiàn)場采集，周期讀數(shù)，才能完成整個系統(tǒng)的監(jiān)測的目的，然而這個方案有著諸多的技術(shù)弊端，比如：人工定期讀卡，數(shù)據(jù)僅僅是某一時刻的數(shù)值，不是這段時間的數(shù)據(jù)包，無法反映農(nóng)作物真正的生長狀態(tài)；采集信息的設(shè)備昂貴且笨重，安裝困難，占地面積大，維修難度較大，電纜布線錯綜復雜，容易受環(huán)境影響氧化或腐化而受損，維修不及時，就會造成數(shù)據(jù)的丟失，無法獲得最新數(shù)據(jù)，況且監(jiān)測范圍廣大，放置設(shè)備時需要準確確定位置，否則就會出現(xiàn)監(jiān)測漏洞，局部的數(shù)據(jù)自然無法代表整體，

12、打個比方，要是調(diào)查全國男人的身高，僅僅調(diào)查黑龍江男性的身高并不能代表全中國一樣，這樣的結(jié)論太過狹隘，沒有論證力度2；監(jiān)測環(huán)境發(fā)生突變時，不能及時改變設(shè)備參數(shù)，系統(tǒng)穩(wěn)定性差；設(shè)備容易損壞，監(jiān)測數(shù)據(jù)無法發(fā)送到監(jiān)測終端，容錯性差。因此，這些因素催生了無線傳感技術(shù)。那到底什么是無線傳感技術(shù)？簡單的說它是由無線通信和嵌入式兩種技術(shù)雜交產(chǎn)生，功能是實現(xiàn)遠程傳輸，并且不用布線，保證農(nóng)作物種植面積，不用人工讀取數(shù)據(jù)，節(jié)省人力，傳感器抗干擾性強，數(shù)據(jù)采集精準，設(shè)備簡單且廉價，可以大規(guī)模安裝，不僅容易維修且不會出現(xiàn)監(jiān)測死角，這就使得數(shù)據(jù)具有代表性。無線傳感技術(shù)簡言之就是由多個傳感器和無線傳輸模塊構(gòu)成一個無線傳感器

13、網(wǎng)絡(luò)，與上位機結(jié)合，構(gòu)成這個精準農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)；我們知道，無線傳輸技術(shù)有很多種，每一種也有不同的標準和特點，本設(shè)計采集空氣溫濕度、二氧化碳濃度、光照強度這些環(huán)境參數(shù)，除此之外還采集了視頻信號，達到全面實時監(jiān)測，那么根據(jù)采集信息的不同、傳輸速率、傳輸有效距離以及設(shè)計花費等因素，在無線傳輸這里需要多加考慮，并不是每種無線技術(shù)都能達到設(shè)計的標準，所以這就需要多種無線傳感技術(shù)的融合，那以下就根據(jù)這些微妙的不同做一下簡單的分析。就像世界上有很多不同人種一樣，無線傳感技術(shù)也有相應的種類，我們在設(shè)計本監(jiān)測系統(tǒng)時就必須考慮種類問題，種類不同，特點不同；傳輸距離、傳輸速率、功耗、成本等，還需要接收上位機指令實

14、現(xiàn)雙向通信，當前被人們所熟知無線傳輸技術(shù)不外乎就是Zigbee、Wifi、藍牙、第三代移動通信技術(shù)、紅外等3；每一種都有自己與眾不同的特點，要知道整個系統(tǒng)都是在野外長時間作業(yè)的，所以，低功耗是選擇的無線傳輸技術(shù)的硬性指標，一旦這個指標不符合，則不用再考慮，Zigbee技術(shù)和Wifi技術(shù)是比較適合的，Zigbee最突出的特點是短距離傳輸、功耗很低、實現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向通信，最關(guān)鍵的就是成本很低，它組成了網(wǎng)絡(luò)無非就是以自己為核心，其他傳感器作為附屬連接在核心上，這樣就構(gòu)成一個無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，只要節(jié)點足夠多，它覆蓋的面積可以達到無限，就是由于這個特點，它可以隨意擴展，可調(diào)性非常大，從另一方面看，跟GSM和CD

15、MA有相似之處，卻也存在不同，后者兩個都是傳輸語音信號，這就與本設(shè)計不符合了，選取Zigbee模塊作為傳感器數(shù)據(jù)傳輸模塊，它有三種傳輸速率，可以具體情況具體分析，有兩種工作模式，多級休眠和喚醒，只需要根據(jù)上位機指示然后操作即可，可以降低功耗，而使用Wifi技術(shù)傳輸視頻信號，因為Zigbee無法實現(xiàn)視頻實時傳輸，即使分辨率足夠低且能打包壓縮也無法實現(xiàn)實時監(jiān)測，就算上述因素滿足，帶寬和傳輸速率也不能達到傳輸視頻信號的要求，除此之外，Zigbee只能傳輸容量較小的數(shù)據(jù)，比如溫濕度、二氧化碳濃度等，而對于視頻信號這樣容量大的數(shù)據(jù)則不可，并且本視頻采集只是一個固定的采集點，它采集半徑在100m之內(nèi)的所有

16、視頻信息，所以對比傳輸距離，Zigbee的傳輸距離較短于Wifi，所以，綜合考慮Wifi更加適合4。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國外發(fā)達國家的農(nóng)業(yè)發(fā)展本身起步就很早，雖然土地面積不如中國廣闊，但是小卻精，而且經(jīng)濟水平要遠比中國高、科技力量先進，采用了模糊控制、多單元變量等先進技術(shù)對農(nóng)業(yè)進行控制，當20世紀接近尾聲的時候，計算機發(fā)展的號角響起，各國學者都爭先恐后的希望以計算機為依托做出更多貢獻，顯然計算機技術(shù)具有足夠大的魅力，引領(lǐng)著研究人員將科技運用到各種行業(yè)當中。結(jié)合不同農(nóng)作物最佳生產(chǎn)條件，調(diào)節(jié)外部設(shè)備，設(shè)置不同的環(huán)境參數(shù)，改善生長環(huán)境，賺取更多的經(jīng)濟收益。據(jù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，早在2002 年時，英特爾公司

17、運用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)建立了第一個無線葡萄園，此舉為農(nóng)業(yè)的發(fā)展開辟了歷史性的新篇章5。即使原理比較簡單，操作也相對容易，可畢竟技術(shù)有限，所以只能按照想法簡單的實施，將大量的監(jiān)測節(jié)點零散的安裝在葡萄園里，形成一個包圍型網(wǎng)絡(luò)，將傳感器采集模式設(shè)定成每隔一分鐘檢測一次溫濕度，除此之外，該區(qū)域出現(xiàn)的有害物的數(shù)量也會被記錄，監(jiān)測人員通過顯示的數(shù)據(jù)給予恰當?shù)拇胧ＷC其生長最佳。在整個試驗中，研究人員發(fā)現(xiàn)，葡萄生長主要受氣候影響，氣候特別惡劣，葡萄到不到預期的標準，酒的品質(zhì)自然也隨之降低。通過常年累計的大量的數(shù)據(jù)，進行多角度對比分析，利用現(xiàn)有設(shè)備，良好的掌握了葡萄的動態(tài)生長確實和環(huán)境參數(shù)息息相關(guān)，精確掌握

18、葡萄生長過程中所需要的光照強度、二氧化碳濃度、風力強度、以及土壤PH等酸堿度，確定了這些因素，就能通過人工手段創(chuàng)造一個最適合葡萄生長的環(huán)境，從而獲得最大的生產(chǎn)量。受到國外成功案例的啟發(fā)，我國也緊追其后，北京市計劃項目“蔬菜生產(chǎn)智能網(wǎng)絡(luò)傳感器體系研究與應用”6，具體做法非常簡單，就是把蔬菜大棚分成很多個單元，就像居民樓一樣，一個單元當作一個監(jiān)測區(qū)，每個監(jiān)測區(qū)內(nèi)都放置幾個監(jiān)測節(jié)點，用來采集這個單元內(nèi)的環(huán)境參數(shù)信息，并且，區(qū)域與區(qū)域之間覆蓋的網(wǎng)絡(luò)范圍并不重合，也就是每個傳感器所能達到的最大監(jiān)測范圍的邊緣也恰是另一個傳感器的監(jiān)測范圍邊緣，這樣既滿足網(wǎng)絡(luò)不重疊，也保證采集的高效。通過這些環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)的對

19、比，人為的強制性的改變其中某一參數(shù)，使其達到最佳生長狀態(tài)。也就是說無線傳感設(shè)備、監(jiān)測者、控制中心形成一條監(jiān)測紐帶，實現(xiàn)人機一體化，從而達到預期目的、增加管理者收入。其次，由于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，農(nóng)業(yè)發(fā)展比較集中的地區(qū)成為了試點對象，2015年，黑龍江省克東縣就作為智慧農(nóng)業(yè)的實驗對象，根據(jù)國家發(fā)展項目的要求，鼓勵智慧農(nóng)業(yè)，國家會給項目提供實驗資金，幫助整個項目順利實施，通過大面積投產(chǎn)、使用，意圖達到令人滿意的結(jié)果。 無論是對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)還是對農(nóng)業(yè)來說都是極致的發(fā)揮了本身最大的優(yōu)點6，它安裝簡單，價格廉價、無需管理者花費大量時間管理，給管理者提供了前所未有的便利，真真正正實現(xiàn)農(nóng)業(yè)環(huán)境的動態(tài)管理

20、，總體來說，農(nóng)作物環(huán)境信息采集加上控制中心監(jiān)測完美的構(gòu)建了一個無線監(jiān)測平臺，這個監(jiān)測平臺以最低的投入、最簡單的管理、最高效的回報。1.3 本文內(nèi)容及安排論文首先論述了選題意義和背景，長時間調(diào)研，認為此課題具有研究意義并具有可行性，其次了解選題的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，參考國內(nèi)外無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測方面的案例以及未突破的難點等，掌握系統(tǒng)設(shè)計所使用的核心技術(shù)和技術(shù)原理，清晰的掌握設(shè)計思路，在這之后就要涉及具體的設(shè)計流程了，首先就是整體設(shè)計方案，這點很重要，一個清晰的設(shè)計方案可以高效的完成工作，另一點就是元件的選取，這一點同樣重要，元件的種類繁多而且各不相同，所以，綜合多種因素選擇合適的元件也是整個

21、設(shè)計的關(guān)鍵之一，另外就是軟件設(shè)計，這一點需要考察的就是設(shè)計者的編寫程序的能力，有些程序是開源免費的，但是有些程序則需要根據(jù)不同的硬件編寫，本設(shè)計中傳感器很多，但是大體的思路幾乎相同，所以設(shè)計起來并不是很困難，那最重要的算是上位機了，所謂監(jiān)測系統(tǒng)必然是監(jiān)測最重要，這就需要對上位機軟件選取的要求比較高，設(shè)計的界面不能過于復雜，但是也不能十分簡單，要有獨到的設(shè)計特點，便于管理者分析等等7。最后針對典型的環(huán)境監(jiān)測應用，對系統(tǒng)的傳輸性能進行實驗，并將該系統(tǒng)對得到的檢測結(jié)果進行儲存、分析和處理。那么，論文的主要內(nèi)容如下：第1章 緒論這一章的內(nèi)容并不復雜，背景和意義一定要清晰，這也是選擇本設(shè)計題目的依據(jù)，國

22、內(nèi)外研究現(xiàn)狀，根據(jù)國內(nèi)外現(xiàn)狀，開發(fā)本設(shè)計的特色，然后就是論文內(nèi)容安排，清晰的梳理思路，保證論文的撰寫。第2章 這一章詳細介紹整體的設(shè)計方案和核心技術(shù)，一個好的設(shè)計方案會使得設(shè)計清晰，若是哪里出錯，根據(jù)設(shè)計方案回頭一步一步找即可，還要說明，系統(tǒng)完成之后能到什么樣的功能以及這個設(shè)計可以應用在什么樣的環(huán)境下，還涵蓋了硬件的選取，包括傳感器的各種型號分析、無線傳輸模塊分析，選擇最佳型號。第3章 這一章是本論文的核心章，主要敘述了整體的硬件設(shè)計，除了主要介紹整體硬件設(shè)計方案，還會一塊一塊解讀，包括無線傳輸模塊怎樣進行電路設(shè)計，考慮了那些因素，具體怎樣連接引腳等。第4章 此章也是論文核心章節(jié)，同硬件類似，

23、先是總體講述設(shè)計理念，然后對各個部分逐一解讀，設(shè)計還包括了軟件的選擇和使用語言的簡述。第5章 此章介紹整個系統(tǒng)設(shè)計的調(diào)試，到了這章，整個設(shè)計大概完成了，但是還需進一步對硬件和軟件進行調(diào)試。 第2章 系統(tǒng)整體設(shè)計方案和核心技術(shù)2.1 系統(tǒng)功能要求及應用環(huán)境隨著人們生活水平的提高，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)遲鈍化、笨重化的問題,傳統(tǒng)的農(nóng)作物生產(chǎn)已遠遠不能滿足人們的要求。并且時代在進步，科技在發(fā)展，每一天都會有驚喜出現(xiàn)，無線通信技術(shù)、傳感器技術(shù),帶動著我們更加向前，人們不滿足這樣笨拙的監(jiān)管方式，對其提出了更高的需求，不僅僅是投入更少、收入更多，更多的是效率和方式，高效率的工作方式給我們帶來足夠的便利，因此，正是因為這

24、些因素催生了本監(jiān)測系統(tǒng)?；跓o線傳感器網(wǎng)絡(luò)的精準農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計可實現(xiàn)如下功能:(1) 能完成農(nóng)業(yè)環(huán)境中溫濕度、二氧化碳濃度、光照強度的采集。(2) 能完成以上采集數(shù)據(jù)的無線傳輸。(3)能完成農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)視頻的采集。(4)能完成視頻的無線傳輸。(5)上位機顯示接收的所有數(shù)據(jù)和視頻，若超出設(shè)定的閾值就會報警提示。本系統(tǒng)主要應用于集中性農(nóng)業(yè)大棚或溫室，便于監(jiān)測者對農(nóng)作物的生長環(huán)境進行監(jiān)測，為監(jiān)測者建立起良好的農(nóng)作物監(jiān)測機制。2.2 系統(tǒng)設(shè)計思想本系統(tǒng)采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實現(xiàn)從溫室大棚采集植物生長所需要環(huán)境參數(shù)，以及病蟲害情況，將采集的數(shù)據(jù)通過協(xié)調(diào)器傳送到上位機，與上位機設(shè)定的閾值比較，若是超

25、過這個范圍，上位機提示，告訴監(jiān)測者，此時參數(shù)超出標準，需要調(diào)整外圍設(shè)備控制整個大棚的環(huán)境達到農(nóng)作物生長最優(yōu)的范圍；此外，整個系統(tǒng)還涉及了視頻采集技術(shù)，這部分使用攝像頭直接采集圖像，觀測整個監(jiān)測區(qū)域是否有病蟲害，若是有病蟲害情況，就會通過上位機顯示的視頻觀測到，從而采取相應措施，使整個農(nóng)業(yè)環(huán)境達到最佳，從而實現(xiàn)精準農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測目的。在此過程利用ZigBee技術(shù)、無線傳感器技術(shù)、Wifi技術(shù)、視頻監(jiān)控技術(shù)從農(nóng)業(yè)到管理中心進行全面的監(jiān)測。這個監(jiān)測系統(tǒng)能夠達到花費少、收入多的效果，從根本上改善傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)。首先，我們把一個農(nóng)業(yè)大棚作為一個實驗對象，在實驗對象內(nèi)分區(qū)，將每個區(qū)域作為一個監(jiān)測單元，每一個監(jiān)測單

26、元內(nèi)放置兩個傳感器節(jié)點，這兩個傳感器節(jié)點作為終端節(jié)點，它們的任務(wù)就是精準的采集農(nóng)作物生長環(huán)境參數(shù)。而另一部分則采用Wifi加視頻技術(shù)，可以全面監(jiān)測整個大棚的整體環(huán)境情況，對監(jiān)測農(nóng)作物病蟲害有極大幫助，然后根據(jù)兩個部分回傳給監(jiān)測中心的數(shù)據(jù)，進行數(shù)據(jù)判斷，若是，采集的參數(shù)不再設(shè)定溫度的范圍，便會采用報警機制，告知監(jiān)測人員，監(jiān)測人員使用正確手段，更能滿足農(nóng)作物生長需要。2.3 總體設(shè)計方案構(gòu)成基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的精準農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的方案大概如下，根據(jù)各部分功能分為三大部分，分別為傳感器節(jié)點采集部分、環(huán)境參數(shù)傳輸部分和視頻監(jiān)視部分。有兩個終端節(jié)點，分別由一個Zigbee模塊和四個傳感器組成，兩個終

27、端節(jié)點通過協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)回傳給上位機8，另一部分則是采集的視頻信息以通過Wifi回傳給上位機，這樣在上位機上就會有一個相應的數(shù)據(jù)顯示，一旦采集的數(shù)據(jù)超過設(shè)定的數(shù)據(jù),就會有報警提示，整體流程如圖2-1所示。上位機CC2530DHT11 MG811協(xié)調(diào)器BH1750CC2530DHT11PC機MG811BH1750WIFI模塊攝像頭 圖2-1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)那從上面的整體結(jié)構(gòu)圖可以看出，硬件結(jié)構(gòu)比較簡單，概括的說就是將整體分成兩個無線傳輸部分，一部分是核心是Zigbee模塊的，它連接三個傳感器，傳感器包括DHT11、MG811和BH1750，采集必要的參數(shù)，另一個部分是以Wifi作為核心的無線傳輸部分

28、，選擇采集視頻的是奧速高清攝像頭。（1） 傳感器模塊主要負責采集農(nóng)業(yè)大棚中的溫度、濕度、光照和二氧化碳這些數(shù)據(jù)8；（2） ZigBee模塊的作用是負責將傳感器模塊測量到的數(shù)據(jù)通過協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)回傳到上位機顯示。（3） Wifi模塊的作用將攝像頭采集的視頻傳輸給上位機，上位機將這些數(shù)據(jù)進行存儲、保存。2.4 系統(tǒng)最終實現(xiàn)目標以當前來看，這種監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)，但是功能不齊全，技術(shù)不完善，因此并沒有得到大面積推廣使用，但是本設(shè)計不僅解決了這些難點，而且將采集數(shù)據(jù)變得更加精準，使得本監(jiān)測系統(tǒng)具有無限的潛力。本設(shè)計通過實驗，能夠精準的采集農(nóng)作物的生長環(huán)境的溫濕度、光照強度、二氧化碳濃度、以及病蟲害情況，通

29、過兩個無線傳輸模塊分別成功的將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C上顯示，并能通過上位機準確的觀測出農(nóng)作物生長的多種指標顯示。至此，達到了最終目標。2.5 硬件選取2.5.1 無線收發(fā)模塊選取無線傳輸技術(shù)很多，對應的無線收發(fā)模塊業(yè)多種多樣，合適的模塊會延長整個系統(tǒng)的使用壽命，還可以節(jié)約成本。因此選擇時，有幾點要素值得設(shè)計者參考：(1) 對芯片編寫程序是否易行。(2) 芯片外圍元件是否復雜。冗雜的外圍肯定會提高成本，使電路更加復雜。(3) 功耗和發(fā)射功率要考慮在內(nèi) ，搭建的電路是否穩(wěn)定。 （4）數(shù)據(jù)位容納范圍是否能夠承受。在傳輸農(nóng)作物環(huán)境參數(shù)的無線傳輸元件選擇Zigbee模塊，Zigbee模塊實際上就是以CC253

30、0為核心連接正常工作所需要的外圍電路，即可構(gòu)成Zigbee模塊，它組建一個網(wǎng)絡(luò)根本不需要大量成本9，Zigbee模塊具體參數(shù)如表2-1所示。表2-1 ZigBee技術(shù)參數(shù)名稱最小值典型值最大值單位電氣性能:供電電壓2.03.33.9V發(fā)射電流304050mA接收電流252730mA休眠電流無4uA無線傳輸性能：發(fā)射功率3.84.04.2mW接收靈敏度-97dBm無線傳輸速率250kbps2.5.2 溫濕度傳感器選取這個器件確切的定義就是，能夠同時完成溫度和濕度的數(shù)據(jù)的采集的元件，設(shè)計要素不同，需要的傳感器也不同，對于種植大棚或者溫室，傳感器的安裝方式必須選擇懸掛式，若是安放在土壤上面，可能會受

31、到一定的腐蝕，都知道傳感器比較容易損壞，若是確保其正常運轉(zhuǎn)，壁掛式則是非常好的選擇，所以，根據(jù)這些設(shè)計要點，對考慮在設(shè)計范圍內(nèi)的傳感器的對比看表2-2即可。表2-2 三種型號溫濕度傳感器對比表型號JCJ175ASHT11DHT11工作電壓24 V2.4-5.5V 3.3-5.5V測量精度溫度：±0.5濕度：±3%RH 溫度：±0.5濕度：0-100%RH 溫度：±2 濕度：±5%RH測量范圍 濕度：0-100%RH 溫度：0-50濕度：0-100%RH 溫度：40-123 濕度：20-90%RH 溫度：0-50觀察上面的對比表可以看出，JCJ1

32、75A所需工作電壓太高，考慮到正常供電電壓為5V，就需要設(shè)計一個升壓裝置，這就違背本系統(tǒng)的設(shè)計理念，故不考慮。剩下的兩種傳感器在工作電壓上均達到了要求，可以暫時考慮，但是，對于測量精度溫度上，SHT11比DHT11更加有優(yōu)勢，但是本比設(shè)計需要的是溫濕度傳感器，不能單獨考慮一個參數(shù)，應該將溫度和濕度結(jié)合起來考慮，所以根據(jù)濕度的測量精度，最終選擇了DHT11。那我們知道DHT11是兼顧采集和傳感技術(shù)的能輸出數(shù)字信號的傳感器，內(nèi)部結(jié)構(gòu)非常簡單，含有電阻式感濕元件和測溫元件，該傳感器性價比高，精確度高，可設(shè)計性強，更適合在農(nóng)業(yè)中應用。2.5.3 二氧化碳傳感器選取對于人來說，想要健康的生存，不僅僅要有

33、一個健康的身體，更需要能夠順暢的呼吸，當然植物也是如此，它們也需要順暢的呼吸，但是與人不同，它們吸進去的是二氧化碳，所以說二氧化碳是其必不可少的呼吸養(yǎng)料，而且植物還需要光合作用，除了水之外，還需要足夠的二氧化碳，那為了保證二氧化碳的濃度，我們需要一個二氧化碳傳感器來監(jiān)測，可以讓農(nóng)作物順暢呼吸，健康成長。我們知道植物和人不同，需要的二氧化碳濃度自是不一樣，更何況植物需要實時采集數(shù)據(jù)，不能忽視的是它需要被安裝到戶外，所以，要避免其他因素的腐蝕，由于二氧化碳濃度的范圍變化不大，所注意二氧化碳的測量精度，越是精準越好，因此，對二氧化碳傳感器的選取非常重要，下面對幾款器件進行對比，如表2-3所示10。表

34、2-3 三種不同二氧化碳傳感器對比表型號MG811Cirius-3EMS-112測量電壓24V5V5±0.5V環(huán)境溫度溫度：-40-70 濕度:95%RH溫度：-40-80 濕度：20-100RH溫度：20-70 濕度：0-100RH低功耗1200mW150mw2000mw那根據(jù)表可以看出，在農(nóng)業(yè)環(huán)境中，結(jié)合電源供電電壓可以選擇兩種，但是跟選擇溫濕度傳感器一樣，我們考量的要素不是一個，而是將多種因素綜合，進行綜合考量，在近乎相同的環(huán)境，MG811的響應時間更短，這就使得采集的數(shù)據(jù)更加精準。那MG811 二氧化碳傳感器，MG811靈敏度高，低功耗、耗電少、響應時間和恢復時間都不超過兩分

35、種，可以真正實現(xiàn)對二氧化碳濃度的實時采集，即使在一天內(nèi)二氧化碳量變化很大，也能連續(xù)不斷的監(jiān)測二氧化碳變化量，所以，MG811是本設(shè)計最佳選擇。2.5.4 光照強度傳感器選取顯然，除了二氧化碳、溫濕度之外，影響農(nóng)作物生長的因素還包括光照強度，一定的光照強度才能促使農(nóng)作物發(fā)生光合作用，所以采集光照強度信息也必不可少，當然，對于大棚或者溫室這樣的環(huán)境，本設(shè)計對比了以下三種傳感器，以選取最佳地硬件設(shè)備采集，詳細的不同如表2-4所示。表2-4 三種光照強度傳感器對照表型號BT1750NHZD10AIRY-G/W供電電壓3V-5V7.5V-36V12V-24V量程1-65535lx0-2000lx0-20

36、0klx精度±20%±5%±3%這款BH1750的內(nèi)部含有16位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，不用做復雜的信號轉(zhuǎn)換計算，就可以直接輸出一個數(shù)字信號，這個數(shù)字信號就是我們所需要的。這是一種更精良的和容易使用簡易電阻器的版本，只需要計算電壓，就能得到所需要的數(shù)據(jù)，無需更多麻煩的轉(zhuǎn)換。BH1750和其他光照傳感器不同，它可以通過光度計直接計算光度，簡單省事。簡單的說，就是某一物體在均勻的光照下每平米獲得1lx的光照量，它們的光強度是1lx。有時為了充分利用光源，可以根據(jù)折射或者反射原理，增加一個裝置，就能在其他方向獲得更多的光通量，以增加被照表面的亮度。 2.5.5 WIFI模塊選取本

37、設(shè)計的Wifi模塊實際上就是是帶有無線覆蓋功能的路由器，它的功能就是上網(wǎng)或者無線覆蓋，或者說無線路由器就是一個轉(zhuǎn)發(fā)器，它就是將寬帶網(wǎng)絡(luò)信號通過天線轉(zhuǎn)發(fā)給附近能夠捕捉的移動設(shè)備。WR703N作為一個3G接入的Wifi路由，將寬帶信號通過天線轉(zhuǎn)發(fā)給其他移動設(shè)備很容易，最高傳輸速度達到150Mbps，支持WDS無線橋接，有三個網(wǎng)絡(luò)無線標準，分別是IEEE 802.11n、IEEE 802.11g、IEEE 802.11b；適宜的工作溫度時0-40左右，濕度是10%-90%RH，很容易保存，溫度-40-70即可，濕度在5%-90%RH范圍內(nèi)，它采用了外置電源，還有一個Micro USB的接口，除了外置

38、電源可以供電，還可以利用本身條件供電11。2.6 本章小結(jié)本章介紹了系統(tǒng)的整體設(shè)計方案，分別從系統(tǒng)功能要求及應用環(huán)境、系統(tǒng)設(shè)計思想、硬件總體方案構(gòu)成以及元器件選擇幾個方面進行了論述。對于硬件的選擇則是采用對比的方法，對考慮范圍內(nèi)的元件逐一進行對比，選擇一個最適合本系統(tǒng)設(shè)計的硬件12。綜合考慮的因素包括硬件價格、使用壽命等，這些因素基本都是系統(tǒng)設(shè)計需要注意的要素，然后根據(jù)本系統(tǒng)自身所需求的要素，完成了對多種硬件的選擇，為下一章系統(tǒng)硬件設(shè)計提供指導思想。第3章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計3.1 硬件整體設(shè)計為了便于設(shè)備維護以及擴展使用，將整個系統(tǒng)分為兩部分，第一部分是Zigbee模塊、以CC2530芯片為核心

39、的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、各種型號的傳感器組成，傳感器分別是DHT11溫濕度傳感器、BH1750光照強度傳感器和MG811二氧化碳傳感器；第二部分主要有Wifi模塊、奧速攝像頭組成；兩部分硬件工作原理非常簡單，Zigbee模塊連接傳感器作為傳感器監(jiān)測節(jié)點，協(xié)調(diào)器作為中轉(zhuǎn)站，構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)并把數(shù)據(jù)封裝處理后傳給上位機，而Wifi與攝像頭部分采集的是視頻，Wifi模塊經(jīng)過破解之后，與攝像頭通過USB連接，即可采集視頻頭像，可實現(xiàn)觀測農(nóng)作物是否有病蟲害或者人為破壞等。兩部分均將采集的參數(shù)和視頻傳給上位機，然后通過上位機進行監(jiān)測即可，具體系統(tǒng)硬件工作流程如圖3-1所示。打開監(jiān)測節(jié)點開關(guān) 插上電源經(jīng)過變壓器供電電源經(jīng)過變

40、壓后供電攝像頭正常工作 N傳感器正常工作 采集視頻N Y Y采集數(shù)據(jù)濾波電容濾波Wifi模塊正常傳輸采集的數(shù)據(jù)發(fā)送協(xié)調(diào)器給 N協(xié)調(diào)器正常接收 N Y Y傳送給上位機圖3-1 系統(tǒng)硬件工作流程圖3.2 基于CC2530的監(jiān)測節(jié)點硬件設(shè)計3.2.1 終端節(jié)點系統(tǒng)結(jié)構(gòu)監(jiān)測節(jié)點硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3-2所示，在實際應用當中，由于需要監(jiān)測節(jié)點長時間運行，要求硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)必須簡單，才能有效降低功耗。包括：CC2530片上系統(tǒng)、32MHz系統(tǒng)時鐘和32.768kHz的實時時鐘、調(diào)試接口、串行接口、天線、三個傳感器以及為系統(tǒng)供電的電池，還有為電池充電的接口，若是電池電量不足，還有外來供電，以免傳感器節(jié)點短暫失效。

41、整個節(jié)點系統(tǒng)十分省電，具有極低的功耗，可以長時間運行的需要，完全符合設(shè)計要求。32.768KHz實時時鐘Uart接口5V電源RFAESCC2530 MCU FLASH傳感器SRAM32MHz系統(tǒng)時鐘JATG調(diào)試接口圖3-2 終端節(jié)點硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)3.2.2 Zigbee模塊電路原理ZigBee主要有三種拓撲結(jié)構(gòu)，為了便于設(shè)計，本設(shè)計采用的是其中的星形拓撲結(jié)構(gòu)。Zigbee模塊的原理非常簡單，所謂Zigbee模塊實際上就是一個CC2530核心芯片外加一些外圍電路，當然這些外圍電路必須包括傳感器接口用來連接采集數(shù)據(jù)的傳感器、程序下載接口用來調(diào)試程序、電源穩(wěn)壓電路將供電電壓5V轉(zhuǎn)換成3.3V、CH34

42、0串口驅(qū)動芯片，因為底板為USB轉(zhuǎn)串口，配合ZigBee模塊使用，安裝USB驅(qū)動芯片后，可直接將USB口虛擬為串口。時鐘燒寫等必要的電路，還需要一個切換開關(guān)，用來控制整個終端節(jié)點的開與斷，除此之外，整個ZigBee模塊還外加了外部充電電路，當供電電池沒電時，可以進行充電，讓節(jié)點繼續(xù)工作，節(jié)省了大量成本，模塊工作指示燈，指示燈的作用是提示當打開開關(guān)時，模塊是否成功工作，其他的不需要在連接電路時可以不用。Zigbee模塊原理如圖3-3所示。圖3-3 zigbee模塊原理在上圖中可以看出，整個Zigbee模塊上有一個核心板接口，核心板主要就是核心芯片CC2530，15引腳為接地引腳，16引腳為電源引

43、腳，核心板上DD和DC是兩條調(diào)試線，DC為調(diào)試時鐘信號線，DD是調(diào)試數(shù)據(jù)線，引腳14為復位引腳，需要連接一個10K的電阻。傳感器串口選擇三個連接傳感器使用，但是供給的電源確實3.7V的電池供電，這就需要一個轉(zhuǎn)換電壓的芯片，達到合適的3.3V供電工作，在Zigbee模塊上還有一個指示燈，指示燈電路比較復雜，它的作用就是當開關(guān)打開時，指示燈亮，可以判斷整個模塊帶電，另外，Zigbee模塊上的仿真器接口用來調(diào)試程序和下載程序，還有一個USB轉(zhuǎn)串口芯片CH340芯片，它的結(jié)構(gòu)很簡單，內(nèi)部有20個引腳，在USB內(nèi)部設(shè)置了上拉電阻的引腳有1、UD+和UD-三個不同的引腳，除此之外的接地引腳、電源引腳、數(shù)據(jù)

44、傳輸引腳也必不可少，它的主要作用就是串口驅(qū)動，傳輸數(shù)據(jù)。3.2.3 協(xié)調(diào)器電路原理ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器起始就是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的一種類型設(shè)備，是整個網(wǎng)絡(luò)的中心，它負責的功能包括建立，維持和治理網(wǎng)絡(luò)，分配網(wǎng)絡(luò)地址等，因此，可以將ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器稱作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的“大腦”，本設(shè)計的協(xié)調(diào)器就是一塊ZigBee模塊，然后在軟件設(shè)置方面稍加改動，通過協(xié)議棧改寫程序?qū)崿F(xiàn)ZigBee模塊充當協(xié)調(diào)器的功能，協(xié)調(diào)器的具體電路原理如圖3-4所示。圖3-4 協(xié)調(diào)器電路原理在上圖可以看出協(xié)調(diào)器就是zigbee網(wǎng)絡(luò)的一種以CC2530為芯片的設(shè)備，上面嵌入ASM1117穩(wěn)壓芯片，AMS1117的片上微調(diào)把

45、基準電壓調(diào)整到1.5%的誤差以內(nèi)，而且電流限制也得到了調(diào)整，以盡量減少因穩(wěn)壓器和電源電路超載而造成的壓力，上面的PL-2303是RS232-USB接口轉(zhuǎn)換器，可提供一個RS232 裝置與USB 功能接口便利連接的解決方案。該器件作為USB/RS232 雙向轉(zhuǎn)換器，一方面從主機接收USB 數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為RS232 信息流格式發(fā)送給外設(shè)；另一方面從RS232 外設(shè)接收數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為USB 數(shù)據(jù)格式傳送回主機。3.2.4 終端節(jié)點電路設(shè)計對于終端節(jié)點的電路設(shè)計就是實現(xiàn)三個傳感器與Zigbee模塊的焊接，溫濕度傳感器DHT11，它的引腳非常簡單，四個引腳分別是引腳1是電源引腳，連接Zigbee

46、模塊上的電源即可，引腳2是單總線接口，可以傳輸串行數(shù)據(jù)，通過跳線連接到CC2530的串口20采集溫濕度，這個傳感器有個空腳，設(shè)計時候懸空即可，引腳4接Zigbee板的GND就行。BH1750光照強度傳感器有五個引腳，GND和ADD引腳通過跳線接Zigbee板的GND就行，而VCC引腳接Zigbee板的電源，SDA、SCL引腳連接CC2530的串口1和2，就能實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)，對于MG811二氧化碳傳感器來說，引腳有四個，D0引腳在這個設(shè)計中沒用，不用設(shè)計，A0引腳連接CC2530的串口19，VCC引腳連接Zigbee模塊的電源，GND引腳連接Zigbee的地即可，整個監(jiān)測節(jié)點的電路設(shè)計如圖3-5所

47、示。圖3-5 終端節(jié)點電路設(shè)計3.2.5 電源模塊設(shè)計Zigbee模塊的工作電壓為3.3V，要想與電源連接，還需要一個電源適配器，而電池提供的電壓為5V，在Zigbee模塊上設(shè)計一個LM1117芯片會將5V電源電壓轉(zhuǎn)為3.3V的工作電壓為這個電路板供電，該芯片是一個正向低壓降穩(wěn)壓器，三端可調(diào)或固定電壓3.3V，其中C7和C8為輸入旁路電容，C9和C10是輸出旁路電容，然后輸入端連接電源供給端，這樣就可以保證輸出3.3V電壓，滿足電源設(shè)計要求，其工作原理圖如圖3-6所示。圖3-6 電源工作原理3.3 視頻模塊設(shè)計3.3.1 Wifi與視頻連接電路設(shè)計在采集這部分采用的無線傳輸元件肯定不能選擇Zi

48、gbee模塊，第一，視頻的目的主要是為了觀察這個農(nóng)業(yè)監(jiān)測區(qū)農(nóng)作物病蟲害的情況，農(nóng)作物要想健康成長肯定不是單一的因素，除了環(huán)境因素，還要考慮稻瘟病、蟲災、人為破壞等多種因素，所以采集的視頻必須清晰，對畫面的清晰度有極高的要求，對于Zigbee來說，若是傳輸簡單的控制視頻的命令還是可以的，傳輸視頻卻達不到要求，最終決定選擇了Wifi模塊作為無線傳輸模塊，本設(shè)計選用WR703N迷你路由作為WiFi模塊，將3G網(wǎng)絡(luò)采用主動型串口設(shè)備聯(lián)網(wǎng)方式，WR703N的VDD、D-、D+、VSS引腳與USB連接，USB一端連接奧速高清攝像頭，完成整個視頻監(jiān)測電路的設(shè)計。Wifi傳輸模塊設(shè)計電路如圖3-7所示。圖3-

49、7 Wifi傳輸模塊設(shè)計3.3.2 Wifi模塊外圍電路設(shè)計在本設(shè)計中選用的是220V市電供電，使用變壓器變壓，然后交流經(jīng)過整流橋變成直流輸出，在經(jīng)過濾波電容過濾掉交流，使得輸出的直流更加平滑，然后經(jīng)過LM2756芯片，LM2756相當于高速斷開和閉合的開關(guān)，連接在Vin與Vout腳之間。當開關(guān)斷開時，Vin不再提供電流到Vout。但根據(jù)電磁感應定律，電感對突變電流起阻礙作用，電感L1會產(chǎn)生且與原來方向相同，L1相當于電源。任何電路的電流都是要有回路的，此電感產(chǎn)生的感應電流總要回到電感，就是靠這個二極管回流的，其電流經(jīng)過L1、5V輸出端、負載到地，再經(jīng)二極管D2回到電感L1，此時二極管相對于感

50、應電流就是正向連接了，沒等這個電流消失，開關(guān)又閉合，設(shè)計如圖3-8所示。圖3-8 Wifi與PC機通信接口原理圖3.4 本章小結(jié)本次硬件原理和電路設(shè)計均是采用Altium Designer軟件繪制，主要硬件涉及Zigbee模塊、各個傳感模塊電路、無線路由模塊電路，并根據(jù)給出的設(shè)計電路作出了相應的解析，并對其功能做了相應的介紹，并對需要進行電壓適配的原件設(shè)計了電壓適配電路，所以選用了ASM1117-3.3芯片來解決。在視頻傳輸模塊上選用了無線路由WR703N，將3G信號轉(zhuǎn)換成Wifi，其次，在設(shè)計外圍電路時注意了利用此種技術(shù)實現(xiàn)視頻傳輸，實現(xiàn)完美連接。第4章 軟件設(shè)計4.1 軟件環(huán)境及使用語言I

51、AR Embedded Workbench（又稱EM）的C交叉編譯器是一款完整、穩(wěn)定且容易使用的專業(yè)嵌入式應用開發(fā)工具，EW對不同的微處理器提供統(tǒng)一的用戶界面，目前可以支持至少35種的8位、16位、32位的MCU。開發(fā)人員只需要根據(jù)設(shè)計需要改寫MAC層程序，即可完成目的，當軟件程序編譯完成，運行成功過后就可以利用仿真器 FET開始代碼下載。那對于整個系統(tǒng)所涉及的全部硬件原理圖則是使用Altium designer設(shè)計，可以這么說，它集合了所有繪制軟件的優(yōu)點，提供了全套的解決方案。C語言是一種程序設(shè)計語言，屬高級語言范疇。它既具有高級語言的特點，又具有的特點。它可以作為工作系統(tǒng)設(shè)計語言，編寫系統(tǒng)

52、，也可以作為應用語言，編寫不依賴的應用程序，代碼清晰精簡，十分靈活。4.2 監(jiān)測節(jié)點程序設(shè)計在監(jiān)測節(jié)點這部分，傳感器的職責相當于搬運工，只需要接收命令16，當然協(xié)調(diào)器也會發(fā)送給傳感器命令，傳感器順利接收，然后按照命令工作。具體流程如下圖4-1所示，電源給監(jiān)測節(jié)點供電，有了能源之后微控制器就開始初始化，加載串行外圍設(shè)備接口驅(qū)動，進而把CC2530初始化，對于附近的網(wǎng)絡(luò)，必須得自己去檢測，有的話去申請加入該網(wǎng)絡(luò)，沒有則繼續(xù)掃描直到找到最近的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點基本都是電池供電，所以終端節(jié)點就得保證足夠省電，連接協(xié)調(diào)器接收或發(fā)送數(shù)據(jù)均采用被動喚醒。有命令就工作，沒命令則休息，這樣耗能才可以最低。其它時間則轉(zhuǎn)入

53、睡眠狀態(tài)，這樣監(jiān)測的部分才能變成最低16。初始化CC2530開始初始化CPU并加載SPI驅(qū)動 初始化協(xié)議棧尋找并加入網(wǎng)絡(luò)是否加入網(wǎng)絡(luò) N 進入低功耗模式是否加入網(wǎng)絡(luò)初始化傳感器模塊并采集數(shù)據(jù) 處理并發(fā)送數(shù)據(jù) 發(fā)送成功 Y N圖4-1 傳感器節(jié)點程序流程Zigbee模塊所涉及的程序如下：#include "MT_UART.h" /此處用于串口#include "DHT11.h" /溫濕度專用#define AIR P2_0/P2.0/CO2傳感器 IO 定義#define LIGHT P0_0/P0.0/光照傳感器 IO 定義傳感器初始化程序如下：void Samp