基于无线传感网的农田PH值检测节点研制
基于无线传感网的农田PH值检测节点研制[20191215143541]
本人签名： 日期： 摘 要
无线传感器网络是一种以数据为中心，面向特定应用的特殊计算机网络。由于这种网络易于组建，而且成本低，能耗小，适合用于低速率、近距离的无线数据传输，在医疗卫生、环境监测和军事等领域得到了飞速发展。
随着农村经济发展水平的日益提高和农村产业结构调整的不断深化，同时由于农业对水的需求过高，我国目前缺水情况比较严重，所以对农田灌溉的要求越来越高，需要对灌区实现合理调度和科学管理，因此需要对土壤的参数进行实时监测，确定灌溉的具体方案。土壤中的PH值，温度，湿度是决定灌溉量多少的三个主要参数，根据此要求，本文设计了监测土壤参数中的PH值硬件节点设计方案。该系统以单片机、传感器及射频芯片作为核心，经由ZigBee实现短距离无线通信，再经3G路由器远程通信，最终得以实现参数的实时监测。。
该系统使用MSP430F169单片机和CC2530为主要部件搭建硬件平台。文中介绍了在该硬件平台上实现ZigBee无线网络，并利用该网络完成数据采集和收发的方法。最后使用节点实物进行了测试，完成了数据传输。
关键 词 ：无线传感网络 ；ZigBee；CC2530；节水灌溉；土壤参数监测
ABSTRACT
Wireless sensor networks is a kind of computer network specially designed for particular application. It is easy to set up such a network with low cost, small power consumption for low-rate, short distance wireless data transmission. It has been rapidly developed in the medical and health, environmental monitoring, and military and other fields.
With the deepening adjustment of increasing levels of economic development in rural areas and rural industrial structure, At the same time as the demand for agricultural water is too high, and the current situation of water is seriously short，so the demand to irrigation is increasingly high. We need to achieve a reasonable and scientific management of irrigation scheduling. Therefore, we need to conduct real-time monitoring parameters of soil to determine the specific scheme of irrigation. Soil pH value, temperature, humidity are the three main parameters to the irrigation amount, according to the requirements, This system uses single-chip, sensor nodes and radio frequency chip as core parts, realize short distance wireless transmission through ZigBee, and then achieve real time monitoring by long distance transmission of 3G routers.
This system uses MSP430F169 and CC2530 as the main components to build the hardware platform. This paper introduces the method of how to establish a ZigBee wireless network and complete data collection and transmission on the hardware platform. Finally, the whole system is tested, completed the data transmission.
Keywords : wireless sensor networks ；ZigBee ；CC2530 ；Irrigation；Monitoring soil parameters
摘 要 I
ABSTRACT II
第一章 绪论 1
1.1 无线传感器网络概述 1
1.2 传感器网络的发展 1
1.3 传感器网络应用于节水灌溉 2
1.4 ZigBee 应用于无线传感器网络 3
1.4.1 ZigBee协议概述 3
1.4.2 ZigBee协议架构 4
1.4.3 ZigBee协议特点 4
1.5 本论文结构安排 5
第二章 土壤PH值监测系统总体方案设计 6
2.1本课题的研究内容 6
2.2 本课题的系统架构 6
2.3 本课题系统总体设计 7
第三章 基于WSN农田PH值检测系统前端设计 8
3.1 监测节点电路组成 8
3.2电源模块 8
3.3 PH传感器模块 9
3.3.1 PH传感器的选择和工作原理 9
3.3.2 PH值传感器技术参数 10
3.3.3 PH值传感器性能特点 11
3.4数据处理器模块 11
3.4.1 主控芯片MSP430F169介绍 11
3.4.2 处理器模块内部各电路介绍 12
3.4.3 处理器模块程序设计思路 15
3.4.4 处理器模块程序实现 16
3.5 WSN 通信模块 18
3.5.1 CC2530概述 18
3.5.2 CC2530 对于ZigBee的节点作用 20
3.5.3 协调器节点与终端节点 20
3.5.4 CC2530通信的软件实现 21
3.6 3G路由模块 23
3.6.1 ADR-R5341 23
3.6.2 3G网络概述 24
3.6.3 3G路由器应用 24
第四章 基于WSN农田PH值检测系统软件设计 26
4.1 软件设计环境 26
4.2软件系统结构 26
4.3无线接收模块设计 28
4.3.1 TCP/IP协议 28
4.3.2 Socket接口 28
4.3.3流程图 29
4.4数据库模块 30
第五章 系统调试 32
5.1 硬件测试 32
5.2 软件调试 34
5.2.1 无线建网点对点通信测试 34
5.2.2 总体测试结果 34
第六章 总结与展望 36
参考文献 37
致 谢 39
附 录： 40
一、英文文献原文 41
二、文献中文翻译 46
第一章 绪论
1.1 无线传感器网络概述
物联网，也称无线传感器网络（Wireless Sensor Network ，简称 WSN），由大量具有特定功能的传感器节点通过自组织的无线通信方式，相互传递信息，协同的完特定功能的智能专用网络。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、通信技术、分布式信息处理技术、微电子制造技术和软件编程技术等，可以实时检测、感知和采集网 络所监控区域内的各种环境或检测对象的信息，并对收集到的信息进行处理后传送给终端用户。
无线传感器网络扩展了人们的信息获取能力，直接把客观世界的物理信息与数据的网络传输结合了起来，为人们提供最快速、最精确的信息。通过传感网络可以让人们感知到更加广阔的客观世界，使现有的网络功能得到更深入的延伸，人类感知世界的能力得到极大程度的拓展。传感器、感知对象和观察者构成了传感器网络的三个要素。
1.2 传感器网络的发展
传感器网络能够广泛应用与军事侦察、智能家居、环境监测、生产控制和安全监督等领域。虽然 传感器网络现在的应用方面很广，但是它的发展大致分为三个主要阶段。
第一阶段：传感器网络的应用最早可以追溯到越战时期使用的传统的传感器系统。当年美越双方在密林中的“胡志明小道”展开了一场血腥的较量，“胡志明”小道是胡志明部队向南方游击部队运送物资的秘密通道，美军对其进行了狂轰滥炸，但是其效果微乎其微。后来，美军向战场投放了2万多个“热带树”传感器。“热带树”实际上是由震动和声响传感器组成的系统，它由飞机投放，落地后插入泥土，只露出伪装成树枝的无线电天线，因而被称为“热带树”。传感器探测出目标产生的震动和声响信息，自动发送回指挥中心，美军立刻展开追杀，总共炸毁或炸坏4.6万辆卡车。
第二阶段：二十世纪 80年代至90年代之间。主要是由美军研制的分布式传感网络系统、海军协同交战能力系统、远程战场传感器系统等。这种现代微型化的传感器具备感知能力、计算能力和通信能力。在1999年，商业周刊将传感器网络列为21世纪最具影响的21项技术之一。
第三阶段：21世纪开始至今，从9.11事件之后。这个阶段的传感器网络技术特点在于网络传输自组织、节点设计低功耗。除了用于反恐军事活动之外，在其他领域更是获得了很好的应用，在2002 年美国国家重点实验室——橡树岭实验室提出了“网络就是传感器”的论断。
经过这三个阶段的发展，传感器网络已经成了人们生活中必不可少的一部分，如今对传感器网络的研究还在继续深入的研究中。
1.3 传感器网络应用于节水灌溉节约和保护水资源是我国的一项重大国策，而农业是用水大户，因此节水灌溉是节约水资源的重要举措。目前国外节水灌溉技术的自动化水平已经很高，而国内在这方面的研究则还处于较低的水平，应用也不广泛。研究土壤相关参数的时空变异，农作物的需水信息是实时适量灌溉的依据，而需水信息的相关参数实时采集与传输则是节水灌溉控制系统中的一个难点，利用网络可以比较方便地实现大量数据的远距离传输。
农业一般应用是将大量的传感器节点构成网络监控，通过各种传感器采集信息，以帮助农民及时发现问题，并且准确的确定发生问题的位置，这样农业将有可能逐渐地从以人力为中心、依赖于孤立机械的生产模式转向以信息和软件为中心的生产模式，从而大量使用各种自动化、智能化、远程控制的生产设备。如国外都较早地采用了卫星 遥感技术采集数据、日本出现了无人驾驶拖拉机与 GPS结合的方法进行自动检测，实现了无线传输。2002年英特尔公司率先在俄勒冈州建立了第一个无线葡萄园，传感器节点被分布在葡萄园的每个角落，每隔一分钟检测一次土壤温度、湿度或该区域的有害物的数量以确保葡萄可以健康的生长，进而获得大丰收。澳大利亚的CSR IO ICT Center将无线传感器节点安置在动物身体上对动物的生理状况（脉搏、血压等）和外界环境进行检测，研制成完善的草地放牧与动物模型。
国内近些年在灌溉控制系统的实时传输研究中也已经有了一些成果，如GPRS节水灌溉系统。近几年发展起来的无线传感器网络由于应用成本低、网络结构灵活、数据传输距离远，已经在很多领域得到了应用 。但是，将无线多媒体传感器网络应用于农田参数检测的技术尚不多见。现代高新技术的不断发展，特别是信息技术、数字话技术的迅猛发展和普及，为实现灌区农田灌溉自动化控制及灌溉用水的计量管理提供了强有力的技术支持。随着农村经济发展水平的日益提高和农村产业结构调整的不断深化，设施农业、精细农业的出现，对农田灌溉的要求越来越高，如对灌溉方式、灌水量、灌水时间、灌溉次数等等要求越来越精确，需要对灌区实现合理调度和科学管理。本课题就是适应这种需要，研究基于物联网技术的智能灌区信息化、自动化管理。实现灌区灌溉用水的计量管理，这就需要对土壤的相关参数进行实时监测并分析，运行后的节水、节电和节省运行管理费用的效益很明显，随着农村经济的发展和农村产业结构调整深入，其推广面将会不断扩大，前景十分广阔。
1.4 ZigBee 应用于无线传感器网络在农田土壤PH值监测系统中，对无线传感器网络的要求其它场合有很大的区别。系统中各节点通过无线信道交流的数据只包括监测所得到的土壤PH值数据和一些简单的控制信令数据，这对无线网络的数据吞吐量要求不高。为方便管理，避免过多人为参与，需要节点功耗较低。此外，由于需要部署大量的无线接入点，低廉的价格将起着关键作用。所以使用的无线协议要解决的问题是设计一个维持最小流量的通信链路和低复杂度的无线收发机。需要考虑的核心问题是低功耗和低成本的设计，这就要求该标准应提供低带宽、低数据传输速率的应用。
近几年来看，用于无线个人区域网（PAN，Personal Area Network）的短距离无线通信技术有了迅猛发展，出现了多种相关技术标准。ZigBee就是一种新兴的短距离、低数据率、低功耗、低成本的无线网络技术，与无线高保真（Wi-Fi）和蓝牙（Bluetooth）等其它使用 2.4 GHz的ISM（工业、科学和医学）频段无线技术标准相比更适于应用在工控场合。从本系统对传感器网络的无线协议所提出的低功耗、 低成 本、 网络容量以及安全性等要求出发，选择了使用ZigBee作为无线通信协议进行组网。
1.4.1 ZigBee协议概述
ZigBee 协议是基于IEEE802 .15.4标准开发的有关组网、安全和应用软件方面的技术。IEEE802.15.4任务小组制定了近距离低速无线网络的物理层（PHY）和媒体接入控制层（MAC）规范，ZigBee 联盟则在其PHY层和MAC层的基础上制定了网络层和应用层标准，对网络层协议和API进行了标准化，最终形成ZigBee 协议栈。所以，完整的ZigBee 协议栈由物理层、介质访问控制层、网络层、安全层和应用层等组成。
1.4.2 ZigBee协议架构
ZigBee协议基于标准的OSI(Open System Interconnect)七层模型，但是只采用了其中的四层来实现对应的功能。ZigBee协议从上而下分别为：应用层、网络层、MAC层与物理层，其中应用层和网络层由ZigBee联盟制定，MAC层与物理层采用的是 IEEE 标准委员会制定的 802.15.4 协议。其构架如图 1- 1 所示。
图1-1 ZigBee 协议栈构架1.4.3 ZigBee协议特点
（1）低功耗：由于工作周期短、收发信息功耗低、主要应用于近距离通信场合，再加上网络设备节点采用休眠唤醒工作模式，可以大大延长其生存周期。一般两节干电池供电工作的情况下都可维持半年以上；
（2）低成本：基于ZigBee协议的精简特性，ZigBee节点再设计上不需要太多的资源。随着微电子技术的不断发展，以及产品的产业化生产，其模块的价格越来越低廉；
（3）高可靠性：ZigBee协议采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息；
（4）开发简单：各大公司针对各自的ZigBee 产品都推出相应的 ZigBee 协议栈，其中比较有名的是TI公司的Z-stack 协议栈，为用户提供了高效的开发平台；
（5）网络容量大：ZigBee可以采用星形、簇—树形、网形结构组网，而且可以通过任一节点连接组成更大的网络结构，从理论上讲，其可连接的节点多达 65000 个。一个ZigBee网络可以最多容纳254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络；
（6）高保密性：ZigBee提供了基于循环冗余校验（CRC）的数据包完整性检查和鉴权功能，同时各个应用可以灵活确定其安全属性。
1.5 本论文结构安排
本课题针对无线传感器网络在农田参数检测中的应用，设计了其软硬件的实现，主要实现其硬件部分。课题的节点硬件是在基于MSP430F169和CC2530的基础上建立的，采集数据部分的主要芯片为MSP430F169，CC2530主要完成了ZigBee无线通信协议的简化实现，构建由协调器和终端节点组成的ZigBee网络，完成土壤PH值信息的采集和传输任务。文章的组织结构如下：
第1章：绪论部分，介绍了本文的研究背景，阐述了立题意义，介绍了ZigBee使用在该系统中的优点，并对论文的主要工作和结构作了说明。
第2章：系统总体方案设计，从总体上阐述了系统的需求与组成，系统的各个部分内容以及各个部分之间的结合关系，画出总体系统框图。
第3章：系统的前端设计，详细描述了系统感知前端的几个组成模块，各个模块的联系作用，以及各硬件模块实现的程序。
第4章：上位机软件的设计。基于Delphi语言设计监控系统，可以实现实时采集土壤参数并查询、绘制参数曲线，异常报警等功能，并对模块进行简单的原理介绍。
第5章：系统测试，给出了的系统软硬件联调情况，描述系统的测试过程与测试结果。
第6章：总结与展望，对全文作了总结，指出自己所作的工作，并说明了系统需要进一步改进的一些地方。
第二章 土壤PH值监测系统总体方案设计2.1本课题的研究内容
本课题是基于 WSN 的农田PH值检测节点研制，主要研究内容如下：
（1）传感器系统：农作物的需水信息主要和其所处环境的地下水含量、土壤酸碱度、空气的湿度以及空气温度密切相关，由于课题要求，本系统主要是检测土壤酸碱度的，所以采用PH值传感器作为网络中的节点，选择合适的PH传感器很是关键。
（2）监测区域的布局：由于农田不是人无法接近的环境，因此可以根据农田的布局，人工安排无线传感器节点来进行监测。毕设由于时间精力因素，没能实现多点布局，只是采集校园土壤进行单点模拟。
（3）参数信息的存储与显示，参数超限的报警等相关实用功能。
（4）硬件结构设计，软件系统开发。
（5）系统联调，得出参数。
2.2 本课题的系统架构
本系统主要由采集模块、控制模块、ZigBee近距离无线通信与3G远程通信以及上位机软件模块构成，克服常规系统有线传输的不足，提供了一种无线的、实时的、智能化的系统，可以实时地监测农田土壤的PH值等参数值，系统架构如图2-1所示。
图2-1系统结构组成
2.3 本课题系统总体设计
在实际操作中，每个网络节点负责监测一块独立区域内的土壤PH值状况，转换采集到的土壤PH值数据并通过无线信道发送出去。在上位机上进行数据的显示。系统中涉及的关键设备如下介绍：
（1）采集模块：采集部分通过传感器节点来感知土壤的PH值，并通过线路通信，实现单片机的采集。
（2）控制模块：负责控制管理采集的数据，将采集的模拟信号，转化数字信号，实现AD转换，并定时的发送给ZigBee节点。
（3）ZigBee终端节点：终端节点的主要任务是采集数据、对数据进行预处理以及发送数据至网络协调器。
（4）ZigBee协调节点：一个无线传感器网络中有且只存在一个该节点，在整个网络中起主导作用，负责网络信道的选择，启动网络，等待终端节点的加入，接到这些节点采集发送的环境数据，协调器节点通过串口将数据传送至处理终端。
（5）3G路由器：内置电信3G卡，远程登录网络，将所有终端信息发送至监控中心。
（6）远程监控管理系统：主要实现采集数据的读取、查询、报警及处理的功能。
第三章 基于WSN农田PH值检测系统前端设计
3.1 监测节点电路组成
系统采用MSP430F169单片机作为核心处理器，将传感器采集的模拟信号转换成数字信号，并通过串口将数据发送给ZigBee的终端节点，经ZigBee短距离无线通信模块传输给ZigBee协调器，再经3G远程传输将采集结果远程传输至数据管理中心。
感知前端系统的电路主要由电源模块、传感器模块、数据处理模块、ZigBee无线通信模块、3G传输模块等组成。其PCB板图如图2-1所示。
图 3-1 感知前端PCB图
3.2电源模块
本课题的电源模块负责给数据处理器模块和传感器模块供电，微处理器模块供给是 3.3V 的电压，传感器模块供给的是5V 的电压，具体电路如图 3-2、3-3所示。
图 3-2 5V电源原理图
图 3-3 3.3V电源原理图
变压器将电压变压至12V，电源系统采用12V的直流电源作为主电源，通过滤波后经7805稳压芯片得到稳定5V直流电压，再由电压转换芯片得到3.3V电压，满足系统各功能模块包括ZigBee节点、3G对电压的要求。
3.3 PH传感器模块
3.3.1 PH传感器的选择和工作原理
在测量PH的过程中，并不是直接测量溶液中所含氢离子的浓度（ ）的浓度，而是在测量氢离子活动程度的负对数值，从而测出溶液内氢离子的有效浓度。如公式3-1，3-2：
（3-1）
（3-2）
PH值得获取实质上是通过测量电位值来实现的。在测量的过程中，当PH电极接触到溶液的时候，其玻璃膜上会形成一个随着PH值变化而变化的电势，且该电势需要一个恒定的参比电势来进行比较。该参比电极不会因为溶液中的PH值的浓度的变化而变化。在待测的酸性或碱性溶液内，膜外表面的电势与氢离子的活动程度呈线性变化，计算公式如3-3。
（3-3）
E—总的电势差，E0—标准电势，R—气体常量，T—绝对温度，n—电子数量，F—法拉第常数， —氢离子浓度。
在此次设计中，选用的是专门的土壤PH值传感器JASPS2801，实物图如图3-4所示。
图 3-4 PH传感器实物图
3.3.2 PH值传感器技术参数
型 号：JASPS2801
量 程：0～14PH
测量精度：PH5～PH9范围内为±0.07PH
PH4～PH10范围内为±0.1PH
PH1～PH3.9，PH10.1～PH13范围内为±0.2PH
耐压/零电位：0.6mp/E0=7PH
外壳材质：pps塑料
安 装：3/4 NPT管螺纹
尺 寸：φ12*160
(转换器部分）
输出信号：4-20mA
对应范围：0 PH=4mA、7 PH=12mA、14 PH=20mA
输出阻抗：10^12ohms
温度补偿：Not necessary to make adjustment
输出负载：200ohms
电源供应：90-260ACV，50Hz/60Hz
耗 电 量：AC110V：Approx.1.3VA、AC220V:Approx.1.6VA
外壳材质：ABS塑料
操作温度：0-50°C
操作湿度：Less than 80%RH
3.3.3 PH值传感器性能特点
通过对比与其他传感器性能的对比，又结合实际情况下的需求，很好的体现出JASPS2801PH值传感器的功能特点以及更适用于本课题的农田节水灌溉系统。
其功能特点如下：
1. 采用高分子聚合物填充，无需补充电解液，使用寿命长。
2. 电极反应灵敏，数秒钟即可达测量值，数据传输效率高。
3. 电缆长度可以根据用户需要调整。
4. 测量精度高，性能可靠，确保正常工作。
5. 强大的抗干扰能力，不易阻塞。
3.4数据处理器模块
本系统的数据处理模块主要负责将PH传感器传送过来的模拟信号做AD转换，并且利用串口通信把数据发送给Zigbee模块中的终端节点。微处理器的核心芯片为MSP430F169，利用该芯片可以完整的实现上述功能。
3.4.1 主控芯片MSP430F169介绍
MSP430F169是一款低功耗16位单片机,其计时模块提供一组看门狗定时器，可以实现两组完整功能16位定时器，有上数、上下数、连续、暂停计时模式可选。同时也有一组模拟电压比较器，可直接将输出讯号提供给计时模块抓取，正是由于430芯片有如此优异的功能，该处理系统中选择其作为主单片机。其引脚图如图3-5所示。
图3-6 MSP430F169引脚图
3.4.2 处理器模块内部各电路介绍
（1）复位电路
因为RTS复位脚处于高电平才能正常工作，所以本系统设计了复位电路。复位电路用以实现上电复位以及用户的按键复位。
如图3-7所示：在系统上电时，10K的电阻R15向104电容C20充电，当电容C20两端的电压没有达到高电平的极限电压时，RST引脚将输出低电平，系统将处于复位状态。反之则系统则进入正常工作状态。当按钮被按下时，电容C20两端的电荷将被会被释放掉，RST引脚处于低电平状态，系统进入复位状态，重复上述的充电过程，系统将进入到正常状态中。
图3-7复位电路
（2）振荡电路
由于MSP430系列单片机芯片内具有高速晶体、低速晶体以及数字控制振荡器DCO这3个时钟源，继而可以解决系统所需的快速处理数据和低功耗两者之间的矛盾。由于单片机的内部已自带有DCO，所以本系统中只需要设计其他两种晶振电路。低速晶体振荡器满足了低功耗的要求，其使用了32.768kHz晶振。高速晶体振荡器，为MSP430F169工作在高频模式时提供时钟，在系统中采用4MHz的晶体。依图所示，高、低速晶体振荡器的外围电路均外接2个22pF的电容经过XIN引脚及XOUT引脚连接到MCU。原理如图所示3-8所示。
图3-8震荡电路
（3）滤波电路
图3-9滤波电路
如图3-9所示C25-C32均为去耦电容，主要起滤波作用，继而避免相互间的耦合干扰。
（4）调理电路
P17为PH传感器连接部分，采集的电流经R27采样电阻采样形成电压信号，之后接电压跟随器输出。电压跟随器也即是同相比例器，采用电压串联负反馈电路，作用是来自传感器的采样电路，经过放大，整型输出适合的电压，电流，在阻抗和电平上与后一级电路或者AD转换相匹配，如下图。
图3-10调理电路
（5）串口电路
如图3-11所示，MSP430系列由USAR模块来实现串行通信。采用MAX232接口的硬件电路C33，C34，C35是MAX232正常工作必须的工作电容。MSP430F169的串口TXD引脚连接MAX232的T2IN引脚。RXD引脚连接R2OUT引脚。这种通信方式使用的数据线少，在远距离通信中可以节约通信成本。
图3-11串口电路
（6）JTAG接口设计
JTAG调试器在其器件的内部定义了一个TAP，通过专用的JTAG测试工具对其内部节点进行测试。如图3-12所示，JTAG具有14条接口线引脚。
图3-12 JTAG接口
（7）控制器与ZigBee无线发射模块的连接
控制器与ZigBee无线发射模块通过串口连接，即MSP430F169的TXD引脚,RXD引脚分别于ZigBee节点的RXD引脚与TXD引脚相连接。
3.4.3 处理器模块程序设计思路
核心控制模块的软件设计流程：第一步初始化阶段，包括端口初始化、波特率的设置、初始化串口、初始化AD转换通道。第二步信号的采集，首先使能通道，等待模数转换，通过公式计算相应的数字信号，等待转换完成后，读取转换的结果，最后返回转换结果。最后通过延迟函数定时的发送采集数据，如图3-13为系统主程序流程图。
图3-18系统主程序流程图
由单片机采集模拟信号，经由AD转换，输出的数字信号数据帧格式如下：本设计基于安全性以及准确性的考虑，采用了帧头、帧尾的设计，并在第六位加入校验位，更保证了系统的精确度。在实际操作中，除了PH值，还需监测温湿度，所以需采集3路信号，所以开通了A0、A1、A2三路通道。表3-1为数据帧格式。
表3-1数据帧格式
帧头 节点标号 A0通道 高8位 低8位 A1通道 高8位 低8位 A2通道 高8位 低8位 校验码 帧尾
AA FF 000-111 XX XX XX XX XX XX 00 BB EE
3.4.4 处理器模块程序实现
Get_PH(void)函数实现了土壤酸碱度信号的采集，如公式3-3所示，其核心代码如下：
x=ADval*3.3*1000/1023/165; //电流，单位mA
x=ADval*0.02; //电流，单位mA
PH=(unsigned char)(（8/7）*x)-（2/7）;
（1）处理器模块的主程序见下：
#include
#include"Delay.h"
#include"Uart.h"
#include"Ad.h"
static unsigned int AD_Val[4];
unsigned char TX_Buffer[12]=
{
0xAA,
0xFF, //帧头
0x00, //结点地址
0x00, //A0高位
0x00, //A0低位
0x00, //A1高位
0x00, //A1低位
0x00, //A2高位
0x00, //A2低位
0x00, //校验位
0xbb,
0xEE //帧尾
};
void Init_Clk(void) //内部时钟初始公函数,使用外部8M晶振
{
unsigned char i=0;
BCSCTL1 &=~XT2OFF;
BCSCTL2 |=SELM1+SELS+DIVS1+DIVS0; //MCLK为8M,SMCLK为1M
do
{
IFG1 &=~OFIFG;
for(i=0;i<100;i++)
_NOP();
}
while((IFG1 &OFIFG)!=0);
IFG1 &=~OFIFG;
}
void Init_Address(void)
{
P1DIR &=0xf0;
P1OUT |=0xff;
}
unsigned char Get_Address(void) //获取结点地址
{
return(P1IN&0x07);
}
void main(void)
{
unsigned char i=0;
WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD;
Init_Clk();
Init_Address();
usart1_init();
Init_Ad();
Delay_Nms(50);
TX_Buffer[2]=Get_Address();
_EINT();
while(1)
{
ADC12CTL0 |= ADC12SC;
Delay_Nms(500);
TX_Buffer[3]=((AD_Val[0]&0xff00)>>8);//A0
TX_Buffer[4]=(AD_Val[0]&0xff);
TX_Buffer[5]=((AD_Val[1]&0xff00)>>8);//A1
TX_Buffer[6]=(AD_Val[1]&0xff);
TX_Buffer[7]=((AD_Val[2]&0xff00)>>8);//A2
TX_Buffer[8]=(AD_Val[3]&0xff);
for(i=0;i<12;i++)
send1_byte(TX_Buffer[i]);
Delay_Nms(2000);
}
}
#pragma vector=ADC_VECTOR
__interrupt void ADC12ISR (void)
{
AD_Val[0] = ADC12MEM0; // Move results, IFG is cleared
AD_Val[1] = ADC12MEM1; // Move results, IFG is cleared
AD_Val[2] = ADC12MEM2; // Move results, IFG is cleared
AD_Val[3] = ADC12MEM3; // Move results, IFG is cleared
//_BIC_SR_IRQ(LPM0_bits);
// Clear LPM0, SET BREAKPOINT HERE
}
3.5 WSN 通信模块
3.5.1 CC2530概述
CC2530是用于ZigBee 应用的一个真正的片上系统解决方案。它的优点非常多，它的材料成本非常的低，在低成本的情况下还可以建立起强大的网络节点；它在空旷地的传输距离可达到400m，最高传输速率可达到250kbit/s；系统内可编程闪存，8-KB RAM 和许多强大功能。它具有几种不同的运行模式，运行模式之间的转换间进一步确保了低的能源消耗。其硬件电路图，实物图如图3-20，3-21所示。
图 3-20 CC2530 电路原理图
图 3-21 CC2530 实物图
3.5.2 CC2530 对于ZigBee的节点作用
ZigBee 规范根据节点设备所处的角色定义了三种网络节点类型：协调器、路由器、终端设备。ZigBee 协调器负责建立和维护网络，在每个网络中有且只有一个；路由器是中继节点，可以选路并转发数据；终端设备功能比较单一，往往只是发送和接收简单信息。在本课题的实验中，两块 CC2530 分别做协调器和终端设备 。做终端设备的 CC2530 将采集并且处理过的信息无线传输给另一块作为协调器的CC2530， 协调器再将信息传与3G 路由器发送给上位机予以显示。
（1）协调器
协调器在运行之前需要配置相关的网络参数和设备参数，供后面使用。在加电之后，协调器首先应当扫描信道，选择合适的信道和网络标识建立网络，然后允许其它设备加入网络，到这里协调器的初始化工作结束。 进入正常操作状态之后，协调器需要管理网络中的设备，包括处理它们的加入和离开；协调器需要处理来自其它设备的绑定请求，为不同设备之间的数据转发建立相关绑定信息；它还需要能够处理各种设备和服务查询请求；当然，它还需要能够发送和接收数据。
（2）路由器
路由器在加电之后，应当加入或者重新加入网络。如果是加入新网络，它需要扫描信道，选择合适的网络加入；如果是重新加入网络，它需要扫描信道查找父设备。在加入网络之后，它需要配置路由器相关的属性。在进入正常操作状态之后，路由器和协调器工作方式类似。
（3）终端节点
终端节点在加电后首先也应当加入或者重加入网络。在进入正常操作状态之后，终端设备往往只能简单的发送和接收数据，它们并不处理网络管理等功能，大多数时间都处于休眠状态。
3.5.3 协调器节点与终端节点
在两块CC2530的开发板上进行本系统的研究，由于两块开发板的构造相同，只是内部软件程序不同，导致了所执行的功能不同，下面是协调器节点与终端节点中核心电路部分。
（1）天线及巴伦配置电路设计
在基于ZigBee 协议的构建过程中，天线以及巴伦匹配电路的设计较为重要，这些设计直接对通信距离、系统消耗都有较大影响。这涉及了射频通路指标是否是优良的。
天线设计可以使用PCB天线，如螺旋天线、倒F天线等，也可以使用SMA接口杆状天线，具体的选择根据实际情况来判断。天线及巴伦匹配电路设计如图3-22所示。
图 3-22 天线及巴伦匹配电路
（2）晶振电路设计
CC2530需要两个晶振，32MHz晶振和32.768KHz晶振，晶振电路接口如图
3-23所示。
图 3-23 晶振电路接口图
（3）串口电路设计
串口电路主要用于实现CMOS/TTL电平到RS232电平的转换，zigbee模块及前端模块工作于TTL电平状态，而后端的3G模块工作于RS232标准，为了能够传送数据，需要通过串口电路来实现。
3.5.4 CC2530通信的软件实现
（1）通信流程:
ZigBee组网最重要的两个过程是协调器组建网络，终端节点加入网络，系统流程图如图3-24所示，本系统的设计关键技术主要涉及到无线数据的收发过程。
图3-24组网通信流程图
（2）组网涉及接口函数
ZigBee协议栈开发的基本接口函数是ZigBee协议栈和应用程序进行交互的基本接口函数，主要分为三类：初始化函数、应用程序调用协议栈函数及协议栈调用应用程序的函数。
本设计中主要涉及的函数如表3-2：
表3-2接口函数
函数名 函数功能
osal_init_system 系统初始化
osalInitTasks 任务初始化
SampleApp_Init 应用初始化
MT_UartInit 串口初始化
MT_UartRegisterTaskID(task_id) 串口注册
SampleApp_ProcessEvent 时间查询
SampleApp_SerialCMD 终端节点串口数据接收发送函数
SampleApp_MessageMSGCB? 检测无线播报数据
SampleApp_SendPeriodicMessage 无线发送
SampleApp_ProcessEvent 无线接受
（3）程序实现：
CC2530芯片的软件开发平台为IAR，编写程序使用source insight软件分层次编写，其无线发送模块的程序如下：
void SampleApp_SendPeriodicMessage( void )
{
if ( AF_DataRequest( &SampleApp_Periodic_DstAddr, &SampleApp_epDesc,
SAMPLEAPP_PERIODIC_CLUSTERID,
1,
(uint8*)&SampleAppPeriodicCounter,
&SampleApp_TransID,
AF_DISCV_ROUTE,
AF_DEFAULT_RADIUS ) == afStatus_SUCCESS )
{
}
else
3.6 3G路由模块
3.6.1 ADR-R5341
ADR-R5341是基于中国电信 CDMA2000网络需求，利用新的硬件、软件技术研发出来的一款性能更为优异、使用更加便利的全新的3G路由器产品。它采用了32位高性能的嵌入式处理器，提供10PIN端子排座，同时内嵌完备的 TCP/IP协议栈。该产品内置Wi-Fi 802.11 b/g/n 模块以及3G模块，支持AP模式和路由模式，支持DTU，支持远程唤醒功能等等。目前该产品已经广泛被应用于油田、电力、水利、安防、金融、环保、军工等行业的远程数据传输及无线视频监控领域。
图3-25 ADR-R5341实物图
3.6.2 3G网络概述
3G：第三代移动通信技术是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术。3G服务能够同时传送声音及数据信息，代表特征是提供高速数据业务。
国际电信联盟确定3G通信的三大主流无线接口标准分别是W-CDMA、CDMA2000和TD-SCDMA。 起源于欧洲和日本的早起第三代无线研究活动是W-CDMA，大多数支持该系统的支持者在欧洲、日本和韩国，该系统使用于现有的GSM网络，对于系统提供商来看可以较轻易的过渡。后来，美国的移动业务分公司也宣布选取WCDMA为自己的第三代业务平台。以美国高通北美公司为主导提出了 CDMA2000系统，该系统的建设成本比较低廉，主要支持者包括日本、韩国和北美等地区和国家。TD-SCDMA 标准是由中国第一次提出并在此无线传输技术的基础上与国际合作，这是中国移动通信界的一次创举，同时也是中国对第三代移动通信发展的贡献。
3.6.3 3G路由器应用
（1）3G路由器与上位机部分传输数据是根据TCP/IP协议得以实现的，实际使用中，3G路由器起到最终的数据传输作用。使用时先根据说明书连接电脑配置3G路由器，给其一个特定的初始IP地址，在数据传输中把其当做客户端，把电脑当做为服务器。只要电脑的的IP地址才能够与3G路由器的IP地址一样，才能进行正确的网络连接。IP的修改如图 3-26 所示。
图 3-13 网络IP修改位置
（2）TCP/IP通过Socket编写实现了客户机与服务器之间的通信。核心代码如下：
AcceptSock[0]:=Socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0)
bind(AcceptSock[0],FSockLocal,sizeof(FSockLoca))
Listen(AcceptSock[0],1)
第四章 基于WSN农田PH值检测系统软件设计
毕业设计课题是基于WSN的 农田PH值检测的硬件节点部分，而关于上位机也就是软件方面的设计主要是由小组的陶妤同学完成，最终将各部分联合共同调试，得到最终的一个完整的检测系统，在硬件制作过程中，对软件设计方面也进行了简单的理论方面的学习，这边做一个简单的介绍。土壤参数监测软件平台是整个系统的管理软件，用来接收下位机采集的数据信息，同时可以对数据进行简单的分析、制图、报警等。
4.1 软件设计环境
数据管理软件采用Delphi语言设计以及ACCESS2010数据库。软件采用分层次、分模块化设计。Delphi具有可视化开发环境；编译器编译代码的执行效率高，编译速度快；能够支持数据库功能；灵活的VCL组件；支持跨平台开发等特点。Access具有有强大的数据处理和统计分析能力，可灵活设置统计的条件。相比Excel而言，在统计分析多条记数据录尤其是十几万条及以上时速度快且操作方便，提高了工作效率和工作能力。
4.2软件系统结构
软件部分是整个基于物联网的监测系统的控制中心，掌握对数据的接收及处理的任务。软件部分可以分为三个模块：登录模块、数据接收模块、查询模块。软件系统结构如图4-1所示。
三个模块相互独立，其中登录模块是另外的一个form窗体，与主界面分开，做到信息的保密性，安全性。主界面包括数据接收模块，数据查询模块，接收模块包含报警模块。数据查询模块中包含有绘制图形模块、打印模块。各个模块依次能够实现以下功能：
1.根据数据库中的登陆人员信息进行登录验证，符合信息者登录到到系统软件平台，并可以对密码进行修改。假若连续三次输入密码错误，系统将自动关闭，见图4-2。
2.进入系统后开始接收数据。根据设定好的土壤标准参数和土壤现有的信息进行比较，判断植物所处的状态：发现异常及时报警，见图4-3。
3.将接收到的数据实时刷新并存入中心数据库中，可以查询指定阶段的数据并根据数据绘出土壤参数随时间变化的折线图。以简洁明了可视的方法，将土壤参数的变化情况反映在屏幕上，更灵活更直观。可以对查询的数据进行打印，见图4-4。
图4-2登陆界面实物图
图4-3无线接收界面实物图
图4-4曲线查询实物图
4.3无线接收模块设计
由于对上位机部分了解不多，这边对上位机中的的无线接收模块和数据库的模块做一个相对详细的介绍，本节先介绍无线接收模块的设计。
4.3.1 TCP/IP协议
TCP/IP协议作为一种网络协议，在当今网络不断发展的趋势下应用也越来越广泛，它包含了许多实现网络通信协议，因此也被称作TCP/IP协议栈。其中 TCP以及IP协议是这些协议中最重要的两个通信协议。TCP/IP与标准的OSI协议相比，精简了会话层和表示层，将其加入到应用层上，减少通信结构的层次关系，从而提高信息传输的速率。处于传输层的TCP协议表示的是传输控制协议，它可以实现无差错、无重复的顺序数据传输。网络层的IP协议，为因特网中的每一台电脑给予了一个唯一标识。在应用程序中应用TCP/IP协议进行通信时，利用TCP套接字在本机与目的机之间建立一个套结字虚拟连接，然后两者之间便可以开始一种双向的字节流交换。在通信原理中，通信协议大多是以报文的形式进行数据传输，TCP/IP协议也有自己特定的报文形式。
4.3.2 Socket接口
Socket接口作为TCP/IP网络的API，Socket接口定义了许多函数和例程，在开发TCP/IP上的应用程序时会使用到。网络的 Socket数据传输是一种特殊的I/O，Socket也是一种文件描述符。Socket也有一个类似的功能，打开一个文件，函数调用Socket()，该函数返回一个整型的套接字描述符，然后连接建立、数据传输等操作通过Socket实现。常用的Socket类型有两种：流式Socket （SOCK_STREAM）和数据报式Socket（SOCK_DGRAM）。流式Socket面向连接，对应于面向连接的TCP服务应用；数据报式Socket是无连接的，针对于无连接的UDP服务应用。
Socket通讯的原理比较简单，服务器端步骤如下：
（1）创建服务器Socket，等待网络中客户端的连接请求。
（2）当侦听到客户端的连接请求时，向其发送信息收到连接请求，同时建立连接。
（3）当完成通信后，服务器断开与客户端的Socket连接。
客户端的步骤如下：
（1）建立客户端的Socket，确定要连接的服务器的主机名和端口。
（2）发送连接请求到服务器，并等待服务器的回馈信息。
（3）连接成功后，与服务器进行数据的交互。
（4）数据处理完毕后，关闭自身的Socket。
4.3.3流程图
土壤参数数据是由下位机传输到上位机即监测软件平台。首先客户端建立TCP客户端TcpClient对象，然后连接服务器，接着获得客户端网络流，数据就可以通过Stream的Write方法向服务器端发送的数据。如图4-5左图为主程序流程图，中间图为发送数据流程图，右图为数据接收处理程序流程图。
图4-5 socket连接流程图
4.4数据库模块
本系统采用了数据库管理模块对数据进行处理。主要完成数据的存储、查询、曲线图的绘制等功能。
（1）数据存储查询
数据库是信息存储的载体。数据库设计的好坏直接影响了整个系统的控制。本文以Access2010数据库系统为基础，建立一个最优性能的数据库设计方案。本系统选用集中式中央数据库模型，将由采集模块采集到的数据信息都储存在一个中央数据库中。Web服务器和3G应用服务器均使用数据访问接口ADO实现与数据库的连接。图4-6查询了设备酸碱性节点采集数据的历史数据。
图4-6酸碱度节点历史数据查询
查询代码如下:
ADOQuery1.Connection:=ADOConnection1; //设置数据连接
DataSource1.DataSet:=ADOQuery1; //设置数据源
With ADOQuery1 do
begin
close;
SQL.Clear;
SQL.Add(Select * from 土壤参数 where 日期 between :a AND :b); //查询条件
Parameters.ParamByName(a).Value :=FormatDateTime(yyyy-m-d,DateTimePicker1.time);//通过DateTimePicker1.Time获取查询起始日期赋值给形参a并设置日期格式
Parameters.ParamByName(b).Value :=FormatDateTime(yyyy-m-d,DateTimePicker2.time)//为形参b赋值
Open;
end;
（2）曲线图绘制
远程传送的数据经校验分析后，存入Acess数据库数据表中，字段包括ID、日期以及土壤PH值，使用DBChart控件，绑定该数据源，并进行曲线图的绘制。使得管理员能够更直观方便的分析每一个节点土壤参数的变化规律。如图4-7所示为采集的土壤酸碱度参数绘制成的曲线图。核心代码：
With DBChart1.series[0] do begin
DataSource:=ADOQuery1; //设置连接，绘制土壤酸碱度曲线图
XLabelsSource:=日期; //X轴
YValues.ValueSource:=土壤酸碱度; //Y轴
图4-7酸碱度曲线图绘制
第五章 系统调试
5.1 硬件测试
在上电调试之前，首先用万用表对系统PCB板的每个元器件的引脚进行检查，检查引脚是否有虚焊或短路的情况，另外还需对引脚功能检查，查看是否有焊错的可能，检查没问题后可进行上电调试，上电后确认有无器件发热，若是发热应立即断电并对其进行判断处理后重新上电。具体可分为两块:
（1）稳定性测试：长时间运行系统（48小时以上）检查电源电压，传感器，微处理模块等。经测试系统各电源运行正常，电压均在正常值范围之内；建网良好，可以正常传输数据；传感器工作正常，采样的数据正确。
（2）硬件安全性：检查各类接口，保证电路不出现短路等问题。长时间运行程序并检查芯片工作情况与工作状态（温度、电压等）。经测试系统各接口运行正常。
（3）JTAG仿真接口模块调试：采用JTAG接口，可以对电路进行在线仿真调试，经过调试，JTAG接口可以成功下载程序，并可在线仿真调试。
实际各模块实物图如下所示。
图 5-1 电源模块实物图
图 5-2 微处理模块实物图
图 5-3 CC2530 工作实物图
模块分别测试以后开始总体调试，按照总体设计方案连接电路，总体实物图如图 5-4 所示。
图 5-4 总体连接实物图
图最右微处理器模块，连接PH传感器负责进行模拟电压信号的采集，电源模块，负责给微处理器模块和PH传感器供电，中间为CC2530开发板，负责无线传输。右边的CC2530作为终端节点，负责将微处理器模块所采集和转换的信息通过无线信道发送给左边的协调器。协调器再通过串口把所得信息传给上位机。
5.2 软件调试5.2.1 无线建网点对点通信测试
调试ZigBee单播实验，此时不加入前端数据采集以及处理设备，只用利用一对ZigBee进行组网，待组网成功后，通过串口助手就可以点对点的传输数据。实验截图如图5-5所示。
图 5-5 点对点通信测试图
5.2.2 总体测试结果
加入感知前端设备进行调试，写入了协调器程序的传感器节点上电初始化完成后，开始扫描信道，设置PANID，建立网络。网络建立完成后，等待其它节点收到后发来的加入请求。终端节点在进行程序编译时，加入LRWPAN_RFD的预编译指令，为其写入相应的RFD程序。终端节点上电初始化完成后开始扫描信道，收到网络建立完成的信息后，发出加入网络的请求，与协调器绑定后开始传送数据。
最终采集到的数据如图 5-6 所示。
图 5-6 最终采集数据
最后显示出来的数据为 16 进制显示，前两位AA,FF为帧头，第三位05是节点号，OO，CD表示的是PH值所对应的电压的16进制，00是校验位，BB,EE是帧尾，最后换算为十进制就是采集到的电压值，再在上位机上通过程序转化成我们所需的PH值。
第六章 总结与展望
本课题设计一种基于无线传感网来监测土壤参数的系统，说明了在基于MSP430F169和CC2530的硬件平台上实现参数采集传输的过程以及实现方法。
毕设期间阅读大量文献，了解无线传感器网络以及无线传感网络的发展，通过分析比较之后提出了利用MSP430F169+CC2530的方案，采用3G远程通讯机制，实现农田参数远程、实时的监控。主要是用来监测土壤的PH值，但是实际使用土壤参数还有两个很重要的参数：温度和湿度。所以在后期的设计中考虑到了这一点，也算是一点小小的进步吧。实验结果显示该系统目前可正常运行，数据可通过无线网络在传感器节点之间成功收发，可通过上位机显示PH值，所需功能基本实现。
尽管课题中对无线传感器网络作了一些的研究，取得了一定的成果，达到了最初的设计要求。但是还有一些不足之处有待以后进一步深入研究将其完善：
（1）只满足于毕业设计课题部分，课题给的是基于无线传感网PH值节点研制，所以过多的注重于前端感知部分硬件的制作，对上位机部分了解太少；
（2）由于条件有限，本系统研制了1个传感器节点，仅在实验室进行了小规模的实验，系统尚且存在许多不可预知的问题，等待进一步的分析与解决；
（3）功能较为单一，只是能够实现数据的一些简单功能，尽管加入了绘图等功能，但是可延伸的空间还是很大；
（4）很多知识点只追求了解，对自身要求不够，同时由于自身外出训练的原因，在毕设上花的时间不够；
（5）其它如安全、节能等方面的研究。
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致 谢
从去年12月份到现在跨越半年左右的时间一直在忙于毕业设计，到现在论文可以定稿，说句实话心里非常的激动。在毕业设计阶段，由于经常外出训练，时间严重不够，很多知识点来不及掌握，所以遇到了很多问题。首先尤其要感谢我的论文指导老师胡钢老师，他是一位非常平易近人、令人尊敬的教授，在毕设期间对我进行了无私的指导和帮助，经常督促我们的毕设进度，不厌其烦的帮助进行论文的修改和改进。另外，研究生学姐李光云和学长张辉也在毕设期间热心的帮助过我，遇到任何问题总是认真给我讲解。我相信，如果没有老师和学姐的帮助，我也不会做出像现在这样的成果。为此，特别向帮助和指导过我的老师和学长学姐表示最衷心的感谢！
感谢这篇论文所涉及到的各位学者。在论文期间我查阅了大量文献，对于我所要设计的系统的的理论有了很深的了解。本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。
感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我了很多的素材，也在课题进行中给予我很多的提示。在论文的撰写和排版的过程中他们都给我提供了热情的帮助。这大大地提高了我论文的进度。
最后，再次感谢那些在我进行课题和论文撰写过程中帮助过我的人们，没有你们热情无私的指导和帮助，就没有现在的这篇文章。你们的指导对我终身受益。谢谢！
附录：
毕 业 设 计（英文翻译）
年级专业 2010级通信工程
学号姓名 1062310118 孔维东
指导教师 胡 钢
评 阅 人
2014年6月
中国 常州
一、英文文献原文
The development present situation and prospects of Zigbee
Communication technology rapids development in the world, with the rapid development of Internet and the rapid growth of the individual demand for data communication, the global telecommunication industry technology development presents three trends: wireless, broadband and IP. Internet business development impelled the market demand for broadband network, the number of broadband users around the world showing a strong growth momentum.
At present, all kinds of network are the most potential for growth in wireless networks, many organizations choose wireless LAN (WLAN) is used to extend their existing networks, access to mobile access network inside the agency area. Near-field communication technology plays a more and more important role in peoples life. Zigbee as a new short distance wireless communication technology, is powerfully push the LR - Low Rate wireless personal Area Network WPAN (Low - Rate Wireless Personal Area Network).
Zigbees starting point is to develop a low cost wireless network, at the same time low electrical will make the products of the battery will last 6 months to several years. Zigbee technology to make up for a low cost, low power consumption and low vacancy rate wireless communication market, the key to its success lies in the rich and convenient application, rather than the technology itself. As officially released version of the agreement, more attention and research and development forces applied to the design and implementation of connectivity testing and marketing, etc. We have reason to believe that in the near future, there will be more and more built-in Zigbee devices into life, and greatly improve our way of life and experience.
At home, at present the Zigbee network application range is very wide, lots of places we could never imagine is using Zigbee technology. In industry, for example, Zigbee technology not only used to control lighting switch, it also has a purpose is to monitor the performance of the highway lights. Engineers have to drive to the highway check before which photos lamp has been broken, need maintenance, but because of the speed quickly, cant write down the serial number of all to repair the lamp, but through the Zigbee network, engineers need to sit on the computer, it can monitor clearly to the whole highway lights work, this is currently a hot applications. Again like, Zigbee technology is used to pass in and out of control, can record in and out of the car, also can be in when used for the transmission of personnel entering and leaving fingerprints to identify the relevant data, carries on the authentication. In addition, through the Zigbee network router functions, it can also be used to real-time monitor the different points within the coal mine safety situation, prevent the happening of the accident. In terms of consumer electronics, Zigbee technology can now of the infrared remote control, compared with the infrared remote control, Zigbee has the advantage of each operation will have a feedback, tell them if they implement the related operations. In the field of intelligent building, various kinds of lighting control, gas sensing and monitoring, such as the leaking gas sensor and alarm the Zigbee technology can be applied. Three table, electric meter, gas meter and meter USES the Zigbee technology, related management department can not only realize the function of automatic meter reading, you can also monitor instrument such as meters, prevent steal events.
Zigbee technology has a bright application prospect is very. Zigbee in the next few years will be in the industrial control, industrial wireless location, home network automation, building automation, automotive, consumer electronics, medical equipment control, and other fields which have broad application prospects, especially in home automation and industrial control, will become the main future Zigbee chip applications. In the industrial field, using sensor and Zigbee network, makes the automatic data acquisition, analysis and processing easier. Can be used as a decision aid system is an important part. In the field of automobile, mainly is the common sensor information. Because many sensor can only be built on wheels and engine running, such as tire pressure monitoring system. This requires that the built-in wireless communication device using a longer battery life, at the same time should overcome noisy environment and the metal structure of electromagnetic wave shielding effect. In the field of precision agriculture, traditional agriculture is mainly using isolated, no communication ability of the mechanical equipment. Mainly rely on human monitoring crop production status, sensor and Zigbee network is adopted, agriculture will be gradually turned to the center for information and software production mode, use more automation, networking, functional and remote control equipment for farming. In the field of home and building automation, home automation systems as the integration of electronic technology rapidly expand, easy to enter, clear and simple and cheap to install cost become driven home automation, building the main reason for the development and application of wireless technology.
Zigbee Alliance was set up from 2002 to 2006, standard protocol Zigbee Alliance launched more mature, has been through a number of spring and autumn period, when the Zigbee first appeared a few years ago, its proponents have imagine that this is based on the IEEE 802.15.4 standard wireless technology has huge potential market. In low throughput, short range communications applications, the cost is the first ace, and such as Bluetooth and 802.11 x and 802.15.3 specification performance too powerful. But for some supporters of Zigbee, original vision did not become a reality.
Any a communication protocol standard is inseparable from the support and drive the upstream chip manufacturers, as a low power consumption; Zigbee is Low rate of short distance wireless transmission application standard, nature also cannot leave the chip vendors support. From the point of the whole Zigbee industry alliance, the main upstream chip suppliers has five, respectively for the Jennic; Ti (Chipcon); Frescale; Ember; Ateml. "Chip" is actually a accord with standard of physical layer chip, it is only responsible for the modulation demodulation wireless communication signal, so must be combined with the MCU to complete the data receive send and the implementation of the agreement. Part in order to further reduce the cost of OEM manufacturers, the upstream chip manufacturers launched simultaneously on a single chip integrates the function of the physical layer transceiver and single chip microcomputer of single Soc solutions, single rf part and the Soc SCM integration in together, dont need the extra a single-chip microcomputer, it has the advantage of cost savings, simplify the circuit design. And basically every chip companies based on their own chips Zigbee protocol stack is provided free of charge, is greatly accelerated the application and popularization of Zigbee.
As the Zigbee protocol standards gradually improve and Internet environment, the whole Zigbee industry can say is the trend toward more and more prosperous, the five major upstream chip manufacturers and Zigbee alliance of continuous efforts, based on Zigbee application in endlessly, and connected with our real life, let the life of people more beautiful smart! Zigbee chip global sales increasing year by year, ABI statistics from 2005 to 2012, and forecasts the global chip sales.
Zigbee technology application is very extensive, at this stage to commercial building automation, home automation control instrumentation installation (new) and focused. Commercial building can use Zigbee to complete automatic control, the administrator can efficiently manage air conditioning, lighting, fire induction system such as switch control system, can achieve reduce energy costs, reduce the management manpower saving purpose. For consumers, if the home has a Zigbee system, easy to monitor home operations, effective control of electricity, water and gas usage, can also have safety function, for example, can be installed in the home wireless sensor to monitor all kinds of different situation, once the investigation to the different shape can be automatically warned. Zigbee in instrument control market with holley international instrument giant China instrument group; South Korea NURI Telecom began the introduction of Zigbee technology such as the instrument control system, after the market began to be taken seriously. Zigbee is quite good for artificial high instrument control system, a vast, or measure quality bad, meter reading accuracy is not high, and or the meter is not easy to enter the water, electricity, gas meter is located. With such background of the place makes Zigbee instrument control market have a certain demand.
Although Zigbee application more and more, chip shipments also accelerated, but overall, Zigbee market is still in the initial stage of exploration, also didnt really take off, mainly displays in commercial products terminal. Can be used in more in the r&d stage, real listed a few, that is less typical application direction and area, point to point application more, manifests the advantages of Zigbee mesh network application less, lack of Zigbee large networking applications.
Even though the Zigbee is difficult to go forward, but the Zigbee product is worth we look forward to the future, from the technical standard level, the future Zigbee will closely meet the iot concept direction trend of development, efforts to play on the role of the transport layer interface, under the impetus of the Zigbee alliance, Zigbee technology will toward the development of SoC (system on a), more standardized, to IPV6, cheaper, more energy saving, development direction, such as more quickly. In application fields and the direction ways, Zigbee completely have the opportunity to develop in the present but smart phones, the application of the intelligent mobile phone field short way mainly through bluetooth to realize data transmission, but compared with Bluetooth, Zigbee has more advantages, low power consumption of two number 5 dry cell can support 1 node work 6 ~ 24 months, or longer, compared with Bluetooth can work for several weeks, the WiFi can only work a few hours. At the same time, the positioning of the valuable equipment and is worth to pay close attention to the future potential applications, a large increase in the large parking lot, mine personnel positioning and other applications.
As our nearest the Chinese market, application of Zigbee products may need more time, Chinas wireless market is not mature, domestic manufacturers of participation are very limited, future Zigbee industry should enhance wireless automatic meter reading system, automotive industrial applications such as wireless, portable devices and other high-end application market.
To sum up, as a new short distance wireless communication technology, Zigbee products will trot walking toward us, in the form of various human cloth can be part of or the lack of work and in life.
二、文献中文翻译
zigbee的发展现状与前景研究
当今世界通信技术迅猛发展，随着Internet的迅速发展和个人对数据通信需求的快速增长，全球通信产业技术的发展呈现三大趋势：无线化、宽带化和IP化。互联网业务的发展推动了市场对宽带网络的需求，宽带用户数量在全球呈现出非常强势的增长态势。
目前, 各类网络中最具增长潜力的是无线网络, 许多机构会选择采用无线局域网(WLAN) 来拓展他们的现有网络, 获得在机构区域内部移动接入网络的能力。近距离无线通信技术在人们生活中扮演着越来越重要的作用。Zigbee作为一种新兴的短距离无线通信技术，正有力地推动着低速率无线个人区域网络LR-WPAN(Low-Rate Wireless Personal Area Network)的发展。
Zigbee的出发点是希望能发展出一种低成本无线网络，同时期低耗电性将使产品的电池能维持6个月到数年的时间。Zigbee技术弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺，其成功的关键在于丰富而便捷的应用，而不是技术本身。随着正式版本协议的公布，更多的注意力和研发力量将转到应用的设计和实现，互联互通测试和市场推广等方面。我们有理由相信在不远的将来，将有越来越多的内置Zigbee功能的设备进入生活，并极大地改善我们的生活方式和体验。
在国内，目前Zigbee网络的应用范围非常广泛，很多我们想象不到的地方也在使用Zigbee技术。例如，在工业领域，Zigbee技术不仅用来控制照明灯的开关，它还有一个用途是检查高速路上照明灯的工作情况。以前工程师要开车到高速路上检查哪些照片灯已经坏掉了，需要维修，但因为车速较快，不能记下所有要检修灯的编号，但通过Zigbee网络，工程师只需坐在计算机，就可以很清楚地监测到整个高速路上照明灯的工作情况，这是目前的一个热点应用。再如，Zigbee技术用于进出的控制，可以记录汽车的进出，也可以在人员进出时用于传输相关指纹来识别数据，进行身份认证。此外，通过Zigbee网络的路由器功能，它还可以用来实时监控煤矿内各点的安全状况，防止事故的发生。在消费类电子方面，Zigbee技术可以替现在的红外遥控，与红外遥控相比，Zigbee的优势在于每一个操作都会有反馈信息，告诉他们是否实现了相关操作。在建筑智能化领域，各种灯光的控制，气体的感应与监测，如煤气泄漏的感应和报警都可以应用Zigbee技术。三表、电表、气表和水表上采用Zigbee技术，相关管理部门不但可以实现自动抄表功能，还可以监控仪表如电表的状态，防止偷电事件的发生。
Zigbee技术的应用前景被非常看好。Zigbee在未来的几年里将在工业控制、工业无线定位、家庭网络、汽车自动化、楼宇自动化、消费电子、医用设备控制等多个领域具有广泛的应用前景，特别是家庭自动化和工业控制，将成为今后Zigbee芯片的主要应用领域。在工业领域，利用传感器和Zigbee网络，使得数据的自动采集，分析和处理变得更加容易。可以作为决策辅助系统的重要组成部分。在汽车领域，主要是传递信息的通用传感器。由于很多传感器只能内置在飞转的车轮或者发动机中，比如轮胎压力监测系统。这就要求内置无线通信设备使用的电池有较长的寿命，同时应该克服嘈杂的环境和金属结构对电磁波的屏蔽效应。在精确农业领域，传统农业主要使用孤立的，没有通信能力的机械设备。主要是依靠人力监测作物的生产状况，采用了传感器和Zigbee网络后，农业将可以逐渐地转向以信息和软件为中心的生产模式，使用更多的自动化、网络化、职能化和远程控制的设备来耕种。 在家庭和楼宇自动化领域、家庭自动化系统作为电子技术的集成得以迅速扩展、易于进入，简单明了和廉价的安装成本等成了驱动自动化居家，建筑开发和应用无线技术的主要动因。
Zigbee从2002年Zigbee Alliance成立到2006年联盟推出比较成熟的Zigbee 2006标准协议，至今已走过了多个春秋，当Zigbee几年前刚出现时，它的支持者曾设想这种基于IEEE 802.15.4规范的无线技术拥有潜在的巨大市场。在低吞吐量、短距离通信应用中，成本是第一王牌，而类似蓝牙、802.11x和802.15.3等规范的性能过于强大。但对于一些Zigbee支持者来说，当初的设想并没有成为现实。
任何一项通信协议标准都离不开上游芯片厂商的支持和推动，Zigbee作为一项低功耗;低速率无线短距离传输应用的标准，自然也离不开芯片厂商的支持。从整个Zigbee产业联盟来看，主要的上游芯片供应商有五家，分别为Jennic;Ti(Chipcon);Frescale;Ember;Ateml。“芯片”实际上只是一个符合物理层标准的芯片，它只负责调制解调无线通讯信号，所以必须结合单片机才能完成对数据的接收发送和协议的实现。为了进一步减少OEM厂商的成本，部分上游芯片厂商推出了在单颗芯片上同时集成了物理层的收发和单片机功能的单Soc解决方案，单Soc把射频部分和单片机部分集成在了一起，不需要额外的一个单片机，它的好处是节约成本，简化设计电路。而且基本上每家芯片公司都免费提供了基于自家芯片的Zigbee协议栈，大大地加速了Zigbee的应用和普及。
随着Zigbee协议标准的逐步完善和物联网大环境的带动，整个Zigbee产业可以说是朝着越来越繁盛的趋势发展，在5大上游芯片厂商和Zigbee联盟的不断努力推动下，基于Zigbee应用层出不穷，并和我们的实际生活接轨，让人们的生活更加智能美好了!Zigbee芯片全球销售收入逐年递增，ABI统计和预测了从2005年至2012年全球芯片的销售收入。
Zigbee技术的应用十分广泛，现阶段以商业大楼自动化，家庭自动化控制(新建安装)与仪表控制为重点。商业大楼可以利用Zigbee完成自动控制，管理员可以有效地管理空调，灯光，火灾感应系统等各项开关控制系统，可以达到减少能源费用，降低管理人力等节约目的。对消费者来说，若家中具有Zigbee系统，可方便的监控家中的整体运作，有效掌握电力，自来水，瓦斯的使用状况之外，亦可以具有安全功能，例如可以在家中安装无线传感器来监控各种不同情况，一旦侦查到异状即可自动发出警告。Zigbee在仪表控制市场随着国际仪表巨头中国华立仪表集团;韩国NURI Telecom等纷纷开始引进Zigbee技术之仪表控制系统之后，这个市场开始受到重视。Zigbee仪表控制系统相当适合人工高昂，幅员辽阔，或是抄表员素质不良，抄表准确度不高，又或抄表员不易进入水，电，瓦斯仪表所在地的地方。具有这样背景的地方促使Zigbee仪表控制市场具有一定的需求。
虽然Zigbee应用越来越多，芯片出货量也连年递增，但总体来说，Zigbee市场仍然处于起步探索阶段，还没有真正上量起飞，主要表现在在于可应用的终端商用产品还多处于研发阶段，真正上市的不多，具有典型应用的方向和领域便少，点对点的应用较多，体现Zigbee优势的网状网络应用少，缺乏体现Zigbee大型组网应用。
虽然Zigbee在艰难中前进，但未来整个Zigbee产品还是值得我们期待，从技术标准层面上来看，未来Zigbee将紧密迎合物联网大概念方向趋势的发展，努力扮演好传输层界面上的角色，在Zigbee联盟的推动下，Zigbee技术将朝着开发SoC(片上系统)，更多规范，于IPV6结合，更廉价，更省电，更快速等方向发展。从应用领域和方向方面来看，Zigbee完全有机会开拓在目前大然的智能手机领域中的应用，目前智能手机领域里短距离数据传输主要是通过蓝牙方式来实现，但相比于蓝牙，Zigbee的低功耗更具有优势，2节5号干电池可支持1个节点工作6~24个月，甚至更长，相比较，蓝牙能工作数周，WiFi只能工作数小时。同时，贵重设备的定位也是未来值得关注的一个大的潜在应用领域，加大在大型停车场，矿井人员定位等方面的应用。
作为离我们最近的中国市场，Zigbee产品的应用爆发可能需要的时间更长，中国的无线网络市场还未成熟，本土厂商的参与度还非常有限，未来Zigbee产业人士要加大无线自动抄表系统，车用无线领域等工业应用，便携设备等高端市场的应用。
综上所述，作为新兴的短距离无线通信技术，Zigbee产品将以各种各样的方式快步向我们走来，成为人类工作和生活中布可或缺的一部分。
河海大学
本科毕业设计（论文）任务书
Ⅰ、毕业设计（论文）题目：
基于无线传感网农田PH值检测节点研制
Ⅱ、毕业设计（论文）工作内容（从综合运用知识、研究方案的设计、研究方法和手段的运用、应用文献资料、数据分析处理、图纸质量、技术或观点创新等方面详细说明）：
毕业设计（论文）工作内容 1、课题背景：农业现代高新技术的不断发展，特别是信息技术、数字化技术的迅猛发展和普及，为实现灌区农田灌溉自动化控制及灌溉用水的计量管理提供了强有力的技术支撑。随着农村经济发展水平的日益提高和农村产业结构调整的不断深化，设施农业、精细农业的出现，对农田灌溉的要求越来越高，如根据农田土质酸碱度情况，确定灌溉方式、灌水量、灌水时间、灌溉次数等等，需要对灌区实现合理调度和科学管理。 2、研究内容： 1）了解PH值检测传感器的工作原理。 2）将传感器采集的物理数据转化为数字量，送处理器处理，通过串行通信口传送给无线发送模块后，远程发送至控制中心。 3）研发节点，完成硬件开发。 4）选择合适的开发软件，进行系统开发 5）系统联调。
Ⅲ、进度安排：
2013年11月-2013年12月 ——阅读资料、选择传感器及单片机，提交硬件设计结构图 ——选择开发软件并熟悉软件。
2014年01月-2014年04月 ——依据系统结构设计下位机以及上位机，进行详细开发 ——总体调试。
2014年05月-2014年06月 ——系统进一步调试 ——写毕业设计论文 ——完成导师对论文初审。
2014年06月中旬前 ——参加毕业设计答辩（提交论文，准备PPT汇报）。
Ⅳ、主要参考资料：
1.课题相关技术资料
2.硬件开发技术资料
3.软件开发技术资料
4.无线传输协议类资料
指导教师：胡 钢 ， 2014年 6 月 8日
学生姓名：孔维东 ，专业年级：10通信工程
系负责人审核意见（从选题是否符合专业培养目标、是否结合科研或工程实际、综合训练程度、内容难度及工作量等方面加以审核）：
系负责人签字：
年 月 日
期中教学检查表
指导老师评语
评阅老师评语
答辩记录及评语
成绩评分表
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关键字:
目 录
本人签名： 日期： 摘 要
无线传感器网络是一种以数据为中心，面向特定应用的特殊计算机网络。由于这种网络易于组建，而且成本低，能耗小，适合用于低速率、近距离的无线数据传输，在医疗卫生、环境监测和军事等领域得到了飞速发展。
随着农村经济发展水平的日益提高和农村产业结构调整的不断深化，同时由于农业对水的需求过高，我国目前缺水情况比较严重，所以对农田灌溉的要求越来越高，需要对灌区实现合理调度和科学管理，因此需要对土壤的参数进行实时监测，确定灌溉的具体方案。土壤中的PH值，温度，湿度是决定灌溉量多少的三个主要参数，根据此要求，本文设计了监测土壤参数中的PH值硬件节点设计方案。该系统以单片机、传感器及射频芯片作为核心，经由ZigBee实现短距离无线通信，再经3G路由器远程通信，最终得以实现参数的实时监测。。
该系统使用MSP430F169单片机和CC2530为主要部件搭建硬件平台。文中介绍了在该硬件平台上实现ZigBee无线网络，并利用该网络完成数据采集和收发的方法。最后使用节点实物进行了测试，完成了数据传输。
关键 词 ：无线传感网络 ；ZigBee；CC2530；节水灌溉；土壤参数监测
ABSTRACT
Wireless sensor networks is a kind of computer network specially designed for particular application. It is easy to set up such a network with low cost, small power consumption for low-rate, short distance wireless data transmission. It has been rapidly developed in the medical and health, environmental monitoring, and military and other fields.
With the deepening adjustment of increasing levels of economic development in rural areas and rural industrial structure, At the same time as the demand for agricultural water is too high, and the current situation of water is seriously short，so the demand to irrigation is increasingly high. We need to achieve a reasonable and scientific management of irrigation scheduling. Therefore, we need to conduct real-time monitoring parameters of soil to determine the specific scheme of irrigation. Soil pH value, temperature, humidity are the three main parameters to the irrigation amount, according to the requirements, This system uses single-chip, sensor nodes and radio frequency chip as core parts, realize short distance wireless transmission through ZigBee, and then achieve real time monitoring by long distance transmission of 3G routers.
This system uses MSP430F169 and CC2530 as the main components to build the hardware platform. This paper introduces the method of how to establish a ZigBee wireless network and complete data collection and transmission on the hardware platform. Finally, the whole system is tested, completed the data transmission.
Keywords : wireless sensor networks ；ZigBee ；CC2530 ；Irrigation；Monitoring soil parameters
摘 要 I
ABSTRACT II
第一章 绪论 1
1.1 无线传感器网络概述 1
1.2 传感器网络的发展 1
1.3 传感器网络应用于节水灌溉 2
1.4 ZigBee 应用于无线传感器网络 3
1.4.1 ZigBee协议概述 3
1.4.2 ZigBee协议架构 4
1.4.3 ZigBee协议特点 4
1.5 本论文结构安排 5
第二章 土壤PH值监测系统总体方案设计 6
2.1本课题的研究内容 6
2.2 本课题的系统架构 6
2.3 本课题系统总体设计 7
第三章 基于WSN农田PH值检测系统前端设计 8
3.1 监测节点电路组成 8
3.2电源模块 8
3.3 PH传感器模块 9
3.3.1 PH传感器的选择和工作原理 9
3.3.2 PH值传感器技术参数 10
3.3.3 PH值传感器性能特点 11
3.4数据处理器模块 11
3.4.1 主控芯片MSP430F169介绍 11
3.4.2 处理器模块内部各电路介绍 12
3.4.3 处理器模块程序设计思路 15
3.4.4 处理器模块程序实现 16
3.5 WSN 通信模块 18
3.5.1 CC2530概述 18
3.5.2 CC2530 对于ZigBee的节点作用 20
3.5.3 协调器节点与终端节点 20
3.5.4 CC2530通信的软件实现 21
3.6 3G路由模块 23
3.6.1 ADR-R5341 23
3.6.2 3G网络概述 24
3.6.3 3G路由器应用 24
第四章 基于WSN农田PH值检测系统软件设计 26
4.1 软件设计环境 26
4.2软件系统结构 26
4.3无线接收模块设计 28
4.3.1 TCP/IP协议 28
4.3.2 Socket接口 28
4.3.3流程图 29
4.4数据库模块 30
第五章 系统调试 32
5.1 硬件测试 32
5.2 软件调试 34
5.2.1 无线建网点对点通信测试 34
5.2.2 总体测试结果 34
第六章 总结与展望 36
参考文献 37
致 谢 39
附 录： 40
一、英文文献原文 41
二、文献中文翻译 46
第一章 绪论
1.1 无线传感器网络概述
物联网，也称无线传感器网络（Wireless Sensor Network ，简称 WSN），由大量具有特定功能的传感器节点通过自组织的无线通信方式，相互传递信息，协同的完特定功能的智能专用网络。它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、通信技术、分布式信息处理技术、微电子制造技术和软件编程技术等，可以实时检测、感知和采集网 络所监控区域内的各种环境或检测对象的信息，并对收集到的信息进行处理后传送给终端用户。
无线传感器网络扩展了人们的信息获取能力，直接把客观世界的物理信息与数据的网络传输结合了起来，为人们提供最快速、最精确的信息。通过传感网络可以让人们感知到更加广阔的客观世界，使现有的网络功能得到更深入的延伸，人类感知世界的能力得到极大程度的拓展。传感器、感知对象和观察者构成了传感器网络的三个要素。
1.2 传感器网络的发展
传感器网络能够广泛应用与军事侦察、智能家居、环境监测、生产控制和安全监督等领域。虽然 传感器网络现在的应用方面很广，但是它的发展大致分为三个主要阶段。
第一阶段：传感器网络的应用最早可以追溯到越战时期使用的传统的传感器系统。当年美越双方在密林中的“胡志明小道”展开了一场血腥的较量，“胡志明”小道是胡志明部队向南方游击部队运送物资的秘密通道，美军对其进行了狂轰滥炸，但是其效果微乎其微。后来，美军向战场投放了2万多个“热带树”传感器。“热带树”实际上是由震动和声响传感器组成的系统，它由飞机投放，落地后插入泥土，只露出伪装成树枝的无线电天线，因而被称为“热带树”。传感器探测出目标产生的震动和声响信息，自动发送回指挥中心，美军立刻展开追杀，总共炸毁或炸坏4.6万辆卡车。
第二阶段：二十世纪 80年代至90年代之间。主要是由美军研制的分布式传感网络系统、海军协同交战能力系统、远程战场传感器系统等。这种现代微型化的传感器具备感知能力、计算能力和通信能力。在1999年，商业周刊将传感器网络列为21世纪最具影响的21项技术之一。
第三阶段：21世纪开始至今，从9.11事件之后。这个阶段的传感器网络技术特点在于网络传输自组织、节点设计低功耗。除了用于反恐军事活动之外，在其他领域更是获得了很好的应用，在2002 年美国国家重点实验室——橡树岭实验室提出了“网络就是传感器”的论断。
经过这三个阶段的发展，传感器网络已经成了人们生活中必不可少的一部分，如今对传感器网络的研究还在继续深入的研究中。
1.3 传感器网络应用于节水灌溉节约和保护水资源是我国的一项重大国策，而农业是用水大户，因此节水灌溉是节约水资源的重要举措。目前国外节水灌溉技术的自动化水平已经很高，而国内在这方面的研究则还处于较低的水平，应用也不广泛。研究土壤相关参数的时空变异，农作物的需水信息是实时适量灌溉的依据，而需水信息的相关参数实时采集与传输则是节水灌溉控制系统中的一个难点，利用网络可以比较方便地实现大量数据的远距离传输。
农业一般应用是将大量的传感器节点构成网络监控，通过各种传感器采集信息，以帮助农民及时发现问题，并且准确的确定发生问题的位置，这样农业将有可能逐渐地从以人力为中心、依赖于孤立机械的生产模式转向以信息和软件为中心的生产模式，从而大量使用各种自动化、智能化、远程控制的生产设备。如国外都较早地采用了卫星 遥感技术采集数据、日本出现了无人驾驶拖拉机与 GPS结合的方法进行自动检测，实现了无线传输。2002年英特尔公司率先在俄勒冈州建立了第一个无线葡萄园，传感器节点被分布在葡萄园的每个角落，每隔一分钟检测一次土壤温度、湿度或该区域的有害物的数量以确保葡萄可以健康的生长，进而获得大丰收。澳大利亚的CSR IO ICT Center将无线传感器节点安置在动物身体上对动物的生理状况（脉搏、血压等）和外界环境进行检测，研制成完善的草地放牧与动物模型。
国内近些年在灌溉控制系统的实时传输研究中也已经有了一些成果，如GPRS节水灌溉系统。近几年发展起来的无线传感器网络由于应用成本低、网络结构灵活、数据传输距离远，已经在很多领域得到了应用 。但是，将无线多媒体传感器网络应用于农田参数检测的技术尚不多见。现代高新技术的不断发展，特别是信息技术、数字话技术的迅猛发展和普及，为实现灌区农田灌溉自动化控制及灌溉用水的计量管理提供了强有力的技术支持。随着农村经济发展水平的日益提高和农村产业结构调整的不断深化，设施农业、精细农业的出现，对农田灌溉的要求越来越高，如对灌溉方式、灌水量、灌水时间、灌溉次数等等要求越来越精确，需要对灌区实现合理调度和科学管理。本课题就是适应这种需要，研究基于物联网技术的智能灌区信息化、自动化管理。实现灌区灌溉用水的计量管理，这就需要对土壤的相关参数进行实时监测并分析，运行后的节水、节电和节省运行管理费用的效益很明显，随着农村经济的发展和农村产业结构调整深入，其推广面将会不断扩大，前景十分广阔。
1.4 ZigBee 应用于无线传感器网络在农田土壤PH值监测系统中，对无线传感器网络的要求其它场合有很大的区别。系统中各节点通过无线信道交流的数据只包括监测所得到的土壤PH值数据和一些简单的控制信令数据，这对无线网络的数据吞吐量要求不高。为方便管理，避免过多人为参与，需要节点功耗较低。此外，由于需要部署大量的无线接入点，低廉的价格将起着关键作用。所以使用的无线协议要解决的问题是设计一个维持最小流量的通信链路和低复杂度的无线收发机。需要考虑的核心问题是低功耗和低成本的设计，这就要求该标准应提供低带宽、低数据传输速率的应用。
近几年来看，用于无线个人区域网（PAN，Personal Area Network）的短距离无线通信技术有了迅猛发展，出现了多种相关技术标准。ZigBee就是一种新兴的短距离、低数据率、低功耗、低成本的无线网络技术，与无线高保真（Wi-Fi）和蓝牙（Bluetooth）等其它使用 2.4 GHz的ISM（工业、科学和医学）频段无线技术标准相比更适于应用在工控场合。从本系统对传感器网络的无线协议所提出的低功耗、 低成 本、 网络容量以及安全性等要求出发，选择了使用ZigBee作为无线通信协议进行组网。
1.4.1 ZigBee协议概述
ZigBee 协议是基于IEEE802 .15.4标准开发的有关组网、安全和应用软件方面的技术。IEEE802.15.4任务小组制定了近距离低速无线网络的物理层（PHY）和媒体接入控制层（MAC）规范，ZigBee 联盟则在其PHY层和MAC层的基础上制定了网络层和应用层标准，对网络层协议和API进行了标准化，最终形成ZigBee 协议栈。所以，完整的ZigBee 协议栈由物理层、介质访问控制层、网络层、安全层和应用层等组成。
1.4.2 ZigBee协议架构
ZigBee协议基于标准的OSI(Open System Interconnect)七层模型，但是只采用了其中的四层来实现对应的功能。ZigBee协议从上而下分别为：应用层、网络层、MAC层与物理层，其中应用层和网络层由ZigBee联盟制定，MAC层与物理层采用的是 IEEE 标准委员会制定的 802.15.4 协议。其构架如图 1- 1 所示。
图1-1 ZigBee 协议栈构架1.4.3 ZigBee协议特点
（1）低功耗：由于工作周期短、收发信息功耗低、主要应用于近距离通信场合，再加上网络设备节点采用休眠唤醒工作模式，可以大大延长其生存周期。一般两节干电池供电工作的情况下都可维持半年以上；
（2）低成本：基于ZigBee协议的精简特性，ZigBee节点再设计上不需要太多的资源。随着微电子技术的不断发展，以及产品的产业化生产，其模块的价格越来越低廉；
（3）高可靠性：ZigBee协议采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息；
（4）开发简单：各大公司针对各自的ZigBee 产品都推出相应的 ZigBee 协议栈，其中比较有名的是TI公司的Z-stack 协议栈，为用户提供了高效的开发平台；
（5）网络容量大：ZigBee可以采用星形、簇—树形、网形结构组网，而且可以通过任一节点连接组成更大的网络结构，从理论上讲，其可连接的节点多达 65000 个。一个ZigBee网络可以最多容纳254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络；
（6）高保密性：ZigBee提供了基于循环冗余校验（CRC）的数据包完整性检查和鉴权功能，同时各个应用可以灵活确定其安全属性。
1.5 本论文结构安排
本课题针对无线传感器网络在农田参数检测中的应用，设计了其软硬件的实现，主要实现其硬件部分。课题的节点硬件是在基于MSP430F169和CC2530的基础上建立的，采集数据部分的主要芯片为MSP430F169，CC2530主要完成了ZigBee无线通信协议的简化实现，构建由协调器和终端节点组成的ZigBee网络，完成土壤PH值信息的采集和传输任务。文章的组织结构如下：
第1章：绪论部分，介绍了本文的研究背景，阐述了立题意义，介绍了ZigBee使用在该系统中的优点，并对论文的主要工作和结构作了说明。
第2章：系统总体方案设计，从总体上阐述了系统的需求与组成，系统的各个部分内容以及各个部分之间的结合关系，画出总体系统框图。
第3章：系统的前端设计，详细描述了系统感知前端的几个组成模块，各个模块的联系作用，以及各硬件模块实现的程序。
第4章：上位机软件的设计。基于Delphi语言设计监控系统，可以实现实时采集土壤参数并查询、绘制参数曲线，异常报警等功能，并对模块进行简单的原理介绍。
第5章：系统测试，给出了的系统软硬件联调情况，描述系统的测试过程与测试结果。
第6章：总结与展望，对全文作了总结，指出自己所作的工作，并说明了系统需要进一步改进的一些地方。
第二章 土壤PH值监测系统总体方案设计2.1本课题的研究内容
本课题是基于 WSN 的农田PH值检测节点研制，主要研究内容如下：
（1）传感器系统：农作物的需水信息主要和其所处环境的地下水含量、土壤酸碱度、空气的湿度以及空气温度密切相关，由于课题要求，本系统主要是检测土壤酸碱度的，所以采用PH值传感器作为网络中的节点，选择合适的PH传感器很是关键。
（2）监测区域的布局：由于农田不是人无法接近的环境，因此可以根据农田的布局，人工安排无线传感器节点来进行监测。毕设由于时间精力因素，没能实现多点布局，只是采集校园土壤进行单点模拟。
（3）参数信息的存储与显示，参数超限的报警等相关实用功能。
（4）硬件结构设计，软件系统开发。
（5）系统联调，得出参数。
2.2 本课题的系统架构
本系统主要由采集模块、控制模块、ZigBee近距离无线通信与3G远程通信以及上位机软件模块构成，克服常规系统有线传输的不足，提供了一种无线的、实时的、智能化的系统，可以实时地监测农田土壤的PH值等参数值，系统架构如图2-1所示。
图2-1系统结构组成
2.3 本课题系统总体设计
在实际操作中，每个网络节点负责监测一块独立区域内的土壤PH值状况，转换采集到的土壤PH值数据并通过无线信道发送出去。在上位机上进行数据的显示。系统中涉及的关键设备如下介绍：
（1）采集模块：采集部分通过传感器节点来感知土壤的PH值，并通过线路通信，实现单片机的采集。
（2）控制模块：负责控制管理采集的数据，将采集的模拟信号，转化数字信号，实现AD转换，并定时的发送给ZigBee节点。
（3）ZigBee终端节点：终端节点的主要任务是采集数据、对数据进行预处理以及发送数据至网络协调器。
（4）ZigBee协调节点：一个无线传感器网络中有且只存在一个该节点，在整个网络中起主导作用，负责网络信道的选择，启动网络，等待终端节点的加入，接到这些节点采集发送的环境数据，协调器节点通过串口将数据传送至处理终端。
（5）3G路由器：内置电信3G卡，远程登录网络，将所有终端信息发送至监控中心。
（6）远程监控管理系统：主要实现采集数据的读取、查询、报警及处理的功能。
第三章 基于WSN农田PH值检测系统前端设计
3.1 监测节点电路组成
系统采用MSP430F169单片机作为核心处理器，将传感器采集的模拟信号转换成数字信号，并通过串口将数据发送给ZigBee的终端节点，经ZigBee短距离无线通信模块传输给ZigBee协调器，再经3G远程传输将采集结果远程传输至数据管理中心。
感知前端系统的电路主要由电源模块、传感器模块、数据处理模块、ZigBee无线通信模块、3G传输模块等组成。其PCB板图如图2-1所示。
图 3-1 感知前端PCB图
3.2电源模块
本课题的电源模块负责给数据处理器模块和传感器模块供电，微处理器模块供给是 3.3V 的电压，传感器模块供给的是5V 的电压，具体电路如图 3-2、3-3所示。
图 3-2 5V电源原理图
图 3-3 3.3V电源原理图
变压器将电压变压至12V，电源系统采用12V的直流电源作为主电源，通过滤波后经7805稳压芯片得到稳定5V直流电压，再由电压转换芯片得到3.3V电压，满足系统各功能模块包括ZigBee节点、3G对电压的要求。
3.3 PH传感器模块
3.3.1 PH传感器的选择和工作原理
在测量PH的过程中，并不是直接测量溶液中所含氢离子的浓度（ ）的浓度，而是在测量氢离子活动程度的负对数值，从而测出溶液内氢离子的有效浓度。如公式3-1，3-2：
（3-1）
（3-2）
PH值得获取实质上是通过测量电位值来实现的。在测量的过程中，当PH电极接触到溶液的时候，其玻璃膜上会形成一个随着PH值变化而变化的电势，且该电势需要一个恒定的参比电势来进行比较。该参比电极不会因为溶液中的PH值的浓度的变化而变化。在待测的酸性或碱性溶液内，膜外表面的电势与氢离子的活动程度呈线性变化，计算公式如3-3。
（3-3）
E—总的电势差，E0—标准电势，R—气体常量，T—绝对温度，n—电子数量，F—法拉第常数， —氢离子浓度。
在此次设计中，选用的是专门的土壤PH值传感器JASPS2801，实物图如图3-4所示。
图 3-4 PH传感器实物图
3.3.2 PH值传感器技术参数
型 号：JASPS2801
量 程：0～14PH
测量精度：PH5～PH9范围内为±0.07PH
PH4～PH10范围内为±0.1PH
PH1～PH3.9，PH10.1～PH13范围内为±0.2PH
耐压/零电位：0.6mp/E0=7PH
外壳材质：pps塑料
安 装：3/4 NPT管螺纹
尺 寸：φ12*160
(转换器部分）
输出信号：4-20mA
对应范围：0 PH=4mA、7 PH=12mA、14 PH=20mA
输出阻抗：10^12ohms
温度补偿：Not necessary to make adjustment
输出负载：200ohms
电源供应：90-260ACV，50Hz/60Hz
耗 电 量：AC110V：Approx.1.3VA、AC220V:Approx.1.6VA
外壳材质：ABS塑料
操作温度：0-50°C
操作湿度：Less than 80%RH
3.3.3 PH值传感器性能特点
通过对比与其他传感器性能的对比，又结合实际情况下的需求，很好的体现出JASPS2801PH值传感器的功能特点以及更适用于本课题的农田节水灌溉系统。
其功能特点如下：
1. 采用高分子聚合物填充，无需补充电解液，使用寿命长。
2. 电极反应灵敏，数秒钟即可达测量值，数据传输效率高。
3. 电缆长度可以根据用户需要调整。
4. 测量精度高，性能可靠，确保正常工作。
5. 强大的抗干扰能力，不易阻塞。
3.4数据处理器模块
本系统的数据处理模块主要负责将PH传感器传送过来的模拟信号做AD转换，并且利用串口通信把数据发送给Zigbee模块中的终端节点。微处理器的核心芯片为MSP430F169，利用该芯片可以完整的实现上述功能。
3.4.1 主控芯片MSP430F169介绍
MSP430F169是一款低功耗16位单片机,其计时模块提供一组看门狗定时器，可以实现两组完整功能16位定时器，有上数、上下数、连续、暂停计时模式可选。同时也有一组模拟电压比较器，可直接将输出讯号提供给计时模块抓取，正是由于430芯片有如此优异的功能，该处理系统中选择其作为主单片机。其引脚图如图3-5所示。
图3-6 MSP430F169引脚图
3.4.2 处理器模块内部各电路介绍
（1）复位电路
因为RTS复位脚处于高电平才能正常工作，所以本系统设计了复位电路。复位电路用以实现上电复位以及用户的按键复位。
如图3-7所示：在系统上电时，10K的电阻R15向104电容C20充电，当电容C20两端的电压没有达到高电平的极限电压时，RST引脚将输出低电平，系统将处于复位状态。反之则系统则进入正常工作状态。当按钮被按下时，电容C20两端的电荷将被会被释放掉，RST引脚处于低电平状态，系统进入复位状态，重复上述的充电过程，系统将进入到正常状态中。
图3-7复位电路
（2）振荡电路
由于MSP430系列单片机芯片内具有高速晶体、低速晶体以及数字控制振荡器DCO这3个时钟源，继而可以解决系统所需的快速处理数据和低功耗两者之间的矛盾。由于单片机的内部已自带有DCO，所以本系统中只需要设计其他两种晶振电路。低速晶体振荡器满足了低功耗的要求，其使用了32.768kHz晶振。高速晶体振荡器，为MSP430F169工作在高频模式时提供时钟，在系统中采用4MHz的晶体。依图所示，高、低速晶体振荡器的外围电路均外接2个22pF的电容经过XIN引脚及XOUT引脚连接到MCU。原理如图所示3-8所示。
图3-8震荡电路
（3）滤波电路
图3-9滤波电路
如图3-9所示C25-C32均为去耦电容，主要起滤波作用，继而避免相互间的耦合干扰。
（4）调理电路
P17为PH传感器连接部分，采集的电流经R27采样电阻采样形成电压信号，之后接电压跟随器输出。电压跟随器也即是同相比例器，采用电压串联负反馈电路，作用是来自传感器的采样电路，经过放大，整型输出适合的电压，电流，在阻抗和电平上与后一级电路或者AD转换相匹配，如下图。
图3-10调理电路
（5）串口电路
如图3-11所示，MSP430系列由USAR模块来实现串行通信。采用MAX232接口的硬件电路C33，C34，C35是MAX232正常工作必须的工作电容。MSP430F169的串口TXD引脚连接MAX232的T2IN引脚。RXD引脚连接R2OUT引脚。这种通信方式使用的数据线少，在远距离通信中可以节约通信成本。
图3-11串口电路
（6）JTAG接口设计
JTAG调试器在其器件的内部定义了一个TAP，通过专用的JTAG测试工具对其内部节点进行测试。如图3-12所示，JTAG具有14条接口线引脚。
图3-12 JTAG接口
（7）控制器与ZigBee无线发射模块的连接
控制器与ZigBee无线发射模块通过串口连接，即MSP430F169的TXD引脚,RXD引脚分别于ZigBee节点的RXD引脚与TXD引脚相连接。
3.4.3 处理器模块程序设计思路
核心控制模块的软件设计流程：第一步初始化阶段，包括端口初始化、波特率的设置、初始化串口、初始化AD转换通道。第二步信号的采集，首先使能通道，等待模数转换，通过公式计算相应的数字信号，等待转换完成后，读取转换的结果，最后返回转换结果。最后通过延迟函数定时的发送采集数据，如图3-13为系统主程序流程图。
图3-18系统主程序流程图
由单片机采集模拟信号，经由AD转换，输出的数字信号数据帧格式如下：本设计基于安全性以及准确性的考虑，采用了帧头、帧尾的设计，并在第六位加入校验位，更保证了系统的精确度。在实际操作中，除了PH值，还需监测温湿度，所以需采集3路信号，所以开通了A0、A1、A2三路通道。表3-1为数据帧格式。
表3-1数据帧格式
帧头 节点标号 A0通道 高8位 低8位 A1通道 高8位 低8位 A2通道 高8位 低8位 校验码 帧尾
AA FF 000-111 XX XX XX XX XX XX 00 BB EE
3.4.4 处理器模块程序实现
Get_PH(void)函数实现了土壤酸碱度信号的采集，如公式3-3所示，其核心代码如下：
x=ADval*3.3*1000/1023/165; //电流，单位mA
x=ADval*0.02; //电流，单位mA
PH=(unsigned char)(（8/7）*x)-（2/7）;
（1）处理器模块的主程序见下：
#include
#include"Delay.h"
#include"Uart.h"
#include"Ad.h"
static unsigned int AD_Val[4];
unsigned char TX_Buffer[12]=
{
0xAA,
0xFF, //帧头
0x00, //结点地址
0x00, //A0高位
0x00, //A0低位
0x00, //A1高位
0x00, //A1低位
0x00, //A2高位
0x00, //A2低位
0x00, //校验位
0xbb,
0xEE //帧尾
};
void Init_Clk(void) //内部时钟初始公函数,使用外部8M晶振
{
unsigned char i=0;
BCSCTL1 &=~XT2OFF;
BCSCTL2 |=SELM1+SELS+DIVS1+DIVS0; //MCLK为8M,SMCLK为1M
do
{
IFG1 &=~OFIFG;
for(i=0;i<100;i++)
_NOP();
}
while((IFG1 &OFIFG)!=0);
IFG1 &=~OFIFG;
}
void Init_Address(void)
{
P1DIR &=0xf0;
P1OUT |=0xff;
}
unsigned char Get_Address(void) //获取结点地址
{
return(P1IN&0x07);
}
void main(void)
{
unsigned char i=0;
WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD;
Init_Clk();
Init_Address();
usart1_init();
Init_Ad();
Delay_Nms(50);
TX_Buffer[2]=Get_Address();
_EINT();
while(1)
{
ADC12CTL0 |= ADC12SC;
Delay_Nms(500);
TX_Buffer[3]=((AD_Val[0]&0xff00)>>8);//A0
TX_Buffer[4]=(AD_Val[0]&0xff);
TX_Buffer[5]=((AD_Val[1]&0xff00)>>8);//A1
TX_Buffer[6]=(AD_Val[1]&0xff);
TX_Buffer[7]=((AD_Val[2]&0xff00)>>8);//A2
TX_Buffer[8]=(AD_Val[3]&0xff);
for(i=0;i<12;i++)
send1_byte(TX_Buffer[i]);
Delay_Nms(2000);
}
}
#pragma vector=ADC_VECTOR
__interrupt void ADC12ISR (void)
{
AD_Val[0] = ADC12MEM0; // Move results, IFG is cleared
AD_Val[1] = ADC12MEM1; // Move results, IFG is cleared
AD_Val[2] = ADC12MEM2; // Move results, IFG is cleared
AD_Val[3] = ADC12MEM3; // Move results, IFG is cleared
//_BIC_SR_IRQ(LPM0_bits);
// Clear LPM0, SET BREAKPOINT HERE
}
3.5 WSN 通信模块
3.5.1 CC2530概述
CC2530是用于ZigBee 应用的一个真正的片上系统解决方案。它的优点非常多，它的材料成本非常的低，在低成本的情况下还可以建立起强大的网络节点；它在空旷地的传输距离可达到400m，最高传输速率可达到250kbit/s；系统内可编程闪存，8-KB RAM 和许多强大功能。它具有几种不同的运行模式，运行模式之间的转换间进一步确保了低的能源消耗。其硬件电路图，实物图如图3-20，3-21所示。
图 3-20 CC2530 电路原理图
图 3-21 CC2530 实物图
3.5.2 CC2530 对于ZigBee的节点作用
ZigBee 规范根据节点设备所处的角色定义了三种网络节点类型：协调器、路由器、终端设备。ZigBee 协调器负责建立和维护网络，在每个网络中有且只有一个；路由器是中继节点，可以选路并转发数据；终端设备功能比较单一，往往只是发送和接收简单信息。在本课题的实验中，两块 CC2530 分别做协调器和终端设备 。做终端设备的 CC2530 将采集并且处理过的信息无线传输给另一块作为协调器的CC2530， 协调器再将信息传与3G 路由器发送给上位机予以显示。
（1）协调器
协调器在运行之前需要配置相关的网络参数和设备参数，供后面使用。在加电之后，协调器首先应当扫描信道，选择合适的信道和网络标识建立网络，然后允许其它设备加入网络，到这里协调器的初始化工作结束。 进入正常操作状态之后，协调器需要管理网络中的设备，包括处理它们的加入和离开；协调器需要处理来自其它设备的绑定请求，为不同设备之间的数据转发建立相关绑定信息；它还需要能够处理各种设备和服务查询请求；当然，它还需要能够发送和接收数据。
（2）路由器
路由器在加电之后，应当加入或者重新加入网络。如果是加入新网络，它需要扫描信道，选择合适的网络加入；如果是重新加入网络，它需要扫描信道查找父设备。在加入网络之后，它需要配置路由器相关的属性。在进入正常操作状态之后，路由器和协调器工作方式类似。
（3）终端节点
终端节点在加电后首先也应当加入或者重加入网络。在进入正常操作状态之后，终端设备往往只能简单的发送和接收数据，它们并不处理网络管理等功能，大多数时间都处于休眠状态。
3.5.3 协调器节点与终端节点
在两块CC2530的开发板上进行本系统的研究，由于两块开发板的构造相同，只是内部软件程序不同，导致了所执行的功能不同，下面是协调器节点与终端节点中核心电路部分。
（1）天线及巴伦配置电路设计
在基于ZigBee 协议的构建过程中，天线以及巴伦匹配电路的设计较为重要，这些设计直接对通信距离、系统消耗都有较大影响。这涉及了射频通路指标是否是优良的。
天线设计可以使用PCB天线，如螺旋天线、倒F天线等，也可以使用SMA接口杆状天线，具体的选择根据实际情况来判断。天线及巴伦匹配电路设计如图3-22所示。
图 3-22 天线及巴伦匹配电路
（2）晶振电路设计
CC2530需要两个晶振，32MHz晶振和32.768KHz晶振，晶振电路接口如图
3-23所示。
图 3-23 晶振电路接口图
（3）串口电路设计
串口电路主要用于实现CMOS/TTL电平到RS232电平的转换，zigbee模块及前端模块工作于TTL电平状态，而后端的3G模块工作于RS232标准，为了能够传送数据，需要通过串口电路来实现。
3.5.4 CC2530通信的软件实现
（1）通信流程:
ZigBee组网最重要的两个过程是协调器组建网络，终端节点加入网络，系统流程图如图3-24所示，本系统的设计关键技术主要涉及到无线数据的收发过程。
图3-24组网通信流程图
（2）组网涉及接口函数
ZigBee协议栈开发的基本接口函数是ZigBee协议栈和应用程序进行交互的基本接口函数，主要分为三类：初始化函数、应用程序调用协议栈函数及协议栈调用应用程序的函数。
本设计中主要涉及的函数如表3-2：
表3-2接口函数
函数名 函数功能
osal_init_system 系统初始化
osalInitTasks 任务初始化
SampleApp_Init 应用初始化
MT_UartInit 串口初始化
MT_UartRegisterTaskID(task_id) 串口注册
SampleApp_ProcessEvent 时间查询
SampleApp_SerialCMD 终端节点串口数据接收发送函数
SampleApp_MessageMSGCB? 检测无线播报数据
SampleApp_SendPeriodicMessage 无线发送
SampleApp_ProcessEvent 无线接受
（3）程序实现：
CC2530芯片的软件开发平台为IAR，编写程序使用source insight软件分层次编写，其无线发送模块的程序如下：
void SampleApp_SendPeriodicMessage( void )
{
if ( AF_DataRequest( &SampleApp_Periodic_DstAddr, &SampleApp_epDesc,
SAMPLEAPP_PERIODIC_CLUSTERID,
1,
(uint8*)&SampleAppPeriodicCounter,
&SampleApp_TransID,
AF_DISCV_ROUTE,
AF_DEFAULT_RADIUS ) == afStatus_SUCCESS )
{
}
else
3.6 3G路由模块
3.6.1 ADR-R5341
ADR-R5341是基于中国电信 CDMA2000网络需求，利用新的硬件、软件技术研发出来的一款性能更为优异、使用更加便利的全新的3G路由器产品。它采用了32位高性能的嵌入式处理器，提供10PIN端子排座，同时内嵌完备的 TCP/IP协议栈。该产品内置Wi-Fi 802.11 b/g/n 模块以及3G模块，支持AP模式和路由模式，支持DTU，支持远程唤醒功能等等。目前该产品已经广泛被应用于油田、电力、水利、安防、金融、环保、军工等行业的远程数据传输及无线视频监控领域。
图3-25 ADR-R5341实物图
3.6.2 3G网络概述
3G：第三代移动通信技术是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术。3G服务能够同时传送声音及数据信息，代表特征是提供高速数据业务。
国际电信联盟确定3G通信的三大主流无线接口标准分别是W-CDMA、CDMA2000和TD-SCDMA。 起源于欧洲和日本的早起第三代无线研究活动是W-CDMA，大多数支持该系统的支持者在欧洲、日本和韩国，该系统使用于现有的GSM网络，对于系统提供商来看可以较轻易的过渡。后来，美国的移动业务分公司也宣布选取WCDMA为自己的第三代业务平台。以美国高通北美公司为主导提出了 CDMA2000系统，该系统的建设成本比较低廉，主要支持者包括日本、韩国和北美等地区和国家。TD-SCDMA 标准是由中国第一次提出并在此无线传输技术的基础上与国际合作，这是中国移动通信界的一次创举，同时也是中国对第三代移动通信发展的贡献。
3.6.3 3G路由器应用
（1）3G路由器与上位机部分传输数据是根据TCP/IP协议得以实现的，实际使用中，3G路由器起到最终的数据传输作用。使用时先根据说明书连接电脑配置3G路由器，给其一个特定的初始IP地址，在数据传输中把其当做客户端，把电脑当做为服务器。只要电脑的的IP地址才能够与3G路由器的IP地址一样，才能进行正确的网络连接。IP的修改如图 3-26 所示。
图 3-13 网络IP修改位置
（2）TCP/IP通过Socket编写实现了客户机与服务器之间的通信。核心代码如下：
AcceptSock[0]:=Socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0)
bind(AcceptSock[0],FSockLocal,sizeof(FSockLoca))
Listen(AcceptSock[0],1)
第四章 基于WSN农田PH值检测系统软件设计
毕业设计课题是基于WSN的 农田PH值检测的硬件节点部分，而关于上位机也就是软件方面的设计主要是由小组的陶妤同学完成，最终将各部分联合共同调试，得到最终的一个完整的检测系统，在硬件制作过程中，对软件设计方面也进行了简单的理论方面的学习，这边做一个简单的介绍。土壤参数监测软件平台是整个系统的管理软件，用来接收下位机采集的数据信息，同时可以对数据进行简单的分析、制图、报警等。
4.1 软件设计环境
数据管理软件采用Delphi语言设计以及ACCESS2010数据库。软件采用分层次、分模块化设计。Delphi具有可视化开发环境；编译器编译代码的执行效率高，编译速度快；能够支持数据库功能；灵活的VCL组件；支持跨平台开发等特点。Access具有有强大的数据处理和统计分析能力，可灵活设置统计的条件。相比Excel而言，在统计分析多条记数据录尤其是十几万条及以上时速度快且操作方便，提高了工作效率和工作能力。
4.2软件系统结构
软件部分是整个基于物联网的监测系统的控制中心，掌握对数据的接收及处理的任务。软件部分可以分为三个模块：登录模块、数据接收模块、查询模块。软件系统结构如图4-1所示。
三个模块相互独立，其中登录模块是另外的一个form窗体，与主界面分开，做到信息的保密性，安全性。主界面包括数据接收模块，数据查询模块，接收模块包含报警模块。数据查询模块中包含有绘制图形模块、打印模块。各个模块依次能够实现以下功能：
1.根据数据库中的登陆人员信息进行登录验证，符合信息者登录到到系统软件平台，并可以对密码进行修改。假若连续三次输入密码错误，系统将自动关闭，见图4-2。
2.进入系统后开始接收数据。根据设定好的土壤标准参数和土壤现有的信息进行比较，判断植物所处的状态：发现异常及时报警，见图4-3。
3.将接收到的数据实时刷新并存入中心数据库中，可以查询指定阶段的数据并根据数据绘出土壤参数随时间变化的折线图。以简洁明了可视的方法，将土壤参数的变化情况反映在屏幕上，更灵活更直观。可以对查询的数据进行打印，见图4-4。
图4-2登陆界面实物图
图4-3无线接收界面实物图
图4-4曲线查询实物图
4.3无线接收模块设计
由于对上位机部分了解不多，这边对上位机中的的无线接收模块和数据库的模块做一个相对详细的介绍，本节先介绍无线接收模块的设计。
4.3.1 TCP/IP协议
TCP/IP协议作为一种网络协议，在当今网络不断发展的趋势下应用也越来越广泛，它包含了许多实现网络通信协议，因此也被称作TCP/IP协议栈。其中 TCP以及IP协议是这些协议中最重要的两个通信协议。TCP/IP与标准的OSI协议相比，精简了会话层和表示层，将其加入到应用层上，减少通信结构的层次关系，从而提高信息传输的速率。处于传输层的TCP协议表示的是传输控制协议，它可以实现无差错、无重复的顺序数据传输。网络层的IP协议，为因特网
4.3.2 Socket接口
Socket接口作为TCP/IP网络的API，Socket接口定义了许多函数和例程，在开发TCP/IP上的应用程序时会使用到。网络的 Socket数据传输是一种特殊的I/O，Socket也是一种文件描述符。Socket也有一个类似的功能，打开一个文件，函数调用Socket()，该函数返回一个整型的套接字描述符，然后连接建立、数据传输等操作通过Socket实现。常用的Socket类型有两种：流式Socket （SOCK_STREAM）和数据报式Socket（SOCK_DGRAM）。流式Socket面向连接，对应于面向连接的TCP服务应用；数据报式Socket是无连接的，针对于无连接的UDP服务应用。
Socket通讯的原理比较简单，服务器端步骤如下：
（1）创建服务器Socket，等待网络中客户端的连接请求。
（2）当侦听到客户端的连接请求时，向其发送信息收到连接请求，同时建立连接。
（3）当完成通信后，服务器断开与客户端的Socket连接。
客户端的步骤如下：
（1）建立客户端的Socket，确定要连接的服务器的主机名和端口。
（2）发送连接请求到服务器，并等待服务器的回馈信息。
（3）连接成功后，与服务器进行数据的交互。
（4）数据处理完毕后，关闭自身的Socket。
4.3.3流程图
土壤参数数据是由下位机传输到上位机即监测软件平台。首先客户端建立TCP客户端TcpClient对象，然后连接服务器，接着获得客户端网络流，数据就可以通过Stream的Write方法向服务器端发送的数据。如图4-5左图为主程序流程图，中间图为发送数据流程图，右图为数据接收处理程序流程图。
图4-5 socket连接流程图
4.4数据库模块
本系统采用了数据库管理模块对数据进行处理。主要完成数据的存储、查询、曲线图的绘制等功能。
（1）数据存储查询
数据库是信息存储的载体。数据库设计的好坏直接影响了整个系统的控制。本文以Access2010数据库系统为基础，建立一个最优性能的数据库设计方案。本系统选用集中式中央数据库模型，将由采集模块采集到的数据信息都储存在一个中央数据库中。Web服务器和3G应用服务器均使用数据访问接口ADO实现与数据库的连接。图4-6查询了设备酸碱性节点采集数据的历史数据。
图4-6酸碱度节点历史数据查询
查询代码如下:
ADOQuery1.Connection:=ADOConnection1; //设置数据连接
DataSource1.DataSet:=ADOQuery1; //设置数据源
With ADOQuery1 do
begin
close;
SQL.Clear;
SQL.Add(Select * from 土壤参数 where 日期 between :a AND :b); //查询条件
Parameters.ParamByName(a).Value :=FormatDateTime(yyyy-m-d,DateTimePicker1.time);//通过DateTimePicker1.Time获取查询起始日期赋值给形参a并设置日期格式
Parameters.ParamByName(b).Value :=FormatDateTime(yyyy-m-d,DateTimePicker2.time)//为形参b赋值
Open;
end;
（2）曲线图绘制
远程传送的数据经校验分析后，存入Acess数据库数据表中，字段包括ID、日期以及土壤PH值，使用DBChart控件，绑定该数据源，并进行曲线图的绘制。使得管理员能够更直观方便的分析每一个节点土壤参数的变化规律。如图4-7所示为采集的土壤酸碱度参数绘制成的曲线图。核心代码：
With DBChart1.series[0] do begin
DataSource:=ADOQuery1; //设置连接，绘制土壤酸碱度曲线图
XLabelsSource:=日期; //X轴
YValues.ValueSource:=土壤酸碱度; //Y轴
图4-7酸碱度曲线图绘制
第五章 系统调试
5.1 硬件测试
在上电调试之前，首先用万用表对系统PCB板的每个元器件的引脚进行检查，检查引脚是否有虚焊或短路的情况，另外还需对引脚功能检查，查看是否有焊错的可能，检查没问题后可进行上电调试，上电后确认有无器件发热，若是发热应立即断电并对其进行判断处理后重新上电。具体可分为两块:
（1）稳定性测试：长时间运行系统（48小时以上）检查电源电压，传感器，微处理模块等。经测试系统各电源运行正常，电压均在正常值范围之内；建网良好，可以正常传输数据；传感器工作正常，采样的数据正确。
（2）硬件安全性：检查各类接口，保证电路不出现短路等问题。长时间运行程序并检查芯片工作情况与工作状态（温度、电压等）。经测试系统各接口运行正常。
（3）JTAG仿真接口模块调试：采用JTAG接口，可以对电路进行在线仿真调试，经过调试，JTAG接口可以成功下载程序，并可在线仿真调试。
实际各模块实物图如下所示。
图 5-1 电源模块实物图
图 5-2 微处理模块实物图
图 5-3 CC2530 工作实物图
模块分别测试以后开始总体调试，按照总体设计方案连接电路，总体实物图如图 5-4 所示。
图 5-4 总体连接实物图
图最右微处理器模块，连接PH传感器负责进行模拟电压信号的采集，电源模块，负责给微处理器模块和PH传感器供电，中间为CC2530开发板，负责无线传输。右边的CC2530作为终端节点，负责将微处理器模块所采集和转换的信息通过无线信道发送给左边的协调器。协调器再通过串口把所得信息传给上位机。
5.2 软件调试5.2.1 无线建网点对点通信测试
调试ZigBee单播实验，此时不加入前端数据采集以及处理设备，只用利用一对ZigBee进行组网，待组网成功后，通过串口助手就可以点对点的传输数据。实验截图如图5-5所示。
图 5-5 点对点通信测试图
5.2.2 总体测试结果
加入感知前端设备进行调试，写入了协调器程序的传感器节点上电初始化完成后，开始扫描信道，设置PANID，建立网络。网络建立完成后，等待其它节点收到后发来的加入请求。终端节点在进行程序编译时，加入LRWPAN_RFD的预编译指令，为其写入相应的RFD程序。终端节点上电初始化完成后开始扫描信道，收到网络建立完成的信息后，发出加入网络的请求，与协调器绑定后开始传送数据。
最终采集到的数据如图 5-6 所示。
图 5-6 最终采集数据
最后显示出来的数据为 16 进制显示，前两位AA,FF为帧头，第三位05是节点号，OO，CD表示的是PH值所对应的电压的16进制，00是校验位，BB,EE是帧尾，最后换算为十进制就是采集到的电压值，再在上位机上通过程序转化成我们所需的PH值。
第六章 总结与展望
本课题设计一种基于无线传感网来监测土壤参数的系统，说明了在基于MSP430F169和CC2530的硬件平台上实现参数采集传输的过程以及实现方法。
毕设期间阅读大量文献，了解无线传感器网络以及无线传感网络的发展，通过分析比较之后提出了利用MSP430F169+CC2530的方案，采用3G远程通讯机制，实现农田参数远程、实时的监控。主要是用来监测土壤的PH值，但是实际使用土壤参数还有两个很重要的参数：温度和湿度。所以在后期的设计中考虑到了这一点，也算是一点小小的进步吧。实验结果显示该系统目前可正常运行，数据可通过无线网络在传感器节点之间成功收发，可通过上位机显示PH值，所需功能基本实现。
尽管课题中对无线传感器网络作了一些的研究，取得了一定的成果，达到了最初的设计要求。但是还有一些不足之处有待以后进一步深入研究将其完善：
（1）只满足于毕业设计课题部分，课题给的是基于无线传感网PH值节点研制，所以过多的注重于前端感知部分硬件的制作，对上位机部分了解太少；
（2）由于条件有限，本系统研制了1个传感器节点，仅在实验室进行了小规模的实验，系统尚且存在许多不可预知的问题，等待进一步的分析与解决；
（3）功能较为单一，只是能够实现数据的一些简单功能，尽管加入了绘图等功能，但是可延伸的空间还是很大；
（4）很多知识点只追求了解，对自身要求不够，同时由于自身外出训练的原因，在毕设上花的时间不够；
（5）其它如安全、节能等方面的研究。
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致 谢
从去年12月份到现在跨越半年左右的时间一直在忙于毕业设计，到现在论文可以定稿，说句实话心里非常的激动。在毕业设计阶段，由于经常外出训练，时间严重不够，很多知识点来不及掌握，所以遇到了很多问题。首先尤其要感谢我的论文指导老师胡钢老师，他是一位非常平易近人、令人尊敬的教授，在毕设期间对我进行了无私的指导和帮助，经常督促我们的毕设进度，不厌其烦的帮助进行论文的修改和改进。另外，研究生学姐李光云和学长张辉也在毕设期间热心的帮助过我，遇到任何问题总是认真给我讲解。我相信，如果没有老师和学姐的帮助，我也不会做出像现在这样的成果。为此，特别向帮助和指导过我的老师和学长学姐表示最衷心的感谢！
感谢这篇论文所涉及到的各位学者。在论文期间我查阅了大量文献，对于我所要设计的系统的的理论有了很深的了解。本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。
感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我了很多的素材，也在课题进行中给予我很多的提示。在论文的撰写和排版的过程中他们都给我提供了热情的帮助。这大大地提高了我论文的进度。
最后，再次感谢那些在我进行课题和论文撰写过程中帮助过我的人们，没有你们热情无私的指导和帮助，就没有现在的这篇文章。你们的指导对我终身受益。谢谢！
附录：
毕 业 设 计（英文翻译）
年级专业 2010级通信工程
学号姓名 1062310118 孔维东
指导教师 胡 钢
评 阅 人
2014年6月
中国 常州
一、英文文献原文
The development present situation and prospects of Zigbee
Communication technology rapids development in the world, with the rapid development of Internet and the rapid growth of the individual demand for data communication, the global telecommunication industry technology development presents three trends: wireless, broadband and IP. Internet business development impelled the market demand for broadband network, the number of broadband users around the world showing a strong growth momentum.
At present, all kinds of network are the most potential for growth in wireless networks, many organizations choose wireless LAN (WLAN) is used to extend their existing networks, access to mobile access network inside the agency area. Near-field communication technology plays a more and more important role in peoples life. Zigbee as a new short distance wireless communication technology, is powerfully push the LR - Low Rate wireless personal Area Network WPAN (Low - Rate Wireless Personal Area Network).
Zigbees starting point is to develop a low cost wireless network, at the same time low electrical will make the products of the battery will last 6 months to several years. Zigbee technology to make up for a low cost, low power consumption and low vacancy rate wireless communication market, the key to its success lies in the rich and convenient application, rather than the technology itself. As officially released version of the agreement, more attention and research and development forces applied to the design and implementation of connectivity testing and marketing, etc. We have reason to believe that in the near future, there will be more and more built-in Zigbee devices into life, and greatly improve our way of life and experience.
At home, at present the Zigbee network application range is very wide, lots of places we could never imagine is using Zigbee technology. In industry, for example, Zigbee technology not only used to control lighting switch, it also has a purpose is to monitor the performance of the highway lights. Engineers have to drive to the highway check before which photos lamp has been broken, need maintenance, but because of the speed quickly, cant write down the serial number of all to repair the lamp, but through the Zigbee network, engineers need to sit on the computer, it can monitor clearly to the whole highway lights work, this is currently a hot applications. Again like, Zigbee technology is used to pass in and out of control, can record in and out of the car, also can be in when used for the transmission of personnel entering and leaving fingerprints to identify the relevant data, carries on the authentication. In addition, through the Zigbee network router functions, it can also be used to real-time monitor the different points within the coal mine safety situation, prevent the happening of the accident. In terms of consumer electronics, Zigbee technology can now of the infrared remote control, compared with the infrared remote control, Zigbee has the advantage of each operation will have a feedback, tell them if they implement the related operations. In the field of intelligent building, various kinds of lighting control, gas sensing and monitoring, such as the leaking gas sensor and alarm the Zigbee technology can be applied. Three table, electric meter, gas meter and meter USES the Zigbee technology, related management department can not only realize the function of automatic meter reading, you can also monitor instrument such as meters, prevent steal events.
Zigbee technology has a bright application prospect is very. Zigbee in the next few years will be in the industrial control, industrial wireless location, home network automation, building automation, automotive, consumer electronics, medical equipment control, and other fields which have broad application prospects, especially in home automation and industrial control, will become the main future Zigbee chip applications. In the industrial field, using sensor and Zigbee network, makes the automatic data acquisition, analysis and processing easier. Can be used as a decision aid system is an important part. In the field of automobile, mainly is the common sensor information. Because many sensor can only be built on wheels and engine running, such as tire pressure monitoring system. This requires that the built-in wireless communication device using a longer battery life, at the same time should overcome noisy environment and the metal structure of electromagnetic wave shielding effect. In the field of precision agriculture, traditional agriculture is mainly using isolated, no communication ability of the mechanical equipment. Mainly rely on human monitoring crop production status, sensor and Zigbee network is adopted, agriculture will be gradually turned to the center for information and software production mode, use more automation, networking, functional and remote control equipment for farming. In the field of home and building automation, home automation systems as the integration of electronic technology rapidly expand, easy to enter, clear and simple and cheap to install cost become driven home automation, building the main reason for the development and application of wireless technology.
Zigbee Alliance was set up from 2002 to 2006, standard protocol Zigbee Alliance launched more mature, has been through a number of spring and autumn period, when the Zigbee first appeared a few years ago, its proponents have imagine that this is based on the IEEE 802.15.4 standard wireless technology has huge potential market. In low throughput, short range communications applications, the cost is the first ace, and such as Bluetooth and 802.11 x and 802.15.3 specification performance too powerful. But for some supporters of Zigbee, original vision did not become a reality.
Any a communication protocol standard is inseparable from the support and drive the upstream chip manufacturers, as a low power consumption; Zigbee is Low rate of short distance wireless transmission application standard, nature also cannot leave the chip vendors support. From the point of the whole Zigbee industry alliance, the main upstream chip suppliers has five, respectively for the Jennic; Ti (Chipcon); Frescale; Ember; Ateml. "Chip" is actually a accord with standard of physical layer chip, it is only responsible for the modulation demodulation wireless communication signal, so must be combined with the MCU to complete the data receive send and the implementation of the agreement. Part in order to further reduce the cost of OEM manufacturers, the upstream chip manufacturers launched simultaneously on a single chip integrates the function of the physical layer transceiver and single chip microcomputer of single Soc solutions, single rf part and the Soc SCM integration in together, dont need the extra a single-chip microcomputer, it has the advantage of cost savings, simplify the circuit design. And basically every chip companies based on their own chips Zigbee protocol stack is provided free of charge, is greatly accelerated the application and popularization of Zigbee.
As the Zigbee protocol standards gradually improve and Internet environment, the whole Zigbee industry can say is the trend toward more and more prosperous, the five major upstream chip manufacturers and Zigbee alliance of continuous efforts, based on Zigbee application in endlessly, and connected with our real life, let the life of people more beautiful smart! Zigbee chip global sales increasing year by year, ABI statistics from 2005 to 2012, and forecasts the global chip sales.
Zigbee technology application is very extensive, at this stage to commercial building automation, home automation control instrumentation installation (new) and focused. Commercial building can use Zigbee to complete automatic control, the administrator can efficiently manage air conditioning, lighting, fire induction system such as switch control system, can achieve reduce energy costs, reduce the management manpower saving purpose. For consumers, if the home has a Zigbee system, easy to monitor home operations, effective control of electricity, water and gas usage, can also have safety function, for example, can be installed in the home wireless sensor to monitor all kinds of different situation, once the investigation to the different shape can be automatically warned. Zigbee in instrument control market with holley international instrument giant China instrument group; South Korea NURI Telecom began the introduction of Zigbee technology such as the instrument control system, after the market began to be taken seriously. Zigbee is quite good for artificial high instrument control system, a vast, or measure quality bad, meter reading accuracy is not high, and or the meter is not easy to enter the water, electricity, gas meter is located. With such background of the place makes Zigbee instrument control market have a certain demand.
Although Zigbee application more and more, chip shipments also accelerated, but overall, Zigbee market is still in the initial stage of exploration, also didnt really take off, mainly displays in commercial products terminal. Can be used in more in the r&d stage, real listed a few, that is less typical application direction and area, point to point application more, manifests the advantages of Zigbee mesh network application less, lack of Zigbee large networking applications.
Even though the Zigbee is difficult to go forward, but the Zigbee product is worth we look forward to the future, from the technical standard level, the future Zigbee will closely meet the iot concept direction trend of development, efforts to play on the role of the transport layer interface, under the impetus of the Zigbee alliance, Zigbee technology will toward the development of SoC (system on a), more standardized, to IPV6, cheaper, more energy saving, development direction, such as more quickly. In application fields and the direction ways, Zigbee completely have the opportunity to develop in the present but smart phones, the application of the intelligent mobile phone field short way mainly through bluetooth to realize data transmission, but compared with Bluetooth, Zigbee has more advantages, low power consumption of two number 5 dry cell can support 1 node work 6 ~ 24 months, or longer, compared with Bluetooth can work for several weeks, the WiFi can only work a few hours. At the same time, the positioning of the valuable equipment and is worth to pay close attention to the future potential applications, a large increase in the large parking lot, mine personnel positioning and other applications.
As our nearest the Chinese market, application of Zigbee products may need more time, Chinas wireless market is not mature, domestic manufacturers of participation are very limited, future Zigbee industry should enhance wireless automatic meter reading system, automotive industrial applications such as wireless, portable devices and other high-end application market.
To sum up, as a new short distance wireless communication technology, Zigbee products will trot walking toward us, in the form of various human cloth can be part of or the lack of work and in life.
二、文献中文翻译
zigbee的发展现状与前景研究
当今世界通信技术迅猛发展，随着Internet的迅速发展和个人对数据通信需求的快速增长，全球通信产业技术的发展呈现三大趋势：无线化、宽带化和IP化。互联网业务的发展推动了市场对宽带网络的需求，宽带用户数量在全球呈现出非常强势的增长态势。
目前, 各类网络中最具增长潜力的是无线网络, 许多机构会选择采用无线局域网(WLAN) 来拓展他们的现有网络, 获得在机构区域内部移动接入网络的能力。近距离无线通信技术在人们生活中扮演着越来越重要的作用。Zigbee作为一种新兴的短距离无线通信技术，正有力地推动着低速率无线个人区域网络LR-WPAN(Low-Rate Wireless Personal Area Network)的发展。
Zigbee的出发点是希望能发展出一种低成本无线网络，同时期低耗电性将使产品的电池能维持6个月到数年的时间。Zigbee技术弥补了低成本、低功耗和低速率无线通信市场的空缺，其成功的关键在于丰富而便捷的应用，而不是技术本身。随着正式版本协议的公布，更多的注意力和研发力量将转到应用的设计和实现，互联互通测试和市场推广等方面。我们有理由相信在不远的将来，将有越来越多的内置Zigbee功能的设备进入生活，并极大地改善我们的生活方式和体验。
在国内，目前Zigbee网络的应用范围非常广泛，很多我们想象不到的地方也在使用Zigbee技术。例如，在工业领域，Zigbee技术不仅用来控制照明灯的开关，它还有一个用途是检查高速路上照明灯的工作情况。以前工程师要开车到高速路上检查哪些照片灯已经坏掉了，需要维修，但因为车速较快，不能记下所有要检修灯的编号，但通过Zigbee网络，工程师只需坐在计算机，就可以很清楚地监测到整个高速路上照明灯的工作情况，这是目前的一个热点应用。再如，Zigbee技术用于进出的控制，可以记录汽车的进出，也可以在人员进出时用于传输相关指纹来识别数据，进行身份认证。此外，通过Zigbee网络的路由器功能，它还可以用来实时监控煤矿内各点的安全状况，防止事故的发生。在消费类电子方面，Zigbee技术可以替现在的红外遥控，与红外遥控相比，Zigbee的优势在于每一个操作都会有反馈信息，告诉他们是否实现了相关操作。在建筑智能化领域，各种灯光的控制，气体的感应与监测，如煤气泄漏的感应和报警都可以应用Zigbee技术。三表、电表、气表和水表上采用Zigbee技术，相关管理部门不但可以实现自动抄表功能，还可以监控仪表如电表的状态，防止偷电事件的发生。
Zigbee技术的应用前景被非常看好。Zigbee在未来的几年里将在工业控制、工业无线定位、家庭网络、汽车自动化、楼宇自动化、消费电子、医用设备控制等多个领域具有广泛的应用前景，特别是家庭自动化和工业控制，将成为今后Zigbee芯片的主要应用领域。在工业领域，利用传感器和Zigbee网络，使得数据的自动采集，分析和处理变得更加容易。可以作为决策辅助系统的重要组成部分。在汽车领域，主要是传递信息的通用传感器。由于很多传感器只能内置在飞转的车轮或者发动机中，比如轮胎压力监测系统。这就要求内置无线通信设备使用的电池有较长的寿命，同时应该克服嘈杂的环境和金属结构对电磁波的屏蔽效应。在精确农业领域，传统农业主要使用孤立的，没有通信能力的机械设备。主要是依靠人力监测作物的生产状况，采用了传感器和Zigbee网络后，农业将可以逐渐地转向以信息和软件为中心的生产模式，使用更多的自动化、网络化、职能化和远程控制的设备来耕种。 在家庭和楼宇自动化领域、家庭自动化系统作为电子技术的集成得以迅速扩展、易于进入，简单明了和廉价的安装成本等成了驱动自动化居家，建筑开发和应用无线技术的主要动因。
Zigbee从2002年Zigbee Alliance成立到2006年联盟推出比较成熟的Zigbee 2006标准协议，至今已走过了多个春秋，当Zigbee几年前刚出现时，它的支持者曾设想这种基于IEEE 802.15.4规范的无线技术拥有潜在的巨大市场。在低吞吐量、短距离通信应用中，成本是第一王牌，而类似蓝牙、802.11x和802.15.3等规范的性能过于强大。但对于一些Zigbee支持者来说，当初的设想并没有成为现实。
任何一项通信协议标准都离不开上游芯片厂商的支持和推动，Zigbee作为一项低功耗;低速率无线短距离传输应用的标准，自然也离不开芯片厂商的支持。从整个Zigbee产业联盟来看，主要的上游芯片供应商有五家，分别为Jennic;Ti(Chipcon);Frescale;Ember;Ateml。“芯片”实际上只是一个符合物理层标准的芯片，它只负责调制解调无线通讯信号，所以必须结合单片机才能完成对数据的接收发送和协议的实现。为了进一步减少OEM厂商的成本，部分上游芯片厂商推出了在单颗芯片上同时集成了物理层的收发和单片机功能的单Soc解决方案，单Soc把射频部分和单片机部分集成在了一起，不需要额外的一个单片机，它的好处是节约成本，简化设计电路。而且基本上每家芯片公司都免费提供了基于自家芯片的Zigbee协议栈，大大地加速了Zigbee的应用和普及。
随着Zigbee协议标准的逐步完善和物联网大环境的带动，整个Zigbee产业可以说是朝着越来越繁盛的趋势发展，在5大上游芯片厂商和Zigbee联盟的不断努力推动下，基于Zigbee应用层出不穷，并和我们的实际生活接轨，让人们的生活更加智能美好了!Zigbee芯片全球销售收入逐年递增，ABI统计和预测了从2005年至2012年全球芯片的销售收入。
Zigbee技术的应用十分广泛，现阶段以商业大楼自动化，家庭自动化控制(新建安装)与仪表控制为重点。商业大楼可以利用Zigbee完成自动控制，管理员可以有效地管理空调，灯光，火灾感应系统等各项开关控制系统，可以达到减少能源费用，降低管理人力等节约目的。对消费者来说，若家中具有Zigbee系统，可方便的监控家中的整体运作，有效掌握电力，自来水，瓦斯的使用状况之外，亦可以具有安全功能，例如可以在家中安装无线传感器来监控各种不同情况，一旦侦查到异状即可自动发出警告。Zigbee在仪表控制市场随着国际仪表巨头中国华立仪表集团;韩国NURI Telecom等纷纷开始引进Zigbee技术之仪表控制系统之后，这个市场开始受到重视。Zigbee仪表控制系统相当适合人工高昂，幅员辽阔，或是抄表员素质不良，抄表准确度不高，又或抄表员不易进入水，电，瓦斯仪表所在地的地方。具有这样背景的地方促使Zigbee仪表控制市场具有一定的需求。
虽然Zigbee应用越来越多，芯片出货量也连年递增，但总体来说，Zigbee市场仍然处于起步探索阶段，还没有真正上量起飞，主要表现在在于可应用的终端商用产品还多处于研发阶段，真正上市的不多，具有典型应用的方向和领域便少，点对点的应用较多，体现Zigbee优势的网状网络应用少，缺乏体现Zigbee大型组网应用。
虽然Zigbee在艰难中前进，但未来整个Zigbee产品还是值得我们期待，从技术标准层面上来看，未来Zigbee将紧密迎合物联网大概念方向趋势的发展，努力扮演好传输层界面上的角色，在Zigbee联盟的推动下，Zigbee技术将朝着开发SoC(片上系统)，更多规范，于IPV6结合，更廉价，更省电，更快速等方向发展。从应用领域和方向方面来看，Zigbee完全有机会开拓在目前大然的智能手机领域中的应用，目前智能手机领域里短距离数据传输主要是通过蓝牙方式来实现，但相比于蓝牙，Zigbee的低功耗更具有优势，2节5号干电池可支持1个节点工作6~24个月，甚至更长，相比较，蓝牙能工作数周，WiFi只能工作数小时。同时，贵重设备的定位也是未来值得关注的一个大的潜在应用领域，加大在大型停车场，矿井人员定位等方面的应用。
作为离我们最近的中国市场，Zigbee产品的应用爆发可能需要的时间更长，中国的无线网络市场还未成熟，本土厂商的参与度还非常有限，未来Zigbee产业人士要加大无线自动抄表系统，车用无线领域等工业应用，便携设备等高端市场的应用。
综上所述，作为新兴的短距离无线通信技术，Zigbee产品将以各种各样的方式快步向我们走来，成为人类工作和生活中布可或缺的一部分。
河海大学
本科毕业设计（论文）任务书
Ⅰ、毕业设计（论文）题目：
基于无线传感网农田PH值检测节点研制
Ⅱ、毕业设计（论文）工作内容（从综合运用知识、研究方案的设计、研究方法和手段的运用、应用文献资料、数据分析处理、图纸质量、技术或观点创新等方面详细说明）：
毕业设计（论文）工作内容 1、课题背景：农业现代高新技术的不断发展，特别是信息技术、数字化技术的迅猛发展和普及，为实现灌区农田灌溉自动化控制及灌溉用水的计量管理提供了强有力的技术支撑。随着农村经济发展水平的日益提高和农村产业结构调整的不断深化，设施农业、精细农业的出现，对农田灌溉的要求越来越高，如根据农田土质酸碱度情况，确定灌溉方式、灌水量、灌水时间、灌溉次数等等，需要对灌区实现合理调度和科学管理。 2、研究内容： 1）了解PH值检测传感器的工作原理。 2）将传感器采集的物理数据转化为数字量，送处理器处理，通过串行通信口传送给无线发送模块后，远程发送至控制中心。 3）研发节点，完成硬件开发。 4）选择合适的开发软件，进行系统开发 5）系统联调。
Ⅲ、进度安排：
2013年11月-2013年12月 ——阅读资料、选择传感器及单片机，提交硬件设计结构图 ——选择开发软件并熟悉软件。
2014年01月-2014年04月 ——依据系统结构设计下位机以及上位机，进行详细开发 ——总体调试。
2014年05月-2014年06月 ——系统进一步调试 ——写毕业设计论文 ——完成导师对论文初审。
2014年06月中旬前 ——参加毕业设计答辩（提交论文，准备PPT汇报）。
Ⅳ、主要参考资料：
1.课题相关技术资料
2.硬件开发技术资料
3.软件开发技术资料
4.无线传输协议类资料
指导教师：胡 钢 ， 2014年 6 月 8日
学生姓名：孔维东 ，专业年级：10通信工程
系负责人审核意见（从选题是否符合专业培养目标、是否结合科研或工程实际、综合训练程度、内容难度及工作量等方面加以审核）：
系负责人签字：
年 月 日
期中教学检查表
指导老师评语
评阅老师评语
答辩记录及评语
成绩评分表
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