ZigBee无线传感器网络的蔬菜大棚环境监测系统
目 录
1 引言 1
1.1 课题背景与意义 1
1.2 国内外研究与发展现状 1
1.3 课题主要研究内容 3
2 无线传感器网络节点总体设计 3
2.1 需求分析 3
2.2 方案设计 3
3 硬件设计 4
3.1 终端节点核心板设计 4
3.1.1 控制芯片 4
3.1.2 天线 6
3.1.3 晶振 6
3.2 终端节点底板设计 6
3.2.1 电源模块 6
3.2.2 数字温湿度传感器DHT11 6
3.2.3 光照强度传感器 7
3.2.4 LED电路设计 7
4 软件设计设计方案 8
4.1 下位机总体设计方案 8
4.1.1 ZigBee协议的实现 8
4.1.2 ZigBee协调器设计 8
4.1.3 ZigBee终端节点设计 9
4.2 用户界面总体程序设计 9
4.2.1 管理员界面设计 9
4.2.2 用户界面设计 13
4.2.3 数据库设计 14
5 测试与实验 15
5.1 硬件测试 15
5.2 软件测试 17
结 论 22
致 谢 23
参 考 文 献 24
1 引言
1.1 课题背景与意义
在21世纪,科学技术迅速发展，越来越多的社会生产技术受到影响从而开始转型，传统的农业生产也不例外。现如 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
今越来越多的传统农业模式不符合环境保护的要求，不能有效地节约能源,实现优产高产的生产目标,更不用说实现智能机械化农业的目的。大多数农田温室种植更多的是仍依赖于人工栽培的种植经验和管理手段，这种基于小农经济的生产方式不仅浪费资源而且也无法保证能将作物生长环境条件控制在最佳范围内。更重要的是对于农田里的有害物质往往只有到作物出现不良反应的时候才能被发现，这对于农业生产时非常不利的。在农业温室大棚需求方面夏天的通风工作，冬天的保暖工作以及农作物生长的其他需求都要依靠人力来完成，极大的浪费了人力资源，这已经无法满足现代农业的需求。而利用当前先进技术研究的智能农业监控系统对温室农作物的管理和调控都有了进一步的提高。
1.2 国内外研究与发展现状
随着社会生产方式的不断进步，现如今的农业发展方式已经有了翻天覆地的变化。在现代化农业这个课题提出之前，农业发展方式主要是以经验为主的传统农业，这种农业发展方式有着浪费土壤和人力资源、滥用化肥农药导致土壤环境被破坏等诸多缺陷，而随着科学技术的不断发展，发展现代化农业也被越来越多的国家所接受。目前，我国正处于转变农业发展方式的关键阶段，农业发展方式的转变为我国节约的大量资金，促进了农业经济的发展，把农民从繁重的农业劳动中解脱出来。
无线监控技术是温室农业快速发展的一项关键技术，，国内外都对这个课题做了充足的研究，尤其是欧美国家，他们温室监控技术已经相当成熟，我国与这些国家的差距也比较大。
早在上世纪70年代，国外许多国家就已经开始研究这个课题，尤其是欧美发达国家例如美国、荷兰等国家实现了机械化。由于当时科技水平的限制，很难实现靠人工指令来完成温室内温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度等环境参数随时处于最佳配合状态。但是随着科学技术的进一步发展，一些国家不仅实现了监控和实施自动化的同时也解决了人工智能的广泛应用研究，相应的监测设备也实现了自动化和智能化。以美国为例，在2002年，Intel公司建立了世界上第一个通过传感器采集并通过无线技术传输数据的智能葡萄园，通过散布在果园内的大量传感器来检测温室土壤温度、湿度或该区域有害物的数量等，以确保葡萄的健康生长。另外在2008年美国Crossbow公司开发了基于无线传感器网络的农业监测系统，通过Internet浏览器为用户提供环境参数、农作物生长情况的实时数据，已经在美国批量应用。
反观国内，直到19世纪80年代才开始有研究人员提出温室环境无线监测技术这个课题，相比于国外发达国家在这方面的研究，我国不仅起步晚，技术差，而且还缺乏这方面的人才，导致我国在这方面始终落后于国外发达国家。随着中国改革开放的不断深入，中国引进了许多国外的包括无线监控技术在内的许多高科技技术，同时也流入大批相应人才，使得我国在这方面的研究得到了空前的发展。在研究的开始阶段，国内的许多有相关课题的研究院和大学只是通过模仿国外的成型的监测系统来学习相关知识。随着对国外成熟系统研究学习的深入以及国内研究专家们的创新和改革，在国外监测系统的基础上，我国研究人员们搭建了具有自主知识产权的温室监控系统，自此开始了我国温室农业发展的黄金时期。期间，我国不断加强与国外发达国家的合作交流。在我国与温室监控技术发展先进国家以色列的合作中，中国温室农业得到了极大地发展和进步。此后，中国在远程监控、视频监控、人工采光等多方面取得了很多成果。
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
中科院遥感应用研究所开发的基于无线传感网络和移动通信平台的农业生态环境监测系统，解决了大棚内对于温度、湿度进行准确检测的困难，一旦温室内环境指标超出或者低于预设值达到一定范围后，系统将通过手机短信方式向用户发出提醒，并且用户可以通过短信编辑特定的指令来获取温室大棚内的各项环境数据以及对大棚内的浇灌系统、天棚等设备进行控制。无锡阳山镇作为全国有名的水蜜桃种植地区，率先开启了水蜜桃种植智能时代，阳山镇专门为桃园环境监测开发的物联网监测系统，实现了种桃智能化、科技化，走在了中国无线监测技术发展的前列。在阳山镇有25亩桃园作为高科技种植园的示范基地，由22个传感器和3个微型气象站组成的监测系统对桃园的各项环境指标进行24小时不断地监控，保证了水蜜桃的高产优产。这种绿色农业种植模式有效的节约了人力物力，往往只要很少的监控人员就能管理十几亩的农田，提高了经济效益，降低了生产成本。
从上世纪80年代至今，我国的现代化温室农业不断发展，逐渐趋于成熟，同时国家对于高新技术产业的大力支持使得我国在无线监测等方面的研究取得了极大地进步。研究方式也不单单只是模仿外国的成熟技术，而是以自主创新为主，研发与中国国情相符合的现代化温室农业技术。
目前，我国对温室大棚的研究侧重在自动调温、调湿、远程光照控制、CO2浓度控制等方面，并且取得了一定的成就，能够暂时满足我国现阶段的温室农业需求，但随着社会的不断发展，仅仅在上述方面取得成就是远远不够的，我们距离真正的农业生产科技化、智能化还有不小差距
1.3 课题主要研究内容
本课题旨在通过传感器搜集蔬菜温室大棚实时数据，建立数据库分析，为用户提供准确的环境数据以供参考和决策。课题的主要功能包括无线传感器网络的建立和维护，环境数据的监测、传输和处理。
2 无线传感器网络节点总体设计
2.1 需求分析
无线传感器网络节点是组成无线传感器网络的基础，具有采集温室数据及上传至上位机的功能。
无线传感器网络结构主要由众多传感器节点（包括带传感器终端节点和路由器）、协调器以及上位机客户端等各部分构成。系统各部分构成简介如下：
1 引言 1
1.1 课题背景与意义 1
1.2 国内外研究与发展现状 1
1.3 课题主要研究内容 3
2 无线传感器网络节点总体设计 3
2.1 需求分析 3
2.2 方案设计 3
3 硬件设计 4
3.1 终端节点核心板设计 4
3.1.1 控制芯片 4
3.1.2 天线 6
3.1.3 晶振 6
3.2 终端节点底板设计 6
3.2.1 电源模块 6
3.2.2 数字温湿度传感器DHT11 6
3.2.3 光照强度传感器 7
3.2.4 LED电路设计 7
4 软件设计设计方案 8
4.1 下位机总体设计方案 8
4.1.1 ZigBee协议的实现 8
4.1.2 ZigBee协调器设计 8
4.1.3 ZigBee终端节点设计 9
4.2 用户界面总体程序设计 9
4.2.1 管理员界面设计 9
4.2.2 用户界面设计 13
4.2.3 数据库设计 14
5 测试与实验 15
5.1 硬件测试 15
5.2 软件测试 17
结 论 22
致 谢 23
参 考 文 献 24
1 引言
1.1 课题背景与意义
在21世纪,科学技术迅速发展，越来越多的社会生产技术受到影响从而开始转型，传统的农业生产也不例外。现如 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
今越来越多的传统农业模式不符合环境保护的要求，不能有效地节约能源,实现优产高产的生产目标,更不用说实现智能机械化农业的目的。大多数农田温室种植更多的是仍依赖于人工栽培的种植经验和管理手段，这种基于小农经济的生产方式不仅浪费资源而且也无法保证能将作物生长环境条件控制在最佳范围内。更重要的是对于农田里的有害物质往往只有到作物出现不良反应的时候才能被发现，这对于农业生产时非常不利的。在农业温室大棚需求方面夏天的通风工作，冬天的保暖工作以及农作物生长的其他需求都要依靠人力来完成，极大的浪费了人力资源，这已经无法满足现代农业的需求。而利用当前先进技术研究的智能农业监控系统对温室农作物的管理和调控都有了进一步的提高。
1.2 国内外研究与发展现状
随着社会生产方式的不断进步，现如今的农业发展方式已经有了翻天覆地的变化。在现代化农业这个课题提出之前，农业发展方式主要是以经验为主的传统农业，这种农业发展方式有着浪费土壤和人力资源、滥用化肥农药导致土壤环境被破坏等诸多缺陷，而随着科学技术的不断发展，发展现代化农业也被越来越多的国家所接受。目前，我国正处于转变农业发展方式的关键阶段，农业发展方式的转变为我国节约的大量资金，促进了农业经济的发展，把农民从繁重的农业劳动中解脱出来。
无线监控技术是温室农业快速发展的一项关键技术，，国内外都对这个课题做了充足的研究，尤其是欧美国家，他们温室监控技术已经相当成熟，我国与这些国家的差距也比较大。
早在上世纪70年代，国外许多国家就已经开始研究这个课题，尤其是欧美发达国家例如美国、荷兰等国家实现了机械化。由于当时科技水平的限制，很难实现靠人工指令来完成温室内温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度等环境参数随时处于最佳配合状态。但是随着科学技术的进一步发展，一些国家不仅实现了监控和实施自动化的同时也解决了人工智能的广泛应用研究，相应的监测设备也实现了自动化和智能化。以美国为例，在2002年，Intel公司建立了世界上第一个通过传感器采集并通过无线技术传输数据的智能葡萄园，通过散布在果园内的大量传感器来检测温室土壤温度、湿度或该区域有害物的数量等，以确保葡萄的健康生长。另外在2008年美国Crossbow公司开发了基于无线传感器网络的农业监测系统，通过Internet浏览器为用户提供环境参数、农作物生长情况的实时数据，已经在美国批量应用。
反观国内，直到19世纪80年代才开始有研究人员提出温室环境无线监测技术这个课题，相比于国外发达国家在这方面的研究，我国不仅起步晚，技术差，而且还缺乏这方面的人才，导致我国在这方面始终落后于国外发达国家。随着中国改革开放的不断深入，中国引进了许多国外的包括无线监控技术在内的许多高科技技术，同时也流入大批相应人才，使得我国在这方面的研究得到了空前的发展。在研究的开始阶段，国内的许多有相关课题的研究院和大学只是通过模仿国外的成型的监测系统来学习相关知识。随着对国外成熟系统研究学习的深入以及国内研究专家们的创新和改革，在国外监测系统的基础上，我国研究人员们搭建了具有自主知识产权的温室监控系统，自此开始了我国温室农业发展的黄金时期。期间，我国不断加强与国外发达国家的合作交流。在我国与温室监控技术发展先进国家以色列的合作中，中国温室农业得到了极大地发展和进步。此后，中国在远程监控、视频监控、人工采光等多方面取得了很多成果。
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
中科院遥感应用研究所开发的基于无线传感网络和移动通信平台的农业生态环境监测系统，解决了大棚内对于温度、湿度进行准确检测的困难，一旦温室内环境指标超出或者低于预设值达到一定范围后，系统将通过手机短信方式向用户发出提醒，并且用户可以通过短信编辑特定的指令来获取温室大棚内的各项环境数据以及对大棚内的浇灌系统、天棚等设备进行控制。无锡阳山镇作为全国有名的水蜜桃种植地区，率先开启了水蜜桃种植智能时代，阳山镇专门为桃园环境监测开发的物联网监测系统，实现了种桃智能化、科技化，走在了中国无线监测技术发展的前列。在阳山镇有25亩桃园作为高科技种植园的示范基地，由22个传感器和3个微型气象站组成的监测系统对桃园的各项环境指标进行24小时不断地监控，保证了水蜜桃的高产优产。这种绿色农业种植模式有效的节约了人力物力，往往只要很少的监控人员就能管理十几亩的农田，提高了经济效益，降低了生产成本。
从上世纪80年代至今，我国的现代化温室农业不断发展，逐渐趋于成熟，同时国家对于高新技术产业的大力支持使得我国在无线监测等方面的研究取得了极大地进步。研究方式也不单单只是模仿外国的成熟技术，而是以自主创新为主，研发与中国国情相符合的现代化温室农业技术。
目前，我国对温室大棚的研究侧重在自动调温、调湿、远程光照控制、CO2浓度控制等方面，并且取得了一定的成就，能够暂时满足我国现阶段的温室农业需求，但随着社会的不断发展，仅仅在上述方面取得成就是远远不够的，我们距离真正的农业生产科技化、智能化还有不小差距
1.3 课题主要研究内容
本课题旨在通过传感器搜集蔬菜温室大棚实时数据，建立数据库分析，为用户提供准确的环境数据以供参考和决策。课题的主要功能包括无线传感器网络的建立和维护，环境数据的监测、传输和处理。
2 无线传感器网络节点总体设计
2.1 需求分析
无线传感器网络节点是组成无线传感器网络的基础，具有采集温室数据及上传至上位机的功能。
无线传感器网络结构主要由众多传感器节点（包括带传感器终端节点和路由器）、协调器以及上位机客户端等各部分构成。系统各部分构成简介如下：
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