无线传感网蔬菜大棚环境自动控制系统硬件子系统
本文写作内容是基于无线传感网络对蔬菜大棚内的环境进行自动控制。首先考虑到我们需要采集以下参数温度，湿度，光照强度，气体浓度等。接着就是考虑怎么进行无线传输的问题，比较发现，ZigBee技术是一种不错的选择，它具有功耗低，传输距离近，成本低等优点，符合现代蔬菜大棚环境自动控制的需求。然后介绍文本的写作重点，系统硬件电路部分的设计，这其中包括子节点电路设计和主节点电路设计，这两部分采用的核心芯片都是目前市场上使用较多的CC2530芯片，CC2530一系列强大的功能使各部分设计变得简单化。最后介绍了软硬件的联机调试以及数据结果的分析与处理。关键词 无线传感网， ZigBee技术， CC2530芯片, 蔬菜大棚，自动控制系统
目 录
1 绪论 1
1.1 研究的背景及其意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.3 本文主要的研究内容 3
2 系统整体结构设计 3
2.1 基本功能要求 3
2.2 系统整体结构设计 5
3 系统硬件设计 10
3.1 主节点硬件电路设计 12
3.1.1 CC2530核心电路设计 12
3.1.2 电源电路设计 14
3.1.3 12864显示屏电路设计 15
3.1.4 按键驱动电路设计 16
3.1.5 加热器，加湿器，通风继电器电路设计 17
3.1.6 蜂鸣器报警电路设计 18
3.2 子节点硬件电路设计 19
3.2.1 温湿度传感器电路设计： 19
3.2.2 气体传感器电路设计： 20
3.2.3 光敏传感器电路设计 24
3.3 PC上位机 24
4 系统软硬件联调 25
4.1 系统的软硬件调试结果和分析 25
4.2 软硬件联调中的一些问题及解决办法 29
结 论 32
致 谢 33
参 考 文 献 34
1 绪论
1.1 研究的背景及其意义
俗话说的好“ *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
名以食为天”，人是铁，饭是钢，一顿不吃饿得慌啊！人只要活着就要吃饭，这是必然的事。虽然我国是一个农业大国，可以大量生产粮食，蔬菜供应人们的生活需要。但是不要忘了我国是世界上人口第一大国，庞大的人群每天的消耗食物可是一笔天文数字，如果我们还在用沿用传统的方式去种植一些农作物的话，那么不久的将来生产粮食的速度会远远跟不上我们所消耗粮食的速度。即使是现在，我国不管从农业的生产水平也好，还是从经营管理的方式也好，与西方国家相比还是很落后的，我们现在所用的一些农作物所用的方法都是人家使用过的，淘汰的东西。因此，大力发展农业是我国的必经之路[]。而现代温室大棚作为其中重要的一部分，我们对温室大棚的管理理应得到高度重视。如何实现温室大棚环境监测系统的自动化控制是我国将要研究的一个重要命题。一切都是为了生产自动化，高效化所服务的[]。
下面我们看一下如图11与图12所示的传统温室电源与监测布线图,由图可知，传统的蔬菜大棚监测系统采用的都是有线的布网方式[][][]。不仅看上去不美观，而且安全隐患很大，线的交错盘根是很容易发生危险的。另外，系统中的每个监测点都没有自组织功能和自愈功能，维护成本很高，维护工作量很大，同时也不利于系统的拓展与升级[]。
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图11 传统温室内电源布线图 图12传统温室监测系统布线图
既然我国传统的温室大棚存在这么多的问题，我们就要想办法解决这些问题，使得农作物的产量能够大幅度提高。我们这里考虑用无线传感网去代替传统的有线网络，优势在于安全性高，操作简单方便，监测范围广，成本低，自组网等等。无线传感网作为一种信息获取与处理技术的网络，具有广泛的应用空间[]。
1.2 国内外研究现状
无论在国内还是在国外，对蔬菜大棚的研究始终都在有条不紊的进行着，区别就在于国外所使用的设备或者采用的管理方法暂时比我们好，下面对比一下国内外的研究情况。
2007年，一位美国大学生桑切斯和他的同学在一个葡萄园中，他们利用无线传感网技术，对不同条件下的网络性能进行了比较分析[]。
Yoo等实现了基于IEEE802.15.4标准协议的无线传感器网络的温室大棚，该无线传感器网络带有25个传感器节点，3个路由节以及1个控制执行节点，利用该网络对温室的环境进行了很好的监控和管理[]。
2008年，LEACox等研发了一种用于温室大棚监控无线传感器网络系统。该系统集成了各类传感器，大大的改善了农作物的生长发育，同时也水和化肥能够被充分的利用提供帮助，尽量减少了由于过度灌溉而引发的相关疾病[]。
2009年，Kim在温室灌溉系统上运用了无线传感器网络技术。该系统把监控区域
分为六块，分别采集土壤的温湿度和空气的温湿度的信息，利用无线蓝牙方式进行数据的传输，并利用GPS进行定位，所有数据被传输到远端的控制中心，然后控制中心的灌溉管理系统根据预先设定的灌溉策略进行有差异性的浇灌[]。
2010年，Hwang等研究了基于无线传感网络温室中的红辣椒生长监控系统。各种数据信息通过ZigBee网络进行无线的传输，闭路电视录像系统实时监控温室现场的情况[]。
2011年，韩国的Park开发的基于无线传感网络的温室环境的监测和控制管理系统，用以防止温室大棚中农作物叶面的结霜问题。该系统利用无线传感器网络中的各种传感器设备收集空气中的温湿度、雨量和叶子表面温度信息，并通过网关节点把收集到的数据信息传送到远端的服务器系统中，服务器系统会根据当前的环境信息与标准的环境信息进行比对，然后自动控制温室中的锅炉和风扇，以阻止农作中物叶面结霜的出现[]。
相比于国外，国内的研究稍微晚一点，但是取得的成绩还是可观的。
王益样等在微型的灌溉监控系统中使用了无线传感器网络的最新技术[]。
在杭州的萧山区，何龙等在美人紫葡萄培养基地利用无线传感网络的技术设计并实现了远程监控系统，实现了对土壤的温湿度、水分、养分和光照等环境信息的实时动态测试与显示，并根据作物优质高产生长的需要进行自动的灌溉，取得了很好的效果[]。
高峰等利用无线传感网络技术对农作物水分监测系统进行了研究。该系统实现了自动部署信息的采集节点和自主的传输相关采集参数，能实时远程监测农作物供水情况。该系统在温室大棚中进行了初步的试验，取得了令人满意的效果[]。
目 录
1 绪论 1
1.1 研究的背景及其意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.3 本文主要的研究内容 3
2 系统整体结构设计 3
2.1 基本功能要求 3
2.2 系统整体结构设计 5
3 系统硬件设计 10
3.1 主节点硬件电路设计 12
3.1.1 CC2530核心电路设计 12
3.1.2 电源电路设计 14
3.1.3 12864显示屏电路设计 15
3.1.4 按键驱动电路设计 16
3.1.5 加热器，加湿器，通风继电器电路设计 17
3.1.6 蜂鸣器报警电路设计 18
3.2 子节点硬件电路设计 19
3.2.1 温湿度传感器电路设计： 19
3.2.2 气体传感器电路设计： 20
3.2.3 光敏传感器电路设计 24
3.3 PC上位机 24
4 系统软硬件联调 25
4.1 系统的软硬件调试结果和分析 25
4.2 软硬件联调中的一些问题及解决办法 29
结 论 32
致 谢 33
参 考 文 献 34
1 绪论
1.1 研究的背景及其意义
俗话说的好“ *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
名以食为天”，人是铁，饭是钢，一顿不吃饿得慌啊！人只要活着就要吃饭，这是必然的事。虽然我国是一个农业大国，可以大量生产粮食，蔬菜供应人们的生活需要。但是不要忘了我国是世界上人口第一大国，庞大的人群每天的消耗食物可是一笔天文数字，如果我们还在用沿用传统的方式去种植一些农作物的话，那么不久的将来生产粮食的速度会远远跟不上我们所消耗粮食的速度。即使是现在，我国不管从农业的生产水平也好，还是从经营管理的方式也好，与西方国家相比还是很落后的，我们现在所用的一些农作物所用的方法都是人家使用过的，淘汰的东西。因此，大力发展农业是我国的必经之路[]。而现代温室大棚作为其中重要的一部分，我们对温室大棚的管理理应得到高度重视。如何实现温室大棚环境监测系统的自动化控制是我国将要研究的一个重要命题。一切都是为了生产自动化，高效化所服务的[]。
下面我们看一下如图11与图12所示的传统温室电源与监测布线图,由图可知，传统的蔬菜大棚监测系统采用的都是有线的布网方式[][][]。不仅看上去不美观，而且安全隐患很大，线的交错盘根是很容易发生危险的。另外，系统中的每个监测点都没有自组织功能和自愈功能，维护成本很高，维护工作量很大，同时也不利于系统的拓展与升级[]。
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图11 传统温室内电源布线图 图12传统温室监测系统布线图
既然我国传统的温室大棚存在这么多的问题，我们就要想办法解决这些问题，使得农作物的产量能够大幅度提高。我们这里考虑用无线传感网去代替传统的有线网络，优势在于安全性高，操作简单方便，监测范围广，成本低，自组网等等。无线传感网作为一种信息获取与处理技术的网络，具有广泛的应用空间[]。
1.2 国内外研究现状
无论在国内还是在国外，对蔬菜大棚的研究始终都在有条不紊的进行着，区别就在于国外所使用的设备或者采用的管理方法暂时比我们好，下面对比一下国内外的研究情况。
2007年，一位美国大学生桑切斯和他的同学在一个葡萄园中，他们利用无线传感网技术，对不同条件下的网络性能进行了比较分析[]。
Yoo等实现了基于IEEE802.15.4标准协议的无线传感器网络的温室大棚，该无线传感器网络带有25个传感器节点，3个路由节以及1个控制执行节点，利用该网络对温室的环境进行了很好的监控和管理[]。
2008年，LEACox等研发了一种用于温室大棚监控无线传感器网络系统。该系统集成了各类传感器，大大的改善了农作物的生长发育，同时也水和化肥能够被充分的利用提供帮助，尽量减少了由于过度灌溉而引发的相关疾病[]。
2009年，Kim在温室灌溉系统上运用了无线传感器网络技术。该系统把监控区域
分为六块，分别采集土壤的温湿度和空气的温湿度的信息，利用无线蓝牙方式进行数据的传输，并利用GPS进行定位，所有数据被传输到远端的控制中心，然后控制中心的灌溉管理系统根据预先设定的灌溉策略进行有差异性的浇灌[]。
2010年，Hwang等研究了基于无线传感网络温室中的红辣椒生长监控系统。各种数据信息通过ZigBee网络进行无线的传输，闭路电视录像系统实时监控温室现场的情况[]。
2011年，韩国的Park开发的基于无线传感网络的温室环境的监测和控制管理系统，用以防止温室大棚中农作物叶面的结霜问题。该系统利用无线传感器网络中的各种传感器设备收集空气中的温湿度、雨量和叶子表面温度信息，并通过网关节点把收集到的数据信息传送到远端的服务器系统中，服务器系统会根据当前的环境信息与标准的环境信息进行比对，然后自动控制温室中的锅炉和风扇，以阻止农作中物叶面结霜的出现[]。
相比于国外，国内的研究稍微晚一点，但是取得的成绩还是可观的。
王益样等在微型的灌溉监控系统中使用了无线传感器网络的最新技术[]。
在杭州的萧山区，何龙等在美人紫葡萄培养基地利用无线传感网络的技术设计并实现了远程监控系统，实现了对土壤的温湿度、水分、养分和光照等环境信息的实时动态测试与显示，并根据作物优质高产生长的需要进行自动的灌溉，取得了很好的效果[]。
高峰等利用无线传感网络技术对农作物水分监测系统进行了研究。该系统实现了自动部署信息的采集节点和自主的传输相关采集参数，能实时远程监测农作物供水情况。该系统在温室大棚中进行了初步的试验，取得了令人满意的效果[]。
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