无线传感网蔬菜大棚环境自动控制系统硬件子系统(附件)
随着社会的不断发展以及生产水平的提高，传统人工检测并控制蔬菜大棚环境的方法已不能满足生产需求而跟不上时代的发展。无线传感网络技术的发展，有效解决了这一问题，实现了传统人工方法无法满足的准确性、可靠性、实时性等要求，同时克服了费时、费力等缺点。本设计是一种基于无线传感网络的蔬菜大棚环境自动控制系统。该系统主要由节点、主节点、上位机组成，可以实现温室环境无人值守、实时监测温室环境等功能。它可以将各终端节点采集信息通过ZigBee无线传感网发送至主节点并通过可视化界面（液晶显示屏）显示出来。主节点将收集到的数据与预设置的参数进行比较，根据比较的结果来控制执行装置动作。同时主节点还可以将数据发送至上位机实现数据存储、报警信息查询等功能。关键词 ZigBee；无线传感网络；蔬菜大棚；自动控制 目录
1 引言 6
1.1 研究背景 6
1.2 国内外发展现状 7
1.2.1 国外发展现状 7
1.2.2 国内发展现状 7
1.3 课题研究目标及内容 8
2 系统设计 8
2.1系统功能结构 8
2.2 系统工作流程 12
2.3 系统硬件设计 13
3 终端节点设计 13
3.1信息采集电路设计 13
3.1.1 温湿度采集电路设计 13
3.1.2 光照采集电路设计 15
3.1.3 CO2浓度采集电路 16
3.2终端节点外部电路硬件设计 18
3.2.1 晶振电路设计 18
3.2.2 复位电路设计 19
3.2.3 LED电路设计 20
3.2.4 电源模块设计 20
3.2.5串口电路设计 21
4 主节点设计 22
4.1 主节点硬件设计 23
4.1.1按键电路设计 23
4.1.2 液晶显示LCD12864电路设计 23
4.1.3 报警电路设计 25
4.1.4 电源模块设计 25
4.2 执行机构设计 26
5 上位机设计 27
5.1 上位机
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
设计 21
4 主节点设计 22
4.1 主节点硬件设计 23
4.1.1按键电路设计 23
4.1.2 液晶显示LCD12864电路设计 23
4.1.3 报警电路设计 25
4.1.4 电源模块设计 25
4.2 执行机构设计 26
5 上位机设计 27
5.1 上位机主要功能 27
5.2 上位机界面设计 27
6系统调试 28
6.1 终端节点调试 28
6.2主节点调试 30
6.3 上位机调试 31
6.4 系统联调 32
结论 34
致谢 35
参 考 文 献 36
附录A 37
CC2530引脚说明： 37
CC2530模块图： 38
附录B： 39
终端节点原理图： 39
附录C： 40
主节点电路原理图： 40
1 引言
1.1 研究背景
近年来,随着信息技术、电子技术的迅速发展与大规模的应用,农业温室技术也在向信息化、自动化方向发展[1]。蔬菜大棚是一个相对封闭的温室环境，在自己内部形成了一个独立的小气候环境，而良好的空气环境质量是保证蔬菜正常生长的重要条件之一。为了增产和增收，需要注意蔬菜大棚内部的综合环境因素。温室综合环境因子是指湿度、温度、光照强度以及土壤的养分、水分和盐分等[2]。其中，湿度、温度和光照强度对作物的生长影响最大，只有调节好这三方面因素才能确保高效、高产、低耗以及优质。无线通讯网络中的 ZigBee 技术作为一种新兴的无线通信技术，是一种应用于短距离、低传输速率下的无线通信技术，具有距离短、复杂度低、功耗低、成本低和自组网等特点[3]。 因此，本课题利用无线传感器网络可实时采集蔬菜大棚内温度和湿度，从而便于种植户根据检测到的蔬菜生长环境做适当的调整，提高产量，获得更大的效益。
无线传感器网络是传感器技术、通信技术和计算机网络技术相结合的产物，无线传感器网络中常用的无线通信技术包括红外，Bluetooth，Wi-Fi，ZigBee等[4]。ZigBee技术是一组基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的通信技术，具有低功耗、短时延、高安全性等技术优势。ZigBee技术还具有以下特点：网络的自组织、自愈能力强，设备的复杂程度低、运行成本低、网络容量大[5]。ZigBee技术的诸多优点使其在国内外的研究和应用越来越受到青睐，成为当今国际备受关注的前沿热点领域。
无线传感器网络在蔬菜大棚环境监测中得到了充分有效的应用,改善了利用传统经验对蔬菜大棚内的作物进行的人工控制,突破了固有的监测模式[6]。无线传感器网络不需要预先建设基础设施，可以直接将设计好的无线传感器网络节点安置在蔬菜大棚内部，这些节点再通过自组织方式构成无线网络,并以协作的方式感知、采集和处理网络覆盖区域中特定的信息, 从而实现对任意地点信息在任意时间的采集、 处理和分析[7]
但是，无线传感器网络能量供应有限，节点硬件设计随环境不同且都具有很 强的相关性，同样的协议很难用来满足所有情况下的应用，因此本课题根据蔬菜大棚环境监测的特点，对已有的无线传感器网络协议进行能量的分析和研究，设计合适蔬菜大棚环境监测环境的无线传感器网络协议具有十分重要的理论和实际价值。
1.2 国内外发展现状
1.2.1 国外发展现状
20世纪70年代，美国等发达国家温室技术发展迅速，实现了农业生产机械自动化。由于当时水平还不够高，在对某一环境参数进行控制时，其它因素将不受到影响，不能做到联合控制，要对其它参数进行修改，只能单一重复控制过程，才能实现某一环境条件下其它环境因素之间的相互配合。只能对温度、湿度、光照和气体浓度进行各自分开的控制方法即环境参数只能采用单因子进行控制。但是，外部环境的变化实时对温室内的坏境产生影响，靠人工方法实时进行相应控制难以实现。20世纪80年代以来，计算机技术不断发展，出现了多种环境因子共同控制的方法。该方法把不同作物的适宜生长环境参数存储至计算机，采用计算机控制温室环境参数，当某一环境参数发生变化时，计算机便会使用反馈方式对参数进行控制，保证温室环境的稳定。在综合控制中，因各环境因素直接相互影响，通常采用某一环境参数为自变量，比如光照，其他环境因素温度、湿度、气体浓度等作为因变量。在环境条件变化时，经过自修整使温室环境处在最近状态。目前日本等发达国家可以按照作物的生长需求，对其生长环境进行自动控制，例如：温度、湿度、光照等。美国和荷兰还通过温差管理技术，对花类、果菜类的开花和成熟期进行控制，目的就是为了满足生产需求以及提高效率[8] 。
1.2.2 国内发展现状
近年来，我国也投入了大量的人力物力进行无线传感器网络的相关研
1 引言 6
1.1 研究背景 6
1.2 国内外发展现状 7
1.2.1 国外发展现状 7
1.2.2 国内发展现状 7
1.3 课题研究目标及内容 8
2 系统设计 8
2.1系统功能结构 8
2.2 系统工作流程 12
2.3 系统硬件设计 13
3 终端节点设计 13
3.1信息采集电路设计 13
3.1.1 温湿度采集电路设计 13
3.1.2 光照采集电路设计 15
3.1.3 CO2浓度采集电路 16
3.2终端节点外部电路硬件设计 18
3.2.1 晶振电路设计 18
3.2.2 复位电路设计 19
3.2.3 LED电路设计 20
3.2.4 电源模块设计 20
3.2.5串口电路设计 21
4 主节点设计 22
4.1 主节点硬件设计 23
4.1.1按键电路设计 23
4.1.2 液晶显示LCD12864电路设计 23
4.1.3 报警电路设计 25
4.1.4 电源模块设计 25
4.2 执行机构设计 26
5 上位机设计 27
5.1 上位机
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
设计 21
4 主节点设计 22
4.1 主节点硬件设计 23
4.1.1按键电路设计 23
4.1.2 液晶显示LCD12864电路设计 23
4.1.3 报警电路设计 25
4.1.4 电源模块设计 25
4.2 执行机构设计 26
5 上位机设计 27
5.1 上位机主要功能 27
5.2 上位机界面设计 27
6系统调试 28
6.1 终端节点调试 28
6.2主节点调试 30
6.3 上位机调试 31
6.4 系统联调 32
结论 34
致谢 35
参 考 文 献 36
附录A 37
CC2530引脚说明： 37
CC2530模块图： 38
附录B： 39
终端节点原理图： 39
附录C： 40
主节点电路原理图： 40
1 引言
1.1 研究背景
近年来,随着信息技术、电子技术的迅速发展与大规模的应用,农业温室技术也在向信息化、自动化方向发展[1]。蔬菜大棚是一个相对封闭的温室环境，在自己内部形成了一个独立的小气候环境，而良好的空气环境质量是保证蔬菜正常生长的重要条件之一。为了增产和增收，需要注意蔬菜大棚内部的综合环境因素。温室综合环境因子是指湿度、温度、光照强度以及土壤的养分、水分和盐分等[2]。其中，湿度、温度和光照强度对作物的生长影响最大，只有调节好这三方面因素才能确保高效、高产、低耗以及优质。无线通讯网络中的 ZigBee 技术作为一种新兴的无线通信技术，是一种应用于短距离、低传输速率下的无线通信技术，具有距离短、复杂度低、功耗低、成本低和自组网等特点[3]。 因此，本课题利用无线传感器网络可实时采集蔬菜大棚内温度和湿度，从而便于种植户根据检测到的蔬菜生长环境做适当的调整，提高产量，获得更大的效益。
无线传感器网络是传感器技术、通信技术和计算机网络技术相结合的产物，无线传感器网络中常用的无线通信技术包括红外，Bluetooth，Wi-Fi，ZigBee等[4]。ZigBee技术是一组基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的通信技术，具有低功耗、短时延、高安全性等技术优势。ZigBee技术还具有以下特点：网络的自组织、自愈能力强，设备的复杂程度低、运行成本低、网络容量大[5]。ZigBee技术的诸多优点使其在国内外的研究和应用越来越受到青睐，成为当今国际备受关注的前沿热点领域。
无线传感器网络在蔬菜大棚环境监测中得到了充分有效的应用,改善了利用传统经验对蔬菜大棚内的作物进行的人工控制,突破了固有的监测模式[6]。无线传感器网络不需要预先建设基础设施，可以直接将设计好的无线传感器网络节点安置在蔬菜大棚内部，这些节点再通过自组织方式构成无线网络,并以协作的方式感知、采集和处理网络覆盖区域中特定的信息, 从而实现对任意地点信息在任意时间的采集、 处理和分析[7]
但是，无线传感器网络能量供应有限，节点硬件设计随环境不同且都具有很 强的相关性，同样的协议很难用来满足所有情况下的应用，因此本课题根据蔬菜大棚环境监测的特点，对已有的无线传感器网络协议进行能量的分析和研究，设计合适蔬菜大棚环境监测环境的无线传感器网络协议具有十分重要的理论和实际价值。
1.2 国内外发展现状
1.2.1 国外发展现状
20世纪70年代，美国等发达国家温室技术发展迅速，实现了农业生产机械自动化。由于当时水平还不够高，在对某一环境参数进行控制时，其它因素将不受到影响，不能做到联合控制，要对其它参数进行修改，只能单一重复控制过程，才能实现某一环境条件下其它环境因素之间的相互配合。只能对温度、湿度、光照和气体浓度进行各自分开的控制方法即环境参数只能采用单因子进行控制。但是，外部环境的变化实时对温室内的坏境产生影响，靠人工方法实时进行相应控制难以实现。20世纪80年代以来，计算机技术不断发展，出现了多种环境因子共同控制的方法。该方法把不同作物的适宜生长环境参数存储至计算机，采用计算机控制温室环境参数，当某一环境参数发生变化时，计算机便会使用反馈方式对参数进行控制，保证温室环境的稳定。在综合控制中，因各环境因素直接相互影响，通常采用某一环境参数为自变量，比如光照，其他环境因素温度、湿度、气体浓度等作为因变量。在环境条件变化时，经过自修整使温室环境处在最近状态。目前日本等发达国家可以按照作物的生长需求，对其生长环境进行自动控制，例如：温度、湿度、光照等。美国和荷兰还通过温差管理技术，对花类、果菜类的开花和成熟期进行控制，目的就是为了满足生产需求以及提高效率[8] 。
1.2.2 国内发展现状
近年来，我国也投入了大量的人力物力进行无线传感器网络的相关研
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jxgc/zdh/3334.html
