无线传感网蔬菜大棚环境自动控制系统软件子系统(附件)
近几年，随着信息技术的飞速发展，蔬菜大棚的环境监测也逐渐趋于无线自动控制方面，面向智能化。基于无线网络蔬菜大棚环境自动控制系统能够实时检测大棚中的环境并发送到计算机，并对异常情况进行报警以提示工作人员。论文主要介绍了终端节点软件设计、主节点软件设计和上位机软件设计几个方面。节点和主节点之间通过ZigBee无线传感网进行通信。主节点通过串口连接上位机发送数据，上位机部分负责接收数据并处理。终端节点程序包括初始化程序、传感器节点程序和串口发送数据子程序，主节点软件程序包括初始化程序、LCD显示和控制子程序。软件程序使用IAR编程软件编程编译，上位机界面使用Iocomp设计。课题能够实时监测各节点环境数据。关键词 蔬菜大棚，无线传感网，通信，自动控制目 录
1 绪论 1
1.1 背景及意义 1
1.2 国内外现状 2
1.3 ZigBee的介绍 3
1.4 本文主要工作 3
2 系统框架结构设计 4
2.1 系统功能结构 4
2.2 系统硬件设计 6
3 系统软件设计 7
3.1 终端节点的设计和实现 7
3.2 采集软件设计 10
3.3 主节点的设计和实现 13
3.4 上位机软件设计 18
4 调试 20
4.1 终端节点部分调试 20
4.2 主节点部分调试 22
4.3 上位机部分调试 24
4.4 系统联调 24
结 论 26
致 谢 27
参 考 文 献 28
附录1 节点硬件电路图 29
附录2 ZIGBEE底板硬件电路图 32
1 绪论
1.1 背景及意义
在最近几年，我国农业生产的规模和产量快速增长，尤其是在蔬菜大棚种植业，各地相继开发了农业科技示范区域，科学技术与农业的发展结合的越来越紧密，另外，我国蔬菜大棚作物的种植规模在世界各地的范围内是最庞大的，巨大的市场需求大力的推动了蔬菜大棚种植业的发展，检测过程大多使用温室度等，如何简便、快速而又准确
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BEE底板硬件电路图 32
1 绪论
1.1 背景及意义
在最近几年，我国农业生产的规模和产量快速增长，尤其是在蔬菜大棚种植业，各地相继开发了农业科技示范区域，科学技术与农业的发展结合的越来越紧密，另外，我国蔬菜大棚作物的种植规模在世界各地的范围内是最庞大的，巨大的市场需求大力的推动了蔬菜大棚种植业的发展，检测过程大多使用温室度等，如何简便、快速而又准确的测量这些数据已成为我国家业发展一个迫切需要研究的课题。
实现精准农业的基础是作物模型，实现自动化农业生产的关键技术也是作物模型[1]。作物模型一般可以分成机理模型和经验模型，在温室环境控制系统中需要建立的是用环境参数描述的作物模型，并且和作物的成长模型相结合在一起，根据作物的种类提供相应的控制计划，实现自动化的智能温室[2]。由于现在的作物模型的复杂性和描述方式不兼容，很难与温室控制系统相结合，组成全面的控制计划[3]。
数字化农业技术是用数字化技术对农业生产中包含的对象和过程进行数字化的设计、控制、管理和可视化表达的现代化农业高新技术。数字化农业技术的持续发展正在改变现在农业生产的全过程,他象征着现代化农业生产管理的新方向。控制技术、智能化实时处理信息技术、无线传感器网络技术和快速获取农业生物的环境信息等数字化农业技术的发展及其广泛的应用。
现在在国内利用广泛的是人工布线或是人工测量，人工布线的安装程序比较复杂，各个监测点没有自我调整和自我修复的功能，无法升级系统，这些因素都增加了很多监控的成本，而且，使用这种测量方式的精度差，测量效率也相当低，不适合现代农业的发展步伐，人工测量这种测量方式消耗了庞大的人力资源，而且测量效率很低。另外，国内外也将GPRS、蓝牙等技术在大棚的无线监控中使用，虽然在技术层面上获得了一定的发展，但是，那些技术比较复杂、而且价格贵、功耗也很大，不适合往种植业推广，他只适合在特殊的场合中使用，因此，我们需要一种价格低廉、比较简单的新型无线技术。为了解决问题，将ZigBee 无线通信技术应用在温室监测中，这样不仅可以减少功耗和成本，还可以减少设备的维护成本，提高网络的可拓展性，优化整个监测系统[4]。根据温室环境的特点和各种监测的要求，设计了基于ZigBee 无线传感网络的温室环境监测系统[5]，改变传统的有线监测方法，布线不用那么繁杂。这个系统具有低功耗、强延展性以及组网灵活等特点[6]。检测人员还能够从网络监测平台上方便地检测到终端节点采集到的温度湿度数据和ZigBee协调器的组网状态，检测人员还可以方便的调节温室设备，使环境中的温度湿度达到最好的状态。
1.2 国内外现状
荷兰是世界上温室生产最发达的国家，他的温室是把大型玻璃温室作为整体，现在拥有大型的连栋玻璃温室面积是1.1 万 hm2[7]，大约占据世界玻璃温室的四分之一，居于世界之首[8]。美国研发的计算机管理与控制系统能够依照温室作物的各种特点和要求[9]，对温室中水、光照、空气、温度、肥料等因素进行自动控制调节，而且可以使用差温管理技术实现对水果、蔬菜、鲜花等产品的生长发育和成熟期进行控制，从而满足市场和生产的需求。目前，美国已经把全球定位系统、遥感遥测技术以及计算机电脑等高新技术温室生产中运用[10] 。荷兰、、美国等国家的温室系统很先进，可以综合控制要素，但价格高，维护麻烦，欧美国家的温室系统已开始面向网络化、无线化发展。英特尔公司在2002 年俄勒冈州率先建立了一个无线化的葡萄种植园，监测葡萄园中环境的微小变化。葡萄园的每个角落分布着传感器节点，每隔一分钟检测一次土壤的温度、湿度以及这个区域的有害物的数目得以保证葡萄的健康生长，从而得到巨大的收获[11]。
国内对于研究温室环境监控的起步比较晚。一般都是和大型的现代化温室一起引进的温室环境监测控制设备，由于能耗比较大，规模比较大，而且造价高，实践已经证明他不适合我国的国情，所以更加谈不上温室的经济收益。所以之后有一些的仿造产品，但是他的造价仍然比较高，而且还处在实验阶段，所以推广使用的价值并不是很大[12]。中国农业机械化科学研究院成功研制了新型的智能化温室，他是由大棚自身、太阳能存储系统、通风降温系统、计算机环境等参数监测控制系统、热风燃油加热系统以及灌溉系统等组成。
北京市科委计划项目“蔬菜生产智能化网络传感器体系研究与应用”正式把无线传感器网络示范在温室农作物生产中[13]；2008 年 10 月，上海市计算机研究所已经成功研究出三个在上海奉贤花卉大棚监测系统使用自主知识产权的自组织树型无线传感器网络系统，极大地提高了工作的效率。
1.3 ZigBee的介绍
ZigBee技术的基础是IEEE802．15．4技术标准。802.15.4的目的是将大概10米的范围的低速连接提供给低能耗而且普通的装置。他广泛使用的场合有交互玩具，消费场所和商业场所的仓库跟踪监测，它主要的市场对象是传感器网络。
IEEE802．15．4的MAC协议重点负责维护帧传送和结束肯定模式的帧传送、
数据包包含的传输顺序被其接受、为各个设备建立无线链路、控制信道的接入、管理广播信号、校验帧数、管理间隙。
两个物理层标准都是用直接序列扩频，选择一样格式的物理层数据包，不同的地方是他们工作的频率、调制方法和传
1 绪论 1
1.1 背景及意义 1
1.2 国内外现状 2
1.3 ZigBee的介绍 3
1.4 本文主要工作 3
2 系统框架结构设计 4
2.1 系统功能结构 4
2.2 系统硬件设计 6
3 系统软件设计 7
3.1 终端节点的设计和实现 7
3.2 采集软件设计 10
3.3 主节点的设计和实现 13
3.4 上位机软件设计 18
4 调试 20
4.1 终端节点部分调试 20
4.2 主节点部分调试 22
4.3 上位机部分调试 24
4.4 系统联调 24
结 论 26
致 谢 27
参 考 文 献 28
附录1 节点硬件电路图 29
附录2 ZIGBEE底板硬件电路图 32
1 绪论
1.1 背景及意义
在最近几年，我国农业生产的规模和产量快速增长，尤其是在蔬菜大棚种植业，各地相继开发了农业科技示范区域，科学技术与农业的发展结合的越来越紧密，另外，我国蔬菜大棚作物的种植规模在世界各地的范围内是最庞大的，巨大的市场需求大力的推动了蔬菜大棚种植业的发展，检测过程大多使用温室度等，如何简便、快速而又准确
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
BEE底板硬件电路图 32
1 绪论
1.1 背景及意义
在最近几年，我国农业生产的规模和产量快速增长，尤其是在蔬菜大棚种植业，各地相继开发了农业科技示范区域，科学技术与农业的发展结合的越来越紧密，另外，我国蔬菜大棚作物的种植规模在世界各地的范围内是最庞大的，巨大的市场需求大力的推动了蔬菜大棚种植业的发展，检测过程大多使用温室度等，如何简便、快速而又准确的测量这些数据已成为我国家业发展一个迫切需要研究的课题。
实现精准农业的基础是作物模型，实现自动化农业生产的关键技术也是作物模型[1]。作物模型一般可以分成机理模型和经验模型，在温室环境控制系统中需要建立的是用环境参数描述的作物模型，并且和作物的成长模型相结合在一起，根据作物的种类提供相应的控制计划，实现自动化的智能温室[2]。由于现在的作物模型的复杂性和描述方式不兼容，很难与温室控制系统相结合，组成全面的控制计划[3]。
数字化农业技术是用数字化技术对农业生产中包含的对象和过程进行数字化的设计、控制、管理和可视化表达的现代化农业高新技术。数字化农业技术的持续发展正在改变现在农业生产的全过程,他象征着现代化农业生产管理的新方向。控制技术、智能化实时处理信息技术、无线传感器网络技术和快速获取农业生物的环境信息等数字化农业技术的发展及其广泛的应用。
现在在国内利用广泛的是人工布线或是人工测量，人工布线的安装程序比较复杂，各个监测点没有自我调整和自我修复的功能，无法升级系统，这些因素都增加了很多监控的成本，而且，使用这种测量方式的精度差，测量效率也相当低，不适合现代农业的发展步伐，人工测量这种测量方式消耗了庞大的人力资源，而且测量效率很低。另外，国内外也将GPRS、蓝牙等技术在大棚的无线监控中使用，虽然在技术层面上获得了一定的发展，但是，那些技术比较复杂、而且价格贵、功耗也很大，不适合往种植业推广，他只适合在特殊的场合中使用，因此，我们需要一种价格低廉、比较简单的新型无线技术。为了解决问题，将ZigBee 无线通信技术应用在温室监测中，这样不仅可以减少功耗和成本，还可以减少设备的维护成本，提高网络的可拓展性，优化整个监测系统[4]。根据温室环境的特点和各种监测的要求，设计了基于ZigBee 无线传感网络的温室环境监测系统[5]，改变传统的有线监测方法，布线不用那么繁杂。这个系统具有低功耗、强延展性以及组网灵活等特点[6]。检测人员还能够从网络监测平台上方便地检测到终端节点采集到的温度湿度数据和ZigBee协调器的组网状态，检测人员还可以方便的调节温室设备，使环境中的温度湿度达到最好的状态。
1.2 国内外现状
荷兰是世界上温室生产最发达的国家，他的温室是把大型玻璃温室作为整体，现在拥有大型的连栋玻璃温室面积是1.1 万 hm2[7]，大约占据世界玻璃温室的四分之一，居于世界之首[8]。美国研发的计算机管理与控制系统能够依照温室作物的各种特点和要求[9]，对温室中水、光照、空气、温度、肥料等因素进行自动控制调节，而且可以使用差温管理技术实现对水果、蔬菜、鲜花等产品的生长发育和成熟期进行控制，从而满足市场和生产的需求。目前，美国已经把全球定位系统、遥感遥测技术以及计算机电脑等高新技术温室生产中运用[10] 。荷兰、、美国等国家的温室系统很先进，可以综合控制要素，但价格高，维护麻烦，欧美国家的温室系统已开始面向网络化、无线化发展。英特尔公司在2002 年俄勒冈州率先建立了一个无线化的葡萄种植园，监测葡萄园中环境的微小变化。葡萄园的每个角落分布着传感器节点，每隔一分钟检测一次土壤的温度、湿度以及这个区域的有害物的数目得以保证葡萄的健康生长，从而得到巨大的收获[11]。
国内对于研究温室环境监控的起步比较晚。一般都是和大型的现代化温室一起引进的温室环境监测控制设备，由于能耗比较大，规模比较大，而且造价高，实践已经证明他不适合我国的国情，所以更加谈不上温室的经济收益。所以之后有一些的仿造产品，但是他的造价仍然比较高，而且还处在实验阶段，所以推广使用的价值并不是很大[12]。中国农业机械化科学研究院成功研制了新型的智能化温室，他是由大棚自身、太阳能存储系统、通风降温系统、计算机环境等参数监测控制系统、热风燃油加热系统以及灌溉系统等组成。
北京市科委计划项目“蔬菜生产智能化网络传感器体系研究与应用”正式把无线传感器网络示范在温室农作物生产中[13]；2008 年 10 月，上海市计算机研究所已经成功研究出三个在上海奉贤花卉大棚监测系统使用自主知识产权的自组织树型无线传感器网络系统，极大地提高了工作的效率。
1.3 ZigBee的介绍
ZigBee技术的基础是IEEE802．15．4技术标准。802.15.4的目的是将大概10米的范围的低速连接提供给低能耗而且普通的装置。他广泛使用的场合有交互玩具，消费场所和商业场所的仓库跟踪监测，它主要的市场对象是传感器网络。
IEEE802．15．4的MAC协议重点负责维护帧传送和结束肯定模式的帧传送、
数据包包含的传输顺序被其接受、为各个设备建立无线链路、控制信道的接入、管理广播信号、校验帧数、管理间隙。
两个物理层标准都是用直接序列扩频，选择一样格式的物理层数据包，不同的地方是他们工作的频率、调制方法和传
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