无线传感网蔬菜大棚环境自动控制系统_软件子系统(附件)
最近几年，随着电子信息技术的飞速发展，温室大棚的应用也逐渐趋于无线自动控制方面。基于无线网络蔬菜大棚环境自动控制系统能够自动实时检测环境并对异常情况进行报警以提示工作人员，便于人们工作。
本文从系统整体结构，节点模块，主节点模块和调适运行等几个方面，逐一对系统的可行性进行了分析并提出具体的解决方案。节点可以分为数据采集部分和无线通信部分，系统主节点是其核心，主要对采集的数据进行处理并在显示屏上显示，同时，可以对异常情况采取报警和相关措施。本文采用ZigBee无线传感网络作为节点与主节点通信的支撑技术。本文讨论的监测系统操作方便，不需要专业知识即可使用，通过节点的各种传感器对环境因素进行检测，本系统能够实现对温室大棚的环境因素进行有效的监测与调试。
关键词 蔬菜大棚，无线传感器网络，远程监测，通信，自动控制技术
目 录
1 绪论 1
1.1 背景及意义 1
1.2 国内外现状 1
1.3 本文主要工作 2
2 系统框架结构设计 2
3 硬件介绍 5
3.1 CC2530芯片简介 5
3.2 DHT11温湿度传感器 6
3.3 LCD显示屏12864 7
3.4 光敏电阻介绍 7
4 系统软件设计 8
4.1 IEEE802.15.4和zigbee介绍 8
4.2 串口通信协议 11
4.3 节点软件设计 13
4.3.1 温湿度采集软件设计 15
4.3.2 光照采集软件设计 16
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
4.3.3 串口数据发送子程序设计 17
4.4 主节点的设计和实现 17
4.4.1 主节点软件设计 17
4.4.2 控制子程序设计 18
4.4.3 串口数据接收子程序设计 19
4.4.4 LCD显示和按键控制子程序设计 19
4.4.5 上位机软件设计 20
5 调试 21
5.1 节点部分调试 21
5.2 主节点部分调试 23
5.3 网络建立调试 24
5.4 上位机部分调试 25
结论 26
致谢 27
参考文献 28
附录 29
1 绪论
1.1 背景及意义
自然天气条件在很大程度上限制了传统农业作物的生长，阻碍了农业的发展，同时，农业产品的产量和时间也非常受气候条件的限制。在现在的社会中，农产品逐渐成为人们日常生活的重要食用物，科学的发展很大程度上促进了农业的进步，加快了发展的步伐。农业产品十分受外界环境的影响，针对此问题，人们创造了温室，为农作物开辟了良好的生活环境，大大提高了农作物的产量，也满足了人们对于反季节食物的需求。然而，大棚仍存在很大缺陷，国内的发展水平较低，环境监控能力也很有限。所以，在农物的环境监测和调控方面是我们以后的发展重点。
在以创造农物最适宜生长的外界环境来适应生长需要和市场需求为目的的方面，我们可以利用大棚的环境自动监测来使农作物可以产出高产量，好品质的果实[1]。不过，在实践中，大棚内环境的自动监测很复杂。温室环境监测系统是一个多采集，多输出，带有多重反馈的控制系统[2]。温室外面是自然环境，复杂多变，农作物生长机理也很复杂，然而，作物对生长环境要求比较苛刻，再加上不同的作物有不同的生长环境，诸多因素一起相互制衡，对温室大棚检测系统产生了很大的麻烦，这更加要求系统具有高度的稳定性和较强的适应性。
1.2 国内外现状
在上世纪末，类似的环境自动控制系统已是国际的重点钻研目标，其一开始在东京大学出现[3]。随着技术的发展，日本、荷兰、美国等国家在大棚环境监控方面取得了很大的发展，就现在看来，上述国家能够随着农作物的种类不同，对温室内部的环境因素如温湿度，光照等进行自动调控。这是人们对环境监控技术方面取得了重大突破。
现代温室大棚起源于西欧。其中荷兰对此方面的研究有较长的历史，其国内有多数温室大棚制造公司成立于20世纪20年代，有着高超的技术。其基本可以自动监控环境参数。工作人员只需要安装对应的温室监控系统硬件和软件，就能够自动管理大棚农作物的种植。荷兰综合了计算机技术后开发出温室气候控制，而且已应用在具体生活中。除了荷兰，英国的智能温室大棚系统，奥地利的远程监控温室系统都是此方面的成功应用。现代农业在许多发达国家取得了飞跃性的突破，变成了强大的支柱产业。近几年来，网络随着信息高速公路的产生取得了巨大的发展，远程监控技术已成为以后发展的重要方向。
同国际相比，我国的温室大棚控制技术发展较为缓慢，我国在上世纪末借鉴国外先进设备，由于这方面自主技术的不成熟，导致自主生产水平发展缓慢。因为引进的设备价格高，操作复杂，而且不适合我国的气候条件，效果不理想。所以，我国的专家在借鉴国外科研成果的时刻，努力研究温室环境控制系统的开发。迄今为止，我国在这方面已取得了很大的突破，并能够运用到实际生活中，投入生产运行[4]。
贺鹏[5]实现了基于单片机的温室环境因素的采集与调控，除此之外，薛俊，何龙，闻珍霞和杜尚丰等[6-8]都在农物环境因素采集与调控方面都有了飞跃性的突破。综合起来，温室系统有环境因素监测模块，信号A/D转换模块，上位机处理模块，报警与调控模块等。通过节点，不同地方的不同的环境因素的信号转换为电信号并传送到主节点，在主节点上的LCD显示各信息值，再通过电脑的上位机软件，与预先设置好的安全值进行比较后再判断是否超过警示值。
温室内部环境的各个参数之间是相互影响的。简单的说，国际上的研究基本包含了这些基本的环境参数，但不同的是，侧重点不一样。传感器的功能是收集大棚环境因素的信息数据，然后将数据转换为电压信号。
1.3 本文主要工作
CC2530芯片有处理器,数据转换器，无线部分，具有高性能，低价格等优点， ZigBee通讯是一种数据量不大，低数据传输率的技术。由于上述情况，我们进行了环境自动控制系统的开发。
论文主要讨论了CC2530芯片的特点及其具体应用，并完成了环境监测系统的开发。论文分为控制系统的软件设计和硬件设计，其中重点是软件设计方面。
2 系统框架结构设计
本次系统的设计方案是在无线传感网的蔬菜大棚环境监控系统的了解基础上进一步的学习。本次设计方案需要考虑主节点同时与多个节点进行通信，并根据传来的数据进行处理，对各个节点的具体环境信息进行监控。系统的整体结构图如图2.1所示：
图2.1 大棚环境控制系统的整体结构图
节点是整个系统的重要组成部分，其主要任务是收集环境参数数据，并将数据发送到主节点。在这次设计中，节点连接了温湿度传感器和光照传感器以此来采集数据，采集的数据经CC2530芯片的A/D转换器将模拟数据转换为数字信息以便传输，数字信号经过CC2530芯片的通讯部分进行发送，将数据发送给主节点。当然整个节点需要电源模块供电。节点模块结构图如图2.2所示：
（1）数据传输速率低：只有10k字节／秒到250k字节／秒；
（2）能损小：如果待机情况时，两节普通五号干电池能够让其运行至半年至两年的时间，那么节省对其充电或者频繁更新电池的时间，即ZigBee技术的独特优势；
1 绪论 1
1.1 背景及意义 1
1.2 国内外现状 1
1.3 本文主要工作 2
2 系统框架结构设计 2
3 硬件介绍 5
3.1 CC2530芯片简介 5
3.2 DHT11温湿度传感器 6
3.3 LCD显示屏12864 7
3.4 光敏电阻介绍 7
4 系统软件设计 8
4.1 IEEE802.15.4和zigbee介绍 8
4.2 串口通信协议 11
4.3 节点软件设计 13
4.3.1 温湿度采集软件设计 15
4.3.2 光照采集软件设计 16
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
4.3.3 串口数据发送子程序设计 17
4.4 主节点的设计和实现 17
4.4.1 主节点软件设计 17
4.4.2 控制子程序设计 18
4.4.3 串口数据接收子程序设计 19
4.4.4 LCD显示和按键控制子程序设计 19
4.4.5 上位机软件设计 20
5 调试 21
5.1 节点部分调试 21
5.2 主节点部分调试 23
5.3 网络建立调试 24
5.4 上位机部分调试 25
结论 26
致谢 27
参考文献 28
附录 29
1 绪论
1.1 背景及意义
自然天气条件在很大程度上限制了传统农业作物的生长，阻碍了农业的发展，同时，农业产品的产量和时间也非常受气候条件的限制。在现在的社会中，农产品逐渐成为人们日常生活的重要食用物，科学的发展很大程度上促进了农业的进步，加快了发展的步伐。农业产品十分受外界环境的影响，针对此问题，人们创造了温室，为农作物开辟了良好的生活环境，大大提高了农作物的产量，也满足了人们对于反季节食物的需求。然而，大棚仍存在很大缺陷，国内的发展水平较低，环境监控能力也很有限。所以，在农物的环境监测和调控方面是我们以后的发展重点。
在以创造农物最适宜生长的外界环境来适应生长需要和市场需求为目的的方面，我们可以利用大棚的环境自动监测来使农作物可以产出高产量，好品质的果实[1]。不过，在实践中，大棚内环境的自动监测很复杂。温室环境监测系统是一个多采集，多输出，带有多重反馈的控制系统[2]。温室外面是自然环境，复杂多变，农作物生长机理也很复杂，然而，作物对生长环境要求比较苛刻，再加上不同的作物有不同的生长环境，诸多因素一起相互制衡，对温室大棚检测系统产生了很大的麻烦，这更加要求系统具有高度的稳定性和较强的适应性。
1.2 国内外现状
在上世纪末，类似的环境自动控制系统已是国际的重点钻研目标，其一开始在东京大学出现[3]。随着技术的发展，日本、荷兰、美国等国家在大棚环境监控方面取得了很大的发展，就现在看来，上述国家能够随着农作物的种类不同，对温室内部的环境因素如温湿度，光照等进行自动调控。这是人们对环境监控技术方面取得了重大突破。
现代温室大棚起源于西欧。其中荷兰对此方面的研究有较长的历史，其国内有多数温室大棚制造公司成立于20世纪20年代，有着高超的技术。其基本可以自动监控环境参数。工作人员只需要安装对应的温室监控系统硬件和软件，就能够自动管理大棚农作物的种植。荷兰综合了计算机技术后开发出温室气候控制，而且已应用在具体生活中。除了荷兰，英国的智能温室大棚系统，奥地利的远程监控温室系统都是此方面的成功应用。现代农业在许多发达国家取得了飞跃性的突破，变成了强大的支柱产业。近几年来，网络随着信息高速公路的产生取得了巨大的发展，远程监控技术已成为以后发展的重要方向。
同国际相比，我国的温室大棚控制技术发展较为缓慢，我国在上世纪末借鉴国外先进设备，由于这方面自主技术的不成熟，导致自主生产水平发展缓慢。因为引进的设备价格高，操作复杂，而且不适合我国的气候条件，效果不理想。所以，我国的专家在借鉴国外科研成果的时刻，努力研究温室环境控制系统的开发。迄今为止，我国在这方面已取得了很大的突破，并能够运用到实际生活中，投入生产运行[4]。
贺鹏[5]实现了基于单片机的温室环境因素的采集与调控，除此之外，薛俊，何龙，闻珍霞和杜尚丰等[6-8]都在农物环境因素采集与调控方面都有了飞跃性的突破。综合起来，温室系统有环境因素监测模块，信号A/D转换模块，上位机处理模块，报警与调控模块等。通过节点，不同地方的不同的环境因素的信号转换为电信号并传送到主节点，在主节点上的LCD显示各信息值，再通过电脑的上位机软件，与预先设置好的安全值进行比较后再判断是否超过警示值。
温室内部环境的各个参数之间是相互影响的。简单的说，国际上的研究基本包含了这些基本的环境参数，但不同的是，侧重点不一样。传感器的功能是收集大棚环境因素的信息数据，然后将数据转换为电压信号。
1.3 本文主要工作
CC2530芯片有处理器,数据转换器，无线部分，具有高性能，低价格等优点， ZigBee通讯是一种数据量不大，低数据传输率的技术。由于上述情况，我们进行了环境自动控制系统的开发。
论文主要讨论了CC2530芯片的特点及其具体应用，并完成了环境监测系统的开发。论文分为控制系统的软件设计和硬件设计，其中重点是软件设计方面。
2 系统框架结构设计
本次系统的设计方案是在无线传感网的蔬菜大棚环境监控系统的了解基础上进一步的学习。本次设计方案需要考虑主节点同时与多个节点进行通信，并根据传来的数据进行处理，对各个节点的具体环境信息进行监控。系统的整体结构图如图2.1所示：
图2.1 大棚环境控制系统的整体结构图
节点是整个系统的重要组成部分，其主要任务是收集环境参数数据，并将数据发送到主节点。在这次设计中，节点连接了温湿度传感器和光照传感器以此来采集数据，采集的数据经CC2530芯片的A/D转换器将模拟数据转换为数字信息以便传输，数字信号经过CC2530芯片的通讯部分进行发送，将数据发送给主节点。当然整个节点需要电源模块供电。节点模块结构图如图2.2所示：
（1）数据传输速率低：只有10k字节／秒到250k字节／秒；
（2）能损小：如果待机情况时，两节普通五号干电池能够让其运行至半年至两年的时间，那么节省对其充电或者频繁更新电池的时间，即ZigBee技术的独特优势；
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