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因不能满足生产需求而跟不上时代的发展。为此，一种无线传感网络技术发展起来，用以解决传统人工方法无法满足准确性、可靠性、实时性要求的不足之处，同时克服了费时、费力等缺点。
本设计是一种基于ZigBee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。同时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 1
1.1 研究背景 1
1.2 国内外发展现状 1
1.2.1 国外发展现状 1
1.2.2 国内发展现状 2
1.3 课题研究目标及内容 2
2 系统设计 3
2.1 系统功能结构 3
2.2 系统工作流程 5
2.3 系统硬件设计 6
3 节点设计 6
3.1 节点硬件设计 6
3.1.1 晶振电路设计 6
3.1.2 复位电路设计 7
3.1.3 LED电路设计 7
3.1.4 电源模块设计 7
3.2 信息采集电路设计 8
3.2.1 温湿度采集电路设计 9
3.2.2 光照采集电路设计 10
3.2.3 CO2浓度采集电路设计 12
4 主节点设计 13
4.1 主节点硬件 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
设计 13
4.1.1 液晶显示LCD1286电路设计 13
4.1.2 按键电路设计 14
4.1.3 报警电路设计 14
4.1.4 电源模块设计 15
4.2 执行机构设计 15
5 上位机设计 16
5.1 上位机主要功能 16
5.2 上位机界面设计 16
6 系统调试 18
6.1 节点、主节点调试 18
6.2 上位机调试 20
6.3 系统联调 21
结论 22
致谢 23
参考文献 24
附录 26
1 引言
1.1 研究背景
70年代以来，我国农业的发展随着经济的迅猛增长得到了越来越多的重视，并逐渐趋于现代化。如今，在对农业进行管理，对农作物生长环境进行监控中会对一些重要环境参数进行采集，例如：温度、湿度、气体浓度、光照等的[1]。在现代化农业生产中，这些参数直接关系到作物的生长以及生产效率。国外的相关设施发展比较完善，并具有了一定的规格，但是价格很高，与我国环境特点相适应的成套设备也很少[2]。如今很多蔬菜大棚环境参数的监控都采用人工的方法，这样管理起来不可避免会产生检测与控制精确度低、浪费人力资源以及不能实时监控等缺点，造成不可挽回的损失，使结果不但增加了成本，浪费人力资源，而且难以达到预期的效果[3]。若要实现农业生产的高效率、合理化，必须大力发展相应技术，进行基础设施建设，对温度、湿度、光照以及气体浓度进行科学的调节，使农作物在适宜环境下生长[4]。在新时代背景下，为满足因社会发展而产生的生产需求，以及可持续发展背景下对节约资源、提高生产效率的要求，人们对温室大棚的发展方向有了新的要求，即资源节约化、效率最大化、生产安全化。
社会在不断发展，人们的消费观也在不断变化，对消费质量的追求也越来越高，健康消费成为当今社会的消费主流。对无公害产品的生产，消费者权益的保障成为广大农业劳动者的共同意识。为此广大农业劳动者需要对生产设施进行改进，相关生产技术也需要进一步提高，以获得更优质的产品，更丰厚的回报[5]。近几年，虽然国家积倡导发展温室大棚科技，引导广大菜农以提高他们技术水平，但是目前我国相关研究时间不长，在配套设备与技术上都比较匮乏，很多还需要引进外国产品以满足需要，造成较大的投资。所以我国大棚技术还需要不断的改进。因此我们课题对蔬菜大棚环境自动控制系统的研究具有很大的实际意义。
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[6] 。
1.2.2 国内发展现状
19世纪70年代晚期,现温室大棚在我国才逐渐出现，在1978～1994年间，我国成功引入21．12hm2的大规模现代化温室[7]。随着通信技术、计算机技术、电子技术等的发展，现代温室的技术水平也在不断提高。随着温室大棚规模的不断扩大和温室环境监测距离的不断增加，设备安装困难、维护不便、不具有灵活扩展、线缆易损坏、对故障排查困难等问题在有线系统中愈加明显的存在[8~11]。为解决这些不足，人们对无线通信技术进行不断开发、研究，使之在温室中具有良好的应用前景。我国无线通信技术发展较晚，直到2003年才出现温室无线通信技术[12]，这表明我国无线通信技术在温室中将得到广泛应用。因受通信距离的限制，相关技术难题还没解决，很长一段时间内相关的研发设计基本上处在止步状态[13~16]。但是近三年，随着ZigBee技术的飞速发展，无线通信技术也趋于多样化，在温室中也是得以广泛应用。也解决了无线通信的通信距离问，实现了温室远距离监控[17~20]。但是目前还没有成型的产品，没有形成产业链以及相关生产机构。
主节点和系统节点硬件结构相同，其区别在于主节点实时接收各节点所采集信息，并实时将信息发送至计算机，起到节点与计算机之间联系的桥梁作用。另外主节点有一报警电路（蜂鸣器），报警电路当采集的数据不在设定范围内时，蜂鸣器便会响。还接有LCD液晶显示，可以把节点处传感器所采集到的信息转化为LCD可识别数据格式并进行显示，方便直接观察。同时还有一按键模块，用于对初始参数值的修改，满足不同用户的需求。
图2-3 系统主节点模块结构图
2.2 系统工作流程
本设计基于ZigBee无线传感网原理，主要包括节点、主节点、网关和上位机设计，上位机采用Visual Studio 编写。系统整体工作流程如图2-4所示：
1 引言 1
1.1 研究背景 1
1.2 国内外发展现状 1
1.2.1 国外发展现状 1
1.2.2 国内发展现状 2
1.3 课题研究目标及内容 2
2 系统设计 3
2.1 系统功能结构 3
2.2 系统工作流程 5
2.3 系统硬件设计 6
3 节点设计 6
3.1 节点硬件设计 6
3.1.1 晶振电路设计 6
3.1.2 复位电路设计 7
3.1.3 LED电路设计 7
3.1.4 电源模块设计 7
3.2 信息采集电路设计 8
3.2.1 温湿度采集电路设计 9
3.2.2 光照采集电路设计 10
3.2.3 CO2浓度采集电路设计 12
4 主节点设计 13
4.1 主节点硬件 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
设计 13
4.1.1 液晶显示LCD1286电路设计 13
4.1.2 按键电路设计 14
4.1.3 报警电路设计 14
4.1.4 电源模块设计 15
4.2 执行机构设计 15
5 上位机设计 16
5.1 上位机主要功能 16
5.2 上位机界面设计 16
6 系统调试 18
6.1 节点、主节点调试 18
6.2 上位机调试 20
6.3 系统联调 21
结论 22
致谢 23
参考文献 24
附录 26
1 引言
1.1 研究背景
70年代以来，我国农业的发展随着经济的迅猛增长得到了越来越多的重视，并逐渐趋于现代化。如今，在对农业进行管理，对农作物生长环境进行监控中会对一些重要环境参数进行采集，例如：温度、湿度、气体浓度、光照等的[1]。在现代化农业生产中，这些参数直接关系到作物的生长以及生产效率。国外的相关设施发展比较完善，并具有了一定的规格，但是价格很高，与我国环境特点相适应的成套设备也很少[2]。如今很多蔬菜大棚环境参数的监控都采用人工的方法，这样管理起来不可避免会产生检测与控制精确度低、浪费人力资源以及不能实时监控等缺点，造成不可挽回的损失，使结果不但增加了成本，浪费人力资源，而且难以达到预期的效果[3]。若要实现农业生产的高效率、合理化，必须大力发展相应技术，进行基础设施建设，对温度、湿度、光照以及气体浓度进行科学的调节，使农作物在适宜环境下生长[4]。在新时代背景下，为满足因社会发展而产生的生产需求，以及可持续发展背景下对节约资源、提高生产效率的要求，人们对温室大棚的发展方向有了新的要求，即资源节约化、效率最大化、生产安全化。
社会在不断发展，人们的消费观也在不断变化，对消费质量的追求也越来越高，健康消费成为当今社会的消费主流。对无公害产品的生产，消费者权益的保障成为广大农业劳动者的共同意识。为此广大农业劳动者需要对生产设施进行改进，相关生产技术也需要进一步提高，以获得更优质的产品，更丰厚的回报[5]。近几年，虽然国家积倡导发展温室大棚科技，引导广大菜农以提高他们技术水平，但是目前我国相关研究时间不长，在配套设备与技术上都比较匮乏，很多还需要引进外国产品以满足需要，造成较大的投资。所以我国大棚技术还需要不断的改进。因此我们课题对蔬菜大棚环境自动控制系统的研究具有很大的实际意义。
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[6] 。
1.2.2 国内发展现状
19世纪70年代晚期,现温室大棚在我国才逐渐出现，在1978～1994年间，我国成功引入21．12hm2的大规模现代化温室[7]。随着通信技术、计算机技术、电子技术等的发展，现代温室的技术水平也在不断提高。随着温室大棚规模的不断扩大和温室环境监测距离的不断增加，设备安装困难、维护不便、不具有灵活扩展、线缆易损坏、对故障排查困难等问题在有线系统中愈加明显的存在[8~11]。为解决这些不足，人们对无线通信技术进行不断开发、研究，使之在温室中具有良好的应用前景。我国无线通信技术发展较晚，直到2003年才出现温室无线通信技术[12]，这表明我国无线通信技术在温室中将得到广泛应用。因受通信距离的限制，相关技术难题还没解决，很长一段时间内相关的研发设计基本上处在止步状态[13~16]。但是近三年，随着ZigBee技术的飞速发展，无线通信技术也趋于多样化，在温室中也是得以广泛应用。也解决了无线通信的通信距离问，实现了温室远距离监控[17~20]。但是目前还没有成型的产品，没有形成产业链以及相关生产机构。
主节点和系统节点硬件结构相同，其区别在于主节点实时接收各节点所采集信息，并实时将信息发送至计算机，起到节点与计算机之间联系的桥梁作用。另外主节点有一报警电路（蜂鸣器），报警电路当采集的数据不在设定范围内时，蜂鸣器便会响。还接有LCD液晶显示，可以把节点处传感器所采集到的信息转化为LCD可识别数据格式并进行显示，方便直接观察。同时还有一按键模块，用于对初始参数值的修改，满足不同用户的需求。
图2-3 系统主节点模块结构图
2.2 系统工作流程
本设计基于ZigBee无线传感网原理，主要包括节点、主节点、网关和上位机设计，上位机采用Visual Studio 编写。系统整体工作流程如图2-4所示：
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