zigbee无线环境监测模拟装置设计_硬件部分
随着无线传感器网络技术的迅猛发展，环境的保护与监测也随之发展上升到了一个新台阶。越来越多的企业和机构都致力于在环境监测系统中应用无线传感器网络技术的研究。考虑到zigbee的低成本，可靠性好，低功耗的特点，基于 zigbee的无线环境监测系统也被越来越频繁应用。
本文就采用zigbee技术设计了一套用于温室温湿度环境监测的模拟装置。整个设计分为传感器节点﹑协调器两个主要部分。 整个系统采用DHT11温湿度传感器采集监测数据，采用CC2530处理并无线收发数据，最后在液晶1602上显示监测数据，实现温室环境的实时监测。
关键词 环境监测，zigbee，传感器节点，协调器
目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 课题的研究现状 2
1.3研究目标及内容 3
2 系统总体设计 3
2.1 设计需求 3
2.2 设计要求 3
2.3 方案选择 4
2.4 设计原理 5
2.5 Zigbee技术 7
2.6 系统网络的拓扑结构 8
3 硬件单元设计 9
3.1 协调器的硬件设计 9
3.2 传感器节点的硬件设计 16
4 软件单元设计 20
4.1 系统软件结构 20
4.2 系统软件设计 20
5 系统调试 22
5.1 静态调试 22
5.2 动态调试 22
结 论 26
致 谢 27
参 考 文 献 28
附录A 传感器节点PCB图 29
附录B 协调器PCB图 30
1 绪论 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
r /> 1.1 课题研究背景及意义
近年来，无线传感器网络技术发展迅速，很多企业和机构也开始了对无线传感器网络技术的研究，并致力于把它一步步发展到无线环境监测系统中。通过布置大量节点监测参考数据，再经无线通信方式发送，从而组成传感器网络。这样就实现了对目标区域参考对象的信息的量化采集、对比处理和传输应用。相比于传统的有线环境监测系统，这种由无线传感器网络构建的环境监测手段有三个很明显的优势。首先，传统监测手段在部署网络时需要花费很大的人力物力，时间跨度也很长，而这种网络的自组性则为解决这一问题带来了可能。其次，这种方式能够直接通过中间节点传送采集的数据，大大提高了系统等级，然后却几乎不增加成本与功耗[1]。另外，这种方式组建的网络结构牢固，在某些毁灭性环境下仍能保证不损毁，稳定性极高。
现在的社会与生活中，越来越多的项目采用了无线传感器网络来完成无线监测目的，常见的有矿井的环境监测，大棚温室的温湿度监测，区域内大气监测，特殊污染企业的监测以及油田安全的监测等领域。这种通过无线传感器网络完成监测目的的情况总具有一些明显的特点[2]：第一，这些适用领域一般都是一些环境比较恶劣的区域，或者说人类难以到达的区域，然后却要实现监测数据的采集和收发，需要保证很高的安全等级。第二，一些区域是因为要保护一些特殊生物群种。由于一些稀有动植物对外来干扰很敏感，如果人类直接进行相应的监测工作，可能反而会破坏区域生态环境的完整性，也会对稀有生物造成不可估量的危害。第三，有些情况下监测某个区域需要花费很大的精力。比如一些情况下需要布置很多设备，通过多个设备来完成较大痊愈的通信网络覆盖，但得不偿失的是这可能只是用来监测和控制。第四，有些情况要求系统实施成本低，而且不能铺设大量电缆。系统可以拓展重组，能够实时更新，即便于暂时性地组网工作。第五，系统必须能够完成对数据的处理和存储功能。可以大量地存储从传感器收集到的数据，而且，在PC处于离线状态时，能够离线进行数据的提取和分析处理。
由于其相关性极好，可以涉及很多具体情况。那么可预知，在无线传感器相关设备成本不断降低同时，在传感器网络应用不断普及的同时，无线环境的监测技术一定会给我们带来更多生活和工作上的方便。
在各个无线通信技术中，蓝牙具有低成本大容量的的特点，然而其通讯距离过短，只有5-10米，不满足大区域的无线监测要求。Wifi技术的通信容量大，速度快，通讯距离也扩大到100米，但是较高的成本也制约着它的推广应用。相比而言，zigbee技术传输速率低，成本低，它的功耗也非常低[3]。这些要求正是小型低成本的物联网所要求的。在大区域长时效的环境监测工作中，起到了很好的作用。本课题就综合技术，成本等各方面因素考虑，选择以zigbee技术来设计一套用于农场大棚环境的无线监测模拟设备。
1.2 课题的研究现状
目前，zigbee无线技术被越来越多地应用到环境监测方面：
在消防监测网络中加入zigbee技术便实现了新型消防监测系统。原理是大量布置廉价的节点，这些节点不仅廉价，而且不需要定期更换电池，发生故障时也比较容易维修。而传统的火灾报警系统通常维修复杂而且成本大，也比较容易受到外接环境干扰。比如空气尘埃比较严重的区域，由于光敏电阻会被尘埃遮挡，很可能会导致光敏电阻误反应，从而导致系统误报警[4]。其故障率和误报率很存在问题。但是，利用这种无线传感器网络，通过节点监测数据来实现实时监控。大大地降低了成本和出错率，不失为一种新的消防报警系统诞生带来希望。
在对水环境的监测问题上，也可以设计基于zigbee的环境监测方案。因为不同污染物在水体中的光谱特性各个不同，该方案就是就是通过不同污染物在水体中的不同光谱特性来作为监测的依据。根据物质的物理化学特性，大多不同的污染物对水体的颜色，温度和透明度等会产生不同的影响，从而水体会反射不同的波谱变化特性[5]。我们通过研究遥感图的特征，经过处理识别监测出环境参数。这种方法不仅信息获取快，成本低，而且几乎不会造成对水体的污染。完成了洁净无污染的监测目标，解决了大区域内地表水环境的监测问题。
到目前为止，在众多无线传感器网络应用的案例中，大鸭岛项目的研究是最著名的。早在2002年，加州大学和大西洋学院联合开展了一个名为“in-situ”的海岛生态环境监测项目。该项目就是利用无线传感器网络实现对生态环境的无线监测。项目中，研究人员总共布置了43个传感器节点，通过他们组成传感器网络。传感器节点上运行的软件的为TinyOS,在各个节点上均通过传感器监测不同的参考数据[5]。如光敏传感器会监测区域内的光照度，温湿度传感器用来监测环境中温湿度等。在不同的传感器监测下，海燕巢穴的生态环境被实时监测。
1.3研究目标及内容
本文就基于zigbee技术，设计一套用于温室环境的无线监测模拟装置，考虑到成本，可实现性和大棚温室的实际环境监控需求，我们选取了大棚环境中的温湿度作为监测对象。主要为了实时监测大棚温湿度保证植物良好生长。
本课题主要研究内容总结如下：
（1）传感器节点的硬件设计，首先要进行温湿度传感器、线性稳压器的选型，然后完成传感器节点部分的原理图和PCB板绘制。
（2）协调器的硬件设计，包括LCD的选型以及原理图和PCB板的绘制。
2 系统总体设计
2.1 设计需求
为了增强系统的实用性，在设计之前，我们了解了植物生长所需的大棚环境状况，并结合了具体的成本，可操作性等因素，总结出了一些设计时存在的需求：
传感器节点主要采用DHT11温湿度传感器为接收监测点的温湿度数据的模块，然后，将数据传输给Zigbee模块。通过主控芯片CC2530处理后将数据通过无线射频信号发送到协调器模块。
1 绪论 1
1.1 课题研究背景及意义 1
1.2 课题的研究现状 2
1.3研究目标及内容 3
2 系统总体设计 3
2.1 设计需求 3
2.2 设计要求 3
2.3 方案选择 4
2.4 设计原理 5
2.5 Zigbee技术 7
2.6 系统网络的拓扑结构 8
3 硬件单元设计 9
3.1 协调器的硬件设计 9
3.2 传感器节点的硬件设计 16
4 软件单元设计 20
4.1 系统软件结构 20
4.2 系统软件设计 20
5 系统调试 22
5.1 静态调试 22
5.2 动态调试 22
结 论 26
致 谢 27
参 考 文 献 28
附录A 传感器节点PCB图 29
附录B 协调器PCB图 30
1 绪论
r /> 1.1 课题研究背景及意义
近年来，无线传感器网络技术发展迅速，很多企业和机构也开始了对无线传感器网络技术的研究，并致力于把它一步步发展到无线环境监测系统中。通过布置大量节点监测参考数据，再经无线通信方式发送，从而组成传感器网络。这样就实现了对目标区域参考对象的信息的量化采集、对比处理和传输应用。相比于传统的有线环境监测系统，这种由无线传感器网络构建的环境监测手段有三个很明显的优势。首先，传统监测手段在部署网络时需要花费很大的人力物力，时间跨度也很长，而这种网络的自组性则为解决这一问题带来了可能。其次，这种方式能够直接通过中间节点传送采集的数据，大大提高了系统等级，然后却几乎不增加成本与功耗[1]。另外，这种方式组建的网络结构牢固，在某些毁灭性环境下仍能保证不损毁，稳定性极高。
现在的社会与生活中，越来越多的项目采用了无线传感器网络来完成无线监测目的，常见的有矿井的环境监测，大棚温室的温湿度监测，区域内大气监测，特殊污染企业的监测以及油田安全的监测等领域。这种通过无线传感器网络完成监测目的的情况总具有一些明显的特点[2]：第一，这些适用领域一般都是一些环境比较恶劣的区域，或者说人类难以到达的区域，然后却要实现监测数据的采集和收发，需要保证很高的安全等级。第二，一些区域是因为要保护一些特殊生物群种。由于一些稀有动植物对外来干扰很敏感，如果人类直接进行相应的监测工作，可能反而会破坏区域生态环境的完整性，也会对稀有生物造成不可估量的危害。第三，有些情况下监测某个区域需要花费很大的精力。比如一些情况下需要布置很多设备，通过多个设备来完成较大痊愈的通信网络覆盖，但得不偿失的是这可能只是用来监测和控制。第四，有些情况要求系统实施成本低，而且不能铺设大量电缆。系统可以拓展重组，能够实时更新，即便于暂时性地组网工作。第五，系统必须能够完成对数据的处理和存储功能。可以大量地存储从传感器收集到的数据，而且，在PC处于离线状态时，能够离线进行数据的提取和分析处理。
由于其相关性极好，可以涉及很多具体情况。那么可预知，在无线传感器相关设备成本不断降低同时，在传感器网络应用不断普及的同时，无线环境的监测技术一定会给我们带来更多生活和工作上的方便。
在各个无线通信技术中，蓝牙具有低成本大容量的的特点，然而其通讯距离过短，只有5-10米，不满足大区域的无线监测要求。Wifi技术的通信容量大，速度快，通讯距离也扩大到100米，但是较高的成本也制约着它的推广应用。相比而言，zigbee技术传输速率低，成本低，它的功耗也非常低[3]。这些要求正是小型低成本的物联网所要求的。在大区域长时效的环境监测工作中，起到了很好的作用。本课题就综合技术，成本等各方面因素考虑，选择以zigbee技术来设计一套用于农场大棚环境的无线监测模拟设备。
1.2 课题的研究现状
目前，zigbee无线技术被越来越多地应用到环境监测方面：
在消防监测网络中加入zigbee技术便实现了新型消防监测系统。原理是大量布置廉价的节点，这些节点不仅廉价，而且不需要定期更换电池，发生故障时也比较容易维修。而传统的火灾报警系统通常维修复杂而且成本大，也比较容易受到外接环境干扰。比如空气尘埃比较严重的区域，由于光敏电阻会被尘埃遮挡，很可能会导致光敏电阻误反应，从而导致系统误报警[4]。其故障率和误报率很存在问题。但是，利用这种无线传感器网络，通过节点监测数据来实现实时监控。大大地降低了成本和出错率，不失为一种新的消防报警系统诞生带来希望。
在对水环境的监测问题上，也可以设计基于zigbee的环境监测方案。因为不同污染物在水体中的光谱特性各个不同，该方案就是就是通过不同污染物在水体中的不同光谱特性来作为监测的依据。根据物质的物理化学特性，大多不同的污染物对水体的颜色，温度和透明度等会产生不同的影响，从而水体会反射不同的波谱变化特性[5]。我们通过研究遥感图的特征，经过处理识别监测出环境参数。这种方法不仅信息获取快，成本低，而且几乎不会造成对水体的污染。完成了洁净无污染的监测目标，解决了大区域内地表水环境的监测问题。
到目前为止，在众多无线传感器网络应用的案例中，大鸭岛项目的研究是最著名的。早在2002年，加州大学和大西洋学院联合开展了一个名为“in-situ”的海岛生态环境监测项目。该项目就是利用无线传感器网络实现对生态环境的无线监测。项目中，研究人员总共布置了43个传感器节点，通过他们组成传感器网络。传感器节点上运行的软件的为TinyOS,在各个节点上均通过传感器监测不同的参考数据[5]。如光敏传感器会监测区域内的光照度，温湿度传感器用来监测环境中温湿度等。在不同的传感器监测下，海燕巢穴的生态环境被实时监测。
1.3研究目标及内容
本文就基于zigbee技术，设计一套用于温室环境的无线监测模拟装置，考虑到成本，可实现性和大棚温室的实际环境监控需求，我们选取了大棚环境中的温湿度作为监测对象。主要为了实时监测大棚温湿度保证植物良好生长。
本课题主要研究内容总结如下：
（1）传感器节点的硬件设计，首先要进行温湿度传感器、线性稳压器的选型，然后完成传感器节点部分的原理图和PCB板绘制。
（2）协调器的硬件设计，包括LCD的选型以及原理图和PCB板的绘制。
2 系统总体设计
2.1 设计需求
为了增强系统的实用性，在设计之前，我们了解了植物生长所需的大棚环境状况，并结合了具体的成本，可操作性等因素，总结出了一些设计时存在的需求：
传感器节点主要采用DHT11温湿度传感器为接收监测点的温湿度数据的模块，然后，将数据传输给Zigbee模块。通过主控芯片CC2530处理后将数据通过无线射频信号发送到协调器模块。
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