基于zigbee的蔬菜大棚环境参数采集系统设计.doc

摘 要目前，ZigBee技术已经广泛应用于近距离传输的无线通信领域，尤其是在工农业控制、医疗卫生方面日益起着越来越重要的作用。本设计意在通过ZigBee无线通信技术构建一个无线传感器网络（WSN），采用树型网络拓扑结构，对加入该网络的传感器节点进行温度、湿度、光照强度和二氧化碳浓度的数据进行采集和分析，将此应用于对农业里温室的环境检测和控制当中，避免了有线网络的布线问题和成本问题。本设计利用了一个结构合理的Web应用程序，搭建Web服务器来动态显示传感终端所采集的温室数据。关键词：ZigBee；CC2430；无线传感器网络；温湿度采集32 / 38AbstractCurrently, ZigBee technology has been widely used in close range transmission of wireless communications is increasingly playing an increasingly important role, especially in the agricultural and industrial control, medical protection. This design is intended to build a wireless sensor network (WSN), the adoption of ZigBee wireless communication technology, the use of a tree network topology, sensor nodes join the network temperature, humidity, light intensity and carbon dioxide concentration of the data collection and analysis will this applied to the detection and control of the environment on agricultural greenhouse, to avoid the cable network cabling problems and cost issues. This design uses a rational structure of the Web application, set up a Web server to dynamically display greenhouse data collected by the sensor terminal.Key words: ZigBee; CC2430; wireless sensor networks; temperature acquisitio目 录摘 要IAbstractII目 录III前 言V1.绪论11.1研究的背景和意义11.2 国内外温室测控系统研究现状11.2.1 国内温室测控系统研究现状11.1.2 国外温室测控系统研究现状22.系统分析42.1 系统总体架构42.2 系统设计原理52.3 系统节点设计63.系统概述83.1 数字温湿度传感器SHT1083.2 CC2430芯片103.3串行通信接口RS-232123.4 显示模块133.5 报警模块144.系统软硬件的设计154.1 系统硬件设计154.1.1 Zigbee节点硬件设计154.1.2 传感器节点硬件设计164.1.3 温湿度数据采集节点设计184.1.4 基站节点的设计214.2 系统软件设计264.2.1 Zigbee网络软件设计264.2.2 传感器终端软件设计264.3 服务端的设计和实现274.4 远程主机端的设计和实现275.系统测试295.1系统测试步骤295.2系统测试结果295.2.1 系统的硬件测试295.2.2 协议栈的测试295.2.3 GPRS测试295.2.4 上位机的测试295.3系统测试结果分析30结 论31参考文献32致 谢33前 言随着我国国民经济的发展人民生活水平日益提高,冬季大棚蔬菜市场日渐扩大。在利用蔬菜大棚生产中,温度、湿度等因素直接关系到大棚作物的生长,因此,对大棚温湿度数据进行实时、精准的采集以及监测调节是实现大棚蔬菜生产优质、高效益的重要环节。传统的环境参数系统使用有线监测设备,具有线路多、布线复杂、维护困难等缺点,在很多特定区域无法顺利使用。基于此,本文介绍了一种基于Zigbee的蔬菜大棚环境参数采集系统,该系统利用无线通信技术,无需布设任何线路,自动组网,成本低廉,采集及监测节点数量大,有效地实现了对蔬菜大棚环境参数采集的实时无线监控,促进了蔬菜大棚的智能化、统一化管理。1.绪论1.1研究的背景和意义21世纪是设施农业迅速发展的时期。发达国家与发展中国家纷纷采取措施，加大投资.大力发展智能化设施农业。设施农业是采用先进的科学技术和工厂化生产方式，把作物种植在一个相对封闭的空间，为作物的高效生产提供适宜的生长环境，并且在任何地区，一年四季均能种植任何作物的现代化农业。设施农业是农业现代化的重要标志，其特点表现为高产量、高品质、环保、周年可持续生产。设施农业的迅速发展加速了农业科学推广，对农业现代化水平的提高起到了积极的推动作用。植物的生长都是在一定的环境中进行的，其在生长过程中受到环境中各种因素的影响，其中对植物生长影响最大的是环境中的温度和湿度。环境中昼夜的温度和湿度变化大，其对植物生长极为不利。因此必须对环境的温度和湿度数据进行采集、监测和控制，使其适合植物的生长，提高其产量和质量。本系统就是利用价格便宜的一般电子器件来设计一个参数精度高，控制操作方便，性价比高的应用于农业种植生产的蔬菜大棚温湿度采集测控系统。温室内作物生长到一定时期，一方面对温室环境进行调控会影响作物的生长，另一方面作物光合作用、蒸腾作用的改变又对室内环境因子产生新的影响，从而产生了一种反馈作用机制，而在现有的温室环境控制系统并没有考虑到这种反馈作用机制。如果能同时对没施内的温度、光照、二氧化碳浓度等进行智能调控，并能考虑到作物反馈作用机制，这种调控方式既节约资源又提高生产效率。研究温室环境控制的现状及发展趋势，不仅可以提高作物的产量和降低温室能耗，而且对未来温室环境调控的发展具有重要的指导意义。1.2 国内外温室测控系统研究现状1.2.1 国内温室测控系统研究现状目前温室环境控制系统主要针对温度和湿度控制进行研究。卢佩等采用模糊控制方法，通过建立模糊控制系统模型和对模糊控制器的设计，引入解藕参数，实现系统的温湿度解耦控制，提高了温湿度控制的精度。黄力栎等针对温室气候控制方法中温湿度之间的耦合作用，提出以温度控制为主、湿度控制为辅的控制策略，并建立两变量输入、三变量输出的控制主回路和补偿回路模糊控制系统，从而为温湿度控制提供了一种行之有效的方法。邓璐娟采用逆系统方法对温室环境非线性系统进行了解耦和线性化，同时对随机的扰动进行补偿，采用PDF控制算法和Smith预估补偿对线性化后的系统进行了综合校正，在选择校正后闭环系统的参数时考虑了非线性系统解耦的要求。朱虹通过对历史温室环境数据的合理分析，将温室的温度控制模型近似为一阶惯性加时滞环节。基于该温度近似模型采用Zhuang等中提出的时间为权误差积到分指标最优的参数自整定公式来整定PID控制器参数，将整定后的PID控制器应用于温室控制。杨泽林等通过数据挖掘，利用采集的温室内、外温度及室内湿度数据对温室状态进行分类，提出一种基于各类别中的温室温、湿度变化率相关性进行模糊解耦控制。沈敏等考虑开关设备组合作用下温室测控系统的非线性动态特性，提出结构简单、不需复杂数值计算的离散预测模型，对设备组合进行滚动优化预测控制，大大简化温室测控系统预测控制算法的复杂性，缓解了测控系统分布大时滞问题。1.1.2 国外温室测控系统研究现状国外的温室环境起步较早，温室环境控制经过多年的发展，控制技术和理论发展到较高水平。随着用于温室环境控制的作物模型的研究，研究人员将温室物理模型和作物模型结合起来，以实现温室的高效生产。Seginer等进行模拟研究确定温室二氧化碳施肥的优化措施，其方法是在建立一系列函数(作物生长函数、温室函数、设备函数及成本函数)之后，进行数值寻优得到不同温光水平下最优的二氧化碳施肥量，并给出一系列图表用于指导实际二氧化碳施肥操作管理；Van- Straten等利用作物的光合作用和蒸腾作用进行温室内短期的优化与控制，利用有效积温的原理进行温室的长期的优化与控制，将短期优化和长期优化相结合，实现了以经济最优为目标的温室环境控制。Aaslyng等利用作物的光辐射吸收、叶片的光合作用和呼吸作用预测模型建立了温室环境控制系统，根据自然光照来控制温室内的温度，系统在节省能源和由于光照减弱而导致的作物产量降低之间取得了很好的平衡。基于作物与环境的动态响应时间尺度不同，前人把温室作物生产优化控制问题分成慢速子问题和快速子问题2个子问题。Seginer等只考虑慢速子问题，Hwang只考虑快速子问题。Van Henten是第一位解决整个优化控制问题的科学家，提出把系统分解为2个时间尺度的方法，根据该方法首先解决长期问题，然后用长期问题的结果来计算短期问题的轨迹并把该方法应用到生莱生产的优化控制中。从以上文献可以看出，国外进行温室环境控制时已经考虑到作物与环境的相互作用机制，同时考虑到作物动态响应与环境动态响应的时间尺度不一致性，但应用到黄瓜生长的优化控制中较少。2.系统分析2.1 系统总体架构无线传感器网络终端节点主要由数据采集模块、数据处理模块、数据传输模块和电源管理模块组成。数据采集模块负责通过各种类型的传感器采集物理信息；数据处理模块负责控制整个节点的处理操作、功耗管理以及任务管理等；数据通信模块负责与其他节点进行无线通信，它通过ZigBee无线电波将数据传送到路由节点或主协调器节点，路由节点再将数据转送到主协调器节点或经过上级路由节点转给主协调器节点，主协调器节点通过RS 232串口将所有信息汇集传至PC机或服务器。本系统的模型主要分为四块:温湿度的数据采集节点、负责从节点接收数据并向主机发送数据的系统节点、主机（服务器）以及最终的用户。该系统的总体架构图如图2-1所示：远程主机端服务器程序系统节点数据采集节点图2-1 系统总体架构图该系统由上位机（PC）监控端和下位机ZigBee网络两部分组成。下位机ZigBee网络系统负责采集温室大棚内的温湿度数据，上位机负责显示温湿度数据并进行实时监控。下位机ZigBee网络系统由温湿度传感器模块、路由器模块和协调器模块组成。温湿度传感器模块主要负责采集、存储和上传温湿度信息。路由器模块主要负责转发温湿度信息。协调器模块主要完成温湿度数据的汇聚。下位机ZigBee网络系统和上位机之间通过RS-232串口进行通信。当监测大棚温湿度信 息时，首先通过上位机端监控软件设置好波特率和串口号等参数，然后协调器开始组建ZigBee网络，这时路由器节点和温湿度传感器节点开始加入ZigBee网络。分布在各个大棚内的温湿度传感模块开始采集温湿度信息，并存储在Flash中，通过单跳或者多跳的方式发送到上位机，上位机监控端接收到温湿度信息后，把各个大棚内的温湿度信息显示出来。当温湿度信息异常时，在监控端会有异常提示，以便及时处理。各个传感器节点每隔一定的时间采集一次它周围的温湿度，并将温湿度数据通过临近节点或直接传给基站核心板上；基站核心板负责收集从各个几点上传来的数据，并通过串口转传到服务器端上；远程主机将建立数据库来存储这些数据，为用户提供查询操作，主机也可以实现报警等功能。以下是对这几部分功能的详细介绍：1、温湿度传感器数据采集节点：本系统中该环节主要是通过CC2430集成的暴露在空气中的温湿度传感器来采集菜蔬大棚里空气的温湿度，将其转化成数字信号，并通过Zigbee无线网络将这些采集到的数据发送到基站节点。数据采集节点并不是多对一的传输关系，每个节点都有路由转发功能，也可以接受来自邻近节点的数据，并将其转发给基站节点，从而扩大了测量的距离，解决了无线测量范围有限的难题。2、基站：基站作为本系统的核心环节，它需要完成收集从自己网内各个数据采集节点发来的数据，并将这些数据通过串口发送到计算机(也可以称作服务器上)进行存储，从而为上层用户提供查询等服务提供了数据依据。基站也是一块CC2430的增强型工业标准的嵌入式核心板，它在组网中的序号必须是01号，否则将接受不到数据。3、服务器端：服务器端通过串口线将从基站收到的数据存储在数据库中，并通过GPRS网络传输给远程主机端，从而为上层软件的设计、用户的使用提供了数据依据。本系统的一个重点是在服务器端建立一个软件系统来管理这些数据。4、远程用户端：该部分主要负责从服务器端收集数据，并存储在自己的数据库中，并以此为数据基础为用户提供数据。本系统在该软件设计中实现数据接收的控制、温湿度数据的显示、历史数据的查询、删除、温湿度的自报警以及系统用户等的管理。2.2 系统设计原理该检测系统充分利用ZigBee技术的软、硬件资源,辅以相应的测量电路和SHT10数字式集成温湿度传感器等智能仪器,能实现多任务、多通道的检测和输出。并且通过RS232接口实现与上位PC机的连接,进行数据的分析、处理和存储及打印输出等。它具有测量范围广、测量精度高等特点,前端测量用的传感器类型可在该基础上修改为其他非电量参数的测量系统。温湿度检测系统采用SHT10为温湿度测量元件。系统在硬件设计上充分考虑了可扩展性,经过一定的添加或改造,很容易增加功能。根据温室大棚内的温湿度、土壤水分、土壤温度等传感器采集到的信息，利用串口通信RS-232将传感器信息发送给上位计算机，然后再接到上位计算机上进行显示，报警，查询。监控中心将收到的采样数据以表格形式显示和存储，然后将其与设定的报警值相比较，若实测值超出设定范围，则通过屏幕显示报警或语音报警，并打印记录。与此同时，监控中心可向现场控制器发出控制指令，监测仪根据指令控制风机、水泵、等设备进行降温除湿，以保证大棚内作物的生长环境。监控中心也可以通过报警指令来启动现场监测仪上的声光报警装置，通知大棚管理人员采取相应措施来确保大棚内的环境正常。2.3 系统节点设计 数据采集节点及其基站节点是一组安放在蔬菜大棚实地内的传感器和无线通信模块的终端集合。主要是负责大棚内空气的温湿度的数据采集，并接收从基站发来的指令，定时通过无线模块将本节点采集到的温湿度数据传输给基站节点。1、数据采集节点是定时的(默认设置成10S采集一次温湿度数据)采集数据，这个时间间隔可以是网络中的基站向温湿度传感器节点发送重新设置时间间隙的控制命令来完成设置的。PPP(Point-to-Point Protocol)协议是在设计和实现网络中基站节点功能所要用到的技术。PPP协议是为在同等单元之间传输数据包这样的简单链路设计的链路层协议。这种链路提供全双工操作，并按照顺序传递数据包。设计目的主要是用来通过拨号或专线方式建立点对点连接发送数据，使其成为各种主机、网桥和路由器之间简单连接的一种共通的解决方案。传感器应用了其技术从而实现了数据的接力传送，从而提高了网络通信的效率。数据采集节点主要由电源模块、处理器模块、温湿度传感器收集模块和无线通信模块4个模块构成的：（1）电源：采用两节1.5V的纽扣电池组成的3V直流电为整个系统供电。（2）处理器模块和无线通信模块：采用增强型工业标准的CC2430核心板，它是加强版的Zigbee模块。（3）温湿度传感器收集模块：采用CC2430核心板集成温湿度传感器SHT10。数据采集节点的硬件框图如图2-2所示：图2-2 为数据采集节点硬件框架图2、温湿度采集节点也是基于Zigbee通信协议的终端设备。Zigbee的基础是IEEE 802.15.4,但IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，因此Zigbee联盟扩展了IEEE，对其网络层协议和API进行了标准化。与其他无线标准802.11或802.16不同，Zigbee以250Kbps的最大传输速率承载有限的数据流量。它满足国际标准组织(ISO)开放系统互连(OSI)参考模型，主要包括物理层、数据链路层。Zigbee是一种新兴的短距离、低速率、低功耗的无线可自组的网络技术。主要用于近距离无线连接。在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信，这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。3.系统概述3.1 数字温湿度传感器SHT101、SHT10的结构原理SHT10是瑞士Sensirion公司生产的一款含有已校准数字信号输出的高度集成数字式温湿度传感器，体积微小、功耗极低，由于采用了CMOSensR技术，从而可确保器件具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。该传感器包括一个电容性聚合体测湿敏感元件和一个用能隙材料制成的测温元件，并在同一芯片上，与14位的A/D转换器以及串行接口电路实现无缝连接。生产过程中，每个传感器芯片都在极为精确的湿度腔室中进行标定，以镜面冷凝式湿度计为参照，校准系数以程序形式储存在OTP内存中，在标定的过程中使用。SHT10传感器的湿度测量范围为0100RH，湿度测量精度为4.5RH20到80RH，湿度测量分辨率为0.03RH；温度测量范围为-40+123.8，温度测量精度为0.5（25时），温度测量分辨率为0.01。可实现宽范围的温湿度测量。SHT10默认的测量分辨率分别是温度14位、湿度12位，也可以通过修改传感器的8位状态寄存器的“1”将分辨率分别降至12位和8位，通常在高速或最低位为超低功耗的应用中采用低分辨率。其中传感器SHT10的原理图如图3-1所示。图3-1 传感器SHT10的原理图2、引脚说明a.电源引脚（VDD、GND） SHT10的供电电压为2.4V5.5V。传感器上电后，要等待11ms，从“休眠”状态恢复。在此期间不发送任何指令。电源引脚（VDD和GND）之间可增加1个100nF的电容器，用于去耦滤波。b.串行接口 SHT10的两线串行接口（bidirectional 2-wire）在传感器信号读取和电源功耗方面都做了优化处理，其总线类似I2C总线但并不兼容。串行时钟输入（SCK）。SCK引脚是MCU与SHTIO之问通信的同步时钟，由于接口包含了全静态逻辑，因此没有最小时钟频率。即微控制器可以以任意慢的速度与SHT10通信。串行数据（DATA）。DATA三态引脚是内部的数据的输出和外部数据的输入引脚。DATA在SCK时钟的下降沿之后改变状态，并在SCK时钟的上升沿有效。即微控制器可以在SCK的高电平段读取有效数据。在微控制器向SHT10传输数据的过程中，必须保证数据线在时钟线的高电平段内稳定。为了避免信号冲突，微控制器仅将数据线拉低，在需要输出高电平的时候，微控制器将引脚置为高阻态，由外部的上拉电阻(例如; 10k)将信号拉至高电平。为避免数据发生冲突，MCU应该驱动DATA使其处于低电平状态，而外部接1个上拉电阻将信号拉至高电平。3、发送命令用一组“ 启动传输”时序，来表示数据传输的初始化。它包括：当SCK时钟高电平时DATA翻转为低电平，紧接着SCK变为低电平，随后是在SCK时钟高电平时DATA翻转为高电平。4、测量时序(RH和T)发布一组测量命令（00000101表示相对湿度RH，00000011表示温度T）后，控制器要等待测量结束。这个过程需要大约20/80/320ms，分别对应8/12/14bit测量。确切的时间随内部晶振速度，最多可能有-30%的变化。SHT10通过下拉DATA至低电平并进入空闲模式，表示测量的结束。控制器在再次触发SCK时钟前，必须等待这个“数据备妥”信号来读出数据。检测数据可以先被存储，这样控制器可以继续执行其它任务在需要时再读出数据。接着传输2个字节的测量数据和1个字节的CRC奇偶校验。UC需要通过下拉DATA为低电平，以确认每个字节。所有的数据从MSB开始，右值有效（例如：对于12bit数据，从第5个SCK时钟起算作MSB；而对于 8bit数据，首字节则无意义）。用CRC数据的确认位，表明通讯结束。如果不使用CRC-8校验，控制器可以在测量值LSB后，通过保持确认位ack高电平，来中止通讯。在测量和通讯结束后，SHT10自动转入休眠模式。警告：为保证自身温升低于0.1，SHT10的激活时间不要超过10%（例如，对应12bit精度测量，每秒最多进行2次测量）。3.2 CC2430芯片1、CC2430芯片简介 CC2430芯片以强大的集成开发环境作为支持，内部线路的交互式调试以遵从IDE的IAR工业标准为支持，得到嵌入式机构很高的认可。它结合Chipcon公司全球先进的ZigBee协议、工具包和参考设计，展示了领先的ZigBee解决方案。其产品广泛应用于汽车、工控系统和无线感应网络等领域，同时也适用于ZigBee之外2.4GHz频率的其他设备。其引脚示意图如图3-2所示。 CC2430包含一个增强型工业标准的8位8051微控制器内核，运行时钟32MHz。 CC2430包含一个DMA控制器。8K字节静态RAM，其中的4K字节是超低功耗SRAM。32K，64K或128K字节的片内Flash块提供在电路可编程非易失性存储器。CC2430集成了4个振荡器用于系统时钟和定时操作：一个32MHz晶体振荡器，一个16MHz RC-振荡器，一个可选的32.768kHz晶体振荡器和一个可选的32.768kHz RC 振荡器。CC2430也集成了用于用户自定义应用的外设。一个AES协处理器被集成在CC2430之中，用来支持IEEE 802.15.4 MAC 安全所需的（128位关键字）AES的运行，以尽可能少的占用微控制器。中断控制器为总共18个中断源提供服务，他们中的每个中断都被赋予4个中断优先级中的某一个。调试接口采用两线串行接口，该接口被用于在电路调试和外部Flash编程。I/O控制器的职责是21个一般I/O口的灵活分配和可靠控制。图3-2 CC2430芯片引脚示意图CC2430包括四个定时器：一个16位MAC定时器，用以为IEEE 802.15.4的CSMA-CA算法提供定时以及为IEEE 802.15.4的MAC层提供定时。一个一般的16位和两个8位定时器，支持典型的定时/计数功能，例如，输入捕捉、比较输出和PWM功能。CC2430内集成的其他外设有: 实时时钟；上电复位；8通道，814位ADC；可编程看门狗；两个可编程USART，用于主/从SPI或UART操作。为了更好的处理网络和应用操作的带宽，CC2430集成了大多数对定时要求严格的一系列IEEE 802.15.4 MAC协议，以减轻微控制器的负担。这包括：自动前导帧发生器、同步字插入/检测、CRC-16校验、CCA、信号强度检测/数字RSSI、连接品质指示(LQI) 和CSMA/CA协处理器。2、CC2430芯片的主要特点CC2430 芯片延用了以往CC2420 芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee 射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用1个8位MCU（8051），具有128 KB可编程闪存和8 KB 的RAM，还包含模拟数字转换器(ADC)、几个定时器（Timer）、AES128 协同处理器、看门狗定时器（Watchdog timer）、32 kHz 晶振的休眠模式定时器、上电复位电路(Power On Reset)、掉电检测电路(Brown out detection)，以及21个可编程I/O引脚。CC2430 芯片采用0.18m CMOS 工艺生产,在接收和发射模式下，电流损耗分别低 于27mA 或25mA。CC2430 的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。3.3串行通信接口RS-2321、电气特性RS-232采用负逻辑在TxD和RxD上：逻辑1(MARK)=一515V逻辑0(SPACE)=+5+15VRS-232的主要电气特性为：带37k欧姆负载时驱动器的输出电平：逻辑“1”：一5 一12V；逻辑“0“：+5 +12V。不带负载时驱动器的输出电平： 一25+25V。驱动器转换速率：30V，L 。接收器输入阻抗：37K欧姆之间。接收器输入电压的允许范围：一25 +25V。最大负载电容：2500PF。2、电平转换RS-232是用正负电压来表示逻辑状态，与1vrL以高低电平表示逻辑状态的规定不同。为了能够同计算机接口或终端的1vrL器件连接，必须在EIA-RS-232与1vrL电路之间进行电平和逻辑关系的变换。实现变换的方法目前较为广泛地使用集成电路转换器件，如MC1488、SN75150芯片可完成1vrL电平到EIA电平的转换，而MC1489、SN75 154可实现EIA电平到1vrL电平的转换，MAX232芯片可完成1vrL一IA双向电平转换。MAX232芯片的转换口，包含两路驱动器和接收器的RS-232转换芯片。芯片内部有一个电压转换器，可以把输入的+5V电压转换为RS-232接口所需的10V电压，最大的好处是工作电压为+5V，不需要额外电源。3.4 显示模块本系统中所需要显示的内容比较简单，采用一般液晶显示器即可满足系统需求，综合成本及效果考虑决定采用市场上使用广泛的LCD1602液晶显示模块。如图3-3所示。图3-3 LCD1602液晶显示模块原理图 1、特性：（1）工作电源：5V 亮度可调；（2）内部控制：HD44780；（3）支持LCD的一般控制命令；（4）字符发生器ROM：160个57点阵字型；（5）显示数据寄存RAM:80Byte；（6）用户自定义字型RAM：8个57点阵字型；2、引脚说明VSSVDD: 工作电源和地；VEE: 辉度调节端；RS: 寄存器片选信号接口；R/W: 读写信号控制接口；E : 使能信号；D0D7: 8位数据I/O口。3、控制方式LCD内部可看成两组寄存器，指令寄存器与数据寄存器，选择信号由RS引脚控制，RS=0，指向指令寄存器，此时的读为读标志位，写则是写入指令到控制寄存器。对LCD的一切操作都必须在内部忙标志位为0的情况下有效。确认本次操作置E为1；RS=1,操作指向数据寄存器，读写的对象都是内部RAM。在使用LCD之前应对其先初始化，可从以下几个方面入手：选定LCD的显示功能；设定LCD显示模式； 设定显示字符的进入方式；清屏。3.5 报警模块蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。简单易懂，还易用音乐作为其报警声音，所以选择用电磁式蜂鸣器作为本次设计的报警系统。如图3-4所示。电磁式蜂鸣器工作原理：（1）电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。（2）接通电源后，振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场。振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下，周期性的振动发声。图3-4 蜂鸣器报警电路 4. 系统软硬件的设计 早期对蔬菜大棚内温湿度的监控是采用手工控制的，通过长期的经验积累，对蔬菜大棚内农作物的生长状况的记录等形成的依据，直接对大棚的温湿度进行调节以使给大棚里的作物一个适宜生长的环境。而基于Zigbee网络的蔬菜大棚监控系统可以节省一定的人力资源，将收集到的数据和系统设置的上下限进行对比，将准确的进行报警，通知相关人员进行处理。相比于人工管理阶段，本系统一定程度上提高了生产效率。4.1 系统硬件设计4.1.1 Zigbee节点硬件设计ZigBee节点硬件结构如图4-1示，主要由CC2430射频芯片和传感器构成。 图4-1 ZigBee节点硬件结构CC2430芯片整合了高性能2.4 GHz DSSS（直接序列扩频）射频收发器内核和工业标准的增强型8051 MCU，还包括了8 KB的SDRAM、128 KB的Flash，是一种片上系统（SOC）解决方案。将相应的传感器与CC2430的IO引脚连接，可测得所需的温室环境参数，并通过ZigBee无线网络进行传输。本文总体硬件设计是实现针对主协调器节点的设计与开发。主协调器的硬件系统中包括CC2430通信模块、键盘电路模块、串口转USB模块、液晶显示模和电源电路模块等。主协调器节点的主要功能是负责接收和存储传感器节点发送来的消息，并向传感器节点发布网络控制信息，同时与Pc机进行数据交换。其中串口转USB模块负责转换CC2430模块与PC机的通信信号；液晶显示模块负责节点工作状态的指示；电源模块通常采用持续电力供电，为主协调器节点提供运行所需的能量。根据气象采集系统的需求设计硬件结构，并设计各部分电路，包括无线传输模块、CC2430接口模块、复位电路模块、电源电路模块、数据采集模块、扩展电路模块及外围电路。如图4-2所示为主协调器节点硬件组成图。LCD模块通用接口CC2430天线键盘电路A/D转换复位电路8051MCU存储器串口转USB电源管理PC 图4-2 主协调器节点硬件组成图4.1.2 传感器节点硬件设计传感器节点是由无线收发器CC2430、射频天线RF、电源模块、晶振电路和串口电路组成。由于CC2430芯片本身带有温度传感器，因而本实验直接采用了CC2430的内置温度传感器监测温度。但是该温度传感器的精度有限，如果要求更高的精度，可以扩展出一个温湿度传感器，如SHT10。传感器终端设备由RF收发模块、传感器模块和执行器驱动模块组成。其中执行器驱动模块主要是由继电器电路组成，而传感器模块由数字温度传感器DS18B20、数字湿度传感器SHT21、微型数字二氧化碳传感器S-100及TSL230B光照强度频率传感芯片组成，而RF收发模块使用的是TI公司提供的CC2430无线收发模块，具体电路原理如图4-3所示。图4-3 基于CC2430芯片的RF收发模块电路图下面对每个部分的功能和指标进行详细介绍：(1)信息收集终端：即协调器，放置于监控室， 完成网络的建立与维护，和节点之间绑定的建立，实现数据的汇总，然后以有线的方式传送到上位机软件，进行进一步数据处理。本设计采用RS-232串口将采集到的数据发送到上位机。(2)温度采集终端：即节点，放置在需要采集温度的地方。温度采集终端可以实现网络的加入、与协调器绑定的建立、温度的检测。检测到的温度通过ZigBee无线网络发送到协调器。(3)上位机：位于监控室，完成对所采集温度的汇总与显示。采集到的数据实时保存到文档中，同时以折线图的形式实时反映出温度的变化趋势，使其更为直观。4.1.3 温湿度数据采集节点设计数据采集节点按功能模块划分可分为：无线通信模块和温湿度数据采集模块。（1）无线通信模块CC2430是一块符合IEEE802.15.4标准的片上Zigbee芯片。它的无线通信模块的基础是数据采集节点之间是采用点对点的通信方式。其数据采集的流程图如图4-4所示：图4-4 数据采集节点流程图在系统启动，数据采集节点开启后，并完成初始化工作后，节点将开始搜索其无线范围内的网络信息。由于Zibgee网络内的节点具有路由转发的功能，所以节点之间也可以互发数据，直至将源数据发送到最终的基站节点。(2) 温湿度数据采集模块温湿度采集模块式采用温湿度传感器SHT10。SHT10是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，采用CMOSens专利技术将温度湿度传感器、A/D转换器及数字接口无缝结合。SHT10与CC2430连接电路原理图如图4-5所示：图4-5 CC2430与SHT10连接电路原理图该传感器由1个能隙式测温元件、1个电容式聚合体测湿元件、1个14位A/D转换器和1个2-wire数字接口组成，使得该产品具有体积小、精度高、功耗低、反应快、抗干扰能力强等优点。而且SHT10 数字式传感器具有类似I2C总线数字接口的通信方式与CRC数据传输校验。数据采集节点在上电后，经过11ms后，SHT10会从休眠状态恢复到等待状态；接着发送一组“传输启动”时序进行数据传输的初始化工作,然后发送一组测量命令（其中相对湿度RH量的时序命令为“0000 0101”，摄氏温度T量的时序命令为“0000 0011”）开始测量周围的温湿度量，等待测量结束（大约需要20/80/320ms对应其8/12/14位的时间）；最后SHT10将下拉DATA到低电平（进入空闲模式）表示测量结束了，并传入一个字节的CRC校验并开始接收数据。图4-5为温湿度数据采集模块流程图。 图4-6 温湿度数据采集模块流程图 其中产生启动传输时序的程序片段如下：/相关其他的代码P1_1=1；P1_0=1；wait(1)；P1_1=0；wait(1)；P1_0=0；wait(1)；P1_0=1；wait(1)；P1_1=1；wait(1)；P1_0=0；/其他相关代码4.1.4 基站节点的设计1. ZigBee技术概述ZigBee是一种新型的短距离、低成本、低功耗、低数据速率和低复杂度的无线通信技术。ZigBee的名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈来分享新发现的食物源的位置、距离和方向等信息。借此来寓意ZigBee的特点。ZigBee是一种新兴的短距离、低速率的无线通信网络技术。它有自己的协议标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从 一个传感器传到另一个传感器，所以通信效率非常高。IEEE于2000年12月成立了802.15.4小组，负责制定了介质接入控制层(MAC)和物理层(PHY)规范，于2003年5月通过IEEE802.15.4标准，这是ZigBee技术的基础标准，被称作为IEEE802.15.4(ZigBee)技术标准。ZigBee 联盟成立于2002年8月，由英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉(现Freescale)公司以及荷兰飞利浦半导体公司组成。四大巨头共同宣布加盟ZigBee联盟，负责提供网络层和应用层的框架设计，并研发名为ZigBee的下一代无线通信标准。ZigBee技术符合行业标准，它提供互操作性，从而使不同厂商之间的设备能够相互进行通信，并为系统集成商和客户提供灵活的购买选择，还可以降低原始设备厂商(OEM)的成本。目前世界大型IT 公 司不断推出自己的ZigBee解决方案，比较著名的有Freescale公司、Microchip公司、Chipcon公司（现在TI的子公司）等。美国和欧洲引领了ZigBee技术的发展前沿，韩国、日本也纷纷研制出ZigBee 的相关开发套件和解决方案。国内也有很多著名的研究所和知名院校也加入到该领域的研究工作中来，其中宁波研究所己经研制出2.4GHz的ZigBee网络节点，一些公司和研究机构也纷纷推出自己的ZigBee开发套件，可以预计，在未来的几年里，ZigBee 技术将是通信领域研究和开发的热点技术，具有广阔的应用前景。2. ZigBee技术可以弥补其它短距离无线通信技术的缺陷，它具有以下的优点：(1)数据传输速率低。ZigBee技术的数据传输速率，一般在10kb/s250kb/s，非常适合于于低传输速率应用。(2)功耗低。由于工作周期很短，收发信息功耗较低，并且采用了休眠模式，因此在通常情况下，两节普通5号干电池支持节点工作长达6个月到2年左右的时间，从而避免充电和频繁更换电池。这是ZigBee技术最引以为豪的独特优势。(3)协议简单。(4)低成本。由于ZigBee数据传输速率低，协议简单和较小的存储空间，所以大大降低了成本。每片芯片的价格一般在23 美元，并且ZigBee协议是免专利费的。(5)网络容量大。一个ZigBee网络可以容纳最多254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100 个ZigBee网络。(6)工作频段灵活。ZigBee使用的频段分别为2.4GHz、868MHz（欧洲）、915MHz（美国），均为免执照频段，这样也降低了成本。(7)传输可靠性高。ZigBee采用了CSMA-CA碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。MAC层采用完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，才可以发送下一个数据包，这样有效的保证了传输数据的可靠性。(8)安全性高。ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-128，同时各个应用可以灵活确定其安全属性。(9)时延短。针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。设备搜索时延典型值为30ms，休眠激活时延典型值是15ms，活动设备信道接入时延为15ms，这对某些时间敏感的信息至关重要，而且时延缩短后节省了能量消耗。(10)网络的自组织、自愈能力强。ZigBee的自组织功能指无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络；ZigBee自愈功能指能够增加、删除一个节点，节点位置发生变动或节点发生故障时，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应地调整，无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作；ZigBee技术的传输速率虽然只有250kbps，但完全可以满足传输挠度数据的需求。ZigBee技术的网络连接设备相对于其它短距离无线通信技术来说是最多的，传输距离较远并且费用、功耗最低，因此将ZigBee无线通信技术应用于组建桥梁挠度无线传感器网络中。3. ZigBee网络配置（1） ZigBee设备功能类型ZigBee网络的基本成员即“设备”，按照功能的不同可分为两类：全功能设备FFD(Full Function Device)和精简功能设备RFD(Reduced Funetion Deviee)。全功能设备(FFD)是具有转发与路由能力的节点。它拥有足够的存储空间来存放路由信息，其处理控制能力也相对较强。FFD可作为协调器、路由器和终端设备，支持任何拓扑结构。精简功能设备(RFD)只能接收和发送信号，其内存小、功耗低、功能简洁，在网络中只能作为终端设备使用。FFD可以和FFD、RFD通信；而RFD只能和FFD通信，RFD 之间的通信只能通过FFD转发。FFD不仅可以发送和接收数据，还具备路由器的功能。RFD的应用相对简单，例如在无线传感器网络中，它们只负责将采集的数据发送给其父节点，并不具备数据转发、路由发现和路由维护等功能。就成本而言，RFD由于功能简单、存储容量小，因此RFD相对于FFD具有较低的成本。（2）ZigBee设备节点类型ZigBee网络中根据设备所处的角色不同定义了三种逻辑设备类型：协调器 (Coordinator)、路由器(Router)和终端设备(End Device)。a、ZigBee 协调器是三类设备中最为复杂的一种。它的存储容量最大、计算能力最强，因此必须是全功能设备FFD，并且一个ZigBee 网络PAN(Personal Area Network)中也只能存在一个协调器。ZigBee 协调器在运行之前需要配置相关的网络参数和设备参数，供后面使用。上电后ZigBee协调器进行初始化，首先扫描信道，选择合适的信道，然后建立起自己的网络，允许其它设备加入网络。工作状态下，ZigBee协调器不但要发送和接收数据，而且还需要管理网络中设备的加入和离开，建立不同设备之间的相关绑定信息，并处理各种设备和服务查询请求。b、ZigBee路由器也是一个全功能设备FFD。它类似于IEEE802.15.4 定义的协调器。ZigBee路由器上电后，应当加入或重新加入网络。如果是加入新网络，它需要扫描信道，选择合适的网络加入；如果是重新加入网络，它需要扫描信道查找父设备。在加入网络后它就自动获得一个16位网络地址，并允许在其通信范围内的其它节点加入或离开网络，同时还具有路由和转发数据的功能，路由节点只有在簇树网络和网状网络中存在。c、ZigBee终端设备可以由简化功能设备RFD或者全功能设备FFD构成。其主要负责与实际的监控对象相连，这种设备只与自己的父节点主动通信，并从父节点处获得网络标识和短地址信息，具体的信息路由则全部由其父节点及网络中具有路由功能的协调器和路由节点完成。4、ZigBee的工作模式ZigBee网络的工作模式可以分为信标(Beacon)模式和非信标(Non-beacon)模式两种。信标模式可以实现网络中所有设备的同步工作和同步休眠，以达到最大限度地节省功耗，而非信标模式只允许ZE进行周期性休眠，协调器和所有路由器设备长期处于工作状态。5、IEEE802.15.4标准和Zigbee协议介绍IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers美国电气和电子工程师协会)无线个人区域网工作组的IEEE802.15.4技术标准是Zigbee的技术基础。IEEE802.15.4标准的制定是为低能耗的简单设备提供有效覆盖范围在10m之内的低速连接，用于无线监测、工业控制等消费与商用应用领域。IEEE802.15.4支持两种的网络拓扑结构，即单跳星状或当通信线路超过10 m时的多跳对等拓扑。但是对等拓扑的逻辑结构由网络层定义。LR-WPAN中的器件既可以使用64位IEEE地址，也可以使用在关联过程中指配的16位短地址。一个IEEE802.15.4网最多可以容纳216个器件。IEEE802.15.4标准最重要的特点是低功耗。因为在现实中用电池供电的嵌入式器件，经常的更换电池所产生的费用往往比器件本身的成本还要高。所以在IEEE802.15.4标准的制定中，在数据传输过程中引入了节省功率的机制。多数机制是基于信标使能的方式，主要是限制器件或协调器之