基于物联网的智能农业设计

1、本 科 生 毕 业 论 文 *（题目小二号楷体加粗） *（作者姓名小二号楷体加粗）学 院：（全称楷体三号加粗，文 字位于横线中间，下同） 专 业： 班 级： 学 号： 指导教师： 职称（或学位）： 年 月（三号楷体加粗居中）原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文（设计），是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文（设计）不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本论文（设计）的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学生签名： 年 月 日 指导声明本人指导的 同学的毕业论文（设计）题

2、目大小、难度适当，且符合该同学所学专业的培养目标的要求。本人在指导过程中，通过网上文献搜索及文献比对等方式，对其毕业论文（设计）内容进行了检查，未发现抄袭现象，特此声明。指导教师签名： 年 月 日目 录1 XXXXXX22 XXXXXX22.1 XXXXXX22.2 XXXXXX23 XXXXXX2N结论2致谢(可选项，若无就删去)2参考文献2附录(可选项，若无就删去)2基于51单片机的嵌入式物联网客户端研究作者姓名（宋体四号，居中）（学院全称 指导教师：XXX）(楷体五号，居中)摘 要物联网是新一代信息技术的重要组成部分，以物联网为核心的基础，在互联网基础上的延伸和扩展的网络，其用户端延伸和

3、扩展到任何物体与物体间，通过射频识别（RFID）、红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，按约定的协议，把任何物体和互联网相连接，进行信息交换和通信，以实现物体的智能化识别、定位、监控和管理的一种网络。是现代信息技术发展到一定阶段后出现的一种聚合性应用与技术提升，它将各种感知技术、现代网络技术和人工智能与自动化技术聚合与集成应用，使人与物智慧对话，创造一个智慧的世界。物联网应用中广泛使用的是“M2M”(Machine-to-Machine)应用，即“物物联网”，驱使各行各业走向信息数字化和商业流程的自动化。对于现在这样一个高度信息化的社会，信息获取至关重要，信息的多元化、丰富化、实

4、时性最为重要。这就要求我们要有多方面、多渠道及及时获取信息的设备和手段，物联网就更好的突出了它的优势。物联网的发展有着重要的社会意义，无论是人们的日常生活，还是交通出行都带来了前所未有的智能化。使人们生活更加便捷，更加方便。关键词：物联网；M2M；单片机；无线网络；传感器；RFIDAbstract Internet of Thingsis an important part of a new generation of information technology to the core foundation of things , extension and expans

5、ion of the network based on the Internet , the client-side extension and expansion into between any object and the object , through radio frequency identification (RFID) , infrared sensors, global positioning systems, laser scanners and other information sensing device , according to the agreed prot

6、ocol, to any object and connected to the Internet , information exchange and communication in order to achieve the object of intelligent identification , positioning, monitoring and management a network. Is an aggregation of applications and technology to enhance the development of modern informatio

7、n technology after a certain stage , it will all kinds of sensing technology , modern network technology and artificial intelligence and automation technology aggregation and integration applications, so that the wisdom of dialogue and objects to create a the wisdom of the world.Things are widely us

8、ed in applications "M2M" (Machine-to-Machine) applications , namely "material things" , driven by businesses to automate digitization of information and business processes. For now such a highly information-oriented society , access to information is critical , diversified inform

9、ation -rich , real-time nature of the most important. This requires that we have a multifaceted , multi-channel and timely access to equipment and means of information, things would be better highlight its advantages. IOT development has important social significance , whether it is people's dai

10、ly life, or traffic travel have brought unprecedented intelligence. Make people's lives easier , more convenient.Keywords: Internet of Things; M2M; MCU; wireless networks; sensor; RFID1 物联网技术的意义1.1 物联网的介绍物联网是在计算机互联网的基础上，利用RFID无线射频识别技术、传感器技术、视频识别技术、无线数据通信技术等，构造成的一个覆盖世界上万事万物的“Intern

11、et of Things”。在这个网络中，物品（商品）能够彼此进行“交流”，而无需人的干预。物联网利用局域网或互联网等通信技术把传感器、控制器、机器、人员和物等通过新的方式联在一起，形成人与物、物与物相联，实现信息化、远程管理控制和智能化的网络。物联网是互联网的延伸，它包括互联网及互联网上所有的资源，兼容互联网所有的应用，但物联网中所有的元素（所有的设备、资源及通信等）都是个性化和私有化的。其实质是利用射频自动识别（RFID）技术，通过计算机互联网实现物品（商品）的自动识别和信息的互联与共享，所以物联网就是“物物联网”，常被称作为“M2M”。物联网利用的是二维码标签、射频识

12、别标签（RFID）、各类传感器/敏感器件等技术和设备，通过互联网与电信网实现物与物、物与人之间的信息交互，支持智能的信息化应用，实现信息基础设施与物理基础设施的全面融合，最终形成全社会统一的智能基础设施。这类感知设备是能够让物体“开口说话，相互交流”的一种技术。在“物联网”的网络中，RFID标签中存储着规范而具有互用性的信息，传感器感知相关物体相关信息，通过无线数据通信网络把它们自动采集到中央信息系统，实现物品（商品）的识别和物物间的相互信息交换，进而通过开放新的计算机网络实现信息交换和共享，实现对物品的“透明”管理。 1.2 物联网的意义 物联网是当前各国政府都

13、寄予极大希望的未来增长领域，因而都采取各种激励和扶持政策。我国政府也高度重视这一领域的发展，已经将其列入国家重点支持的新兴产业之一。国家工业和信息化部发布"十二五"物联网发展规划中提出，到2015年，我国要在物联网核心技术研发与产业化、关键标准研究与制定、产业链条建立与完善、重大应用示范与推广等方面取得显著成效，初步形成创新驱动、应用牵引、协同发展、安全可控的物联网发展格局。预计到2015年我国物联网市场规模将超过5千亿元，2020年将达到万亿元级。如此大规模的市场需求以及政府政策性的支持，物联网的发展前景是不言而喻的。1.3 物联网的应用物联网的提出及应用，解决了交通、电

14、力和医疗等行业上的一些问题。从通信的角度，现有通信主要是人与人的通信,而物联网涉及的通信对象更多的是“物与物”或者“人与物”，仅仅就目前涉及的物联网行业应用而言，就至少有交通、教育、医疗、物流、能源、环保、安全等，应用领域如图1所示。涉及的个人电子设备，至少可能有电子书阅读器、音乐播放器、DVD播放器、游戏机、数码相机、家用电器等等。如果这些所谓的“物”都纳入物联网通信应用范畴，其潜在可能涉及的通信连接数可达数百亿个，为通信领域的扩展提供了巨大的发展空间。 图1 物联网应用领域 2 物联网客户端的设计物联网的系统主要包括三大结构：感知层、传输层和应用层。物联网的工作过程是：感知层实现

15、数据信号的采集处理，通过RFID射频识别、GPS定位系统、机器视觉、激光扫描器等传感设备，将获取的信息通过相应的运算处理后交给传输层；由传输层将数据通过广域网、局域网、GPRS、蓝牙、wifi等相关技术将数据传输到应用层；应用层收到数据后，对数据进行远程无线监看、远程无线控制终端、应用层用户可对数据进行处理等等。在本设计中将以应用层客户端为研究对象，将详细介绍基于物联网的智能农业温室大棚的客户端设计过程。2.1 客户端的结构在整个物联网的系统中，客户端是实现人机交互或者是设备间交互的一个通道，所以设计好客户端是准确监控好感知层的关键。在本系统中，主控端主要采集温室大棚的温度、湿度、二氧化碳浓度

16、等信息，将采集的数据传到客户端。监控室客户端在收到相关数据后通过12864LCD液晶显示器显示出来，同时监控室也能无线调节温室大棚内的设置参数，还将数据通过网络传输到网络服务器，实现计算机远程监控，采用可视化编程语言设计界面友好的环境监测与管理系统，实现对温室的远程监控与管理操作。整个客户端系统结构如图2所示。RF无线433MHz射频模块STC89C52主控芯片232转网络接口模块12864LCD显示器图2 客户端系统结构图2.2 硬件电路设计系统的硬件电路采用Altium Designer 2009软件设计。Altium Designer以其简单操作、强大的功能而深受设计者的亲睐，他不仅仅可

17、以完成原理图的设计、PCB的设计，而且还可以做到错误校验、自动布线、设计规则设置等等，同时其信号仿真和可编程逻辑设计技术的融合使得电子设计软件能处理更为复杂的系统，从而真正的为每一个电子设计师提供最优质的电路设计工具，所以他当之无愧的成为了使用范围最为广泛的EDA软件之一。软件的工作界面如图3所示。图3 Altium Designer工作界面2.2.1 Altium Designer软件设计电路的步骤和方法一个电路的设计是经过设计构思、整体方案设计、原理设计到各部分物理结构设计的全部过程，设计电路的目的最终是为了做出PCB印制电路板。电路设计流程如图4所示：1） 项目分析 从整个项目的角度分析

18、项目的功能需求，分析要实现需求应采取的方案，选择什么样的CPU以达到预期的效果。所以项目分析将决定电路原理图的设计以及PCB印制电路设计。2） 元器件图的绘制及封装的绘制 虽然功能强大的Altium Designer软件系统自带了丰富的元器件库和PCB库，但是也不可能完全包含所有厂家的元器件封装，针对软件自带库中没有的元器件及封装，都是需要我们设计人员自己绘制的，以建立自己的元器件库。3） 设计电路原理图 原理图反应整体系统功能原理的电路链接图绘制电路原理图的时候，根据项目的难易程度考虑是否选用分层设计。Altium Designer带有强大的ERC校验功能，绘制好电路图后，可进行ERC校验，

19、检查设计中的错误。4） 设计PCB电路板 绘制完电路原理图后，对原理图的每一个元件添加封装。完成封装添加之后即可将原理图的元器件导入PCB工程，导入PCB工程后的首要工作是绘制板子形状，并且确定将要设计板子的层数。做好这些准备之后，即可开始对PCB电路板进行布局、布线，最后根据情况确定是否要敷铜。最后同样利用DRC校验板子是否有错误。5） 资料整理 完成以上工作后，电路的设计的最后一道工序就是资料整理。元器件清单的生成、原理图、PCB文件的保存等，以便焊接、调试和维修的时候方便参考。开始运行软件设置图纸绘制原理图绘制PCB图资料整理图结束图4 电路设计流程2.2.2 硬件模块设计1）单片机系统

20、设计首先是单片机的选型，本设计中采用宏晶科技的STC89C51单片机2，该芯片是51芯片的加强版。STC89C51单片机具有提高MCU的运行速度，运行稳定，价格便宜，良好的性价比等特点，其支持的最高时钟为80M，这样能最大限度地提高MCU的运行速度；具有双倍速功能，支持6时钟周期模式运行；具有ISP在线系统编程功能，大大缩短开发复杂度，同时可节省购买编程器的额外投入；STC89C51单片机内部包括8KB的Flash程序存储器ROM、1KB的数据存储器 RAM，与普通的8051单片机完全兼容，而51单片机的开发环境也很成熟3：如KeilC语言广泛地应用于新产品的开发，这对于缩短系统开发

21、周期有着很重要的意义。单片机最小系统如图5所示。图5 单片机最小系统 2）RF射频模块设计设计中的数据无线通信采用SI4432无线传感网络的来实现，单片机控制Si4432实现无线数据的收发5。客户端中模块收到数据进行一系列的解码处理，并以SPI接口的方式传给客户端的单片机，实现数据的无线传输。Si4432是一款低于1GHz高性能射频收发器。其主要针对工业、科研和医疗(ISM)以及短距离无线通信设备(SRD)。SI4432输出功率可达+20dBm，接收灵敏度达到-121dBm，可提供对数据包处理、数据缓冲FIFO、接收信号强度指示(RSSI)、空闲信道评估(CCA)、唤醒定时器、低电压检测、温度

22、传感器、8位AD转换器和通用输入/输出口等功能的硬件支持6。其电路如图6所示。图6 Si4432无线射频模块电路接口图 3）12864LCD显示器电路设计 由于本系统信息显示量大，所以设计中选用12864汉字图形点阵液晶作为显示模块。该模块内置128*64-12汉字图形点阵的液晶显示控制模块，用于显示汉字及图形4。该芯片共内置8192个中文汉字（16*16点阵）、128个字符的ASCII字符库（8*16点阵）及64*256点阵显示RAM（GDRAM）。为了能够简单、有效地显示汉字和图形，该模块内部设计有2MB的中文字型CGROM和64*256点阵的GDRAM绘图区域；同时，该模块还提供有4组可

23、编程控制的16*16点阵造字空间；除此之外，为了适应多种微处理器和单片机接口的需要，该模块还提供了4位并行、8位并行、2线串行以及3线串行等多种接口方式。硬件连接图如图7所示。图7 12864LCD显示器电路4）TTL转以太网模块设计 由于STC89C52单片机无法支持以太网接口功能，所以设计中采用串口转以太网的方式实现，以达到数据能够正常上传服务器7。设计中的232转以太网模块采用美国微芯公司的PIC18F66J60方案，其设计原理图见附件A所示。3 物联网客户端软件设计客户端软件部分设计包括客户端WEB网页设计和单片机程序设计两大部分：3.1 WEB网页设计WEB是一种体系结构，通过它可以

24、访问遍布于 Internet 主机上的链接文档。WWW 之所以能够很快 风靡全世界，主要是因为它提供了超级文本的各种媒体文件形式，人们利用超级链接就可以方便地访问分布在世界各地的丰富网络信息资源8。而从本质上讲，Web 是基于客户机/服务。 Web技术的应用领域主要是服务器端的应用程序的开发，为客户实现远程的数据连接，主要的WEB技术有.net，asp，jsp，spring，structs等10。在本设计中的客户端采用WEB网页实时对智能温室大棚实现远程监控。3.1.1 WEB系统结构物联网客户端WEB监控界面主要包含用户注册、用户登

25、录、用户可视化监控和控制界面以及历史数据查询界面、错误提示等5个部分，系统结构如图8所示。 错误提示用户注册用户登录用户可视化 监控界面服务器程序历史数据查询图8 WEB客户端结构图3.1.2 WEB功能描述WEB客户端监控界面实现数据采集；温室大棚内的温度、湿度、二氧化碳浓度、等数据通过RF射频无线传输到客户端设备上，客户端通过以太网传递到服务器，在服务器上通过WEB页面将数据以可视化的界面呈现在监控人员眼前，如果传感器上报的参数超标，系统出现阈值告警，并可以自动控制相关设备进行智能调节。WEB客户端数据存储和历史数据查询9；系统可对历史数据进行存储，形成知识库，以备随时进行处理和查询。系统

26、还可以将采集到的数值向用户展示时间分布状况图和空间分布状况。 错误报警；系统允许用户制定自定义的数据范围，超出范围的错误情况会在系统中进行标注，以达到报警的目的。3.2 单片机程序设计客户端实现通过型号为SI4432的无线射频IC模块接收到来自终端采集的数据，将数据通过12864LCD显示器显示，通过将数据通过串口输出，232转以太网模块再将数据传输到服务器上。以实现远程实时监控。客户端单片机程序流程图如图9所示。 开始 系统初始化While（1）是 RF是否收 到数据否 LCD显示检测的值 串口发送数据到以太网模块 结束图9 客户端主程序流程图 客户端采用STC89C52单片机为主

27、控芯片，主要完成对无线数据的接收、12864LCD液晶显示器的驱动、串口数据的收发等功能1。Si4432使用4线SPI，即MOSI、MISO、SCK和nSEL，MOSI用于从单片机到Si4432的串行数据传输；MISO用于从Si4432到单片机的串行数据传输；SCK用于同步 单片机和Si4432之间在MOSI和MISO线上的串行数据传输；nSEL作为片选信号，只有片选信号为低电平时，对Si4432的操作才有效。单片机通过SI4432获取到了监控数据后，将数据在LCD上显示，设计中的12864LCD为8为并行总线模式，单片机通过RS/RW端对LCD模块按照规定的协议写入数据和命令，即可

28、实现对12864显示器的操作。以太网数据的传输采用的是232转以太网模块，在这部分程序设计中，只是对串口数据的处理，当RF收到数据时，将该数据通过串口传输到以太网；当串口收到以太网传来的控制命令时，将还控制命令通过SI4432模块传输到主控端，以实现对大棚内设备的控制。串口数据的接收采用中断方式，程序流程图如图10所示。 开始 中断初始化等待串口中断产生RF发送WEB的控制 命令到主控端 结束图10 客户端中断程序流程图4  功能仿真 6.1 软件介绍 在这部分工作中用到了medwin3和Proteus两个软件，其中Medwin3用来编译程序并

29、生成hex文件，装入Proteus仿真图的芯片中，通过仿真结果一步步进行调整最后达到预期的功能。 6.1.1  PROTEUS PROTEUS软件是目前世界上最先进、最完整的嵌入式系统设计与仿真平台，可以实现数字电路、模拟电路及微控制器系统与外设的混合电路系统的电路仿真、软件仿真、系统协同仿真和PCB设计等功能，是目前唯一能够对各种处理器进行实时仿真、调试与测试的EDA工具。微控制器系统相关的仿真需建立编译和调试环境，可选择MedWin V3 软件。该软件支持众多不同公司的芯片，集编辑、编译和程序仿真等于一体，同时还支汇编和C语言的程

30、序设计。Proteus的界面友好易学，在调试程序、软件仿真方面有很强大的功能。 其革命性的功能是：将电路仿真和微处理器仿真进行协同，直接在基于原理图的虚拟原型上进行处理器编程调试，并进行功能验证，通过动态器件如电机、LED、LCD、开关等，实时看到运行后的输入、输出的效果。Proteus为我们建立了完备的电子设计开发环境。 6.2仿真过程 通常在仿真过程中会遇到很大的麻烦。在程序汇编通过之后程序不一定是正确的，比如我刚开始进行仿真时数码管并不进行显示，结果发现应该是置零的置一了，应该置一的置零了。改正之后发现虽然走时程序正常了，但是调时中出现了大量的问题，更不要说

31、闹铃和定时程序了。在整个毕业设计的过程中程序的修改贯穿始终，在修改的过程中一定要条理清晰，认真细心。 6.2.1仿真图的绘制 在使用Proteus进行仿真时，由于无法仿真出RF4432无线通信和数据转以太网的的效果，所以仿真中只能对12864LCD显示效果进行仿真，所以不用画出射频驱动电路以及以太网电路相关仿真图。绘制结果如图11所示。图11 电路仿真图6.2.2功能的实现 在绘制仿真图之后，要向单片机装入程序，从而使单片机开始工作并带动整个电路工作，装入过程为：点击单片机，选择所编译程序的输出hex文件，确定即可。此时单片机会按照程序所设定的功能进行工作，仿真结

32、果如图11所示。图11 仿真结果结 论本次设计研究的范围较广，主要涉及到了物联网、传感器技术、RF无线传感网络、WEB网页设计和基于Altium Desginer的电路设计等。设计中通过设计电路图和编写软件控制程序，软件仿真达到了设计的要求。归纳起来有以下几点： （1）本课题实现了通过RF无线传感网络获取到无线数据，实现了客户端与主控端的无线数据传输功能。 （2）系统硬件设计使用了STC89C52单片机、AMS1117-3.3V电源稳压芯片、LCD12864液晶显示器、SI4432无线数据传输模块、串口电路以及232转以太网电路等。（3）系统软件设计包括程序初始化、RF射频数据处理、串口数据接

33、收中断处理、LCD显示器显示内容控制等，软件操作方便和容易修改。当然，本毕业设计还存在不足之处，系统中为了方便测试，客户端数据传到服务器采用了以太网的形式，在实用中常常会因为网络布线的问题而受到环境因数的制约，当然设计中只要对该部分设计稍加改动，即可采用GPRS的方式实现数据到服务器上的无线传输。总之，这次设计从软件编写、调试到软硬件联机调试，我倾注了大量 的时间和心血。真是曾经为程序的编写而冥思查找过，曾经为无法找出错误而郁闷苦恼过，也曾经为某一功能不能实现而犹豫彷徨过，但最终我成功了。在这个过程中我不仅品味到了结果的喜悦，更明白了过程的弥足珍贵。参考文献1 李陪金.C语言程序设计

34、案例教程.西安：西安电子科技大学出版社    2008.1 2 张志良.单片机原理与控制技术.北京：机械工业出版社 3 周立功.单片机基础实验指导书.广州：广州周立功单片机发展有限公司出版社4 戴佳 .51单片机C语言应用程序设计实例精讲.北京：电子工业出版社    2006.4 5 陈光东.李东，马晋等单片微型计算机原理与接口技术M武汉：华中理工大学出版社，2009：35-416 赵军辉. 射频识别技术与应用. 北京：机械工业出版社, 2008：1-7.7 李华.李东.MC

35、S51/98系列单片机原理与应用M.北京：机械工业出版社，19978 张念鲁,刘红屏.WEB 程序设计教程M.高等教育出版社,2004.1 9 宣小平,但正刚,张文艺.ASP数据库系统开发实例导航M.人民邮电出版社,2003.1 10 丁贵广,闫允一,孟繁杰.ASP及ASP.net编程基础与实例M.机械工业出版社,2004.1 附件 A 232转以太网电路原理图：附件 B 客户端电路原理图：附录 C关键性的程序：/*SI4432相关函数*/*数据发送函数*/void sending()SpiWriteRegister(0x07, 0x01);SpiWriteRegister(0x7F, 0x4

36、2);SpiWriteRegister(0x7F, 0x55);SpiWriteRegister(0x7F, 0x54);SpiWriteRegister(0x7F, 0x54); SpiWriteRegister(0x7F, 0x4F); SpiWriteRegister(0x7F, 0x4E);SpiWriteRegister(0x7F, 0x31);SpiWriteRegister(0x7F, 0x0D);SpiWriteRegister(0x05, 0x04);SpiWriteRegister(0x06, 0x00);ItStatus1 = SpiReadRegister(0x03);

37、ItStatus2 = SpiReadRegister(0x04);SpiWriteRegister(0x07, 0x09);while(NIRQ = 1);ItStatus1 = SpiReadRegister(0x03);ItStatus2 = SpiReadRegister(0x04);for(delay = 0; delay < 10000;delay+);SpiWriteRegister(0x05, 0x03); SpiWriteRegister(0x06, 0x00); ItStatus1 = SpiReadRegister(0x03);ItStatus2 = SpiReadRegister(0x04);SpiWriteRegister(0x07, 0x05);/*写寄存器子函数*/void SpiWriteRegister (U8 reg, U8 value) uchar i,Temp_byte; NSS = 0; Temp_byte = (reg|0x80);/write data into the SPI register for(i = 0x00; i < 0x08; i+) if(Temp_byte&a