基于无线传感器网络的精准农业环境监测系统设计说明

1、 PAGE57 / NUMPAGES63 齐 齐 哈 尔 大 学毕业设计（论文）题 目 基于无线传感器网络的精准农业环境监测系统设计学 院 通信与电子工程学院 专业班级 物联网111班 学生 卢 旭 指导教师 苗凤娟 成 绩 2015年 6 月 25 日摘 要众所周知，无线传感器技术已经成为农业环境监测的主要技术，通过该技术解决了传统农业环境监测的诸多问题，比如：设备繁多、维修困难；布线繁琐、容易腐化；规模庞大、不易管理等。本设计基于无线传感器网络技术根据要求不仅能够采集农业环境参数，还利用视频技术采集了环境的图像信息，这样不仅从数据分析上得到农业环境参数，更能通过图像直观的观测农田环境，为本

2、设计提供更可靠的依据。本设计融合软件和硬件，对于无线传输硬件，选择了Zigbee模块和Wifi模块，Zigbee模块主要负责传输传感器的数据，Wifi负责传输视频，因为需要采集温湿度、二氧化碳浓度和光照强度，所以比较了多种传感器后，温湿度传感器选择DHT11，二氧化碳传感器使用MG811，对于光照强度传感器使用BH1750。传感器监测节点很简单，传感器采集数据经过Zigbee模块传送给协调器，由协调器在传送到上位机即可。另一部分采用Wifi模块传输摄像头采集的视频，将视频传输到上位机，监测农作物是否有病虫害，或者是否有人侵入等。软件则涉与了Altium designer设计硬件的电路图，上位机

3、选用Visual Studio 2013，程序设计语言C#，PC机接将数据存储、分析，若是超出了设置的围，则会自动实现报警功能，真正实现远程监测的功能。关键词：环境监测系统；无线传感器网络；传感器；协调器；AbstractAs we all know, the wireless sensor technology has become a major agricultural technology for environmental monitoring, through the technology to solve the many problems of traditional agri

4、culture environmental monitoring, such as: equipment range, difficult maintenance; wiring cumbersome, easy to corrupt; large-scale, difficult to manage and so on. The design is based on wireless sensor network technology can not only collect according to the requirements of agricultural environmenta

5、l parameters, but also the use of video technology to collect the image information environment, so that not only the agricultural environment parameters obtained from the data analysis, more intuitive observation by image farmland environment-oriented designed to provide a more reliable basis.The i

6、ntegration of software and hardware design, hardware for wireless transmission, select the Zigbee module and Wifi module, Zigbee module is mainly responsible for the data transmission of the sensor, Wifi responsible for the transmission of video, because you need to collect temperature, humidity, ca

7、rbon dioxide concentration and light intensity, it is more a more after the kind of sensor, temperature and humidity sensor selection DHT11, carbon dioxide sensors MG811, the light intensity sensors BH1750. Sensors monitor node is simple sensor to collect data to the coordinator after Zigbee module,

8、 by the coordinator in the transmission to the host computer can be. Another part of Wifi module transmission camera to capture the video, the video transmission to the host computer, monitor crops if there are pests and diseases, or whether someone breaks the like. Altium designer software involves

9、 the design of hardware circuit, the host machine selects Visual Studio 2013, the programming language C #, PC machines connected to data storage, analysis, if beyond the scope set alarm function will automatically truly remote monitoring functions.Keywords: environmental monitoring system; wireless

10、 sensor networks; coordinator; sensors;目 录 TOC o 1-3 f h z u HYPERLINK l _Toc16870 摘 要 PAGEREF _Toc16870 I HYPERLINK l _Toc24916 Abstract PAGEREF _Toc24916 II HYPERLINK l _Toc6879 第1章 绪论 PAGEREF _Toc6879 1 HYPERLINK l _Toc15724 1.1 选题背景和意义 PAGEREF _Toc15724 1 HYPERLINK l _Toc25642 1.2国外研究现状 PAGEREF

11、_Toc25642 2 HYPERLINK l _Toc4335 1.3本文容与安排 PAGEREF _Toc4335 3 HYPERLINK l _Toc786 第2章系统整体设计方案和核心技术 PAGEREF _Toc786 5 HYPERLINK l _Toc28937 2.1 系统功能要求与应用环境 PAGEREF _Toc28937 5 HYPERLINK l _Toc4337 2.2 系统设计思想 PAGEREF _Toc4337 5 HYPERLINK l _Toc3842 2.3总体设计方案构成 PAGEREF _Toc3842 6 HYPERLINK l _Toc27107

12、2.4系统最终实现目标 PAGEREF _Toc27107 7 HYPERLINK l _Toc20145 2.5硬件选取 PAGEREF _Toc20145 7 HYPERLINK l _Toc8681 2.5.1无线收发模块选取 PAGEREF _Toc8681 7 HYPERLINK l _Toc15757 2.5.2温湿度传感器选取 PAGEREF _Toc15757 8 HYPERLINK l _Toc7207 2.5.3二氧化碳传感器选取 PAGEREF _Toc7207 8 HYPERLINK l _Toc22389 2.5.4光照强度传感器选取 PAGEREF _Toc2238

13、9 9 HYPERLINK l _Toc7469 2.5.5WIFI模块选取 PAGEREF _Toc7469 10 HYPERLINK l _Toc11859 2.6本章小结 PAGEREF _Toc11859 10 HYPERLINK l _Toc14438 第3章 系统的硬件设计 PAGEREF _Toc14438 11 HYPERLINK l _Toc29773 3.1硬件整体设计 PAGEREF _Toc29773 11 HYPERLINK l _Toc14883 3.2基于CC2530的监测节点硬件设计 PAGEREF _Toc14883 11 HYPERLINK l _Toc92

14、61 3.2.1终端节点系统结构 PAGEREF _Toc9261 12 HYPERLINK l _Toc31454 3.2.2 Zigbee模块电路原理 PAGEREF _Toc31454 12 HYPERLINK l _Toc8717 3.2.3协调器电路原理 PAGEREF _Toc8717 13 HYPERLINK l _Toc11684 3.2.4终端节点电路设计 PAGEREF _Toc11684 14 HYPERLINK l _Toc16035 3.2.5电源模块设计 PAGEREF _Toc16035 15 HYPERLINK l _Toc2763 3.3视频模块设计 PAGE

15、REF _Toc2763 15 HYPERLINK l _Toc6550 3.3.1 WIFI与视频连接电路设计 PAGEREF _Toc6550 15 HYPERLINK l _Toc350 3.3.2 WIFI模块外围电路设计 PAGEREF _Toc350 16 HYPERLINK l _Toc957 3.4本章小结 PAGEREF _Toc957 17 HYPERLINK l _Toc11494 第4章 软件设计 PAGEREF _Toc11494 18 HYPERLINK l _Toc18505 4.1软件环境与使用语言 PAGEREF _Toc18505 18 HYPERLINK

16、l _Toc31351 4.2监测节点程序设计 PAGEREF _Toc31351 18 HYPERLINK l _Toc23568 4.2.1 传感器模块程序设计 PAGEREF _Toc23568 20 HYPERLINK l _Toc25366 4.3接收数据模块程序设计 PAGEREF _Toc25366 21 HYPERLINK l _Toc23707 4.4上位机设计 PAGEREF _Toc23707 22 HYPERLINK l _Toc1324 4.4.1上位机软件和语言 PAGEREF _Toc1324 22 HYPERLINK l _Toc26529 4.4.2上位机模块

17、设计 PAGEREF _Toc26529 23 HYPERLINK l _Toc11589 4.5本章小结 PAGEREF _Toc11589 25 HYPERLINK l _Toc25247 第5章 系统调试 PAGEREF _Toc25247 27 HYPERLINK l _Toc27188 5.1硬件模块调试 PAGEREF _Toc27188 27 HYPERLINK l _Toc15739 5.1.1 DHT11调试 PAGEREF _Toc15739 27 HYPERLINK l _Toc8901 5.1.2 MG811和BH1750调试 PAGEREF _Toc8901 27 H

18、YPERLINK l _Toc15865 5.1.3摄像头调试 PAGEREF _Toc15865 28 HYPERLINK l _Toc4566 5.2软件调试 PAGEREF _Toc4566 29 HYPERLINK l _Toc20927 5.2.1 IAR调试 PAGEREF _Toc20927 29 HYPERLINK l _Toc11336 5.2.2上位机软件调试 PAGEREF _Toc11336 30 HYPERLINK l _Toc19695 5.2.3视频调试 PAGEREF _Toc19695 31 HYPERLINK l _Toc23203 5.3本章小结 PAGE

19、REF _Toc23203 31 HYPERLINK l _Toc28091 结论 PAGEREF _Toc28091 33 HYPERLINK l _Toc7750 参考文献 PAGEREF _Toc7750 34 HYPERLINK l _Toc13281 附录一40 HYPERLINK l _Toc13281 附录二 PAGEREF _Toc13281 56 HYPERLINK l _Toc13281 致 PAGEREF _Toc13281 56第1章 绪论1.1 选题背景和意义中国是农业大国，耕地面积也超过世界许多国家，受分布零散、环境恶劣、病虫害等因素影响，本来显著的优势并没有得以体

20、现，经济发展匮乏，致使中国的农业发展前景黯淡，但是科学技术的腾飞，带动着各行各业向前迈进一大步，很多发达国家把科学这个新助力注入到其他产业，取得的效果非常明显，受到这种启发，我国也渐渐的将眼光转向科技与各产业融合，完美的实现了产业多元化。可是，农作物众多、多种环境参数无法预知，管理不与时、技术不成熟都导致科技农业的发展迟缓，因此针对这些问题，实施对植物长势的动态监测，是实现高效农业、提高农业管理水平的必要手段，也是真正提高了土地利用率1。针对传统农业问题，有线网络监测技术大规模使用，但是该种技术的农业环境参数需要人工现场采集，周期读数，才能完成整个系统的监测的目的，然而这个方案有着诸多的技术弊

21、端，比如：人工定期读卡，数据仅仅是某一时刻的数值，不是这段时间的数据包，无法反映农作物真正的生长状态；采集信息的设备昂贵且笨重，安装困难，占地面积大，维修难度较大，电缆布线错综复杂，容易受环境影响氧化或腐化而受损，维修不与时，就会造成数据的丢失，无法获得最新数据，况且监测围广大，放置设备时需要准确确定位置，否则就会出现监测漏洞，局部的数据自然无法代表整体，打个比方，要是调查全国男人的身高，仅仅调查男性的身高并不能代表全中国一样，这样的结论太过狭隘，没有论证力度2；监测环境发生突变时，不能与时改变设备参数，系统稳定性差；设备容易损坏，监测数据无法发送到监测终端，容错性差。因此，这些因素催生了无线

22、传感技术。那到底什么是无线传感技术？简单的说它是由无线通信和嵌入式两种技术杂交产生，功能是实现远程传输，并且不用布线，保证农作物种植面积，不用人工读取数据，节省人力，传感器抗干扰性强，数据采集精准，设备简单且廉价，可以大规模安装，不仅容易维修且不会出现监测死角，这就使得数据具有代表性。无线传感技术简言之就是由多个传感器和无线传输模块构成一个无线传感器网络，与上位机结合，构成这个精准农业环境监测系统；我们知道，无线传输技术有很多种，每一种也有不同的标准和特点，本设计采集空气温湿度、二氧化碳浓度、光照强度这些环境参数，除此之外还采集了视频信号，达到全面实时监测，那么根据采集信息的不同、传输速率、传

23、输有效距离以与设计花费等因素，在无线传输这里需要多加考虑，并不是每种无线技术都能达到设计的标准，所以这就需要多种无线传感技术的融合，那以下就根据这些微妙的不同做一下简单的分析。就像世界上有很多不同人种一样，无线传感技术也有相应的种类，我们在设计本监测系统时就必须考虑种类问题，种类不同，特点不同；传输距离、传输速率、功耗、成本等，还需要接收上位机指令实现双向通信，当前被人们所熟知无线传输技术不外乎就是Zigbee、Wifi、蓝牙、第三代移动通信技术、红外等3；每一种都有自己与众不同的特点，要知道整个系统都是在野外长时间作业的，所以，低功耗是选择的无线传输技术的硬性指标，一旦这个指标不符合，则不用

24、再考虑，Zigbee技术和Wifi技术是比较适合的，Zigbee最突出的特点是短距离传输、功耗很低、实现数据双向通信，最关键的就是成本很低，它组成了网络无非就是以自己为核心，其他传感器作为附属连接在核心上，这样就构成一个无线传输网络，只要节点足够多，它覆盖的面积可以达到无限，就是由于这个特点，它可以随意扩展，可调性非常大，从另一方面看，跟GSM和CDMA有相似之处，却也存在不同，后者两个都是传输语音信号，这就与本设计不符合了，选取Zigbee模块作为传感器数据传输模块，它有三种传输速率，可以具体情况具体分析，有两种工作模式，多级休眠和唤醒，只需要根据上位机指示然后操作即可，可以降低功耗，而使用

25、Wifi技术传输视频信号，因为Zigbee无法实现视频实时传输，即使分辨率足够低且能打包压缩也无法实现实时监测，就算上述因素满足，带宽和传输速率也不能达到传输视频信号的要求，除此之外，Zigbee只能传输容量较小的数据，比如温湿度、二氧化碳浓度等，而对于视频信号这样容量大的数据则不可，并且本视频采集只是一个固定的采集点，它采集半径在100m之的所有视频信息，所以对比传输距离，Zigbee的传输距离较短于Wifi，所以，综合考虑Wifi更加适合4。1.2 国外研究现状国外发达国家的农业发展本身起步就很早，虽然土地面积不如中国广阔，但是小却精，而且经济水平要远比中国高、科技力量先进，采用了模糊控制

26、、多单元变量等先进技术对农业进行控制，当20世纪接近尾声的时候，计算机发展的号角响起，各国学者都争先恐后的希望以计算机为依托做出更多贡献，显然计算机技术具有足够大的魅力，引领着研究人员将科技运用到各种行业当中。结合不同农作物最佳生产条件，调节外部设备，设置不同的环境参数，改善生长环境，赚取更多的经济收益。据调研发现，早在2002 年时，英特尔公司运用无线传感器网络技术建立了第一个无线葡萄园，此举为农业的发展开辟了历史性的新篇章5。即使原理比较简单，操作也相对容易，可毕竟技术有限，所以只能按照想法简单的实施，将大量的监测节点零散的安装在葡萄园里，形成一个包围型网络，将传感器采集模式设定成每隔一分

27、钟检测一次温湿度，除此之外，该区域出现的有害物的数量也会被记录，监测人员通过显示的数据给予恰当的措施，保证其生长最佳。在整个试验中，研究人员发现，葡萄生长主要受气候影响，气候特别恶劣，葡萄到不到预期的标准，酒的品质自然也随之降低。通过常年累计的大量的数据，进行多角度对比分析，利用现有设备，良好的掌握了葡萄的动态生长确实和环境参数息息相关，精确掌握葡萄生长过程中所需要的光照强度、二氧化碳浓度、风力强度、以与土壤PH等酸碱度，确定了这些因素，就能通过人工手段创造一个最适合葡萄生长的环境，从而获得最大的生产量。受到国外成功案例的启发，我国也紧追其后，市计划项目“蔬菜生产智能网络传感器体系研究与应用”

28、6，具体做法非常简单，就是把蔬菜大棚分成很多个单元，就像居民楼一样，一个单元当作一个监测区，每个监测区都放置几个监测节点，用来采集这个单元的环境参数信息，并且，区域与区域之间覆盖的网络围并不重合，也就是每个传感器所能达到的最大监测围的边缘也恰是另一个传感器的监测围边缘，这样既满足网络不重叠，也保证采集的高效。通过这些环境参数数据的对比，人为的强制性的改变其中某一参数，使其达到最佳生长状态。也就是说无线传感设备、监测者、控制中心形成一条监测纽带，实现人机一体化，从而达到预期目的、增加管理者收入。其次，由于物联网技术的飞速发展，农业发展比较集中的地区成为了试点对象，2015年，省克东县就作为智慧农

29、业的实验对象，根据国家发展项目的要求，鼓励智慧农业，国家会给项目提供实验资金，帮助整个项目顺利实施，通过大面积投产、使用，意图达到令人满意的结果。无论是对无线传感器网络还是对农业来说都是极致的发挥了本身最大的优点6，它安装简单，价格廉价、无需管理者花费大量时间管理，给管理者提供了前所未有的便利，真真正正实现农业环境的动态管理，总体来说，农作物环境信息采集加上控制中心监测完美的构建了一个无线监测平台，这个监测平台以最低的投入、最简单的管理、最高效的回报。1.3 本文容与安排论文首先论述了选题意义和背景，长时间调研，认为此课题具有研究意义并具有可行性，其次了解选题的国外研究现状，参考国外无线传感器

30、网络在农业环境监测方面的案例以与未突破的难点等，掌握系统设计所使用的核心技术和技术原理，清晰的掌握设计思路，在这之后就要涉与具体的设计流程了，首先就是整体设计方案，这点很重要，一个清晰的设计方案可以高效的完成工作，另一点就是元件的选取，这一点同样重要，元件的种类繁多而且各不一样，所以，综合多种因素选择合适的元件也是整个设计的关键之一，另外就是软件设计，这一点需要考察的就是设计者的编写程序的能力，有些程序是开源免费的，但是有些程序则需要根据不同的硬件编写，本设计中传感器很多，但是大体的思路几乎一样，所以设计起来并不是很困难，那最重要的算是上位机了，所谓监测系统必然是监测最重要，这就需要对上位机软

31、件选取的要求比较高，设计的界面不能过于复杂，但是也不能十分简单，要有独到的设计特点，便于管理者分析等等7。最后针对典型的环境监测应用，对系统的传输性能进行实验，并将该系统对得到的检测结果进行储存、分析和处理。那么，论文的主要容如下：绪论这一章的容并不复杂，背景和意义一定要清晰，这也是选择本设计题目的依据，国外研究现状，根据国外现状，开发本设计的特色，然后就是论文容安排，清晰的梳理思路，保证论文的撰写。这一章详细介绍整体的设计方案和核心技术，一个好的设计方案会使得设计清晰，若是哪里出错，根据设计方案回头一步一步找即可，还要说明，系统完成之后能到什么样的功能以与这个设计可以应用在什么样的环境下，还

32、涵盖了硬件的选取，包括传感器的各种型号分析、无线传输模块分析，选择最佳型号。这一章是本论文的核心章，主要叙述了整体的硬件设计，除了主要介绍整体硬件设计方案，还会一块一块解读，包括无线传输模块怎样进行电路设计，考虑了那些因素，具体怎样连接引脚等。此章也是论文核心章节，同硬件类似，先是总体讲述设计理念，然后对各个部分逐一解读，设计还包括了软件的选择和使用语言的简述。此章介绍整个系统设计的调试，到了这章，整个设计大概完成了，但是还需进一步对硬件和软件进行调试。第2章系统整体设计方案和核心技术2.1 系统功能要求与应用环境随着人们生活水平的提高，农业生产迟钝化、笨重化的问题,传统的农作物生产已远远不能

33、满足人们的要求。并且时代在进步，科技在发展，每一天都会有惊喜出现，无线通信技术、传感器技术,带动着我们更加向前，人们不满足这样笨拙的监管方式，对其提出了更高的需求，不仅仅是投入更少、收入更多，更多的是效率和方式，高效率的工作方式给我们带来足够的便利，因此，正是因为这些因素催生了本监测系统。基于无线传感器网络的精准农业环境监测系统设计可实现如下功能:能完成农业环境中温湿度、二氧化碳浓度、光照强度的采集。能完成以上采集数据的无线传输。(3)能完成农业大棚视频的采集。(4)能完成视频的无线传输。(5)上位机显示接收的所有数据和视频，若超出设定的阈值就会报警提示。本系统主要应用于集中性农业大棚或温室，

34、便于监测者对农作物的生长环境进行监测，为监测者建立起良好的农作物监测机制。2.2 系统设计思想本系统采用无线传感器网络技术，实现从温室大棚采集植物生长所需要环境参数，以与病虫害情况，将采集的数据通过协调器传送到上位机，与上位机设定的阈值比较，若是超过这个围，上位机提示，告诉监测者，此时参数超出标准，需要调整外围设备控制整个大棚的环境达到农作物生长最优的围；此外，整个系统还涉与了视频采集技术，这部分使用摄像头直接采集图像，观测整个监测区域是否有病虫害，若是有病虫害情况，就会通过上位机显示的视频观测到，从而采取相应措施，使整个农业环境达到最佳，从而实现精准农业环境监测目的。在此过程利用ZigBee

35、技术、无线传感器技术、Wifi技术、视频监控技术从农业到管理中心进行全面的监测。这个监测系统能够达到花费少、收入多的效果，从根本上改善传统农业。首先，我们把一个农业大棚作为一个实验对象，在实验对象分区，将每个区域作为一个监测单元，每一个监测单元放置两个传感器节点，这两个传感器节点作为终端节点，它们的任务就是精准的采集农作物生长环境参数。而另一部分则采用Wifi加视频技术，可以全面监测整个大棚的整体环境情况，对监测农作物病虫害有极大帮助，然后根据两个部分回传给监测中心的数据，进行数据判断，若是，采集的参数不再设定温度的围，便会采用报警机制，告知监测人员，监测人员使用正确手段，更能满足农作物生长需

36、要。2.3 总体设计方案构成基于无线传感网络的精准农业环境监测系统设计的方案大概如下，根据各部分功能分为三大部分，分别为传感器节点采集部分、环境参数传输部分和视频监视部分。有两个终端节点，分别由一个Zigbee模块和四个传感器组成，两个终端节点通过协调器将数据回传给上位机8，另一部分则是采集的视频信息以通过Wifi回传给上位机，这样在上位机上就会有一个相应的数据显示，一旦采集的数据超过设定的数据,就会有报警提示，整体流程如图2-1所示。上位机CC2530DHT11MG811协调器BH1750CC2530DHT11PC机MG811BH1750WIFI模块摄像头图2-1 系统整体结构那从上面的整体

37、结构图可以看出，硬件结构比较简单，概括的说就是将整体分成两个无线传输部分，一部分是核心是Zigbee模块的，它连接三个传感器，传感器包括DHT11、MG811和BH1750，采集必要的参数，另一个部分是以Wifi作为核心的无线传输部分，选择采集视频的是奥速高清摄像头。传感器模块主要负责采集农业大棚中的温度、湿度、光照和二氧化碳这些数据8；ZigBee模块的作用是负责将传感器模块测量到的数据通过协调器将数据回传到上位机显示。Wifi模块的作用将摄像头采集的视频传输给上位机，上位机将这些数据进行存储、保存。2.4 系统最终实现目标以当前来看，这种监测系统已经实现，但是功能不齐全，技术不完善，因此并

38、没有得到大面积推广使用，但是本设计不仅解决了这些难点，而且将采集数据变得更加精准，使得本监测系统具有无限的潜力。本设计通过实验，能够精准的采集农作物的生长环境的温湿度、光照强度、二氧化碳浓度、以与病虫害情况，通过两个无线传输模块分别成功的将数据传输到上位机上显示，并能通过上位机准确的观测出农作物生长的多种指标显示。至此，达到了最终目标。2.5 硬件选取2.5.1 无线收发模块选取无线传输技术很多，对应的无线收发模块业多种多样，合适的模块会延长整个系统的使用寿命，还可以节约成本。因此选择时，有几点要素值得设计者参考：(1) 对芯片编写程序是否易行。(2) 芯片外围元件是否复杂。冗杂的外围肯定会提

39、高成本，使电路更加复杂。(3) 功耗和发射功率要考虑在，搭建的电路是否稳定。 （4）数据位容纳围是否能够承受。在传输农作物环境参数的无线传输元件选择Zigbee模块，Zigbee模块实际上就是以CC2530为核心连接正常工作所需要的外围电路，即可构成Zigbee模块，它组建一个网络根本不需要大量成本9，Zigbee模块具体参数如表2-1所示。表2-1 ZigBee技术参数名称最小值典型值最大值单位电气性能:供电电压2.03.33.9V发射电流304050mA接收电流252730mA休眠电流无4uA无线传输性能：发射功率3.84.04.2mW接收灵敏度-97dBm无线传输速率250kbps2.5

40、.2 温湿度传感器选取这个器件确切的定义就是，能够同时完成温度和湿度的数据的采集的元件，设计要素不同，需要的传感器也不同，对于种植大棚或者温室，传感器的安装方式必须选择悬挂式，若是安放在土壤上面，可能会受到一定的腐蚀，都知道传感器比较容易损坏，若是确保其正常运转，壁挂式则是非常好的选择，所以，根据这些设计要点，对考虑在设计围的传感器的对比看表2-2即可。表2-2 三种型号温湿度传感器对比表型号JCJ175ASHT11DHT11工作电压24 V2.4-5.5V 3.3-5.5V测量精度温度：0.5湿度：3%RH 温度：0.5湿度：0-100%RH 温度：2 湿度：5%RH测量围 湿度：0-100

41、%RH 温度：0-50湿度：0-100%RH 温度：40-123 湿度：20-90%RH 温度：0-50观察上面的对比表可以看出，JCJ175A所需工作电压太高，考虑到正常供电电压为5V，就需要设计一个升压装置，这就违背本系统的设计理念，故不考虑。剩下的两种传感器在工作电压上均达到了要求，可以暂时考虑，但是，对于测量精度温度上，SHT11比DHT11更加有优势，但是本比设计需要的是温湿度传感器，不能单独考虑一个参数，应该将温度和湿度结合起来考虑，所以根据湿度的测量精度，最终选择了DHT11。那我们知道DHT11是兼顾采集和传感技术的能输出数字信号的传感器，部结构非常简单，含有电阻式感湿元件和测

42、温元件，该传感器性价比高，精确度高，可设计性强，更适合在农业中应用。2.5.3 二氧化碳传感器选取对于人来说，想要健康的生存，不仅仅要有一个健康的身体，更需要能够顺畅的呼吸，当然植物也是如此，它们也需要顺畅的呼吸，但是与人不同，它们吸进去的是二氧化碳，所以说二氧化碳是其必不可少的呼吸养料，而且植物还需要光合作用，除了水之外，还需要足够的二氧化碳，那为了保证二氧化碳的浓度，我们需要一个二氧化碳传感器来监测，可以让农作物顺畅呼吸，健康成长。我们知道植物和人不同，需要的二氧化碳浓度自是不一样，更何况植物需要实时采集数据，不能忽视的是它需要被安装到户外，所以，要避免其他因素的腐蚀，由于二氧化碳浓度的围

43、变化不大，所注意二氧化碳的测量精度，越是精准越好，因此，对二氧化碳传感器的选取非常重要，下面对几款器件进行对比，如表2-3所示10。表2-3 三种不同二氧化碳传感器对比表型号MG811Cirius-3EMS-112测量电压24V5V50.5V环境温度温度：-40-70 湿度:95%RH温度：-40-80 湿度：20-100RH温度：20-70 湿度：0-100RH低功耗1200mW150mw2000mw那根据表可以看出，在农业环境中，结合电源供电电压可以选择两种，但是跟选择温湿度传感器一样，我们考量的要素不是一个，而是将多种因素综合，进行综合考量，在近乎一样的环境，MG811的响应时间更短，这

44、就使得采集的数据更加精准。那MG811 二氧化碳传感器，MG811灵敏度高，低功耗、耗电少、响应时间和恢复时间都不超过两分种，可以真正实现对二氧化碳浓度的实时采集，即使在一天二氧化碳量变化很大，也能连续不断的监测二氧化碳变化量，所以，MG811是本设计最佳选择。2.5.4 光照强度传感器选取显然，除了二氧化碳、温湿度之外，影响农作物生长的因素还包括光照强度，一定的光照强度才能促使农作物发生光合作用，所以采集光照强度信息也必不可少，当然，对于大棚或者温室这样的环境，本设计对比了以下三种传感器，以选取最佳地硬件设备采集，详细的不同如表2-4所示。表2-4 三种光照强度传感器对照表型号BT1750N

45、HZD10AIRY-G/W供电电压3V-5V7.5V-36V12V-24V量程1-65535lx0-2000lx0-200klx精度20%5%3%这款BH1750的部含有16位的模数转换器，不用做复杂的信号转换计算，就可以直接输出一个数字信号，这个数字信号就是我们所需要的。这是一种更精良的和容易使用简易电阻器的版本，只需要计算电压，就能得到所需要的数据，无需更多麻烦的转换。BH1750和其他光照传感器不同，它可以通过光度计直接计算光度，简单省事。简单的说，就是某一物体在均匀的光照下每平米获得1lx的光照量，它们的光强度是1lx。有时为了充分利用光源，可以根据折射或者反射原理，增加一个装置，就能

46、在其他方向获得更多的光通量，以增加被照表面的亮度。2.5.5 WIFI模块选取本设计的Wifi模块实际上就是是带有无线覆盖功能的路由器，它的功能就是上网或者无线覆盖，或者说无线路由器就是一个转发器，它就是将宽带网络信号通过天线转发给附近能够捕捉的移动设备。WR703N作为一个3G接入的Wifi路由，将宽带信号通过天线转发给其他移动设备很容易，最高传输速度达到150Mbps，支持WDS无线桥接，有三个网络无线标准，分别是IEEE 802.11n、IEEE 802.11g、IEEE 802.11b；适宜的工作温度时0-40左右，湿度是10%-90%RH，很容易保存，温度-40-70即可，湿度在5%

47、-90%RH围，它采用了外置电源，还有一个Micro USB的接口，除了外置电源可以供电，还可以利用本身条件供电11。2.6 本章小结本章介绍了系统的整体设计方案，分别从系统功能要求与应用环境、系统设计思想、硬件总体方案构成以与元器件选择几个方面进行了论述。对于硬件的选择则是采用对比的方法，对考虑围的元件逐一进行对比，选择一个最适合本系统设计的硬件12。综合考虑的因素包括硬件价格、使用寿命等，这些因素基本都是系统设计需要注意的要素，然后根据本系统自身所需求的要素，完成了对多种硬件的选择，为下一章系统硬件设计提供指导思想。系统的硬件设计3.1 硬件整体设计为了便于设备维护以与扩展使用，将整个系统

48、分为两部分，第一部分是Zigbee模块、以CC2530芯片为核心的网络协调器、各种型号的传感器组成，传感器分别是DHT11温湿度传感器、BH1750光照强度传感器和MG811二氧化碳传感器；第二部分主要有Wifi模块、奥速摄像头组成；两部分硬件工作原理非常简单，Zigbee模块连接传感器作为传感器监测节点，协调器作为中转站，构建网络并把数据封装处理后传给上位机，而Wifi与摄像头部分采集的是视频，Wifi模块经过破解之后，与摄像头通过USB连接，即可采集视频头像，可实现观测农作物是否有病虫害或者人为破坏等。两部分均将采集的参数和视频传给上位机，然后通过上位机进行监测即可，具体系统硬件工作流程如

49、图3-1所示。打开监测节点开关插上电源经过变压器供电电源经过变压后供电摄像头正常工作 N传感器正常工作采集视频N Y Y采集数据滤波电容滤波Wifi模块正常传输采集的数据发送协调器给 N协调器正常接收 N Y Y传送给上位机图3-1 系统硬件工作流程图3.2 基于CC2530的监测节点硬件设计3.2.1 终端节点系统结构监测节点硬件系统结构如图3-2所示，在实际应用当中，由于需要监测节点长时间运行，要求硬件系统结构必须简单，才能有效降低功耗。包括：CC2530片上系统、32MHz系统时钟和32.768kHz的实时时钟、调试接口、串行接口、天线、三个传感器以与为系统供电的电池，还有为电池充电的接

50、口，若是电池电量不足，还有外来供电，以免传感器节点短暂失效。整个节点系统十分省电，具有极低的功耗，可以长时间运行的需要，完全符合设计要求。32.768KHz实时时钟Uart接口5V电源RFAESCC2530 MCU FLASH传感器SRAM32MHz系统时钟JATG调试接口图3-2 终端节点硬件系统结构3.2.2 Zigbee模块电路原理ZigBee主要有三种拓扑结构，为了便于设计，本设计采用的是其中的星形拓扑结构。Zigbee模块的原理非常简单，所谓Zigbee模块实际上就是一个CC2530核心芯片外加一些外围电路，当然这些外围电路必须包括传感器接口用来连接采集数据的传感器、程序下载接口用来

51、调试程序、电源稳压电路将供电电压5V转换成3.3V、CH340串口驱动芯片，因为底板为USB转串口，配合ZigBee模块使用，安装USB驱动芯片后，可直接将USB口虚拟为串口。时钟烧写等必要的电路，还需要一个切换开关，用来控制整个终端节点的开与断，除此之外，整个ZigBee模块还外加了外部充电电路，当供电电池没电时，可以进行充电，让节点继续工作，节省了大量成本，模块工作指示灯，指示灯的作用是提示当打开开关时，模块是否成功工作，其他的不需要在连接电路时可以不用。Zigbee模块原理如图3-3所示。图3-3 zigbee模块原理在上图中可以看出，整个Zigbee模块上有一个核心板接口，核心板主要就

52、是核心芯片CC2530，15引脚为接地引脚，16引脚为电源引脚，核心板上DD和DC是两条调试线，DC为调试时钟信号线，DD是调试数据线，引脚14为复位引脚，需要连接一个10K的电阻。传感器串口选择三个连接传感器使用，但是供给的电源确实3.7V的电池供电，这就需要一个转换电压的芯片，达到合适的3.3V供电工作，在Zigbee模块上还有一个指示灯，指示灯电路比较复杂，它的作用就是当开关打开时，指示灯亮，可以判断整个模块带电，另外，Zigbee模块上的仿真器接口用来调试程序和下载程序，还有一个USB转串口芯片CH340芯片，它的结构很简单，部有20个引脚，在USB部设置了上拉电阻的引脚有1、UD+和

53、UD-三个不同的引脚，除此之外的接地引脚、电源引脚、数据传输引脚也必不可少，它的主要作用就是串口驱动，传输数据。3.2.3 协调器电路原理ZigBee网络协调器起始就是ZigBee网络的一种类型设备，是整个网络的中心，它负责的功能包括建立，维持和治理网络，分配网络地址等，因此，可以将ZigBee网络协调器称作为ZigBee网络的“大脑”，本设计的协调器就是一块ZigBee模块，然后在软件设置方面稍加改动，通过协议栈改写程序实现ZigBee模块充当协调器的功能，协调器的具体电路原理如图3-4所示。图3-4 协调器电路原理在上图可以看出协调器就是zigbee网络的一种以CC2530为芯片的设备，上

54、面嵌入ASM1117稳压芯片，AMS1117的片上微调把基准电压调整到1.5%的误差以，而且电流限制也得到了调整，以尽量减少因稳压器和电源电路超载而造成的压力，上面的PL-2303是RS232-USB接口转换器，可提供一个RS232 HYPERLINK :/baike.haosou /doc/6893019-7110564.html t :/baike.haosou /doc/_blank 全双工 HYPERLINK :/baike.haosou /doc/1809908-1914084.html t :/baike.haosou /doc/_blank 异步串行通信装置与USB 功能接口便利

55、连接的解决方案。该器件作为USB/RS232 双向转换器，一方面从主机接收USB 数据并将其转换为RS232 信息流格式发送给外设；另一方面从RS232 外设接收数据转换为USB 数据格式传送回主机。3.2.4 终端节点电路设计对于终端节点的电路设计就是实现三个传感器与Zigbee模块的焊接，温湿度传感器DHT11，它的引脚非常简单，四个引脚分别是引脚1是电源引脚，连接Zigbee模块上的电源即可，引脚2是单总线接口，可以传输串行数据，通过跳线连接到CC2530的串口20采集温湿度，这个传感器有个空脚，设计时候悬空即可，引脚4接Zigbee板的GND就行。BH1750光照强度传感器有五个引脚，

56、GND和ADD引脚通过跳线接Zigbee板的GND就行，而VCC引脚接Zigbee板的电源，SDA、SCL引脚连接CC2530的串口1和2，就能实现采集数据，对于MG811二氧化碳传感器来说，引脚有四个，D0引脚在这个设计中没用，不用设计，A0引脚连接CC2530的串口19，VCC引脚连接Zigbee模块的电源，GND引脚连接Zigbee的地即可，整个监测节点的电路设计如图3-5所示。图3-5 终端节点电路设计3.2.5 电源模块设计Zigbee模块的工作电压为3.3V，要想与电源连接，还需要一个电源适配器，而电池提供的电压为5V，在Zigbee模块上设计一个LM1117芯片会将5V电源电压转

57、为3.3V的工作电压为这个电路板供电，该芯片是一个正向低压降稳压器，三端可调或固定电压3.3V，其中C7和C8为输入旁路电容，C9和C10是输出旁路电容，然后输入端连接电源供给端，这样就可以保证输出3.3V电压，满足电源设计要求，其工作原理图如图3-6所示。图3-6 电源工作原理3.3 视频模块设计3.3.1 Wifi与视频连接电路设计在采集这部分采用的无线传输元件肯定不能选择Zigbee模块，第一，视频的目的主要是为了观察这个农业监测区农作物病虫害的情况，农作物要想健康成长肯定不是单一的因素，除了环境因素，还要考虑稻瘟病、虫灾、人为破坏等多种因素，所以采集的视频必须清晰，对画面的清晰度有极高

58、的要求，对于Zigbee来说，若是传输简单的控制视频的命令还是可以的，传输视频却达不到要求，最终决定选择了Wifi模块作为无线传输模块，本设计选用WR703N迷你路由作为WiFi模块，将3G网络采用主动型串口设备联网方式，WR703N的VDD、D-、D+、VSS引脚与USB连接，USB一端连接奥速高清摄像头，完成整个视频监测电路的设计。Wifi传输模块设计电路如图3-7所示。图3-7 Wifi传输模块设计3.3.2 Wifi模块外围电路设计在本设计中选用的是220V市电供电，使用变压器变压，然后交流经过整流桥变成直流输出，在经过滤波电容过滤掉交流，使得输出的直流更加平滑，然后经过LM2756芯

59、片，LM2756相当于高速断开和闭合的开关，连接在Vin与Vout脚之间。当开关断开时，Vin不再提供电流到Vout。但根据电磁感应定律，电感对突变电流起阻碍作用，电感L1会产生 HYPERLINK :/ haosou /s?q=%E6%84%9F%E5%BA%94%E7%94%B5%E6%B5%81&ie=utf-8&src=wenda_link t :/wenda.haosou /q/_blank 感应电流且与原来方向一样，L1相当于电源。任何电路的电流都是要有回路的，此电感产生的感应电流总要回到电感，就是靠这个二极管回流的，其电流经过L1、5V输出端、负载到地，再经二极管D2回到电感L1

60、，此时二极管相对于感应电流就是正向连接了，没等这个电流消失，开关又闭合，设计如图3-8所示。图3-8 Wifi与PC机通信接口原理图3.4 本章小结本次硬件原理和电路设计均是采用Altium Designer软件绘制，主要硬件涉与Zigbee模块、各个传感模块电路、无线路由模块电路，并根据给出的设计电路作出了相应的解析，并对其功能做了相应的介绍，并对需要进行电压适配的原件设计了电压适配电路，所以选用了ASM1117-3.3芯片来解决。在视频传输模块上选用了无线路由WR703N，将3G信号转换成Wifi，其次，在设计外围电路时注意了利用此种技术实现视频传输，实现完美连接。第4章 软件设计4.1