基于zigbee的蔬菜大棚环境参数采集系统设计

1、.：.；摘 要目前，ZigBee技术曾经广泛运用于近间隔 传输的无线通讯领域，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。本设计意在经过ZigBee无线通讯技术构建一个无线传感器网络WSN，采用树型网络拓扑构造，对参与该网络的传感器节点进展温度、湿度、光照强度和二氧化碳浓度的数据进展采集和分析，将此运用于对农业里温室的环境检测和控制当中，防止了有线网络的布线问题和本钱问题。本设计利用了一个构造合理的Web运用程序，搭建Web效力器来动态显示传感终端所采集的温室数据。关键词：ZigBee；CC；无线传感器网络；温湿度采集 IIAbstractCurrently, ZigBee te

2、chnology 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. that design is intended to build a wireless sensor network (WSN), the adoption of Zi

3、gBee 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 that applied to the detection and control of the environment on agricultural gree

4、nhouse, to avoid the cable network cabling problems and cost issues. that 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; CC; wireless sensor networks; temperature acquisitio IV目 录

5、 TOC o - h z u HYPERLINK l _Toc 摘 要 V前 言随着我国国民经济的开展人民生活程度日益提高,冬季大棚蔬菜市场日渐扩展。在利用蔬菜大棚消费中,温度、湿度等要素直接关系到大棚作物的生长,因此,对大棚温湿度数据进展实时、精准的采集以及监测调理是实现大棚蔬菜消费优质、高效益的重要环节。传统的环境参数系统运用有线监测设备,具有线路多、布线复杂、维护困难等缺陷,在很多特定区域无法顺利运用。基于此,本文引见了一种基于Zigbee的蔬菜大棚环境参数采集系统,该系统利用无线通讯技术,无需布设任何线路,自动组网,本钱低廉,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

6、时无线监控,促进了蔬菜大棚的智能化、一致化管理。 .绪论.研讨的背景和意义世纪是设备农业迅速开展的时期。兴隆国家与开展中国家纷纷采取措施，加大投资.大力开展智能化设备农业。设备农业是采用先进的科学技术和工厂化消费方式，把作物种植在一个相对封锁的空间，为作物的高效消费提供适宜的生长环境，并且在任何地域，一年四季均能种植任何作物的现代化农业。设备农业是农业现代化的重要标志，其特点表现为高产量、高质量、环保、周年可继续消费。设备农业的迅速开展加速了农业科学推行，对农业现代化程度的提高起到了积极的推进作用。植物的生长都是在一定的环境中进展的，其在生长过程中遭到环境中各种要素的影响，其中对植物生长影响最

7、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。因此必需对环境的温度和湿度数据进展采集、监测和控制，使其适宜植物的生长，提高其产量和质量。本系统就是利用价钱廉价的普通电子器件来设计一个参数精度高，控制操作方便，性价比高的运用于农业种植消费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展调控会影响作物的生长，另一方面作物光协作用、蒸腾作用的改动又对室内环境因子产生新的影响，从而产生了一种反响作用机制，而在现有的温室环境控制系统并没有思索到这种反响作用机制。假设能同时对没施内的温度、光照、二氧化碳浓度等进展智能调控，并能思索到作物反响作用机

8、制，这种调控方式既节约资源又提高消费效率。研讨温室环境控制的现状及开展趋势，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开展具有重要的指点意义。. 国内外温室测控系统研讨现状. 国内温室测控系统研讨现状目前温室环境控制系统主要针对温度和湿度控制进展研讨。卢佩等采用模糊控制方法，经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协作用，提出以温度控制为主、湿度控制为辅的控制战略，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

9、的方法。邓璐娟采用逆系统方法对温室环境非线性系统进展了解耦和线性化，同时对随机的扰动进展补偿，采用PDF控制算法和Smith预估补偿对线性化后的系统进展了综合校正，在选择校正后闭环系统的参数时思索了非线性系统解耦的要求。朱虹经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目的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控制器运用于温室控制。杨泽林等经过数据发掘，利用采集的温室内、外温度及室内湿度数据对温室形状进展分类，提出一种基于各类别中的温室温、湿度变化率相关性进展模糊解耦控制。沈敏

10、等思索开关设备组协作用下温室测控系统的非线性动态特性，提出构造简单、不需复杂数值计算的离散预测模型，对设备组合进展滚动优化预测控制，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。. 国外温室测控系统研讨现状国外的温室环境起步较早，温室环境控制经过多年的开展，控制技术和实际开展到较高程度。随着用于温室环境控制的作物模型的研讨，研讨人员将温室物理模型和作物模型结合起来，以实现温室的高效消费。Seginer等进展模拟研讨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、设备函数及本钱函数)之后，进展数值寻优得到不同温光程度下最优的二氧化碳施肥

11、量，并给出一系列图表用于指点实践二氧化碳施肥操作管理；Van- Straten等利用作物的光协作用和蒸腾作用进展温室内短期的优化与控制，利用有效积温的原理进展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的的温室环境控制。Aaslyng等利用作物的光辐射吸收、叶片的光协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获得了很好的平衡。基于作物与环境的动态呼应时间尺度不同，前人把温室作物消费优化控制问题分成慢速子问题和快速子问题个子问题。Seginer等只思索慢速子问题，Hwang只思索快

12、速子问题。Van Henten是第一位处理整个优化控制问题的科学家，提出把系统分解为个时间尺度的方法，根据该方法首先处理长期问题，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运用到生莱消费的优化控制中。从以上文献可以看出，国外进展温室环境控制时曾经思索到作物与环境的相互作用机制，同时思索到作物动态呼应与环境动态呼应的时间尺度不一致性，但运用到黄瓜生长的优化控制中较少。.系统分析. 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、数据处置模块、数据传输模块和电源管理模块组成。数据采集模块担任经过各种类型的传感器采集物理信息；数据处置模块担任控制整个节点的处置操作、功耗管理以及义务管理

13、等；数据通讯模块担任与其他节点进展无线通讯，它经过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，主协调器节点经过RS 串口将一切信息聚集传至PC机或效力器。本系统的模型主要分为四块:温湿度的数据采集节点、担任从节点接纳数据并向主机发送数据的系统节点、主机效力器以及最终的用户。该系统的总体架构图如图-所示：远程主机端效力器程序系统节点数据采集节点图- 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网络系统担任采集温室大棚内的温湿度数据，上位机担任显示温湿度数据并进展实时监

14、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担任采集、存储和上传温湿度信息。路由器模块主要担任转发温湿度信息。协调器模块主要完成温湿度数据的会聚。下位机ZigBee网络系统和上位机之间经过RS-串口进展通讯。当监测大棚温湿度信 息时，首先经过上位机端监控软件设置好波特率和串口号等参数，然后协调器开场组建ZigBee网络，这时路由器节点和温湿度传感器节点开场参与ZigBee网络。分布在各个大棚内的温湿度传感模块开场采集温湿度信息，并存储在Flash中，经过单跳或者多跳的方式发送到上位机，上位机监控端接纳到温湿度信息后，把各个大棚内的温湿度信息

15、显示出来。当温湿度信息异常时，在监控端会有异常提示，以便及时处置。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，并将温湿度数据经过临近节点或直接传给基站中心板上；基站中心板担任搜集从各个几点上传来的数据，并经过串口转传到效力器端上；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引见：、温湿度传感器数据采集节点：本系统中该环节主要是经过CC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，并经过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

16、由转发功能，也可以接受临近节点的数据，并将其转发给基站节点，从而扩展了丈量的间隔 ，处理了无线丈量范围有限的难题。、基站：基站作为本系统的中心环节，它需求完成搜集从本人网内各个数据采集节点发来的数据，并将这些数据经过串口发送到计算机(也可以称作效力器上)进展存储，从而为上层用户提供查询等效力提供了数据根据。基站也是一块CC的加强型工业规范的嵌入式中心板，它在组网中的序号必需是号，否那么将接受不到数据。、效力器端：效力器端经过串口线将从基站收到的数据存储在数据库中，并经过GPRS网络传输给远程主机端，从而为上层软件的设计、用户的运用提供了数据根据。本系统的一个重点是在效力器端建立一个软件系统来管

17、理这些数据。、远程用户端：该部分主要担任从效力器端搜集数据，并存储在本人的数据库中，并以此为数据根底为用户提供数据。本系统在该软件设计中实现数据接纳的控制、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。. 系统设计原理该检测系统充分利用ZigBee技术的软、硬件资源,辅以相应的丈量电路和SHT数字式集成温湿度传感器等智能仪器,能实现多义务、多通道的检测和输出。并且经过RS接口实现与上位PC机的衔接,进展数据的分析、处置和存储及打印输出等。它具有丈量范围广、丈量精度高等特点,前端丈量用的传感器类型可在该根底上修正为其他非电量参数的丈量系统。温湿度检测系统采用SHT为

18、温湿度丈量元件。系统在硬件设计上充分思索了可扩展性,经过一定的添加或改造,很容易添加功能。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，利用串口通讯RS-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展显示，报警，查询。监控中心将收到的采样数据以表格方式显示和存储，然后将其与设定的报警值相比较，假设实测值超出设定范围，那么经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、等设备进展降温除湿，以保证大棚内作物的生长环境。监控中心也可以经过报警指令来启动现场监测仪上的声光报警安装，通知大棚管理人员采取相应措

19、施来确保大棚内的环境正常。. 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讯模块的终端集合。主要是担任大棚内空气的温湿度的数据采集，并接纳从基站发来的指令，定时经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。、数据采集节点是定时的(默许设置成S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

20、双工操作，并按照顺序传送数据包。设计目的主要是用来经过拨号或专线方式建立点对点衔接发送数据，使其成为各种主机、网桥和路由器之间简单衔接的一种共通的处理方案。传感器运用了其技术从而实现了数据的接力传送，从而提高了网络通讯的效率。数据采集节点主要由电源模块、处置器模块、温湿度传感器搜集模块和无线通讯模块个模块构成的：电源：采用两节.V的纽扣电池组成的V直流电为整个系统供电。处置器模块和无线通讯模块：采用加强型工业规范的CC中心板，它是加强版的Zigbee模块。温湿度传感器搜集模块：采用CC中心板集成温湿度传感器SHT。数据采集节点的硬件框图如图-所示：图- 为数据采集节点硬件框架图、温湿度采集节点

21、也是基于Zigbee通讯协议的终端设备。Zigbee的根底是IEEE .,但IEEE仅处置低级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进展了规范化。与其他无线规范.或.不同，Zigbee以Kbps的最大传输速率承载有限的数据流量。它满足国际规范组织(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是一种新兴的短间隔 、低速率、低功耗的无线可自组的网络技术。主要用于近间隔 无线衔接。在数千个微小的传感器之间相互协调实现通讯，这些传感器只需求很少的能量，以接力的方式经过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通讯

22、效率非常高。.系统概述. 数字温湿度传感器SHT、SHT的构造原理SHT是瑞士Sensirion公司消费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杰出的长期稳定性。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资料制成的测温元件，并在同一芯片上，与位的A/D转换器以及串行接口电路实现无缝衔接。消费过程中，每个传感器芯片都在极为准确的湿度腔室中进展标定，以镜面冷凝式湿度计为参照，校准系数以程序方式储存在OTP内存中，在标定的过程中运用。SHT传感器的湿度丈量范围为RH，湿度丈量精度为.RH到

23、RH，湿度丈量分辨率为.RH；温度丈量范围为-+.，温度丈量精度为.时，温度丈量分辨率为.。可实现宽范围的温湿度丈量。SHT默许的丈量分辨率分别是温度位、湿度位，也可以经过修正传感器的位形状存放器的“将分辨率分别降至位和位，通常在高速或最低位为超低功耗的运用中采用低分辨率。其中传感器SHT的原理图如图-所示。图- 传感器SHT的原理图、引脚阐明a.电源引脚VDD、GND SHT的供电电压为.V.V。传感器上电后，要等待ms，从“休眠形状恢复。在此期间不发送任何指令。电源引脚VDD和GND之间可添加个nF的电容器，用于去耦滤波。b.串行接口 SHT的两线串行接口bidirectional -wi

24、re在传感器信号读取和电源功耗方面都做了优化处置，其总线类似IC总线但并不兼容。串行时钟输入SCK。SCK引脚是MCU与SHTIO之问通讯的同步时钟，由于接口包含了全静态逻辑，因此没有最小时钟频率。即微控制器可以以恣意慢的速度与SHT通讯。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动形状，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SHT传输数据的过程中，必需保证数据线在时钟线的高电平段内稳定。为了防止信号冲突，微控制器仅将数据线拉低，在需求输出高电平的时候，微控制器将引脚置为高阻态，由

25、外部的上拉电阻(例如; k)将信号拉至高电平。为防止数据发生冲突，MCU应该驱动DATA使其处于低电平形状，而外部接个上拉电阻将信号拉至高电平。、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时钟高电平常DATA翻转为低电平，紧接着SCK变为低电平，随后是在SCK时钟高电平常DATA翻转为高电平。、丈量时序(RH和T)发布一组丈量命令表示相对湿度RH，表示温度T后，控制器要等待丈量终了。这个过程需求大约/ms，分别对应/bit丈量。确切的时间随内部晶振速度，最多能够有-%的变化。SHT经过下拉DATA至低电平并进入空闲方式，表示丈量的终了。控制器在再次触发SCK时钟前

26、，必需等待这个“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义务在需求时再读出数据。接着传输个字节的丈量数据和个字节的CRC奇偶校验。UC需求经过下拉DATA为低电平，以确认每个字节。一切的数据从MSB开场，右值有效例如：对于bit数据，从第个SCK时钟起算作MSB；而对于 bit数据，首字节那么无意义。用CRC数据确实认位，阐明通讯终了。假设不运用CRC-校验，控制器可以在丈量值LSB后，经过坚持确认位ack高电平，来中止通讯。在丈量和通讯终了后，SHT自动转入休眠方式。警告：为保证本身温升低于.，SHT的激活时间不要超越%例如，对应bit精度丈量，每秒最多进展次

27、丈量。. CC芯片、CC芯片简介 CC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服从IDE的IAR工业规范为支持，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，展现了领先的ZigBee处理方案。其产品广泛运用于汽车、工控系统和无线感应网络等领域，同时也适用于ZigBee之外.GHz频率的其他设备。其引脚表示图如图-所示。 CC包含一个加强型工业规范的位微控制器内核，运转时钟MHz。 CC包含一个DMA控制器。K字节静态RAM，其中的K字节是超低功耗SRAM。K，K或K字节的片内Flash块提供在电路可编程非易失性存储器。CC集成了

28、个振荡器用于系统时钟和定时操作：一个MHz晶体振荡器，一个MHz RC-振荡器，一个可选的.kHz晶体振荡器和一个可选的.kHz RC 振荡器。CC也集成了用于用户自定义运用的外设。一个AES协处置器被集成在CC之中，用来支持IEEE . MAC 平安所需的位关键字AES的运转，以尽能够少的占用微控制器。中断控制器为总共个中断源提供效力，他们中的每个中断都被赋予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控制器的职责是个普通I/O口的灵敏分配和可靠控制。图- CC芯片引脚表示图CC包括四个定时器：一个位MAC定时器，用以为IEEE .的C

29、SMA-CA算法提供定时以及为IEEE .的MAC层提供定时。一个普通的位和两个位定时器，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。CC内集成的其他外设有: 实时时钟；上电复位；通道，位ADC；可编程看门狗；两个可编程USART，用于主/从SPI或UART操作。为了更好的处置网络和运用操作的带宽，CC集成了大多数对定时要求严厉的一系列IEEE . MAC协议，以减细微控制器的负担。这包括：自动前导帧发生器、同步字插入/检测、CRC-校验、CCA、信号强度检测/数字RSSI、衔接质量指示(LQI) 和CSMA/CA协处置器。、CC芯片的主要特点CC 芯片延用了以往CC 芯片

30、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。它运用个位MCU，具有 KB可编程闪存和 KB 的RAM，还包含模拟数字转换器(ADC)、几个定时器Timer、AES 协同处置器、看门狗定时器Watchdog timer、 kHz 晶振的休眠方式定时器、上电复位电路(Power On Reset)、掉电检测电路(Brown out detection)，以及个可编程I/O引脚。CC 芯片采用.m CMOS 工艺消费,在接纳和发射方式下，电流损耗分别低 于mA 或mA。CC 的休眠方式和转换到自动方式的超短时间的特性，特别适宜那些要求电池寿命非常长的运用。.串行通讯接口

31、RS-、电气特性RS-采用负逻辑在TxD和RxD上：逻辑(MARK)=一V逻辑(SPACE)=+VRS-的主要电气特性为：带k欧姆负载时驱动器的输出电平：逻辑“：一 一V；逻辑“：+ +V。不带负载时驱动器的输出电平： 一+V。驱动器转换速率：V，L 。接纳器输入阻抗：K欧姆之间。接纳器输入电压的允许范围：一 +V。最大负载电容：PF。、电平转换RS-是用正负电压来表示逻辑形状，与vrL以高低电平表示逻辑形状的规定不同。为了可以同计算机接口或终端的vrL器件衔接，必需在EIA-RS-与vrL电路之间进展电平和逻辑关系的变换。实现变换的方法目前较为广泛地运用集成电路转换器件，如MC、SN芯片可完

32、成vrL电平到EIA电平的转换，而MC、SN 可实现EIA电平到vrL电平的转换，MAX芯片可完成vrL一IA双向电平转换。MAX芯片的转换口，包含两路驱动器和接纳器的RS-转换芯片。芯片内部有一个电压转换器，可以把输入的+V电压转换为RS-接口所需的V电压，最大的益处是任务电压为+V，不需求额外电源。. 显示模块本系统中所需求显示的内容比较简单，采用普通液晶显示器即可满足系统需求，综合本钱及效果思索决议采用市场上运用广泛的LCD液晶显示模块。如图-所示。图- LCD液晶显示模块原理图 、特性：任务电源：V 亮度可调；内部控制：HD；支持LCD的普通控制命令；字符发生器ROM：个点阵字型；显示

33、数据存放RAM:Byte；用户自定义字型RAM：个点阵字型；、引脚阐明VSSVDD: 任务电源和地；VEE: 辉度调理端；RS: 存放器片选信号接口；R/W: 读写信号控制接口；E : 使能信号；DD: 位数据I/O口。、控制方式LCD内部可看成两组存放器，指令存放器与数据存放器，选择信号由RS引脚控制，RS=，指向指令存放器，此时的读为读标志位，写那么是写入指令到控制存放器。对LCD的一切操作都必需在内部忙标志位为的情况下有效。确认本次操作置E为；RS=,操作指向数据存放器，读写的对象都是内部RAM。在运用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显示方

34、式； 设定显示字符的进入方式；清屏。. 报警模块蜂鸣器是一种一体化构造的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛运用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、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-所示。电磁式蜂鸣器任务原理：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。接通电源后，振荡器产生的音频信号电流经过电磁线圈，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- 蜂鸣器报警电路 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，经过长期的

35、阅历积累，对蔬菜大棚内农作物的生长情况的记录等构成的根据，直接对大棚的温湿度进展调理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，将搜集到的数据和系统设置的上下限进展对比，将准确的进展报警，通知相关人员进展处置。相比于人工管理阶段，本系一致定程度上提高了消费效率。. 系统硬件设计. Zigbee节点硬件设计ZigBee节点硬件构造如图-示，主要由CC射频芯片和传感器构成。 图- ZigBee节点硬件构造CC芯片整合了高性能. GHz DSSS直接序列扩频射频收发器内核和工业规范的加强型 MCU，还包括了 KB的SDRAM、 KB的Flas

36、h，是一种片上系统SOC处理方案。将相应的传感器与CC的IO引脚衔接，可测得所需的温室环境参数，并经过ZigBee无线网络进展传输。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CC通讯模块、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担任接纳和存储传感器节点发送来的音讯，并向传感器节点发布网络控制信息，同时与Pc机进展数据交换。其中串口转USB模块担任转换CC模块与PC机的通讯信号；液晶显示模块担任节点任务形状的指示；电源模块通常采用继续电力供电，为主协调器节点提供运转所需的能量。根据气候采集系统的需求设计硬件构造，并设计

37、各部分电路，包括无线传输模块、CC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-所示为主协调器节点硬件组成图。LCD模块通用接口CC天线键盘电路A/D转换复位电路MCU存储器串口转USB电源管理PC 图- 主协调器节点硬件组成图. 传感器节点硬件设计传感器节点是由无线收发器CC、射频天线RF、电源模块、晶振电路和串口电路组成。由于CC芯片本身带有温度传感器，因此本实验直接采用了CC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，假设要求更高的精度，可以扩展出一个温湿度传感器，如SHT。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

38、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DSB、数字湿度传感器SHT、微型数字二氧化碳传感器S-及TSLB光照强度频率传感芯片组成，而RF收发模块运用的是TI公司提供的CC无线收发模块，详细电路原理如图-所示。图- 基于CC芯片的RF收发模块电路图下面对每个部分的功能和目的进展详细引见：()信息搜集终端：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，进展进一步数据处置。本设计采用RS-串口将采集到的数据发送到上位机。()温度采集终端：即节点，放置在需求采集温度的地方。温度采集终端可以实现网络的参与

39、、与协调器绑定的建立、温度的检测。检测到的温度经过ZigBee无线网络发送到协调器。()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管到文档中，同时以折线图的方式实时反映出温度的变化趋势，使其更为直观。. 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：无线通讯模块和温湿度数据采集模块。无线通讯模块CC是一块符合IEEE.规范的片上Zigbee芯片。它的无线通讯模块的根底是数据采集节点之间是采用点对点的通讯方式。其数据采集的流程图如图-所示：图- 数据采集节点流程图在系统启动，数据采集节点开启后，并完成初始化任务后，节点将开场搜索其无线范围内的网络信息。由于Zi

40、bgee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。() 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SHT。SHT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。SHT与CC衔接电路原理图如图-所示：图- CC与SHT衔接电路原理图该传感器由个能隙式测温元件、个电容式聚合体测湿元件、个位A/D转换器和个-wire数字接口组成，使得该产品具有体积小、精度高、功耗低、反响快、抗干扰才干强等优点。而且SHT 数字式传感器具有类似IC总线数字接口的通讯方式与CRC数据传

41、输校验。数据采集节点在上电后，经过ms后，SHT会从休眠形状恢复到等待形状；接着发送一组“传输启动时序进展数据传输的初始化任务,然后发送一组丈量命令其中相对湿度RH量的时序命令为“ ，摄氏温度T量的时序命令为“ 开场丈量周围的温湿度量，等待丈量终了大约需求/ms对应其/位的时间；最后SHT将下拉DATA到低电平进入空闲方式表示丈量终了了，并传入一个字节的CRC校验并开场接纳数据。图-为温湿度数据采集模块流程图。 图- 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P_=；P_=；wait()；P_=；wait()；P_=；wait()；P_=；wait()；P_

42、=；wait()；P_=；/其他相关代码. 基站节点的设计. ZigBee技术概述ZigBee是一种新型的短间隔 、低本钱、低功耗、低数据速率和低复杂度的无线通讯技术。ZigBee的名字来源于蜂群运用的赖以生存和开展的通讯方式，蜜蜂经过跳ZigZag外形的舞蹈来分享新发现的食物源的位置、间隔 和方向等信息。借此来寓意ZigBee的特点。ZigBee是一种新兴的短间隔 、低速率的无线通讯网络技术。它有本人的协议规范，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通讯。这些传感器只需求很少的能量，以接力的方式经过无线电波将数据从 一个传感器传到另一个传感器，所以通讯效率非常高。IEEE于年月成立了.小组，担

43、任制定了介质接入控制层(MAC)和物理层(PHY)规范，于年月经过IEEE.规范，这是ZigBee技术的根底规范，被称作为IEEE.(ZigBee)技术规范。ZigBee 联盟成立于年月，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，担任提供网络层和运用层的框架设计，并研发名为ZigBee的下一代无线通讯规范。ZigBee技术符合行业规范，它提供互操作性，从而使不同厂商之间的设备可以相互进展通讯，并为系统集成商和客户提供灵敏的购买选择，还可以降低原始设备厂商(OEM)的本钱。目前世界大型

44、IT 公 司不断推出本人的ZigBee处理方案，比较著名的有Freescale公司、Microchip公司、Chipcon公司如今TI的子公司等。美国和欧洲引领了ZigBee技术的开展前沿，韩国、日本也纷纷研制出ZigBee 的相关开发套件和处理方案。国内也有很多著名的研讨所和知名院校也参与到该领域的研讨任务中来，其中宁波研讨所己经研制出.GHz的ZigBee网络节点，一些公司和研讨机构也纷纷推出本人的ZigBee开发套件，可以估计，在未来的几年里，ZigBee 技术将是通讯领域研讨和开发的热点技术，具有宽广的运用前景。. ZigBee技术可以弥补其它短间隔 无线通讯技术的缺陷，它具有以下的优

45、点：()数据传输速率低。ZigBee技术的数据传输速率，普通在kb/skb/s，非常适宜于于低传输速率运用。()功耗低。由于任务周期很短，收发信息功耗较低，并且采用了休眠方式，因此在通常情况下，两节普通号干电池支持节点任务长达个月到年左右的时间，从而防止充电和频繁改换电池。这是ZigBee技术最引以为豪的独特优势。()协议简单。()低本钱。由于ZigBee数据传输速率低，协议简单和较小的存储空间，所以大大降低了本钱。每片芯片的价钱普通在 美圆，并且ZigBee协议是免专利费的。()网络容量大。一个ZigBee网络可以包容最多个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多 个ZigBee网络。

46、()任务频段灵敏。ZigBee运用的频段分别为.GHz、MHz欧洲、MHz美国，均为免执照频段，这样也降低了本钱。()传输可靠性高。ZigBee采用了CSMA-CA碰撞防止机制，同时为需求固定带宽的通讯业务预留了公用时隙，防止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需等待接纳方确实认信息，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。()平安性高。ZigBee提供了数据完好性检查和鉴权功能，加密算法采用AES-，同时各个运用可以灵敏确定其平安属性。()时延短。针对时延敏感的运用做了优化，通讯时延和从休眠形状激活的时延都非常短。设备搜索时延典

47、型值为ms，休眠激活时延典型值是ms，活动设备信道接入时延为ms，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耗费。()网络的自组织、自愈才干强。ZigBee的自组织功能指无需人工干涉，网络节点可以感知其他节点的存在，并确定衔接关系，组成构造化的网络；ZigBee自愈功能指可以添加、删除一个节点，节点位置发生变动或节点发生缺点时，网络都可以自我修复，并对网络拓扑构造进展相应地调整，无需人工干涉，保证整个系统依然能正常任务；ZigBee技术的传输速率虽然只需kbps，但完全可以满足传输挠度数据的需求。ZigBee技术的网络衔接设备相对于其它短间隔 无线通讯技术来说是最多的，传输间隔

48、较远并且费用、功耗最低，因此将ZigBee无线通讯技术运用于组建桥梁挠度无线传感器网络中。. ZigBee网络配置 ZigBee设备功能类型ZigBee网络的根本成员即“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)是具有转发与路由才干的节点。它拥有足够的存储空间来存放路由信息，其处置控制才干也相对较强。FFD可作为协调器、路由器和终端设备，支持任何拓扑构造。精简功能设备(RFD)只能接纳和发送信号，其内存小、功耗低、功能简约，在网络中只能作为终端设备运用。

49、FFD可以和FFD、RFD通讯；而RFD只能和FFD通讯，RFD 之间的通讯只能经过FFD转发。FFD不仅可以发送和接纳数据，还具备路由器的功能。RFD的运用相对简单，例如在无线传感器网络中，它们只担任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。就本钱而言，RFD由于功能简单、存储容量小，因此RFD相对于FFD具有较低的本钱。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

50、量最大、计算才干最强，因此必需是全功能设备FFD，并且一个ZigBee 网络PAN(Personal Area Network)中也只能存在一个协调器。ZigBee 协调器在运转之前需求配置相关的网络参数和设备参数，供后面运用。上电后ZigBee协调器进展初始化，首先扫描信道，选择适宜的信道，然后建立起本人的网络，允许其它设备参与网络。任务形状下，ZigBee协调器不但要发送和接纳数据，而且还需求管理网络中设备的参与和分开，建立不同设备之间的相关绑定信息，并处置各种设备和效力查询恳求。b、ZigBee路由器也是一个全功能设备FFD。它类似于IEEE. 定义的协调器。ZigBee路由器上电后，该

51、当参与或重新参与网络。假设是参与新网络，它需求扫描信道，选择适宜的网络参与；假设是重新参与网络，它需求扫描信道查找父设备。在参与网络后它就自动获得一个位网络地址，并允许在其通讯范围内的其它节点参与或分开网络，同时还具有路由和转发数据的功能，路由节点只需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。其主要担任与实践的监控对象相连，这种设备只与本人的父节点自动通讯，并从父节点处获得网络标识和短地址信息，详细的信息路由那么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。、ZigBee的任务方式ZigBee网络的任务方式可以分为信标(B

52、eacon)方式和非信标(Non-beacon)方式两种。信标方式可以实现网络中一切设备的同步任务和同步休眠，以到达最大限制地节省功耗，而非信标方式只允许ZE进展周期性休眠，协调器和一切路由器设备长期处于任务形状。、IEEE.规范和Zigbee协议引见IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers美国电气和电子工程师协会)无线个人区域网任务组的IEEE.技术规范是Zigbee的技术根底。IEEE.规范的制定是为低能耗的简单设备提供有效覆盖范围在m之内的低速衔接，用于无线监测、工业控制等消费与商用运用领域。IEEE.支持两种的网络拓扑

53、构造，即单跳星状或当通讯线路超越 m时的多跳对等拓扑。但是对等拓扑的逻辑构造由网络层定义。LR-WPAN中的器件既可以运用位IEEE地址，也可以运用在关联过程中指配的位短地址。一个IEEE.网最多可以包容个器件。IEEE.规范最重要的特点是低功耗。由于在现实中用电池供电的嵌入式器件，经常的改换电池所产生的费用往往比器件本身的本钱还要高。所以在IEEE.规范的制定中，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收发信机的开通时间，或者在无数据传输时使它们处于休眠形状用设备的功耗量。IEEE.规范里有三种不同的数据传输方式从而突出了低功耗的特点：间接

54、数据传输、直接数据传输和有时隙保证的数据传输。Zigbee网络是一种高可靠性的无线数字传输网络，它可任务在三种流行的免费频段上(如全球流行的.GHz、美国流行的 MHz 和欧洲流行的MHz)。其传输速率分别可以到达kbit/s、kbit/s和kbit/s。Zigbee是一组基于IEEE同意经过的IEEE.无线规范研制开发的组网、平安和运用软件方面的技术规范。并由Zigbee Alliance和IEEE .小组共同制定了Zigbee技术规范。Zigbee栈体系构造由一组称为层的块儿组成。每个层为上层执行指定一套效力：数据实体提供数据传输效力，管理实体提供一切其它效力。每个效力实体经过一个效力接入

55、点SAP为上层提供一个接口，每个SAP支持一些效力原语来完成必需的功能。Zigbee网络层NWK支持星形、树状形和网状拓扑构造三种构造。在星状形的拓扑构造里，整个网络是由一个独立的通讯设备Zigbee协调器来进展控制。Zigbee协调器的功能主要是担任对已连入网络中的节点进展控制和维护。在树状形拓扑和网状拓扑构造里，Zigbee协调器得功能主要是对已建立的网络中的一些参数进展选择、确定和设置等。ZigBee网络的组建主要是为工业化的现场实现自动化控制时对数据的传输。它的协议规范使得设备功耗低、任务可靠、任务平安、构造简单、价钱低廉、运用方便等特点。而挪动通讯网的CDMA网或GSM网主要是为用户

56、的语音的通讯而建立的，其单个基站的费用普通都在百万元以上，而Zigbee协议中的每个Zigbee的基站价值却不到人民币元。基于以上对Zigbee节点的分析，因此，我选择运用ZigBee中CC芯片作为本论文中的基站节点来运用。. 系统软件设计. Zigbee网络软件设计传感器网络软件设计的主要义务是无线网络的组网、传感器任务的控制以及数据的采集与收发。传感器节点主要实现数据的采集与定时发送；路由节点实现数据的转发；会聚节点一方面担任网络配置与管理，包括定义通讯信道、网络标识符PANID，配置网络的Profile,呼应节点参与网络的恳求和绑定恳求，为其他节点分配网络地址等。另一方面还接纳各传感器节

57、点发来的数据，将其进展会聚后经过RS-串口传给PC机终端。 首先上电初始化整个系统，启动协调器建立一个新的网络，路由节点和传感器节点寻觅并参与网络，协调器即可与终端节点进展绑定。绑定完成后传感器节点即可采集数据并发送数据，搜集节点担任接纳数据，并经过RS 传至PC显示。路由节点的流程根本与协调器类似，只是它将接纳的信息再转发给协调器。. 传感器终端软件设计在本系统网络中，每个终端设备都具有一个固定地址，且该地址对应温室大棚中不同的区域。该设备担任将本区域内所测得的原始数据发送至中央控制设备，并在接受中央控制设备的控制命令后，驱动相应设备执行该命令，其任务流程如图-所示。 图- 传感器终端设备流

58、程图. 效力端的设计和实现效力端主要是经过串口线从基站获取到各个传感器数据采集节点传输过来的温湿度数据，并存储在效力端的数据库上，接着将每条数据经过SIM的GPRS功能将其发送到远程主机上。效力端程序也是由MFC来完成其界面的。经过串口的呼应来接纳温湿度数据，接着读取效力端的系统时间，并解码温湿度数据，然后再根据解码得到的数据将其继续编码最后经过GPRS发送到远程主机端上；接着将已重新编码的数据经过GPRS的AT指令发往SIM模块，经过GPRS网络往远程主机端上发送；最后将收到的数据经过一定的代码组织将其写入数据库。. 远程主机端的设计和实现远程主机端主要是担任从基站接纳数据，并解析、取舍、解

59、码温湿度数据，然后将接纳时间、节点号、温湿度的值都存储在主机的数据库中，从而为运用软件提供效力。效力器端的运用软件设计有用户操作界面和数据库存储设计。它主要实现以下几个方面的功能：、用户登录：该功能模块是在翻开运用软件时必需求求用户执行的一个操作。、温湿度数据显示：这里将实时的显示从基站传过来的温湿度数据，让用户直观的看到大棚什么时候、哪个节点(哪里)的温湿度数据。另外在收到正确的数据后，系统将会将这些数据写到数据库中保管起来。、报警功能：系统应该处置大棚中温湿度超标时的情况，所以运用软件在操作界面应该有该功能。为了减少由于偶尔要素引起的误报警，在某个节点在温湿度延续搜集次的值都超越临界值，那么系统将给予报警。而报警的处置方式就是在界面上构成视觉的反差从而引起用户的留意。、历史数据的查询：这个是为了方便用户查看历史数据而设定的功能。它包括历史数据以图表和曲线图的方式展现给用户。、数据的删除：该功能主要是为了在节点位置、信息更新时所进展的操作，从而保证数据的正确性。、用户操作：该功能主要是