毕业论文养殖场智能监控系统的设计说明

1、42/47学号毕业设计(论文)题目: 养殖场智能监控系统的设计作 者徐 伟届 别 2013届 院 别 信息与通信工程学院 专 业电子信息工程 指导教师 松职 称 讲 师完成时间 2013年5月20日 摘 要本设计构建了一套养殖场智能监控系统，通过对养殖场环境温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度与其它环境影响因素的实时监控，解决了人工管理与查巡监控难的问题。本系统由监测节点、主机、用户端三个部分组成。监测节点使用各类传感器检测养殖场环境因素，并通过无线通信网络将信息发送给主机。主机接受监测节点发来的信息，依据系统设定对信息进行处理，并做出相应的操作，如智能调节、报警、短信通知用户等。用户端可以实时

2、的接收到主机发送过来的环境信息，并可以通过短信方式对养殖场环境进行远程的监控。在本系统中，使用TI公司超低功耗无线芯片CC1101构建433Mhz无线网络，控制器使用ST公司的微功耗控制器STM32L151和STM32F103，真彩TFT触摸屏实现人机交互。相比于传统的养殖场监控系统，具有监测点布置灵活、监控面积广、低功耗、低成本、更人性化等优点，同时还具备防盗报警等附加功能。经测试，本系统操作简单、界面美观、功能完善、运行稳定，达到了预期设计要求，符合了现代社会人性化与智能化的特点，具有广阔的市场前景。关键词：养殖场；无线通信；传感网络；STM32F103处理器；智能监控AbstractTh

3、edesign to build a set of farms intelligent monitoring system. Real-timemonitoring of the impact of the farms ambient temperature & humidity & light intensity & carbon dioxide concentration and other environmental factors. Tosolve the difficult problem of labor management and investigation patrol mo

4、nitoring. The system consists of three parts of the monitoring node & the host & the client. The monitoring node uses various types of sensors detecting farms environmental factors and sends the information to the host through a wireless communication network. Host accepts the information sent by th

5、e monitoring node set in accordance with the system processes the information and make the appropriate action, such as smart regulation & alarm & SMS notification user. Client real-time receiver to the host sent from the environmental information and remote monitoring via SMS farms environment. In t

6、his system, the use of TI s ultra-low -power wireless chip CC1101 to build 433MHz wireless network. The controller uses STs micro-power the controller STM32L151 and the STM32F103. True color TFT touch screen human-computer interaction. Compared to conventional farms monitoring system with flexible a

7、rrangement of monitoring points & monitoring a wide area & low power & low cost & more humane & also has additional features such as burglar alarm. After testing, the system operation is simplebeautiful interface & complete functions & stable operation to achieve the desired design requirements. In

8、line with the characteristics of modern society humane and intelligent and has broad market prospects.Key words:Farms;wirelesscommunication ;sensor networks;STM32F103 processor;intelligent monitoring目 录TOC o 1-3 h z uHYPERLINK l _Toc356310265摘要 PAGEREF _Toc356310265 h IHYPERLINK l _Toc356310266Abstr

9、act PAGEREF _Toc356310266 h IIHYPERLINK l _Toc356310267目录 PAGEREF _Toc356310267 h 1HYPERLINK l _Toc356310268第一章绪论 PAGEREF _Toc356310268 h 1HYPERLINK l _Toc3563102691.1 养殖场智能监控的意义 PAGEREF _Toc356310269 h 1HYPERLINK l _Toc3563102701.2 养殖场监控技术的发展历程 PAGEREF _Toc356310270 h 1HYPERLINK l _Toc3563102711.3

10、智能监控的国现状分析 PAGEREF _Toc356310271 h 2HYPERLINK l _Toc356310272第二章系统设计要求论证 PAGEREF _Toc356310272 h 3HYPERLINK l _Toc3563102732.1 系统设计要求 PAGEREF _Toc356310273 h 3HYPERLINK l _Toc3563102742.2 系统方案论证 PAGEREF _Toc356310274 h 3HYPERLINK l _Toc3563102752.2.1 核心处理器选择 PAGEREF _Toc356310275 h 3HYPERLINK l _Toc

11、3563102762.2.2 温湿度传感器选择方案 PAGEREF _Toc356310276 h 3HYPERLINK l _Toc3563102772.2.3 远距离通信方案 PAGEREF _Toc356310277 h 4HYPERLINK l _Toc3563102782.2.4 供电方案 PAGEREF _Toc356310278 h 4HYPERLINK l _Toc3563102792.2.5 显示模块方案 PAGEREF _Toc356310279 h 5HYPERLINK l _Toc3563102802.3 系统框图 PAGEREF _Toc356310280 h 5HY

12、PERLINK l _Toc3563102812.4 本章小结 PAGEREF _Toc356310281 h 6HYPERLINK l _Toc356310282第三章养殖场智能监控硬件设计 PAGEREF _Toc356310282 h 7HYPERLINK l _Toc3563102833.1 主机MCU设计 PAGEREF _Toc356310283 h 7HYPERLINK l _Toc3563102843.1.1 STM32F103ZET6功能简介 PAGEREF _Toc356310284 h 7HYPERLINK l _Toc3563102853.1.2 STM32F103ZE

13、T6电路设计 PAGEREF _Toc356310285 h 9HYPERLINK l _Toc3563102863.2 监测节点MCU设计 PAGEREF _Toc356310286 h 9HYPERLINK l _Toc3563102873.2.1 STM32L151功能简介 PAGEREF _Toc356310287 h 9HYPERLINK l _Toc3563102883.2.2 STM32L151电路设计 PAGEREF _Toc356310288 h 11HYPERLINK l _Toc3563102893.3无线模块设计 PAGEREF _Toc356310289 h 11HY

14、PERLINK l _Toc3563102903.3.1节点的硬件结构 PAGEREF _Toc356310290 h 11HYPERLINK l _Toc3563102913.3.2 RF芯片CC1101介绍 PAGEREF _Toc356310291 h 11HYPERLINK l _Toc3563102923.3.3 CC1101无线模块电路设计 PAGEREF _Toc356310292 h 12HYPERLINK l _Toc3563102933.4 传感网络电路设计 PAGEREF _Toc356310293 h 13HYPERLINK l _Toc3563102943.4.1温湿

15、度传感器电路设计 PAGEREF _Toc356310294 h 13HYPERLINK l _Toc3563102953.4.2 气体传感器电路设计 PAGEREF _Toc356310295 h 13HYPERLINK l _Toc3563102963.4.3 光照强度电路设计 PAGEREF _Toc356310296 h 13HYPERLINK l _Toc3563102973.4.4 热释红外传感器电路设计 PAGEREF _Toc356310297 h 14HYPERLINK l _Toc3563102983.5 TFT真彩液晶电路 PAGEREF _Toc356310298 h

16、14HYPERLINK l _Toc356310299第四章软件设计 PAGEREF _Toc356310299 h 16HYPERLINK l _Toc3563103004.1 软件设计平台 PAGEREF _Toc356310300 h 16HYPERLINK l _Toc3563103014.2 系统软件设计 PAGEREF _Toc356310301 h 17HYPERLINK l _Toc3563103024.2.1 上位机监控系统设计 PAGEREF _Toc356310302 h 17HYPERLINK l _Toc3563103034.2.2 主控制器STM32L103的程序设

17、计 PAGEREF _Toc356310303 h 17HYPERLINK l _Toc3563103044.2.3 CC1101协调器程序设计 PAGEREF _Toc356310304 h 18HYPERLINK l _Toc3563103054.2.4 CC1101监控节点程序设计 PAGEREF _Toc356310305 h 18HYPERLINK l _Toc3563103064.3 通信协议分析 PAGEREF _Toc356310306 h 19HYPERLINK l _Toc3563103074.3.1 握手类帧结构 PAGEREF _Toc356310307 h 20HYP

18、ERLINK l _Toc3563103084.3.2 监测类帧结构 PAGEREF _Toc356310308 h 20HYPERLINK l _Toc3563103094.3.3 控制类类帧结构 PAGEREF _Toc356310309 h 20HYPERLINK l _Toc3563103104.3.4 数据传输过程 PAGEREF _Toc356310310 h 21HYPERLINK l _Toc3563103114.3 联机调试 PAGEREF _Toc356310311 h 21HYPERLINK l _Toc356310312第五章数据测试以与分析 PAGEREF _Toc3

19、56310312 h 22HYPERLINK l _Toc3563103135.1 测试仪器 PAGEREF _Toc356310313 h 22HYPERLINK l _Toc3563103145.2 数据测试与结果分析 PAGEREF _Toc356310314 h 22HYPERLINK l _Toc3563103155.2.1 RF模块测试 PAGEREF _Toc356310315 h 22HYPERLINK l _Toc3563103165.2.2 环境因子测试 PAGEREF _Toc356310316 h 23HYPERLINK l _Toc3563103175.2.3 自动控

20、制测量 PAGEREF _Toc356310317 h 24HYPERLINK l _Toc356310318总结 PAGEREF _Toc356310318 h 25HYPERLINK l _Toc356310319参考文献 PAGEREF _Toc356310319 h 26HYPERLINK l _Toc356310320致 PAGEREF _Toc356310320 h 27HYPERLINK l _Toc356310321附录一程序代码 PAGEREF _Toc356310321 h 28第一章 绪 论1.1 养殖场智能监控的意义针对现有养殖场存在的管理不善和资源浪费的现象，很多养殖

21、场已经开始改革其管理方式，并得到了政府的支持。但是由于养殖者缺乏良好的管理意识和一套完善的管理方案，养殖者仍旧采用原始的管理方法管理他们饲养的家禽。其不正当的管理方案和技术的缺乏导致他们的经济收益下降，很多管理者都放弃了原本的家族企业。同时，管理的不善也导致了很多资源的浪费和家禽的无故死亡。目前，个体养殖企业为了使其经济收益上升，已经开始采购和使用网上存有的监控系统，以节省其大量人力物力资源。而目前市场上存在的监控系统功能并不完善，而其监控面积狭窄、不易安装等缺点，浪费了大量成本，且效率不高。基于上述背景，本系统首次提出设计利用无线传感网络的多区域、多层次、低成本、远距离功能实现对养殖场的实时

22、环境进行监控，采用无线传感网络和远程智能控制相结合的方式。不仅可以让管理者实时的了解养殖场的情况，如温度、湿度、光照等其他环境因素，还可以通过用户的预先设定，实现对养殖场环境的智能调节，如实现恒温、恒湿等，通过远程客户端还可以实现对养殖场环境的远程控制。1.2 养殖场监控技术的发展历程养殖场监控技术起源于西方发到国家，20世纪50年代，专业型的高级养殖场便开始应用于农业生，养殖设备也开始广泛的应用于水产业和畜牧业。随着智能控制理论的进步和计算机技术的发展，养殖大棚作为其中一个重要的组成部分，其自动控制和管理技术不断提高，在世界各地得到了很好的发展。随着二十世纪70年代电子技术的飞速发展和微型计

23、算机的出现，使养殖场环境监控技术产生了革命性的变化。80年代，随着微计算机技术的发展和价格的下降，同时人们对养殖场控制提出了更高的要求，以微型计算机为核心的智能养殖场环境监控系统，在西方得到了很大的发展。近来来，养殖场环境监控系统迈入了网络化和智能化的阶段，国外现代化的养殖场设备已经发展到比较完备的程度，并形成了自己的体系标准。养殖场各个环境因子都由微型计算机统一控制，检测传感器也越来越全面，如温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度等。传感器的检测已经实现对各个环境因子的自动控制，如制动通风系统、加热系统、制冷系统等。微型计算机对系统的控制不仅仅是简单的、独立的、静态的、直接的数字控制。而是基于环

24、境模型上的监督控制，以与基于专家系统上的人工智能控制。在发达国家，智能养殖场监控系统向着无人化、全自动化方向发展。1.3 智能监控的国现状分析目前，我国养殖场监控系统的技术水平和智能化程度与欧美等发达国家相比还有一定的差距。根据多方面市场调查分析，国市面上的大部分养殖场监控设备具有系统庞大、价格昂贵等特点。受技术水平和价格的限制，国大部分养殖场采用传统的人工管理，虽然些区域装有摄像头，但节点监控的智能管理方案并没有得到实现。传统管理方式的缺陷显而易见，具有管理不便、不能实现智能调节、摄像头安装不灵活、报警不与时等缺点，无法做到对养殖场环境的智能监控和调节。而基于无线传感网络的养殖场监控系统是从

25、大面积、多角度、智能化、人性化、低功耗等几大方面出发设计出来的，解决了目前养殖场管理存在的大部分问题，如一主多从，实现了多领域中多角度、多因素、大面积的环境因素监控。Zigbee协议技术的运用，更稳定的保证数据信息传递的可靠性，GSM通信技术的应用，可将本系统与养殖场管理者手机结合，实现远程监护与实时交互。通过上位机实现各节点的集中管理，有利于系统的维护和升级。经多方位对比，基于无线传感网络的养殖场智能监控系统有着明显优于传统监控设施的性能。其设计充分结合了养殖场的需求，通过无线传感网络、上位机等融合一体应用于养殖场智能监控领域中，其价格低廉、性能全面的特点也符合目前中国养殖业的发展现状，有着

26、十分广阔的发展前景。本文容安排：第一章绪论，主要介绍养殖场智能监控的意义、养殖场监控技术的发展历程、智能监控的国现状分析；第二章系统设计要求论证，主要根据设计要求论证了各模块不同方案的可行性，确定整个系统的结构框图；第三章主要从硬件方面分析了各个不分电路设计思想；第四章主要介绍了系统的软件平台以与系统设计的软件处理思想；第五章主要是数据测试和数据分析；第六章是本系统的设计总结。第二章 系统设计要求论证2.1 系统设计要求（1）系统由检测节点、主机和用户端三个部分组成；（2）构建传感网络，检测养殖场环境温湿度、光照强度、二氧化碳浓度等；（3）构建无线通信网络，检测节点和主机之间通过无线网络传输数

27、据；（4）具备监测养殖场环境因子的功能；（5）设定自动模式，实现对养殖场环境的自动调节；（6）设定手动模式，实现对养殖场环境的手动控制；（7）具备短信远程控制功能；（8）设定防盗报警功能；（9）功耗低、使用灵活、操作简单，运行稳定，电源自制。2.2 系统方案论证2.2.1 核心处理器选择方案一：采用C8051或AT89S52单片机作系统的处理器来与无线传感器模块通信，实现数据接收与发送。同时用MCU做数据存储与处理、人机交互等功能。方案二：采用ST公司推出的STM32F103位处理器来与无线传感器模块通信，实现数据接收与发送。同时用MCU做数据存储与处理、人机交互等功能。方案比较：方案一最大特

28、点是系统体积小、成本低；但是系统处理速度过慢，部存储空间较小。同时，方案拟采用320*240的TFT液晶作为监控显示界面，而C8051是8位的51单片机核，其驱动高分辨率的TFT液晶显得比较吃力。采用AT89S52做核进行控制比较简单，但是其I/O资源有限，不能满足电路设计需求，需要外接芯片进行I/O扩展。由于需要与外部无线模块节点通信，电路设计相对比较复杂。方案二采用意法半导体公司的STM32F103处理器，它基于ARM公司最新的Cortex-M3核，具有丰富的片上资源，同时具有多种工作模式，有利于减小系统的功耗，同时其较大的部存储器有利于存储相关信息。抗干能力强，在与外部CC1101模块通

29、信时能保证信号的完整；综上所述本系统选用STM32F103做为核心控制器。2.2.2 温湿度传感器选择方案方案一：采用常用的单总线DS18B20测温，再选一款湿度测量传感器搭配使用，从而实现温湿度的测量。本方案将温湿度分开测量，所用元件价格便宜。但是测量精度低、外围电路复杂。方案二：SHT10工业级数字温湿度传感器，具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比高、外接电路少等优点，同时还兼有露点测量。结合本系统设计要求测量精度高、电路简单、体积小、抗干扰能力强等特点，选择使用SHT10工业级数字温湿度传感器。2.2.3 远距离通信方案方案一：433M无线技术433MHz是我们国家的免申请段发射

30、接收频率，可直接使用不需要管理，433频段抗干扰强，并支持各种点对点，一点对多点的无线数据通讯方式，具有收发一体、安全隔离、安装隔离、使用简单、性价比高、稳定可靠等特点。可广泛的应用于消费类电子产品、工业监控、无线报警安防系统、门禁系统、自动抄表、无钥门禁系统、有源RFID标签识别、POS 系统、 PDA 等无线智能终端、医疗仪器、电子站牌、智能交通调度系统等领域。常用的433M无线射频芯片有TI公司的CC1100/CC1101、NODIC公司的NRF905/NRF9E5等。方案二：2.4G无线技术所谓的2.4G无线技术，其频段处于2.405GHz-2.485GHz（科学、医药、农业）之间，所

31、以简称为2.4G无线技术。这个频段里是国际规定的免费频段，不需要向国际相关组织缴纳任何费用。2.4GHz频段为各国共同的ISM频段，具有通信速率快、全双工通信、抗干扰能力强等优点。广泛的应用于WIFI、蓝牙 、ZigBee、无线鼠标、遥控模型、安防等领域。常见的2.4G无线芯片有TI公司的CC2500、NODIC公司的NRF24L01等。方案比较：433M频段和2.4G频段都为我过免费的频段，但是各具特点，应用领域也各不一样。433M频段相对于2.4G频段信号更强，传输距离强，穿透、绕射能力强，传输过程衰减小，但是传输速率相对较低。在本设计中，我们要求无线网络具有较强的传输距离和穿透力，且具有

32、功耗小、使用灵活的特点，因此我们选择方案一，使用TI公司超低功耗RF芯片CC1101。2.2.4 供电方案本系统要求无线收发节点能够长时间的正常工作，因此设计所需的无线收发模块都具有低功耗的特点，且能够采用电池供电。为了保证系统的工作正常，正确可行的电源模块系统设计的重点。方案一：采用全桥整流电路整流稳压出系统所需的电源该电源采用全桥整流电路和电容滤波电路，将通过变压器的低压交流电变为具有正负对称输出的直流电，实际输出电压为正负20V左右。采用100nF、10uF电容滤除电源中的高频交流成分，再通过7805或其它稳压芯片来提供稳定的直流稳压电源。这种电路多见于要求不高的直流电源中，其驱动能力和

33、后级的滤波电容有关。方案二：采用集成稳压电源模块该方案可以采用专用集成电源稳压模块实现，如交流220V转直流5V；或者在网上购买直流稳压模块，可选择DC9-18V输入，DC5V输出模块。方案三：采用电池供电该方案采用5V电池供电，或者用两节电池供电。便于系统的安装与携带，同时可以多点安置，且安置简易，维修方便。方案比较：在本系统中，要求各个节点具有体积小、重量轻、安放放点的特点，同时考虑到本系统中各个模块都是使用低功耗器件，故选择方案三，采用电池供电，更加符合本设计要求。2.2.5 显示模块方案方案一：采用LCD液晶显示器显示采用DM1286M液晶显示，其为点阵LCD液晶显示，其可视面尚可，画

34、面效果良好，而且其置中文汉字和字符信息，具有多种软件功能，使用方便简单。但起分辨率较低，且为黑白屏。方案二：采用全触屏TFT彩屏液晶显示TFT真彩液晶屏每个像素点都有一个半导体开关，每个像素点都能够通过点脉冲直接去控制，每个节点都是相对独立的，可以连续控制，这不仅可以提高显示屏反应速度，还可以精确的控制显示色阶，故TFT真彩液晶屏色彩更真。TFT液晶显示屏具有对比度高、亮度好、颜色鲜艳、层次感强，同时具备触摸功能1。方案比较：在本设计中，为了更加清晰、鲜明的显示出各个环境因子，使整个界面更加人性化。同时，也为后期的视频监控提供可能。故选择方案二，采用全触屏TFT彩屏液晶显示。2.3 系统框图本

35、系统由检测节点、主机、用户端三个部分组成。监测节点部分使用超低功耗微控制器STM32L151作为CPU，外界温湿度、光照强度、二氧化碳浓度等传感器组成传感网络。由CC1101组建的443M无线通信网络，能够方便、实时将数据传给主机。主机使用ARM系列32位微处理器STM32F103作为中央处理器，外接TFT真彩液晶屏和7279键盘，实现人机交互，外接的GPRS模块可以方便的将主机接入要无线Internet。强大的32位中央处理器，保证了主机处理数据的能力，直观、简洁的操作界面提供了更加优质的用户体验。用户端主要有用户的网络设备组成，如计算机、手机等。通过Internet用户可以远程监控养殖场湿

36、度、光照等因素，以达到最智能、最方便、最简洁的养殖场环境监控。系统框图如下图2.1所示。图2.1 系统结构框图2.4 本章小结系统将无线通信网络、传感网络、GPRS网络技术结合在一起，实现了养殖场环境因素的多角度、大围、智能化监控。一方面采用无线传感网络为系统构架；另一方面在STM32上通过串口与上位机进行通信，实现与相关管理员全面人机交互，从而构成一套互联可视化的完美体系。低功耗、轻便性是本设计的一大亮点，从机采用了尽量少的有源器件实现了对电压的有效采集，同时从机采用低功耗控制器STM32L151，通过让其合理的休眠可大大延长电池的寿命，两节普通的干电池就可让从机工作两百多天。第三章 养殖场

37、智能监控硬件设计3.1 主机MCU设计主机MCU在本系统中负责接受监测节点的数据，并对数据进行处理，做出相应的操作。外接有FTF真彩液晶和7279键盘，可扩展外挂GPRG模块。为了保证快速的处理速度和操作的灵活性，本系统主机部分采STM32F103 32位微处理器。3.1.1 STM32F103ZET6功能简介STM32F103是一款高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计芯片。使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC核，时钟频率达到72MHz，是同类产品中性能最好。置高速存储器，512K字节闪存和64K 字节SRAM。丰富的增强型I/O 端口联接到两个APB总线外设。包含有3路

38、12位ADC、4个16位通用定时器和2 个PWM定时器，多达2 个I2C 接口、3 个SPI接口、2个I2S 接口、1个SDIO接口、5路USART接口、一路USB接口和一路CAN接口2。 STM32F103xx 大容量增强系列工作于-40C 至+105C温度围，供电电压2.0V至3.6V，一系列的省电模式保证低功耗应用的要求。 STM32F103xx大容量增强型系列产品提供包括有64脚至144 脚的6种不同封装形式；根据不同的封装形式，器件中的外设配置不尽一样。这些丰富外设配置，使得STM32F103xx大容量增强型系列微控制器适合于多种应用场合3： 电机驱动 医疗器械和手持终端设备 PC端

39、游戏和GPS终端平台 工业应用：可编程控制器 、打印机、变频器和扫描仪 警报系统、视频对讲、和暖气通风空调系统等 本系统中使用的是STMF103xx系列中容量最大、接口最丰富、功能最全面的STM32F103ZET6微处理器。以下是STM32F103ZET6的功能介绍4：基于ARM Cortex-M3核心的32 位微控制器，LQFP-144封装.512K 片FLASH（相当于硬盘），64K片RAM（相当于存），片FLASH 支持在线编程(IAP)高达72M 的频率,数据,指令分别走不同的流水线，以确保 CPU运行速度达到最大化通过片BOOT区，可实现串口下载程序(ISP)片具有双RC 晶振，提供

40、8M与32K 的频率支持片外8M高速晶振，片外低速32K晶振42个后备寄存器(16位)，外接纽扣电池时，可以掉电数据保存支持 SWD和JTAG调试，配合J-LINK实现高速低成本的开发调试方案高达80个通用IO口(兼容5V电平逻辑)，4个通用定时器，2个高级定时器，2个基本定时器，3个SPI接口，2路I2S 接口，2路I2C接口，5路USART，一个USB从设备接口，一个 CAN总线接口，SDIO通用接口，可配置SRAM、ND Flash和NOR接口的16位总线-FSMC 3路共16通道的12位AD输入，2路共2 通道的12位 DA 输出，可外接高精度参考电压，CPU供电围：2.0-3.6V嵌

41、入式系统是以计算机技术为基础，以应用为中心，同时软硬件可裁剪，其非常适用于对体积、功耗、功能、可靠性、成本、有很高要求的专用计算机系统。而其它和PC系统相对应，嵌入式系统一般主要由微处理器、操作系统、外围硬件设备、以与用户的应用程序等部分组成，其用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。并且在使用JTAG调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。STM32F103ZET6部结构图如图3.1所示。图3.1 STM32F103ZET6的部结构图3.1.2 STM32F103ZET6电路设计为了使整个系统运行稳定，MCU电路设计好坏非常关键。其中时钟电路、电源设计、滤波电容等部分都是设计的重点。

42、为了使系统更加完善，在MCU的外围我们还接有少量的外围设备，包含有串行FLASH，主要用于存储启动代码和部分界面图片。UART调试电路，主要用户测试与通信。丰富的外围接口也是使本设计的应用更加灵活，包含有URAT接口、128*64 LCD接口、SD_CARD接口、7279键盘接口、TFT液晶接口、JTAG调试接口、通用I0口等。整个STM32F103ZET6原理图如下图3.2所示。图3.2 STM32F103ZET6原理图3.2 监测节点MCU设计监测节点MCU在本系统中主要负责驱动传感网络，采集各个传感器数据，对数据进行简单的处理，通过无线通信网络将数据发送给主机。同时检测节点还可以接受来自

43、主机的信号，做出相应的操作。本设计中采用ST公司超低功耗STM32L151CBT6微控制器。 3.2.1 STM32L151功能简介STM32L 系列产品是业界首款来自全球十大半导体供应商之一的超低功耗 ARM Cortex-M3 微控制器，在 32MHz 频率时最高处理性能达到33DMIPS。STM32L 系列产品采用意法半导体独有的两大节能技术：130nm 专用低泄漏电流制造工艺和优化的节能架构，提供业界领先的节能性能。2011年3月3，意法半导体宣布扩大 STM32L 系列 32 位微控制器的产品围，新增的微控制器存储容量分别为 256KB 和 384KB，整个系列闪存容量覆盖 32KB

44、 至 384KB 区间，为嵌入式应用工程师提供更加丰富的选择。STM32L 系列属于意法半导体阵容强大的 32 位 STM32 微控制器产品家族，目前该产品家族共有 180 余款产品，全系列产品共用大部分引脚、软件和外设，优异的兼容性为开发人员带来最大的设计灵活性。该系列产品也属于意法半导体的 EnergyLite 超低功耗产品平台，让设计人员能够优化终端产品的性能、功能和电池使用寿命，达到与能效相关的标准，如环保型设计目标。此外，考虑到触控应用，意法半导体的第三代 STMTouch 电容触控固件库支持 STM32L，目前该软件库支持意法半导体的 8 位 STM 8 系列 和 32 位 STM

45、32 系列的 200 余款产品。主要应用于工业控制、金融支付、医疗电子、智能交通、玩具、传感器网络以与一切可能用到高性能极低功耗单片机的市场领域。其特性如下所示：ARM 32 位 Cortex-M3 核 (最大32兆赫兹)32-384K 字节 FLASH 带 ECC，最大 48K 字节 RAM，最大 12K 字节 EEPROM 带 ECC12 通道 DMA1Msps 多达 40 通道 12 位 ADC双极低功耗模拟比较器12 位 DA 转换器带输出缓冲集成上电、掉电复位和电压检测多至 116 个快速 IO 口 (5 伏容忍的 IO 达 102 个)8x40 段或 4x44 段 LCD 控制器带

46、升压功能96 位全球唯一IDCRC 硬件计算单元多至 11 个定时器，含丰富的捕获、比较输出功能，其中一个 32 位定时器I2C，SPI，USART，CEC 多种通讯接口附加各种特色功能多至 36 个触摸传感通道AES 硬件加速引擎多至 3 路运放Cortex 处理器设计先进，而8位和16位处理器技术旧，Cortex处理器价格与8位和16位处理器相当；Cortex微控制器全系产品的软件、引脚和外设相互兼容，例如，意法半导体的STM32系列产品，其设计灵活性和系统扩展性更强。ARM Cortex-M微控制器的特性包括低功耗、容量大片上闪存和RAM，从经济型少引脚数量封装，到引脚间距窄的微型封装，

47、再到输入输出数量很多的BGA封装，Cortex-M微控制器的封装选择围非常广泛。另外，将一系列经过市场检验的STM32通用外设经过改良后融入最新的极低功耗系列MCU，可以令用户的应用设计更为灵活和高效，享受最新科技带来的功能、结构和性能上的全方位的技术突破。新产品系列在低功耗综合性能上逼近现有技术极限，在行业竞争中容易取得性能上的竞争优势。3.2.2 STM32L151电路设计监测节点受到其应用场合的限制，要求设计电路具有功耗低、体积小、运行稳定等特点。本设计中STM32L151系统的设计包含外围时钟电路、复位电路、电源、JTAG接口、通用IO口等。整个STM32L151原理图如下图3.3所示

48、。图3.3 STM32L151原理图3.3无线模块设计3.3.1节点的硬件结构无线传感器节点由传感器模块、处理器模块、无线电通信模块和能量供应模块4部分组成，节点数据的采集用低功耗STM32L151作为处理器。3.3.2 RF芯片CC1101介绍无线接发送模块是本设计的重中之重，因此，在经过深度调查后觉决定使用CC1101，它的设计宗旨在于极低功耗RF的应用，是一款低于1GHz高性能射频收发器； CC1101可提供对数据包处理、数据缓冲、接收信号强度指示、突发传输、空闲信道评估、链路质量指示以与无线唤醒的广泛硬件支持。其主要针对工业、科研和医疗以与短距离无线通信设备。CC1101在代码、封装和

49、外引脚方面均与CC1100兼容，可用于全球最为常用的开放式低于1GHz频率的RF设计。其明显的特点有如下：具有独立的64字节TX FIFO和RXFIFO可设置最高为10dBm的发射功率模块工作电压为：1.9V到3.6V，并且在待机模式下电流只有200nA具有高灵敏度：433MHz、0.6kbps、1%误码率时仅为-116dBm模块支持0.6kbps至500kbps的数据传输速率支持RSSI和LQI模块还提供了对同步字地址校验、检测、灵活的数据包长度以与自动CRC处理的支持支持多种调制模式如：MSK、ASK、GFSK、OOK、4-FSK和2-FSK模块通过4线SPI接口与MCU连接，并同时提供2

50、个可设定功能的通用数字输出引脚模块工作频段为1387.0MHz到464.0MHz低电流消耗：接收模式时仅16.0mA工作温度围：-40+853.3.3 CC1101无线模块电路设计射频电路的设计相对于其他电路要更加复杂，常见的电路理论，如基尔霍夫电路理论，将不再适用于射频电路的设计。在射频电路中，所有的元器件和电路布线都需用分布参数来分析。本设计使用的CC1101芯片在构建无线通信网络，所有的射频部分都封装在芯片部，我们只需要通过SPI接口软件驱动芯片，进行一些功能的设定，就可以完成无线收发了。为了提高通信距离，减小数据误码率，在电源出入端接入合适的滤波电容，减小电源纹波，提高系统稳定性。在天

51、线匹配端，使用TI官方的参考设计，到到最佳的阻抗匹配效果。天线部分使用50欧姆的弹簧天线就能达到不错的效果。整个CC1101无线模块原理图如下图3.5所示。图3.5 CC1101无线模块原理图3.4 传感网络电路设计传感网络是整个系统的基础，本系统所有的操作都是基于传感网络检测到的数据。为了提高本系统的性能，就必须要提高传感器的测量精度和响应速度。在传感器电路设计中，我们需要考虑到电源、输入输出围等因素，合理的电路设计显得至关重要。3.4.1温湿度传感器电路设计SHT10属于瑞士Sensirion公司贴片系列温湿度传感器芯片。传感器集传感元件和信号处理电路于一块微型基板上（其中包括：一个电容性

52、聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件，一个14位的AD转换器与串行接口电路），输出已经标定的数字数据。传感器采用专利的CMOSens技术，其保证了产品具有很高的可靠性和长期稳定性。最值得一提的是该产品具有品质卓越、响应迅速、抗干扰能力强、性价比高等优点，高精度两线制数字接口，可直接与单片机相连。SHT10引脚功能图如下图3.6所示5。图3.6 SHT10引脚功能图3.4.2 气体传感器电路设计MG811型CO2气体传感器由固体电解质层、金电极、铂引线、加热器、瓷管、双层不锈钢网、镀镍铜卡环、胶木基座、针状镀镍铜管脚组成。该传感器具有灵敏度、选择性、稳定性和再现性，受温湿度的变化影响

53、较小。广泛的应用于空气质量控制系统、发酵过程控制、温室CO2浓度检测等领域6。本设计中将气体传感器输出信号经过一个比较器后TTL输出，可直接与控制器相连，同时也预留模拟输出端口，方便改进。整个模块具有使用寿命长、稳定性好、响应快速等特点。MG811气体传感器模块电路原理图如下图3.7所示。图3.7 MG811气体传感器模块电路原理图3.4.3 光照强度电路设计光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器，入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻器广泛应用于光的测、光的控制和光电转换等领域。本模块中将光敏电阻器和比较器结合使用，外接电位器实现灵敏度的调节，

54、同时输出模拟电压和数字开关量，通过AD转换，可获得环境光照强度的精确值。光照强度测量电路原理图如下图3.8所示。图3.8 光照强度测量电路原理图3.4.4 热释红外传感器电路设计热释红外传感器能将接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号,广泛的应用于防盗报警系统中，具有本身无辐射、功耗小，隐蔽性好、价格低廉等优点。人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10UM左右的红外线。本模块中配合高性能的传感信号处理芯片BISS0001构成被动式的热释电红外开关。它能自动快速开启各类白炙灯、荧光灯、蜂鸣器、自动门等装置，特别适用于企业、宾馆、商场、库房与家庭的过道等敏感区域，或用于安全区域的自动

55、灯光、照明和报警系统。热释电红外电路如下图3.9所示7。图3.9 热释电红外电路原理3.5 TFT真彩液晶电路TFT即是薄膜场效应晶体管；它是由集成在其后的薄膜晶体管来驱动液晶显示器上的每一液晶象素点。因此可以做到高速度、高亮度、高对比度显示屏幕信息。TFT属于有源矩阵液晶显示器。TFT液晶每个像素点都设有半导体开关，每个像素点都能通过点脉冲来直接控制，因而它的每个节点都具有相对独立特性，并可以进行连续控制，这不仅可以提高显示屏的响应速度，同时可以精确的控制显示屏的显示色阶。显示屏由许多可以发出任意颜色的光线的象素组成，只要控制各个象素显示相应的颜色就能达到目的了。在TFT LCD中一般采用背

56、光技术，为了能精确地控制每一个象素的颜色8。TFT液晶显示屏具有很多优点，如亮度好，对比度高、层次感强、颜色鲜艳，但同时也存在成不高、耗电大等缺点；TFT液晶技术加快了手机彩屏的发展，新一代的彩屏手机多数都支持65536色显示，甚至有的支持16万色显示，这时TFT的高对比度，色彩丰富的优势就很重要了。TFT液晶驱动电路如下图3.10所示。其中 T_IRQ是用来调节液晶亮度的。D0D15为数据输入输出端口，其余I/O口为TFT液晶的控制端口。图3.10 TFT液晶接口电路第四章 软件设计4.1 软件设计平台软件是用户控制硬件的主要途径。用户主要是通过软件与硬件系统进行交流。软件是系统设计的重要依

57、据。为了方便系统开发，为了使硬件系统具有较高的总体效用，在设计硬件系统时，必须全局考虑软件与硬件的结合，以与用户的要求和软件的要求。本硬件系统的MCU采用的是STM32F103系列的ARM处理器。该处理器的软件开发平台是主要有Keil 和IAR，本设计采样熟悉Keil ARM软件。Keil是德国知名软件公司Keil（现已并入ARM 公司）开发的微控制器软件开发平台，是目前ARM核单片机开发的主流工具。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器在的完整开发方案，通过一个集成开发环境（uVision）将这些功能组合在一起。它的界面和常用的微软VC+的界面相似，界面

58、友好，易学易用，在调试程序，软件仿真方面也有很强大的功能。因此很多开发ARM应用的工程师，都对它十分喜欢。如图4.1是 Keil for ARM集成开发环境界面图，其中软件界面均包括程序编辑区、项目管理区、工具栏、菜单栏与调试状态区。程序编辑区用于编辑程序代码；项目管理区用于管理打开的项目；工具栏与菜单栏用于管理工程与程序的常用操作；调试状态栏用于观测调试状态。图4.1 Keil for ARM集成开发环境界面图4.2 系统软件设计系统软件设计主要包括四部分，分别为上位机监控系统设计、主控制器STM32L103的程序设计、CC1101协调器程序设计、CC1101监控节点程序设计。4.2.1 上

59、位机监控系统设计上位机监控系统主要应用在养殖场的综合监控，统一管理,通过上位机监控系统,可以实现对温度、湿度参数的自动调节与控制。软件主要功能设计有显示监控点实时温湿度测量值；历史记录、历史曲线查询并可打印输出；上下限报警并记录报警值，可查询报警历史报警记录；自动统计温湿度数据的最大值、最小值与平均值；自动报警，当被测量值超过上下限报警值时监控主机可报警；报警时，可自动发送短信到手机，轻松实现无人值守；通过软件对仪表参数进行设置，轻松实现远程控制，其设计界面如图4.2所示。图4.2 上位机软件设计的主界面效果图4.2.2 主控制器STM32L103的程序设计主控制器的程序设计主要完成以下几个功

60、能：1)与紧密连接在一起的协调器配合组建成监控无线传感网络，实现节点设备的数据上传下送；2)当有检测到养殖场温度、湿度等参数有异常时，自动通过GSM向用户发送短信息报警；3)实时的将监控数据上传至PC机，以实现上位机的统一监控。并能根据PC发送下来的信息对整个监控网络进行控制和参数设置；4)系统单机运行时，液晶显示当前监控网络的监控数据，方便用户查看，并可通过键盘进行控制和参数设置。控制中心的组成框图如图4.3所示。 主控制中心 液晶显示无线传感网络无线传感网络 PC机 键盘 图4.3 控制中心的组成框图4.2.3 CC1101协调器程序设计协调器首先完成协议栈中的应用层初始化，将应用层收发状