基于ZigBee技术的绿地智能喷灌系统设计

河北理工大学信息学院 摘要 摘要随着科技的发展，智能灌溉系统得到了广泛的使用，提高了田间种植的效率，节省了大量的人力、物力和财力，减少了水资源和其他能源的消耗。智能灌溉系统可以随时随地的对植物进行灌溉，操作简单，可以实现科学灌溉，既方便又美观。智能灌溉系统也是国家设计能力的体现，提高人们生活幸福感。针对绿地智能喷灌技术，本文设计一款智能喷灌系统，利用ZigBee技术可以及时有效的将土壤及环境信息度数据传输给上位机，并于上位机上将数据信息显示出来，这样通过无线技术可以有效的实现绿地草坪植被的管理。另外，可根据土壤温湿度进行有效的浇水、排湿等功能。该基于单片机的ZigBee技术的绿地智能喷灌系统设计分为主机和上位机终端，上位机主要完成环境数据的显示以及设置温度和湿度的阈值，便于开启喷灌。而主机作为绿地土壤温湿度数据的采集和喷灌的功能，由STM32单片机、风扇、小水泵、液晶显示模块和zigbee模块组成。关键词灌溉；Zigbee；单片机；STM32AbstractAbstractAbstractThemodernintelligentcontrollerisaneffectivemeansandtoolforirrigationsystemfieldmanagement.Itcanimprovetheaccuracyofoperation,facilitatethescientificmanagementoftheirrigationprocess,andreducethequalityrequirementsfortheoperatorsthemselves.Inadditiontogreatlyreducingtheamountoflabor,moreimportantly,itcanautomaticallyreplenishwatertocropsaccurately,regularly,quantitativelyandefficiently,soastoimproveyield,quality,watersavingandenergysaving.Aimingattheintelligentsprinklerirrigationtechnologyforgreenland,thispaperdesignsanintelligentsprinklerirrigationsystem.UsingZIgBeetechnology,thesoilandenvironmentalinformationcanbetransmittedtothehostcomputerinatimelyandeffectivemanner,andthedatainformationcanbedisplayedonthehostcomputer.Inthisway,wirelesstechnologycanbeusedeffectively.Realizethemanagementofgreenlawnvegetation.Inaddition,functionssuchaswateringanddehumidificationcanbeperformedeffectivelyaccordingtothetemperatureandhumidityofthesoil.ThedesignofthegreenlandintelligentsprinklerirrigationsystembasedontheZigBeetechnologyofthesinglechipcomputerisdividedintoahostcomputerandahostcomputerterminal.Thehost,asthefunctionofcollectingsoiltemperatureandhumiditydataandsprinklingirrigation,iscomposedofSTM32single-chipmicrocomputer,fan,smallwaterpump,liquidcrystaldisplaymoduleandzigbeemodule.Keywordsirrigation;Zigbee;microcontroller;STM32 目录 目录 目录9042摘要 I10196Abstract II72771绪论 1310951.1课题的来源 1118501.2国内外发展现状及发展前景 2303771.2.1灌溉技术的发展现状及前景 2186801.2.2温湿度传感器的发展现状及前景 3286671.2.3ZigBee通信技术的发展现状及前景 31411.3本文主要内容 4244971.4本章小结 4273042系统总体方案概述 5327172.1系统方案概括 5206562.2系统的方案论证 6219522.2.1主控制器的确定 695572.2.2显示模块的确定 721662.2.3土壤湿度模块的确定 9242942.2.4温湿度检测模块的确定 10153082.3本章小结 1295833系统的硬件电路设计 13175893.1硬件设计概要 13314293.2STM32介绍 13255023.3ZIGBEE模块设计 15296683.4ZigBee技术概述 16242703.4.1ZigBee技术的起源 1657093.4.2ZigBee技术的特点 17258053.4.3ZigBee的协议规范 18167083.4.4ZigBee技术的拓扑结构和设备类型 1979723.4温湿度监测模块设计 2025983.4.1DHT11的基本原理 20245573.4.2DHT11的引脚说明 21276843.5土壤温湿度检测设计 22268903.6OLED电路设计 23284573.7水泵及风扇电机控制设计 255163.7.1歩进电机的应用 25181123.7.2驱动控制系统 25311913.7.3电机原理 26125783.8复位电路设计 27236133.9晶振电路设计 27245483.10电源电路设计 2877363.11本章小结 29160844系统的软件设计 31255694.1系统总程序的设计 31212604.2水泵及风扇执行子程序设计 32209394.3协调器程序设计 32315504.4ZigBee无线通讯协议 33119064.5程序烧录软件介绍 34255464.6编程语言与调试环境选择 35319774.7软件开发工具介绍 36215334.8本章小结 37159945系统调试 39267285.1软硬件测试 39176035.1.1软件调试 3986265.1.2硬件调试 39295885.2软件测试 4018382结论 418624参考文献 4313253谢辞 4529704注释 463751附录A 4712229附录B 481绪论1绪论1.1课题的来源我国夏季雨水较为丰富，但受到地形地势的影响，有些地区的降水量较少，为了保证足够的水资源，所以在农田、花卉种植时需要采用灌溉的技术。灌溉能够保证水资源及时供给，保证植物的正常生长。路边的绿化带一般都采用人工浇灌的形式，没有设置浇灌系统这样会浪费大量的水资源。而且由于一次性灌溉水量较大，有些植物不能吸收大量的水分，对植物的自然生长产生影响。每种植物的用水需求量各不相同，同一时间灌溉水资源会对一些植物产生影响。随着人们生活水平的不断提高，出现了越来越多的智能化设备，在工业生产和人们生活中用水量急剧上升，现在在很多小区路边都可以看到许多绿化装置，这样就需要大量的水资源，为了节约用水，需要采用高效的灌水方式来代替传统的大量泼水灌溉的方式。喷灌技术可以节约大量的水资源，减少人力劳动，能够实时的对植物进行浇水，保证植物的生长。现在很多大城市都采用草坪喷灌的方式来对植物进行浇水，传统的人工灌溉的方式逐渐被替代。为了增加国家的绿地面积，创造良好的市容形象，我国的绿化面积不断增大。这样就增加了灌溉的难度。为了满足灌溉需求，保证每种植物的用水充足，很多城市采用自动化的灌溉方式，可以随时为植物进行浇水，节约水资源，节省人力劳动。现在灌溉技术不断向提高灌溉精度、减少灌溉成本、提高水资源的利用率等方向发展。传统的灌溉方式采用人工浇水的方式，这样会消耗大量的水资源，人工浇水较为随意，有可能有些植物没有得到充分灌溉，所以急需完善的的灌溉系统。为了满足需求，本文设计了一种可以智能浇灌的灌溉系统，采用单片机控制。这种灌溉方式操作简单，能够定时为植物进行浇水，水资源和能源消耗较小，而且较为美观。在该系统中设置灵敏装置，能够实时监测土壤的湿度和温度，将数据显示在LCD显示屏上，可以及时对植物进行浇灌，这样可以节省人力、物力和时间。该系统维修方便、抗干扰能力强、灌溉效果好。1.2国内外发展现状及发展前景1.2.1灌溉技术的发展现状及前景随着科技的不断发展，灌溉技术也有了很大的改善，提高了灌溉的均匀性。现在灌溉技术不仅要保证植物能够吸收足够的水资源，还要保证土壤的肥力，减少肥料的流失。冬天天气较为寒冷，为了防止植物被冻坏，在很多粮食种植上都采用盖膜的方式。而且冬天降水量较少，为了满足灌溉需求，研发了膜上灌的浇灌技术。水平畦灌是我国采用最多的灌溉方式之一，对土地的要求较高，需要土地非常平整，这种方式会消耗大量的水资源，为了保证水平浇灌的有效性，在浇灌之前需要用激光技术进行平地。这种灌溉方式在美国已经有了广泛的使用，而且取得了较好的灌溉效果。除此之外，波涌灌溉也得到了较多的使用，这种灌溉方式需要利用土壤的入渗特性，所以在浇灌时需要减少土地的粗糙才能保证灌溉的有效性。根据调查资料显示，国外的喷灌技术发展较为先进，采用较多的灌溉方式是施肥灌溉，既能保证植物能够吸收充足的水分，也能保证植物获取足够的营养。美国、荷兰等国家对这种灌溉技术进行充分研究，已经取得了显著的成果。在1970年左右，随着美国、荷兰等国家的研究不断深入，我国也开始研究微灌技术，并设置了实验基地，研究在微灌条件下土壤中的水分的运动规律，不同的光照强度对不同作物的影响等。随着改革开放的不断深入，我国与国外的交流越来越频繁，喷灌技术也得到了较大的进展，注肥设备有了很大的完善。但是由于设计能力较低，技术相对落后，在灌溉系统的修改上有很大的困难。随着国内外的交流越来越频繁，我国的设计技术有了很大的提高，研发出了大射程旋转式微喷头，可以调节射程、射水量的多功能喷头，短流道喷头等，能够保证大多数的农村灌溉。现在我国自主研发了许多新型的灌溉系统，在国外得到了广泛的应用。智能灌溉系统为农业的种植带来了很大方便，能够节省大量的人力、物力和财力，节约水资源和其他能源消耗，提高农作物的产量。在很多地方水资源十分匮乏，采用智能灌溉系统可以节约大量的水资源，保证农作物的自然生长，提高粮食的产量。在水资源较为丰富的地区，可以大大降低农作物种植的成本，采取智能化的浇灌方式能够给人们带来极大的方便提高产品的产量和质量。根据调查显示，很多大城市多采用智能浇灌的方式，在我国节能减排政策的大力推进下，智能浇灌系统发挥着越来越重要的作用。1.2.2温湿度传感器的发展现状及前景在现代科技的推动下，传感器技术也在迅猛地发展着。作为其中重要一员的温湿度传感器的应用在生产生活中也应用的较早。在众多种类的传感器当中，温湿度传感器的应用数量和规模早在上世纪90年代就远超其他类型的传感器[4]。现在认为，温湿度传感器的发展主要经历了一下三个阶段：（1）传统的分立式温湿度传感器，它的主要特征就是可以把非电量转换为我们可以测量的电信号。比如有一种热电偶传感器，它通过直接与带测物体进行接触，具有很好的测量精确度，抗干扰性强，同时测温范围较大，可连续测量零下50至上千摄氏度，应用性很强[5]；（2）模拟集成温湿度传感器，这类传感器均集成了硅半导体，其主要特征是可进行模拟信号输出，且只有测量温度这一个功能，具有误差小、功耗低、响应快、传输距离远、电路设计简单的特点。（3）智能温湿度传感器，不需要特定的数据转化，直接将环境中采集到的温湿度进行传输，与几乎全部的微控制芯片无缝通信，且能通过配套软件调试功能，其智能化取决于软件的开发水平[6]。现在，智能温湿度传感器正朝着功能丰富、精度高、可靠性强及安全性高的目标发展。1.2.3ZigBee通信技术的发展现状及前景在日常生活中，数据间的传输大多使用蓝牙设备，但是在大数据传输、复杂的控制系统中，蓝牙传输会存在很多问题，所以研发了Zigbee技术。Zigbee技术根据蜜蜂间的数据传输形式来命名的，一般只用于短距离传输，是一种无线通信技术。选用ZigBee对系统的网络进行调节时，对传感器以及受控设备的限制性较小，可容纳31个设备与之连接，并且对接口形式没有过多要求，高达8种形式，较低的连接限制对系统较为友好。在功能方面实现度较高，不仅能够独立完成数据传输功能，还能够对数据进行模拟，生成模拟量。在ZigBee技术的基础上设计系统框架，能够满足系统的低成本设计需求，并且实现框架的便携式搭建，系统复杂程度较低，是一种较为常用的无线通讯搭建技术。1.3本文主要内容本设计是一款基于ZigBee技术的绿地智能喷灌系统设计，主要用于检测绿地土壤的湿度和绿植所在环境中的温度信息，利用zigbee技术实现数据通讯。并且能够在显示屏显示当前的数值信息，并且根据数值大小自动开启喷灌设备，保障绿植的生长环境。主控制系统采用的是STM32单片机，结合Zigbee通讯的CC2530无线传输模块，可以实现数据的无线远程传输。该智能喷灌系统由STM32单片机、DS18B20温度检测、土壤湿度采集、zigbee模块、风扇以及小水泵组成。本系统消耗功率低、成本低、容易维护扩展等优点，具有非常广阔的应用研究价值。1.4本章小结本章主要分析了课题的来源，主要是针对当前灌溉技术的方案进行分析，设计一款基于Zigbee技术的绿地智能喷灌系统，有利于实现对绿地植被的管理。通过对温湿度传感器以及Zigbee通信技术的国内外研究现状进行系统论述，对其应用原则的设计有了清晰的认识。随后对本文的设计内容要点进行一一论述，为后文的设计做了清晰的铺垫。3系统的硬件电路设计2系统总体方案概述2.1系统方案概括本设计是一款基于ZigBee技术的绿地智能喷灌系统设计，主要用于检测绿地土壤的湿度和绿植所在环境中的温度信息，利用ZigBee技术实现数据通讯。并且能够在显示屏显示当前的数值信息，并且根据数值大小自动开启喷灌设备，保障绿植的生长环境。主控制系统采用的是STM32单片机，结合Zigbee通讯的CC2530无线传输模块，可以实现数据的无线远程传输。该智能喷灌系统由STM32单片机、DS18B20温度检测、土壤湿度采集、zigbee模块、按键电路和风扇以及小水泵组成。设计方案及手段：一般地，多数花卉生长的最适温度为20—25℃，使得土壤温度在这个范围内，有利于土壤中有机物的分解,促进花卉生长。而大部分花卉的土壤湿度范围在40%~70%为最适，这样湿度下生长的兰花显得生气勃勃，叶面柔顺有光泽；设计中利用土壤湿度传感器及温度传感器对土壤及周围环境进行检测，进行智能化控制，利用水泵和风扇进行浇灌和排湿。系统中设有温湿度安全阈值，因此，在设计时可参考此温湿度阈值进行设计。基于ZigBee技术的绿地智能喷灌系统总体设计框图如图1.1所示。图1.1基于ZigBee技术的绿地智能喷灌系统框图其主要设计原则为：其主要工作设计要点如下：1、主机检测土壤湿度以及环境温度，然后通过zigbee模块将数据传输给上位机，并在OLED液晶显示屏上显示当前的信息值。2、上位机接收到数据后，可显示具体数值，另外可设置温湿度的阈值。3、当湿度小于阈值时，主机的水泵开启喷灌；高于阈值时，则启动风扇加快除湿。2.2系统的方案论证2.2.1主控制器的确定方案一：系统的控制器采用AVR单片机。AVR单片机于1997年由阿马特公司生产制造，之后得到了广泛的使用。这种单片机打破了原来单片机的编码方式，采用8位编码，反应速度快，配备高速处理器，应用范围包括但不限于现代工业、计算机控制、实时监测，仪器仪表等领域[10]。AVR非常高效，性能优越，功能使用，价格经济，耗能低，这些特性说明了AVR的使用效果优秀，同时也成为了单片机质量性能的评判条件。图2.2AVR单片机的实物图51系列中的逻辑指针需要DRTR，但在AVR中，新的运算与逻辑指针的处理是通过十六位的数据寄存执行完成的，整个运行过程中都可以把握前后的处理方式。AVR的引脚用来控制输入输出的寄存器，和PIC类似的I/O引脚也能够稳定控制数据的输入和输出，如果数据输出处于高电状态，那么电流控制在10mA，如果数据输出处于低电状态，电流控制在20mA，比51单片机性能更好[11]。单片机的操作不是利用五位操作而是利用字节操作。方案二：控制芯片的型号为STC89C52。STC系列芯片使用效果较好，简介，价格低廉，实用性好的特点，由中国深圳宏晶科技公司自主研发生产，比51系列更加稳定，它的1T单时钟周期比之前高出六倍，速度更加快，效率更高。同时也增加了电压，稳定性得以提升，所以软件工程师学习时要注意破解和加密过程[12]。图2.3STC89C52单片机的实物图综上，各种单片机特点不同，功能不一，选择更加广泛，情况不同，适用的芯片也会有所不同。在开发过程中要考虑使用的实际情况。STC系列的单片机比较适合初学者，当前世界情况复杂，疫情危机与贸易情况的逐渐复杂也使得国产芯片逐渐展露头角，也有越来越多的国产主控芯片受到厂家的青睐与信任，使得进口芯片不再具有绝对的竞争优势，而且国产主控芯片在技术层面也不断提升，在使用过程中也不会与进口芯片的性能相差太多。因此，本文选择方案二中的STC系列单片机作为主控芯片的设计方案[13]。2.2.2显示模块的确定目前国内系统对工业领域方面主要提供两种显示模块方案，一是价格较为便宜的数码管方案，二是价格较高，但功能较全的LED方案。在工业领域内，数码管是最早兴起的显示模块，其字符亮度与其他同类产品相比，亮度较高。虽然数码管与LED相比，在功能方面存在一定的劣势，但其价格与LED有着天壤之别。大部分人会因为数码管的价格优势，将其作为首选方案。图2.4LED显示屏的实物图液晶屏的成本相对较低，但是数码管的特性使得液晶屏并不能做到完全替换，降低使用成本，数码管的使用范围依旧不可忽视，液晶屏也有它的方便之处，两者有不一样的适用方向。数码管的寿命不长，使用期限会缩短，用于礼品类产品比较经济适用。由于数码管是用LED灯的发光来实现工作，当其中的LED灯不能发光工作，就是笔端工作中断，笔画缺失。街边广告牌的字体不能完全发光，就是数码管不能工作的表现。液晶屏的发光不是它的工作重点，只是辅助功效，所以并不会出现这种不完全发光的情况，因此它的使用时长大于数码管。数码管的质量参差不齐，有一些厂家在生产制造数码管的时候所使用的LED灯价格很低，质量并不能得到保证，所以使用时长堪忧。数码管的灯经过替换之后，价格上涨，与液晶屏相似。LCD灯的外形轻薄，加上偏振器后总厚度不过1.5毫米，数码管的宽度不宜过宽，LED灯需要实现散光效果，一般不可以低于6毫米，否则的话灯会出现光线不均匀分布[14]。图2.5LCD显示屏的实物图大屏显示是通过数码管实现的，一般情况下以数字的形式显示，但是如果想要有更精确的显示，可以修改数码管的参数。但是数码管不能显示较为复杂的图案或数字，可以使用液晶管代替。在设计时主要考虑能源的消耗问题，本文使用背光灯较少，而且液晶屏耗能的重点在于背光灯的使用上，所以液晶屏耗能小，级别在uA。但是数码管的耗能很高，一个灯就需要一个笔画。总体来看，因为数码管耗能高，所以适用于一些不需要考虑耗能以及使用寿命的情况，液晶屏的优势在于耗能低，应用场合不限，所以本文的显示器为液晶屏显示器。2.2.3土壤湿度模块的确定在设计绿地智能喷灌系统时，需要做好土壤墒情的监测工作，并记录监测信息。因此本模块着重介绍土壤传感器的选择，对不同型号的土壤传感器进行分析，选择出最为合适的土壤传感器，加入到系统设计内。下面对SPT61-FDR土壤湿度传感器和TaoTimeClub土壤湿度传感器模块的方案选择进行简单介绍：方案一：SPT61-FDR土壤湿度传感器SPT61-FDR型传感器是是在频域反射法的基础上，结合实际应用进行研发的。该型号传感器在芯片设计板块，选择企业内部技术人员自主研发，在设计过程中对已有传感器芯片的缺陷进行分析，完善芯片设计，提高其灵敏度。因为所使用的芯片属自主研发故产品灵敏度、使用寿命和稳定性都优于国外同类型传感器。与此同时，传感器的封装以及探针保护套对传感器与传感器之间的一致性起到保护作用，能够使得各传感器之间的偏差率在3‰左右，从而对产品在大量施工后的滤定工作起到了减少工作量的作用。使得传感器在批量使用时能够真正达到±2%（m3/m3）的精度，在实验室环境下滤定能够达到±1%（m3/m3）。图2.6SPT61-FDR的实物图方案二：TaoTimeClub土壤湿度传感器模块该方案在设计板块内加入电位器调节系统，该系统配备控制阀值，能够通过多途径调节土壤湿度，加入自动化功能，可实现自助浇水，进而完成土壤湿度调节。在土壤湿度传感器模块加宽感应面积，能够有效提高感应的准确度，并且表面镀镍设计，能够使系统在运行过程中提高其导电性，该措施能够有效延长系统的使用寿命，解决了系统长期使用后呈现的生锈问题。图2.7SPT61-FDR的实物图系统内部选用LM393芯片，该芯片在运行过程中具备极高的稳定性并且该系统所涉及的安装部分均较为简单，对于用户而言，在使用过程中也没有较为复杂的步骤。通过分析二者的功能特点以及结合本文的设计需求，觉得选择模块化、成本低廉的TaoTimeClub土壤湿度传感器模块。2.2.4温湿度检测模块的确定绿地智能喷灌系统是一种自动化的设备，可根据实时气象条件和土壤水分情况调节灌溉量。其中温湿度传感器是该系统中至关重要的组成部分之一，能够实时监测环境温度和湿度信息，为灌溉控制提供精确数据支持。接下来我们将比较DHT11和BME280两种温湿度传感器型号。方案一：DHT11DHT11是一种低成本、数字式温湿度传感器，具有高性价比和易于使用的特点。它可以测量环境温度和湿度，输出数字信号，可与单片机等嵌入式系统进行连接。由于其价格便宜，广泛应用于各种电子产品和自动化设备中。对于绿地智能喷灌系统来说，DHT11作为一个简单且经济实惠的传感器选项非常合适。该系统需要在大范围内安装多个传感器，如果采用昂贵的传感器，则会增加整个系统的成本。此外，DHT11的使用也很容易，不需要复杂的电路和编程知识，即可实现温湿度数据的采集和传输。图2.8DHT11的实物图方案二：BME280BME280是一种集成式数字式温湿度传感器，可以测量环境温度、湿度和气压。它具有高精度、高稳定性和低功耗等优点，并支持多种通信接口（如I2C、SPI），适用于各种应用场合。相比之下，BME280的价格较高，而且需要较为复杂的电路和编程知识才能使用。对于绿地智能喷灌系统来说，这样的传感器并不必要，因为它只需要监测环境温度和湿度，而无需测量气压等其他参数。此外，BME280的高功耗也可能会影响整个系统的运行时间。图2.9BME280的实物图综上所述，尽管BME280作为一种高精度、多功能的传感器在某些应用场合中具有很大优势，但对于绿地智能喷灌系统来说，DHT11更加合适。DHT11价格低廉、易于使用，而且可以满足该系统的基本需求。此外，由于其低功耗特性，DHT11还可以帮助系统节省能源和延长使用寿命。因此，我们建议将DHT11作为绿地智能喷灌系统的温湿度传感器型号选择。在选择温湿度传感器时，需要根据具体应用需求综合考虑精度、响应时间、功耗、尺寸等因素。对于绿地智能喷灌系统来说，我们认为DHT11是最佳选择，因为它具有价格低廉、易于使用、低功耗等优点，可以满足该系统的基本需求。2.3本章小结本章节主要是对系统的设计方案进行概况论述。给出系统的设计原理框图，较为清晰的说明了设计的各个要点。对设计过程中采取的手段及方法进行了详细的描述。最后，对设计中所用的主控制器以及各个功能电路及器件进行论述，对比起功能特点，选出本文设计的方案，为下章节硬件电路的设计做好准备工作。

3系统的硬件电路设计3.1硬件设计概要在本文设计的基于ZigBee的单片机绿地智能喷灌系统硬件部分由STM32系列单片机作为主CPU，利用DHT11温湿度采集模块实现空气温湿度的采集，利用TaoTimeClub土壤湿度传感器模块用于检测土壤的湿度。无线通信模块完成信息的传递，并将具体数值显示在OLED液晶屏上，利用ZigBee进行数据的传输，在上位机上可进行数据的读取，以及启动阈值的设置。执行部分由风扇、水泵执行浇灌及排湿的指令。整个系统硬件设计思路清晰，下面分别对各个控制模块作详细分析。3.2STM32介绍STM32单片机的性能很好，相对于传统的51单片机，运行速度大大提高了，它是ARM内核中最新的版本，该单片机具有许多51单片机没有的构件，比如USB控制器、AD转换器等。该单片机最大的优点是没有机器周期，运行速度非常快。STM32单片机程序都是经过模块化处理的，操作起来十分方便，与传统单片机相比，接口比较简单，而且该单片机功能多样，运行速度快。传统的51单片机功能相对单一，需要很多外围元件的补充。它的互连型系列通过采用锁相环机制改进了音频性能，提高了通信能力，使之可以和I2C通信。该单片机具有USB控制器，可以和外部系统进行链接，读取其中的数据，播放音频等。STM32单片机大大提高了运算速度，是传统单片机的好几十倍，而且接口简单、能够连接许多外围设备[16]。STM32配置32位的闪存微控制器，极大地增加了运行空间，使得MCU用户操作起来更加方便，而且还提供了许多辅助工具。STM32F0的产品的内核处理器都为ARMCortex-M0，该处理器具有能耗低、功能多样、整合速度快的特点，它主要应用于预算低成本。现在的微控制器一般都为8位、16位或32位，它能够减小这些处理器之间的性能差距，使用范围广泛多样，能够实现复杂多样的程序运算[17]。以下是STM32系列微控制器的引脚口功能表格：表3-1STM32单片机的引脚口功能引脚名称功能1功能2功能3功能4PA0ADC1TIM2USART2PA1ADC1TIM2USART2PA2ADC1TIM2USART2PA3ADC1TIM2USART2PA4ADC1PA5ADC1TIM2PA6ADC1TIM3PA7ADC1TIM3PA8TIM1CH1TIM1PA9USART1TIM1USART6I2C2PA10USART1TIM1USART6I2C2PA11USART1I2C2PA12USART1I2C2PA13SWDIOPA14SWCLKPA15TIM2CH1TIM2SPI1_RXPB0ADC1TIM3USART3PB1ADC1TIM3USART3PB2USART3SPI1_MOSIPB3USART3SPI1_SCKPB4USART1_SPI1_MISOPB5TIM3CH2TIM3USART1_SPI1_MOSIPB6TIM4CH1TIM4I2C1USART1_PB7TIM4CH2TIM4I2C1USART1_PB8TIM4CH3TIM10I2C1PB9TIM4CH4TIM11I2C1PB10USART3_SPI2_RXPB11USART3_SPI2_MOSIPB12USART3_SPI2_MISOPB13USART3_SPI2_SCKPB14USART1_PB15USART1_TM32MCU之所以广泛应用于工业行业是因为其具有性能强、耗能低、信息处理速度快等的特点，而且它的开发十分简单，可以长时间保持高度集成。正因如此，STM32单片机在工业控制上发挥着巨大的作用，能够及时处理完成任务，提供大量的外围工具。STM32单片机已成为工业控制的首选，按照不同的内核架构，它能够分为很多系列。STM32引脚图如下所示：图3.1STC89C52单片机引脚图3.3ZIGBEE模块设计本次设计中用于数据的无线传输模块为Zigbee无线串口模块。该设计板块是在CC2530平台设计完成的。该平台主要应用于能源设计板块，并且该平台是真正的片上系统解决方案，具备极高的专业水准。在记忆体方面极具优势，其字节高达256个，因此与同系列产品相比，在该方面较为庞大。对于新研发的RemoTI系统，该模块极具兼容性，在同系列产品中，ZIGBEE模块是首类满足ZigBeeRF4CE兼容性的模块设计，并且具备协议栈。除此之外，该模块能够满足系统内的编程功能，并且在芯片下载模块不会限制其内存大小，甚至满足极大内存下载功能。系统内加入RF收发器设计，同时引入8051微处理器是设计，在功能性需求方面以及外设连接方面极具优势。CC2530提供了101dB的链路质量，与同系列产品相比，具有极高的灵敏度，主要体现在接触器性能方面，同时在运行过程中抗干扰性能较强，在系统搭建过程中可选择多种供电模式，并且对闪存尺寸没有过多的限制性。同时引入2个USART、12位ADC等外设设备，具备较为广泛的外设集设施。除以上所述外，2530平台在RF性能方面也具备极高的性能优势，满足市场目前的硬性需求，极易扩展市场，提高市场知名度。主要可以应用于远程电子控制设备、家用电子设备、家用控制类设备等领域。在医疗领域内也可看到其身影。ZIGBEE模块实物如下所示：图3.2ZIGBEE模块实物图3.4ZigBee技术概述3.4.1ZigBee技术的起源图3.10ZigBee的起源ZigBee技术是一种低功耗、近距离无线通信协议，最初由美国西门子公司、瑞典皇家理工学院、法国斯图尔特公司和美国英特尔公司等联合开发。其起源可以追溯到1998年，当时一些科技公司意识到，传统的无线通信技术（如Wi-Fi和蓝牙）难以满足大规模物联网应用的需求，需要一种更加低功耗、简单、可靠的通信协议。为此，这些公司共同成立了一个名为“ZigBeeAlliance”的组织，致力于开发一种新型的无线通信协议，即ZigBee技术。该技术采用IEEE802.15.4标准作为物理层和MAC层协议，具有低功耗、低速率、低成本、短距离、自组网等特点，适用于大规模物联网应用中的传感器网络、智能家居、工业控制等场景。经过多年的努力，ZigBee技术在2005年正式发布，并迅速得到广泛应用。目前，ZigBee联盟已经发展成为一个拥有超过400个会员的国际性组织，ZigBee技术也成为物联网领域中最受欢迎的通信协议之一。3.4.2ZigBee技术的特点ZigBee是一种低功耗、短距离、高密度网络通信技术，它是一种基于IEEE802.15.4标准的无线协议，主要应用于智能家居、工业自动化、医疗设备等领域。以下是ZigBee技术的主要特点：1.低功耗：ZigBee采用了低功耗设计，因此在电池供电的场景下具有较长的使用寿命，可以实现数年的维护期。2.短距离：ZigBee的通信距离相对较短，通常在10到100米之间，适用于局部区域内的数据传输和控制。3.高密度：ZigBee支持高密度节点网络，每个网络最多可容纳65535个节点，可以实现大规模设备连接和管理。4.自组网：ZigBee网络支持自组网，节点之间可以根据需求自主选择路由和转发，实现了高效的数据传输和灵活的拓扑结构。5.安全性：ZigBee提供了多种安全机制，包括数据加密、认证、访问控制等，保障了网络的安全性和稳定性。6.开放标准：ZigBee技术采用了开放的标准，可以与其他IEEE802.15.4兼容设备进行互联和通信，具有较高的兼容性和可扩展性。总之，ZigBee技术是一种低功耗、短距离、高密度网络通信技术，具有自组网、安全性、开放标准等特点，广泛应用于智能家居、工业自动化、医疗设备等领域。3.4.3ZigBee的协议规范ZigBee基于IEEE802.15.4标准，并在此基础上定义了自己的网络层和应用层协议，以实现设备之间的无线通信。ZigBee的协议规范主要包括三个部分：物理层、MAC层和应用层。物理层：ZigBee采用2.4GHz、868MHz和915MHz三个频段进行通信。其中，2.4GHz频段是最常用的频段，具有高速率和较远的通信距离。而868MHz和915MHz频段则适用于长距离通信，但通信速率较慢。MAC层：ZigBee的MAC层采用CSMA/CA（带退避机制的载波侦听多路访问）协议，可以有效避免碰撞问题。此外，ZigBee还支持多种网络拓扑结构，包括星型、树形和网状等。应用层：ZigBee的应用层协议包括ZigBee应用框架、ZigBee设备对象和ZigBee簇库等。这些协议定义了设备之间的通信方式和数据格式，使得不同类型的设备可以进行互联互通。总之，ZigBee作为一种无线通信协议，具有低功耗、低速率和多种网络拓扑结构等优点，适用于物联网领域的各种应用场景。其协议规范主要包括物理层、MAC层和应用层三个部分，为设备之间的通信提供了标准化的支持。图3.11ZigBee协议栈图3.12ZigBee协议的体系结构3.4.4ZigBee技术的拓扑结构和设备类型ZigBee技术是一种基于IEEE802.15.4标准的低功耗、短距离、无线传感器网络协议，其拓扑结构和设备类型主要有以下几种：1.星型拓扑结构星型拓扑结构是指所有节点都直接连接到一个集中控制器或协调器上。在ZigBee网络中，协调器是一个特殊的节点，负责网络的管理和控制。其他节点可以是传感器、执行器或路由器等。这种拓扑结构简单易用，但是存在单点故障的风险。2.树形拓扑结构树形拓扑结构是指节点之间通过多级连接形成一个树状结构。在ZigBee网络中，协调器通常位于根节点处，而其他节点则沿着分支连接到根节点上。这种拓扑结构具有较好的扩展性和容错性，但是节点之间的通信距离较远时可能存在较大的延迟。3.网状拓扑结构网状拓扑结构是指节点之间可以通过多个路径进行通信，从而形成一个多层次、分散式的网络结构。在ZigBee网络中，节点可以兼具路由器和终端设备的功能，从而可以通过多级路由来实现跨越长距离的通信。这种拓扑结构具有较好的灵活性和容错性，但是节点之间的复杂路由可能会增加网络延迟和能耗。根据其功能和特点，ZigBee设备可以分为以下几类：1.协调器协调器是ZigBee网络中的核心设备，负责网络的管理和控制。它可以与其他设备进行通信，并收集和处理传感器数据。每个ZigBee网络只能有一个协调器。2.路由器路由器是一种可扩展的设备，可以将消息转发到其他节点，从而扩展网络范围。它们通常用于大型ZigBee网络中，以增加网络的覆盖面积和容错性。3.终端设备终端设备是指那些不能转发消息的简单设备，如温度传感器、湿度传感器等。它们通常不需要接收或发送大量数据，因此功耗较低，寿命较长。总之，ZigBee技术的拓扑结构和设备类型可以根据应用场景的需求进行选择和组合，以实现最优的网络性能和稳定性。3.4温湿度监测模块设计3.4.1DHT11的基本原理温湿度度传感器的类型众多，根据不同领域选择不同的传感器，而且在各个领域都有相应的代表。在测量精度高、性能稳定、工作环境恶劣的场所下仍能独占鳌头的要数DHT11温湿度传感器了。该传感器有超小体积，有利于系统安装。此外该传感器的功耗也小[19]。在20米距离内传输均可检测到，因此该产品被应用在各类环境极端的场合。DHT11产品实物图如图3.3所示。图3.3DHT11产品实物图绿地智能喷灌系统需要实时监测环境的温湿度信息，以便自动调节喷灌设备的运行状态，提高水资源利用效率和植物生长质量。DHT11温湿度传感器是一种数字式传感器，其工作原理如下：电气特性：DHT11传感器采用单总线通信协议，使用一个数据线进行双向数据传输，并通过内部上拉电阻保持数据线高电平。湿度测量原理：DHT11传感器的湿度测量基于湿度对电容的影响。当空气中的水分子吸附在传感器上时，会使得传感器中的电容值发生变化，DHT11通过测量这个电容值的变化来计算当前环境的相对湿度。温度测量原理：DHT11传感器的温度测量基于热敏电阻原理。DHT11内部集成了一个热敏电阻元件，当环境温度发生变化时，热敏电阻的电阻值也会随之变化，DHT11通过测量热敏电阻的电阻值来计算当前环境的温度。数据输出：DHT11传感器将温湿度测量结果通过数字信号的形式输出，数据包含40位二进制数，其中前16位为湿度数据，后16位为温度数据，剩余8位为校验位。总之，DHT11传感器是一种基于电容和热敏电阻原理进行温湿度测量的数字式传感器，可以实时输出数字信号，适用于各种需要温湿度测量的环境监测领域。3.4.2DHT11的引脚说明DHT11传感器具有4个引脚，各个引脚对于不同的功能指令，如表3-2所示。表3-2DHT11引脚说明Pin名称注释1VDD供电3-5.5VDC2DATA串行数据，单总线3NC空脚，请悬空4GND接地，电源负极DHT11与单片机的接线图如图3.4所示。图3.4DHT11与单片机的接线图DHT11的供电电压为3－5.5V。传感器上电后，要等待1s以越过不稳定状态在此期间无需发送任何指令。电源引脚（VDD，GND）之间可增加一个100nF的电容，用以去耦滤波。3.5土壤温湿度检测设计TRSD-A1土壤湿度传感器是一种用于测量土壤湿度的传感器，常用于农业、园林等领域的智能喷灌系统中。其工作原理如下：该传感器采用了电容式测量原理。当传感器插入土壤中时，土壤与传感器之间形成一个电容器，土壤的含水量影响着这个电容器的电容值大小。具体来说，当土壤湿度较高时，土壤中的水分会增加电容器两极板之间的电介质厚度，从而使电容值变大；当土壤湿度较低时，则相反。传感器通过测量这个电容器的电容值，就可以得出土壤湿度的信息。由于不同土壤类型、温度、盐度等因素对电容值的影响不同，因此需要在使用前进行校准，以获得更准确的测量结果。TRSD-A1土壤湿度传感器还具有防水、耐腐蚀等特点，适合于长期埋入土壤中使用。在绿地智能喷灌系统中，通过多个TRSD-A1传感器对不同区域的土壤湿度进行实时监测，并结合其他传感器测量的气象数据等信息，智能调节喷灌系统的喷水量和时间，以实现高效、节水的喷灌管理。以下是TRSD-A1各个接口名称和基本作用的表格：表3-3TRSD-A1土壤湿度传感器的引脚口功能接口名称作用电源接口TRSD-A1使用DC-5V电源供电USB接口可通过USB连接TRSD-A1与计算机进行通信、上传程序等操作WIFI天线接口连接外置WIFI天线，增强WIFI信号以太网接口用于连接网络SIM卡接口用于插入SIM卡，连接蜂窝移动网络RS485接口用于连接RS485总线设备CAN接口用于连接CAN总线设备串口接口用于连接串口设备，如传感器等GPIO接口用于连接数字输入输出设备TRSD-A1在设计板块内加入电位器调节系统，该系统配备控制阀值，能够通过多途径调节土壤湿度，加入自动化功能，可实现自助实现土壤湿度调节、电子比赛模拟等功能。系统内部选用LM393芯片，该芯片在运行过程中具备极高的稳定性并且该系统所涉及的安装部分均较为简单，对于用户而言，在使用过程中也没有较为复杂的步骤。继电器的加入可配合电位器阈值实现吸合、断开功能，且加入提示灯设计，可以根据系统运行状态进行频闪。如下为土壤湿度传感器实物图。图3.5土壤湿度传感器实物图3.6OLED电路设计绿地智能喷灌系统需要使用显示器来显示相关信息，而OLED就是一种常用的显示技术之一。下面是OLED的工作原理简介：OLED全称为OrganicLight-EmittingDiode（有机发光二极管），它是一种无源矩阵式显示器，由许多微小的发光二极管组成，每个像素都由一个独立的发光二极管控制。相比于传统液晶显示器，OLED具有更高的对比度、更快的响应时间和更低的功耗。以下是OLED各个接口名称和基本作用的表格：表3-4OLED的引脚口功能接口名称作用VCCOLED模块的电源正极GNDOLED模块的电源负极SCLOLED模块的时钟线，用于通信时同步数据SDAOLED模块的数据线，用于传输数据RESOLED模块的复位引脚，控制模块的软件复位DCOLED模块的数据/命令选择引脚，控制数据与命令的传输CSOLED模块的片选引脚，控制模块的使能OLED的工作原理基于有机材料的电致发光现象。当给予OLED材料电压时，电子与空穴在有机半导体材料中结合，形成激子，这些激子会衰减并释放出能量。这些能量通过辐射或非辐射方式转化为光子，并在透明的阳极和阴极之间的有机层中发光。不同颜色的OLED可以通过使用不同的有机材料实现，例如蓝色OLED使用的有机材料不同于红色OLED使用的有机材料。此外，OLED还可以实现柔性显示，因为它可以使用柔性材料作为其基板。OLED的的读写时序图如图所示：图3.6OLED的读时序图3.7OLED的写时序总之，OLED通过有机材料的电致发光实现显示功能，具有高对比度、快速响应和低功耗等优点，因此在智能喷灌系统中可以作为一种可选的显示技术。液晶显示屏之所以会广泛应用于各种电产品中，是由于其具备在使用过程中不会产生过多的能源消耗、使用时较为方便携带、厚度较小等优点。此类显示屏主要选用有机聚合物发光二极管组合而成，该材料的光源属于“自发光”，应用在材料设计内对比度较高，因此具备极高的提示优势。缺点：当前技术所限，无法大尺寸化，价格较高。如下图为OLED实物图：图3.8OLED液晶显示模块3.7水泵及风扇电机控制设计水泵电机控阀门和风扇采用步进电机和步进电机驱动模块实现门控装置。3.7.1歩进电机的应用步进电机是将电脉冲信号转变为线位移或角位移的开环控制元件。当非超载时，脉冲信号的频率和脉冲数决定电机的转速和停止的位置，电机不受负载变化影响。该电机在使用过程中需引入功率驱动电路和双环形脉冲信号，日常所使用的交流电机以及直流电机无法满足其使用需求，因此在设计方面具备一定难度。3.7.2驱动控制系统图3.7为驱动控制组成框架，在框架内可以清晰得知，系统需要包含脉冲信号、信号分配、功率放大、步进电机、负载五项功能。图3.9驱动控制组成框图1）产生脉冲信号脉冲信号由CPU或单片机产生，它的占空比为0.3-0.4左右，一般脉冲信号电机转速和占空比成正比。2）功率放大在以上所示的五项部分内容上是其主要部分，该部分的主要功能是使系统内产生反电势。3）细分驱动器如图3.8为细分驱动器的原理示意图，在A相磁场与B相磁场所形成的合并磁场中，会产生一定的夹角。一旦步进电机步距角不能满足系统运行条件，则需要通过细分驱动器，通过改变磁场夹角，进而控制电机运转。图3.10细分驱动器的原理图3.7.3电机原理ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列，其运行过程中主要呈现以下特点：对工作过程中的电机进行电压探查，发现其电压度较高；加入电流勘查设施，发现其电流增益较高；并且该电机在运行过程中的负载能力较强。因此ULN2003电机可应用于运行功率较大的驱动系统内，能够满足大功率需求。风扇及水泵的步进电机驱动模块连接图如图3.11所示。图3.11步进电机驱动模块连接图3.8复位电路设计单片机在复位时有较简单的手动复位，也有需求较高的程序自动复位，还有一种方式是上电复位。电路复位证明系统已经完成了一次操作。在本文的设计中选取上电复位的形式，系统操作完成后接通接通电源完成电路复位，然后单片机又开始工作。接通电源后，RST输入高电平，高电平的持续时间和RC有关，电容也大，电压越小。所以在完成电路复位时需要计算准确的电容值，从而顺利完成电路复位。分析较为简单的51单片机，如果在接通电源后能够有持续两个周期或超过两个周期的高电平输入，那么就会完成电路复位。根据参考资料。一般情况下选择的电容和电阻值分别为10uf和10K，如果RST引脚一直存在两个周期以上的高电平，那么可以选取不同的电容和电压值。具体的复位电路电路图如图3.12所示。图3.12复位电路3.9晶振电路设计单片机只有在搭建完振荡电路之后连接电源才能正常运行。在单片机运行过程中晶振电路会振动从而来控制单片机的运行速度，晶振电路振动的速度越快，单片机的代码运行速度就越快。使用51单片机时，一般采用的晶振电路的型号为12MHZ。单片机完成一个代码编写指令需要操作12个周期，12MHZ的晶振电路在一微秒中恰好能够控制完成12个周期，所以比较适合51单片机。除此之外，51单片机还可以使用型号为11.0592MHZ的晶振，该晶振的作用是搭建接口将数据传输给电脑端或传感器。单片机在使用过程中必须有晶振电路，晶振电路的振动能够维持单片机的正常工作，为单片机传输源源不断的信号。在图3.11中存在振荡电路设置，为了维持电路的稳定性，需要在电路中增加连接器，分别为晶振和电容。连接器件为晶振（一个）和电容（两个范围为15-50PF）。STM32单片机中，需要一个外部晶振和一个内部晶振，分别是用于定时及起振。图3.13震荡电路晶振振动的频率越快，单片机发出指令运行的速度就越快，但是晶振频率较快会产生大量的能量消耗，会出现电压不稳定的情况，电路易受到其他因素的影响，所以为了保证电路的正常工作，在安装电路时会将电容和单片机的引脚靠近，距离越近前，电路就会越稳定。3.10电源电路设计在电路的设计中，电源电路必不可少，由于单片机本身电压值较小，所以选择电源电压为5V。在日常生活中，很多元件都可以进行5V供电，为了简化电路，减少操作步骤，本文采用USB供电，在充电时可以使用充电宝方便供电。这样可以实时看到电路情况，保证电路正常供电。为了保护电路，在电路中增加了自锁开关设置，接通电源按下按钮，电路自锁，从而实现电路供电。本文中STM32以及其它电路中有用到3.3V的电压，因此电源电路由5V转了一级3.3V。具体电路图如图3.14所示：图3.14电源电路3.11本章小结本章节主要时对该系统的硬件电路设计部分进行系统论述，对各个功能电路的设计进行详细的说明，包括所用的器件型号及其功能描述，通过本章节的设计，能较好的实现硬件电路的准备及设计工作。4系统的软件设计4系统的软件设计4.1系统总程序的设计本文设计是以绿地绿植灌溉为背景，运用所学的电力电子知识设计一个智能绿地喷灌系统，该系统以STM32单片机为核心，实现对仓库内温湿度的数据处理。利用DHT11温湿度采集模块实现空气温湿度的采集，利用TaoTimeClub土壤湿度传感器模块用于检测土壤的温湿度。无线通信模块完成信息的传递，并将具体数值显示在OLED液晶屏上，利用ZigBee进行数据的传输，在上位机上可进行数据的读取，以及启动阈值的设置。系统上电后，液晶显示屏、温湿度测量电路及ZIGBEE模块初始化，利用温湿度传感器实现对环境温湿度的检测，土壤湿度传感器对土壤温湿度检测、利用ZIGBEE模块将数据进行无线传输。OLED实时显示的温湿度信息以及报警阈值，且通过上位机可以设置温湿度阈值，如果当前温湿度低于设定温湿度阈值，则水泵开启工作。整个系统设计思路清晰，简单易懂。图4.1为系统的总程序流程图。图4.1基于ZigBee技术的绿地智能喷灌系统总流程图4.2水泵及风扇执行子程序设计本文设计的基于单片机ZIgBee的绿地智能喷灌系统具备全方位调节的功能，文中利用温湿度传感器DHT11用于监测空气中的温湿度信息，土壤温湿度传感器检测土壤信息，若检测到温湿度数值不在设定的范围内，则为出现异常，则水泵或者风扇。水泵IO引脚为P05；风扇IO引脚为P06。正常状态下，该电平均为高电平，低电平触发报警。其执行子程序流程图如下：图4.2外设执行子程序流程图4.3协调器程序设计在进行协调器程序设计过程中绘制了如图4.3，协调器程序启动时需要进行初始化，包括建立与其他设备或系统的连接、加载配置文件、注册事件处理程序等。同时协调器需要能够管理连接的各种设备，包括传感器、执行器、网关等。这可能涉及到设备发现、配对、注册、授权、配置等方面。还需要从连接的设备中收集数据，并根据需要进行处理和分析。这可能涉及到数据过滤、聚合、计算、存储、可视化等方面。实时监测来自连接设备的事件，并根据需要做出相应的响应。例如，当一个传感器检测到某个值超过了阈值，协调器可以触发一个警报或发送一条通知。根据特定的策略或算法来调度和控制连接的设备。例如，协调器可以决定在某个时间点关闭某些设备以节省能源，或者优化路由以提高网络效率。图4.3协调器流程图4.4ZigBee无线通讯协议在ZigBee网络中，一个设备必须首先加入到一个已经存在的网络中才能进行数据交换。当设备加入网络时，它会自动地与其他设备进行信道扫描和加入协商，然后建立起网络连接。当设备需要向其他设备传输数据时，它会通过绿色路由协议（GreenRoutingProtocol）来选择最优的数据路径。在数据传输过程中，如果发现某一个节点故障或不可用，可以重新选择合适的传输路径。当设备完成网络建立和路径选择后，就可以开始进行数据传输了。设备之间的数据传输使用的是MAC层定义的数据帧格式，并通过PHY层实现物理层传输。在数据传输过程中，安全性是非常重要的。ZigBee协议使用AES（AdvancedEncryptionStandard）算法对数据进行加密，以确保数据的安全和完整性。当设备收到数据后，需要进行应用层处理。在ZigBee网络中，每个设备都有自己的应用程序，根据接收到的数据进行相应的处理并生成响应数据。系统使用Zigbee无线通讯协议，其程序流程图如图4.4所示。图4.4Zigbee无线通讯协议程序流程图4.5程序烧录软件介绍本模块将系统内所涉及的子模块进行详细划分，并且对其进展开介绍，主要针对其功能以及模块部件类型选择进行具体介绍。本设计通过CH340串口烧写模块实现对单片机程序的烧写。在系统内引入烧写模块时，需运用USB接口将其接入，该接入方式能够有效解决笔记本电脑烧录过程中存在的衔接问题，便于STC系列系统的开发与程序编写，方便用户使用，节省用户的烧录时间。该软件对下载要求较低，并且购买价格低廉，使用性能较高，是烧录软件的不二之选。一、CH340串口烧写模块特点：（1）支持USB1.1或USB2.0通信；（2）全面支持WIN98、WINME、WIN2000、WINXP、VISTA、WIN7等操作系统；（3）供电口选用USB接口，便于供电传输；（4）运行时可运用系统自带电源进行电量传输，或者通过USB接口进行电量传输，使之连接编辑器，从而将电量传输至目标板，为保证编程正常进行，需保证电路内电流维持在500mA以内；（5）各程序运行是相互独立的，一程序编译完成并不影响另一程序继续编译（6）烧录时仅需保证运行系统为STC系列，对其要没有硬性要求；（7）需保证电压输出接口为3.3V与5V电压，并确保编译器能为其持续提供。（8）选用该接口能为用户编程提供稳定的传输速度，确保用户通过电脑使用该软件时运行稳定；（9）该软件引入进口原装芯片，该芯片性能较高，能保证编译进程稳定传输。模块如下图所示。图4.5CH340串口烧写模块使用该模块与单片机连接时，操作较为简单，单片机上有TXD衔接口，将衔接口置于RXD（模块内）衔接口上，而后依次链接TXD（模块内）与RXD（单片机）、GND与GND，程序的烧录完成。4.6编程语言与调试环境选择在调试系统的过程中软件程序的设定占有较为重要的地位。设计师在设计系统初期会选择合适的编程语言，以合适且方便为选择标准，此过程对整个系统而言十分重要。通过对系统的各个方面进行分析，并且结合后续使用过程中的实用性和便利性进行考虑，本系统选用C语言进行编译。普遍编程人员首先接触到的编译语言为C语言，因此C语言在使用的便利性方面占据极大优势，单片机系统多以C语言为编译语言。C语言除以上所述优势外，在逻辑方面也具备一定的优势。运用C语言编译的程序，能够使用户更为轻松的理解程序内容，熟练运用程序。此外，在实用性方面，C语言借助其模块化的优势，极大地提高了系统编程过程中的实用性。本系统选用Keilc51uv4（后简称Keil）作为综合开发环境。Keil软件在实用性方面具备一定的优势，工程师在选择编译软件时长将其作为首选，该软件也凭借其自身优势，成为使用最为广泛的一套编程软件。该软件源自德国，并时常活跃在我国的大学教育软件系统中，是国内唯一授权的教具系统。通过以上介绍，本论文系统选用Keil软件作为编译软件。4.7软件开发工具介绍本在本次基于ZigBee技术的绿地智能喷灌系统设计中，使用IAR作为软件编写和开发的工具。IAR软件是一款针对嵌入式系统开发的集成开发环境（IDE），由瑞典公司IARSystems开发。它支持多种芯片架构，包括ARM、AVR、8051等，并提供了丰富的调试和优化工具，为嵌入式开发者提供了全面的解决方案。IAR软件的主要特点包括：强大的编辑器：IAR软件提供了高效的源代码编辑器，支持自动补全、语法高亮和快速导航等功能，方便开发者编写和维护代码。全面的编译工具：IAR软件内置了完整的编译工具链，包括C/C++编译器、汇编器、链接器和库管理器等，可以直接将源代码编译成可执行文件。灵活的调试工具：IAR软件提供了灵活的调试工具，支持硬件调试器和仿真器等多种方式进行调试，方便开发者在嵌入式系统中定位和修复问题。优化工具：IAR软件还提供了各种优化工具，包括代码优化、存储器优化和功耗优化等，帮助开发者在保证代码质量的前提下，提高系统性能和效率。丰富的扩展性：IAR软件支持各种插件和扩展，可以根据用户的需求进行定制和扩展，满足不同开发者的需要。总之，IAR软件是一款功能强大、灵活易用的嵌入式系统开发工具，为开发者提供了全面的解决方案和支持。下图4.1是IAR的开发环境示意图。图4.7IA