基于zigbee的蔬菜大棚环境参数采集系统设计模板

摘要现在，ZigBee技术已经广泛应用于近距离传输无线通信领域，尤其是在工农业控制、医疗卫生方面日益起着越来越关键作用。本设计意在经过ZigBee无线通信技术构建一个无线传感器网络（WSN），采取树型网络拓扑结构，对加入该网络传感器节点进行温度、湿度、光照强度和二氧化碳浓度数据进行采集和分析，将此应用于对农业里温室环境检测和控制当中，避免了有线网络布线问题和成本问题。本设计利用了一个结构合理Web应用程序，搭建Web服务器来动态显示传感终端所采集温室数据。关键词：ZigBee；CC2430；无线传感器网络；温湿度采集AbstractCurrently,ZigBeetechnologyhasbeenwidelyusedincloserangetransmissionofwirelesscommunicationsisincreasinglyplayinganincreasinglyimportantrole,especiallyintheagriculturalandindustrialcontrol,medicalprotection.Thisdesignisintendedtobuildawirelesssensornetwork(WSN),theadoptionofZigBeewirelesscommunicationtechnology,theuseofatreenetworktopology,sensornodesjointhenetworktemperature,humidity,lightintensityandcarbondioxideconcentrationofthedatacollectionandanalysiswillthisappliedtothedetectionandcontroloftheenvironmentonagriculturalgreenhouse,toavoidthecablenetworkcablingproblemsandcostissues.ThisdesignusesarationalstructureoftheWebapplication,setupaWebservertodynamicallydisplaygreenhousedatacollectedbythesensorterminal.Keywords:ZigBee;CC2430;wirelesssensornetworks;temperatureacquisitio目录摘要 IAbstract II目录 III前言 V1.绪论 11.1研究背景和意义 11.2中国外温室测控系统研究现实状况 11.2.1中国温室测控系统研究现实状况 11.1.2国外温室测控系统研究现实状况 22.系统分析 42.1系统总体架构 42.2系统设计原理 52.3系统节点设计 63.系统概述 83.1数字温湿度传感器SHT10 83.2CC2430芯片 103.3串行通信接口RS-232 123.4显示模块 133.5报警模块 144.系统软硬件设计 154.1系统硬件设计 154.1.1Zigbee节点硬件设计 154.1.2传感器节点硬件设计 164.1.3温湿度数据采集节点设计 184.1.4基站节点设计 214.2系统软件设计 264.2.1Zigbee网络软件设计 264.2.2传感器终端软件设计 264.3服务端设计和实现 274.4远程主机端设计和实现 275.系统测试 295.1系统测试步骤 295.2系统测试结果 295.2.1系统硬件测试 295.2.2协议栈测试 295.2.3GPRS测试 295.2.4上位机测试 295.3系统测试结果分析 30结论 31参考文件 32致谢 33前言伴随中国国民经济发展人民生活水平日益提升,冬季大棚蔬菜市场日渐扩大。在利用蔬菜大棚生产中,温度、湿度等原因直接关系到大棚作物生长,所以,对大棚温湿度数据进行实时、正确采集和监测调整是实现大棚蔬菜生产优质、高效益关键步骤。传统环境参数系统使用有线监测设备,含有线路多、布线复杂、维护困难等缺点,在很多特定区域无法顺利使用。基于此,本文介绍了一个基于Zigbee蔬菜大棚环境参数采集系统,该系统利用无线通信技术,无需布设任何线路,自动组网,成本低廉,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实时无线监控,促进了蔬菜大棚智能化、统一化管理。1.绪论1.1研究背景和意义二十一世纪是设施农业快速发展时期。发达国家和发展中国家纷纷采取方法，加大投资.大力发展智能化设施农业。设施农业是采取优异科学技术和工厂化生产方法，把作物种植在一个相对封闭空间，为作物高效生产提供适宜生长环境，而且在任何地域，十二个月四季均能种植任何作物现代化农业。设施农业是农业现代化关键标志，其特点表现为高产量、高品质、环境保护、周年可连续生产。设施农业快速发展加速了农业科学推广，对农业现代化水平提升起到了主动推进作用。植物生长全部是在一定环境中进行，其在生长过程中受到环境中多种原因影响，其中对植物生长影响最大是环境中温度和湿度。环境中昼夜温度和湿度改变大，其对植物生长极为不利。所以必需对环境温度和湿度数据进行采集、监测和控制，使其适合植物生长，提升其产量和质量。本系统就是利用价格廉价通常电子器件来设计一个参数精度高，控制操作方便，性价比高应用于农业种植生产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，首先对温室环境进行调控会影响作物生长，其次作物光合作用、蒸腾作用改变又对室内环境因子产生新影响，从而产生了一个反馈作用机制，而在现有温室环境控制系统并没有考虑到这种反馈作用机制。假如能同时对没施内温度、光照、二氧化碳浓度等进行智能调控，并能考虑到作物反馈作用机制，这种调控方法既节省资源又提升生产效率。研究温室环境控制现实状况及发展趋势，不仅能够提升作物产量和降低温室能耗，而且对未来温室环境调控发展含相关键指导意义。1.2中国外温室测控系统研究现实状况1.2.1中国温室测控系统研究现实状况现在温室环境控制系统关键针对温度和湿度控制进行研究。卢佩等采取模糊控制方法，经过建立模糊控制系统模型和对模糊控制器设计，引入解藕参数，实现系统温湿度解耦控制，提升了温湿度控制精度。黄力栎等针对温室气候控制方法中温湿度之间耦合作用，提出以温度控制为主、湿度控制为辅控制策略，并建立两变量输入、三变量输出控制主回路和赔偿回路模糊控制系统，从而为温湿度控制提供了一个行之有效方法。邓璐娟采取逆系统方法对温室环境非线性系统进行了解耦和线性化，同时对随机扰动进行赔偿，采取PDF控制算法和Smith预估赔偿对线性化后系统进行了综合校正，在选择校正后闭环系统参数时考虑了非线性系统解耦要求。朱虹经过对历史温室环境数据合理分析，将温室温度控制模型近似为一阶惯性加时滞步骤。基于该温度近似模型采取Zhuang等中提出时间为权误差积到分指标最优参数自整定公式来整定PID控制器参数，将整定后PID控制器应用于温室控制。杨泽林等经过数据挖掘，利用采集温室内、外温度及室内湿度数据对温室状态进行分类，提出一个基于各类别中温室温、湿度改变率相关性进行模糊解耦控制。沈敏等考虑开关设备组合作用下温室测控系统非线性动态特征，提出结构简单、不需复杂数值计算离散估计模型，对设备组合进行滚动优化估计控制，大大简化温室测控系统估计控制算法复杂性，缓解了测控系统分布大时滞问题。1.1.2国外温室测控系统研究现实状况国外温室环境起步较早，温室环境控制经过多年发展，控制技术和理论发展到较高水平。伴随用于温室环境控制作物模型研究，研究人员将温室物理模型和作物模型结合起来，以实现温室高效生产。Seginer等进行模拟研究确定温室二氧化碳施肥优化方法，其方法是在建立一系列函数(作物生长函数、温室函数、设备函数及成本函数)以后，进行数值寻优得到不一样温光水平下最优二氧化碳施肥量，并给出一系列图表用于指导实际二氧化碳施肥操作管理；Van-Straten等利用作物光合作用和蒸腾作用进行温室内短期优化和控制，利用有效积温原理进行温室长久优化和控制，将短期优化和长久优化相结合，实现了以经济最优为目标温室环境控制。Aaslyng等利用作物光辐射吸收、叶片光合作用和呼吸作用估计模型建立了温室环境控制系统，依据自然光照来控制温室内温度，系统在节省能源和因为光照减弱而造成作物产量降低之间取得了很好平衡。基于作物和环境动态响应时间尺度不一样，前人把温室作物生产优化控制问题分成慢速子问题和快速子问题2个子问题。Seginer等只考虑慢速子问题，Hwang只考虑快速子问题。VanHenten是第一位处理整个优化控制问题科学家，提出把系统分解为2个时间尺度方法，依据该方法首先处理长久问题，然后用长久问题结果来计算短期问题轨迹并把该方法应用到生莱生产优化控制中。从以上文件能够看出，国外进行温室环境控制时已经考虑到作物和环境相互作用机制，同时考虑到作物动态响应和环境动态响应时间尺度不一致性，但应用到黄瓜生长优化控制中较少。

2.系统分析2.1系统总体架构无线传感器网络终端节点关键由数据采集模块、数据处理模块、数据传输模块和电源管理模块组成。数据采集模块负责经过多种类型传感器采集物理信息；数据处理模块负责控制整个节点处理操作、功耗管理和任务管理等；数据通信模块负责和其它节点进行无线通信，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RS232串口将全部信息聚集传至PC机或服务器。本系统模型关键分为四块:温湿度数据采集节点、负责从节点接收数据并向主机发送数据系统节点、主机（服务器）和最终用户。该系统总体架构图图2-1所表示：远程主机端服务器程序系统节点数据采集远程主机端服务器程序系统节点数据采集节点图2-1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网络系统负责采集温室大棚内温湿度数据，上位机负责显示温湿度数据并进行实时监控。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。温湿度传感器模块关键负责采集、存放和上传温湿度信息。路由器模块关键负责转发温湿度信息。协调器模块关键完成温湿度数据汇聚。下位机ZigBee网络系统和上位机之间经过RS-232串口进行通信。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，然后协调器开始组建ZigBee网络，这时路由器节点和温湿度传感器节点开始加入ZigBee网络。分布在各个大棚内温湿度传感模块开始采集温湿度信息，并存放在Flash中，经过单跳或多跳方法发送到上位机，上位机监控端接收到温湿度信息后，把各个大棚内温湿度信息显示出来。当温湿度信息异常时，在监控端会有异常提醒，方便立即处理。各个传感器节点每隔一定时间采集一次它周围温湿度，并将温湿度数据经过临近节点或直接传给基站关键板上；基站关键板负责搜集从各个几点上传来数据，并经过串口转传到服务器端上；远程主机将建立数据库来存放这些数据，为用户提供查询操作，主机也能够实现报警等功效。以下是对这几部分功效具体介绍：1、温湿度传感器数据采集节点：本系统中该步骤关键是经过CC2430集成暴露在空气中温湿度传感器来采集菜蔬大棚里空气温湿度，将其转化成数字信号，并经过Zigbee无线网络将这些采集到数据发送到基站节点。数据采集节点并不是多对一传输关系，每个节点全部有路由转发功效，也能够接收来自邻近节点数据，并将其转发给基站节点，从而扩大了测量距离，处理了无线测量范围有限难题。2、基站：基站作为本系统关键步骤，它需要完成搜集从自己网内各个数据采集节点发来数据，并将这些数据经过串口发送到计算机(也能够称作服务器上)进行存放，从而为上层用户提供查询等服务提供了数据依据。基站也是一块CC2430增强型工业标准嵌入式关键板，它在组网中序号必需是01号，不然将接收不到数据。3、服务器端：服务器端经过串口线将从基站收到数据存放在数据库中，并经过GPRS网络传输给远程主机端，从而为上层软件设计、用户使用提供了数据依据。本系统一个关键是在服务器端建立一个软件系统来管理这些数据。4、远程用户端：该部分关键负责从服务器端搜集数据，并存放在自己数据库中，并以此为数据基础为用户提供数据。本系统在该软件设计中实现数据接收控制、温湿度数据显示、历史数据查询、删除、温湿度自报警和系统用户等管理。2.2系统设计原理该检测系统充足利用ZigBee技术软、硬件资源,辅以对应测量电路和SHT10数字式集成温湿度传感器等智能仪器,能实现多任务、多通道检测和输出。而且经过RS232接口实现和上位PC机连接,进行数据分析、处理和存放及打印输出等。它含有测量范围广、测量精度高等特点,前端测量用传感器类型可在该基础上修改为其它非电量参数测量系统。温湿度检测系统采取SHT10为温湿度测量元件。系统在硬件设计上充足考虑了可扩展性,经过一定添加或改造,很轻易增加功效。依据温室大棚内温湿度、土壤水分、土壤温度等传感器采集到信息，利用串口通信RS-232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行显示，报警，查询。监控中心将收到采样数据以表格形式显示和存放，然后将其和设定报警值相比较，若实测值超出设定范围，则经过屏幕显示报警或语音报警，并打印统计。和此同时，监控中心可向现场控制器发出控制指令，监测仪依据指令控制风机、水泵、等设备进行降温除湿，以确保大棚内作物生长环境。监控中心也能够经过报警指令来开启现场监测仪上声光报警装置，通知大棚管理人员采取对应方法来确保大棚内环境正常。2.3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传感器和无线通信模块终端集合。关键是负责大棚内空气温湿度数据采集，并接收从基站发来指令，定时经过无线模块将本节点采集到温湿度数据传输给基站节点。1、数据采集节点是定时(默认设置成10S采集一次温湿度数据)采集数据，这个时间间隔能够是网络中基站向温湿度传感器节点发送重新设置时间间隙控制命令来完成设置。PPP(Point-to-PointProtocol)协议是在设计和实现网络中基站节点功效所要用到技术。PPP协议是为在相同单元之间传输数据包这么简单链路设计链路层协议。这种链路提供全双工操作，并根据次序传输数据包。设计目标关键是用来经过拨号或专线方法建立点对点连接发送数据，使其成为多种主机、网桥和路由器之间简单连接一个共通处理方案。传感器应用了其技术从而实现了数据接力传送，从而提升了网络通信效率。数据采集节点关键由电源模块、处理器模块、温湿度传感器搜集模块和无线通信模块4个模块组成：（1）电源：采取两节1.5V纽扣电池组成3V直流电为整个系统供电。（2）处理器模块和无线通信模块：采取增强型工业标准CC2430关键板，它是加强版Zigbee模块。（3）温湿度传感器搜集模块：采取CC2430关键板集成温湿度传感器SHT10。数据采集节点硬件框图图2-2所表示：图2-2为数据采集节点硬件框架图2、温湿度采集节点也是基于Zigbee通信协议终端设备。Zigbee基础是IEEE802.15.4,但IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，所以Zigbee联盟扩展了IEEE，对其网络层协议和API进行了标准化。和其它无线标准802.11或802.16不一样，Zigbee以250Kbps最大传输速率承载有限数据流量。它满足国际标准组织(ISO)开放系统互连(OSI)参考模型，关键包含物理层、数据链路层。Zigbee是一个新兴短距离、低速率、低功耗无线可自组网络技术。关键用于近距离无线连接。在数千个微小传感器之间相互协调实现通信，这些传感器只需要极少能量，以接力方法经过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们通信效率很高。

3.系统概述3.1数字温湿度传感器SHT101、SHT10结构原理SHT10是瑞士Sensirion企业生产一款含有已校准数字信号输出高度集成数字式温湿度传感器，体积微小、功耗极低，因为采取了CMOSensR技术，从而可确保器件含有极高可靠性和卓越长久稳定性。该传感器包含一个电容性聚合体测湿敏感元件和一个用能隙材料制成测温元件，并在同一芯片上，和14位A/D转换器和串行接口电路实现无缝连接。生产过程中，每个传感器芯片全部在极为正确湿度腔室中进行标定，以镜面冷凝式湿度计为参考，校准系数以程序形式储存在OTP内存中，在标定过程中使用。SHT10传感器湿度测量范围为0~100％RH，湿度测量精度为±4.5％RH20到80％RH，湿度测量分辨率为0.03％RH；温度测量范围为-40～+123.8℃，温度测量精度为±0.5℃（25℃时），温度测量分辨率为0.01℃。可实现宽范围温湿度测量。SHT10默认测量分辨率分别是温度14位、湿度12位，也能够经过修改传感器8位状态寄存器“1”将分辨率分别降至12位和8位，通常在高速或最低位为超低功耗应用中采取低分辨率。其中传感器SHT10原理图图3-1所表示。图3-1传感器SHT10原理图2、引脚说明a.电源引脚（VDD、GND）SHT10供电电压为2.4V～5.5V。传感器上电后，要等候11ms，从“休眠”状态恢复。在此期间不发送任何指令。电源引脚（VDD和GND）之间可增加1个100nF电容器，用于去耦滤波。b.串行接口SHT10两线串行接口（bidirectional2-wire）在传感器信号读取和电源功耗方面全部做了优化处理，其总线类似I2C总线但并不兼容。①串行时钟输入（SCK）。SCK引脚是MCU和SHTIO之问通信同时时钟，因为接口包含了全静态逻辑，所以没有最小时钟频率。即微控制器能够以任意慢速度和SHT10通信。②串行数据（DATA）。DATA三态引脚是内部数据输出和外部数据输入引脚。DATA在SCK时钟下降沿以后改变状态，并在SCK时钟上升沿有效。即微控制器能够在SCK高电平段读取有效数据。在微控制器向SHT10传输数据过程中，必需确保数据线在时钟线高电平段内稳定。为了避免信号冲突，微控制器仅将数据线拉低，在需要输出高电平时候，微控制器将引脚置为高阻态，由外部上拉电阻(比如;10kΩ)将信号拉至高电平。为避免数据发生冲突，MCU应该驱动DATA使其处于低电平状态，而外部接1个上拉电阻将信号拉至高电平。3、发送命令用一组“开启传输”时序，来表示数据传输初始化。它包含：当SCK时钟高电平时DATA翻转为低电平，紧接着SCK变为低电平，随即是在SCK时钟高电平时DATA翻转为高电平。4、测量时序(RH和T)公布一组测量命令（‘00000101’表示相对湿度RH，‘00000011’表示温度T）后，控制器要等候测量结束。这个过程需要大约20/80/320ms，分别对应8/12/14bit测量。确切时间随内部晶振速度，最多可能有-30%改变。SHT10经过下拉DATA至低电平并进入空闲模式，表示测量结束。控制器在再次触发SCK时钟前，必需等候这个“数据备妥”信号来读出数据。检测数据能够先被存放，这么控制器能够继续实施其它任务在需要时再读出数据。接着传输2个字节测量数据和1个字节CRC奇偶校验。UC需要经过下拉DATA为低电平，以确定每个字节。全部数据从MSB开始，右值有效（比如：对于12bit数据，从第5个SCK时钟起算作MSB；而对于8bit数据，首字节则无意义）。用CRC数据确实定位，表明通讯结束。假如不使用CRC-8校验，控制器能够在测量值LSB后，经过保持确定位ack高电平，来中止通讯。在测量和通讯结束后，SHT10自动转入休眠模式。警告：为确保本身温升低于0.1℃，SHT10激活时间不要超出10%（比如，对应12bit精度测量，每秒最多进行2次测量）。3.2CC2430芯片1、CC2430芯片介绍

CC2430芯片以强大集成开发环境作为支持，内部线路交互式调试以遵从IDEIAR工业标准为支持，得到嵌入式机构很高认可。它结合Chipcon企业全球优异ZigBee协议、工具包和参考设计，展示了领先ZigBee处理方案。其产品广泛应用于汽车、工控系统和无线感应网络等领域，同时也适适用于ZigBee之外2.4

GHz频率其它设备。其引脚示意图图3-2所表示。CC2430包含一个增强型工业标准8位8051微控制器内核，运行时钟32MHz。CC2430包含一个DMA控制器。8K字节静态RAM，其中4K字节是超低功耗SRAM。32K，64K或128K字节片内Flash块提供在电路可编程非易失性存放器。CC2430集成了4个振荡器用于系统时钟和定时操作：一个32MHz晶体振荡器，一个16MHzRC-振荡器，一个可选32.768kHz晶体振荡器和一个可选32.768kHzRC振荡器。CC2430也集成了用于用户自定义应用外设。一个AES协处理器被集成在CC2430之中，用来支持IEEE802.15.4MAC安全所需（128位关键字）AES运行，以尽可能少占用微控制器。中止控制器为总共18个中止源提供服务，她们中每个中止全部被给予4个中止优先级中某一个。调试接口采取两线串行接口，该接口被用于在电路调试和外部Flash编程。I/O控制器职责是21个通常I/O口灵活分配和可靠控制。图3-2CC2430芯片引脚示意图CC2430包含四个定时器：一个16位MAC定时器，用认为IEEE802.15.4CSMA-CA算法提供定时和为IEEE802.15.4MAC层提供定时。一个通常16位和两个8位定时器，支持经典定时/计数功效，比如，输入捕捉、比较输出和PWM功效。CC2430内集成其它外设有:实时时钟；上电复位；8通道，8－14位ADC；可编程看门狗；两个可编程USART，用于主/从SPI或UART操作。为了愈加好处理网络和应用操作带宽，CC2430集成了大多数对定时要求严格一系列IEEE802.15.4MAC协议，以减轻微控制器负担。这包含：自动前导帧发生器、同时字插入/检测、CRC-16校验、CCA、信号强度检测/数字RSSI、连接品质指示(LQI)和CSMA/CA协处理器。2、CC2430芯片关键特点CC2430芯片延用了以往CC2420芯片架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用1个8位MCU（8051），含有128KB可编程闪存和8KBRAM，还包含模拟数字转换器(ADC)、多个定时器（Timer）、AES128协同处理器、看门狗定时器（Watchdogtimer）、32kHz晶振休眠模式定时器、上电复位电路(PowerOnReset)、掉电检测电路(Brownoutdetection)，和21个可编程I/O引脚。CC2430芯片采取0.18μmCMOS工艺生产,在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27mA或25mA。CC2430休眠模式和转换到主动模式超短时间特征，尤其适合那些要求电池寿命很长应用。3.3串行通信接口RS-2321、电气特征RS-232采取负逻辑在TxD和RxD上：逻辑1(MARK)=一5～15V逻辑0(SPACE)=+5～+15VRS-232关键电气特征为：带3—7k欧姆负载时驱动器输出电平：逻辑“1”：一5～一12V；逻辑“0“：+5～+12V。不带负载时驱动器输出电平：一25～+25V。驱动器转换速率：<30V／，L。接收器输入阻抗：3～7K欧姆之间。接收器输入电压许可范围：一25～+25V。最大负载电容：2500PF。2、电平转换RS-232是用正负电压来表示逻辑状态，和1vrL以高低电平表示逻辑状态要求不一样。为了能够同计算机接口或终端1vrL器件连接，必需在EIA-RS-232和1vrL电路之间进行电平和逻辑关系变换。实现变换方法现在较为广泛地使用集成电路转换器件，如MC1488、SN．75150芯片可完成1vrL电平到EIA电平转换，而MC1489、SN75154可实现EIA电平到1vrL电平转换，MAX232芯片可完成1vrL一IA双向电平转换。MAX232芯片转换口，包含两路驱动器和接收器RS-232转换芯片。芯片内部有一个电压转换器，能够把输入+5V电压转换为RS-232接口所需±10V电压，最大好处是工作电压为+5V，不需要额外电源。3.4显示模块本系统中所需要显示内容比较简单，采取通常液晶显示器即可满足系统需求，综合成本及效果考虑决定采取市场上使用广泛LCD1602液晶显示模块。图3-3所表示。图3-3LCD1602液晶显示模块原理图1、特征：（1）工作电源：5V亮度可调；（2）内部控制：HD44780；（3）支持LCD通常控制命令；（4）字符发生器ROM：160个5×7点阵字型；（5）显示数据寄存RAM:80Byte；（6）用户自定义字型RAM：8个5×7点阵字型；2、引脚说明VSS\VDD:工作电源和地；VEE:辉度调整端；RS:寄存器片选信号接口；R/W:读写信号控制接口；E:使能信号；D0～D7:8位数据I/O口。3、控制方法LCD内部可看成两组寄存器，指令寄存器和数据寄存器，选择信号由RS引脚控制，RS=0，指向指令寄存器，此时读为读标志位，写则是写入指令到控制寄存器。对LCD一切操作全部必需在内部忙标志位为‘0’情况下有效。确定此次操作置E为‘1’；RS=1,操作指向数据寄存器，读写对象全部是内部RAM。在使用LCD之前应对其先初始化，可从以下多个方面入手：选定LCD显示功效；设定LCD显示模式；设定显示字符进入方法；清屏。3.5报警模块蜂鸣器是一个一体化结构电子讯响器，采取直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、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此次设计报警系统。图3-4所表示。电磁式蜂鸣器工作原理：（1）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。（2）接通电源后，振荡器产生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相互作用下，周期性振动发声。图3-4蜂鸣器报警电路系统软硬件设计早期对蔬菜大棚内温湿度监控是采取手工控制，经过长久经验积累，对蔬菜大棚内农作物生长情况统计等形成依据，直接对大棚温湿度进行调整以使给大棚里作物一个适宜生长环境。而基于Zigbee网络蔬菜大棚监控系统能够节省一定人力资源，将搜集到数据和系统设置上下限进行对比，将正确进行报警，通知相关人员进行处理。相比于人工管理阶段，本系统一定程度上提升了生产效率。4.1系统硬件设计4.1.1Zigbee节点硬件设计ZigBee节点硬件结构图4-1示，关键由CC2430射频芯片和传感器组成。图4-1ZigBee节点硬件结构CC2430芯片整合了高性能2.4GHzDSSS（直接序列扩频）射频收发器内核和工业标准增强型8051MCU，还包含了8KBSDRAM、128KBFlash，是一个片上系统（SOC）处理方案。将对应传感器和CC2430I／O引脚连接，可测得所需温室环境参数，并经过ZigBee无线网络进行传输。本文总体硬件设计是实现针对主协调器节点设计和开发。主协调器硬件系统中包含CC2430通信模块、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。主协调器节点关键功效是负责接收和存放传感器节点发送来消息，并向传感器节点公布网络控制信息，同时和Pc机进行数据交换。其中串口转USB模块负责转换CC2430模块和PC机通信信号；液晶显示模块负责节点工作状态指示；电源模块通常采取连续电力供电，为主协调器节点提供运行所需能量。依据气象采集系统需求设计硬件结构，并设计各部分电路，包含无线传输模块、CC2430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。图4-2所表示为主协调器节点硬件组成图。LCD模块通用接口CC2430天线LCD模块通用接口CC2430天线键盘电路键盘电路A/D转换复位电路8051MCU存放器A/D转换复位电路8051MCU存放器串口转USB串口转USB电源管理PC电源管理PC图4-2主协调器节点硬件组成图4.1.2传感器节点硬件设计传感器节点是由无线收发器CC2430、射频天线RF、电源模块、晶振电路和串口电路组成。因为CC2430芯片本身带有温度传感器，所以本试验直接采取了CC2430内置温度传感器监测温度。不过该温度传感器精度有限，假如要求更高精度，能够扩展出一个温湿度传感器，如SHT10。传感器终端设备由RF收发模块、传感器模块和实施器驱动模块组成。其中实施器驱动模块关键是由继电器电路组成，而传感器模块由数字温度传感器DS18B20、数字湿度传感器SHT21、微型数字二氧化碳传感器S-100及TSL230B光照强度／频率传感芯片组成，而RF收发模块使用是TI企业提供CC2430无线收发模块，具体电路原理图4-3所表示。图4-3基于CC2430芯片RF收发模块电路图下面对每个部分功效和指标进行具体介绍：(1)信息搜集终端：即协调器，放置于监控室，完成网络建立和维护，和节点之间绑定建立，实现数据汇总，然后以有线方法传送到上位机软件，进行深入数据处理。本设计采取RS-232串口将采集到数据发送到上位机。(2)温度采集终端：即节点，放置在需要采集温度地方。温度采集终端能够实现网络加入、和协调器绑定建立、温度检测。检测到温度经过ZigBee无线网络发送到协调器。(3)上位机：在监控室，完成对所采集温度汇总和显示。采集到数据实时保留到文档中，同时以折线图形式实时反应出温度改变趋势，使其更为直观。4.1.3温湿度数据采集节点设计数据采集节点按功效模块划分可分为：无线通信模块和温湿度数据采集模块。（1）无线通信模块CC2430是一块符合IEEE802.15.4标准片上Zigbee芯片。它无线通信模块基础是数据采集节点之间是采取点对点通信方法。其数据采集步骤图图4-4所表示：图4-4数据采集节点步骤图在系统开启，数据采集节点开启后，并完成初始化工作后，节点将开始搜索其无线范围内网络信息。因为Zibgee网络内节点含有路由转发功效，所以节点之间也能够互发数据，直至将源数据发送到最终基站节点。(2)温湿度数据采集模块温湿度采集模块式采取温湿度传感器SHT10。SHT10是一款含有已校准数字信号输出温湿度复合传感器，采取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。SHT10和CC2430连接电路原理图图4-5所表示：图4-5CC2430和SHT10连接电路原理图该传感器由1个能隙式测温元件、1个电容式聚合体测湿元件、1个14位A/D转换器和1个2-wire数字接口组成，使得该产品含有体积小、精度高、功耗低、反应快、抗干扰能力强等优点。而且SHT10数字式传感器含有类似I2C总线数字接口通信方法和CRC数据传输校验。数据采集节点在上电后，经过11ms后，SHT10会从休眠状态恢复到等候状态；接着发送一组“传输开启”时序进行数据传输初始化工作,然后发送一组测量命令（其中相对湿度RH量时序命令为“00000101”，摄氏温度T量时序命令为“00000011”）开始测量周围温湿度量，等候测量结束（大约需要20/80/320ms对应其8/12/14位时间）；最终SHT10将下拉DATA到低电平（进入空闲模式）表示测量结束了，并传入一个字节CRC校验并开始接收数据。图4-5为温湿度数据采集模块步骤图。图4-6温湿度数据采集模块步骤图其中产生开启传输时序程序片段以下：//相关其它代码……P1_1=1；P1_0=1；wait(1)；P1_1=0；wait(1)；P1_0=0；wait(1)；P1_0=1；wait(1)；P1_1=1；wait(1)；P1_0=0；……//其它相关代码4.1.4基站节点设计1.ZigBee技术概述ZigBee是一个新型短距离、低成本、低功耗、低数据速率和低复杂度无线通信技术。ZigBee名字起源于蜂群使用赖以生存和发展通信方法，蜜蜂经过跳ZigZag形状舞蹈来分享新发觉食物源位置、距离和方向等信息。借此来寓意ZigBee特点。ZigBee是一个新兴短距离、低速率无线通信网络技术。它有自己协议标准，在数千个微小传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要极少能量，以接力方法经过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以通信效率很高。IEEE于12月成立了802.15.4小组，负责制订了介质接入控制层(MAC)和物理层(PHY)规范，于5月经过IEEE802.15.4标准，这是ZigBee技术基础标准，被称作为IEEE802.15.4(ZigBee)技术标准。ZigBee联盟成立于8月，由英国Invensys企业、日本三菱电气企业、美国摩托罗拉(现Freescale)企业和荷兰飞利浦半导体企业组成。四大巨头共同宣告加盟ZigBee联盟，负责提供网络层和应用层框架设计，并研发名为ZigBee下一代无线通信标准。ZigBee技术符合行业标准，它提供互操作性，从而使不一样厂商之间设备能够相互进行通信，并为系统集成商和用户提供灵活购置选择，还能够降低原始设备厂商(OEM)成本。现在世界大型IT公司不停推出自己ZigBee处理方案，比较著名有Freescale企业、Microchip企业、Chipcon企业（现在TI子企业）等。美国和欧洲引领了ZigBee技术发展前沿，韩国、日本也纷纷研制出ZigBee相关开发套件和处理方案。中国也有很多著名研究所和著名院校也加入到该领域研究工作中来，其中宁波研究所己经研制出2.4GHzZigBee网络节点，部分企业和研究机构也纷纷推出自己ZigBee开发套件，能够估计，在未来几年里，ZigBee技术将是通信领域研究和开发烧点技术，含有宽广应用前景。2.ZigBee技术能够填补其它短距离无线通信技术缺点，它含有以下优点：(1)数据传输速率低。ZigBee技术数据传输速率，通常在10kb/s～250kb/s，很适合于于低传输速率应用。(2)功耗低。因为工作周期很短，收发信息功耗较低，而且采取了休眠模式，所以在通常情况下，两节一般5号干电池支持节点工作长达6个月到2年左右时间，从而避免充电和频繁更换电池。这是ZigBee技术最引认为豪独特优势。(3)协议简单。(4)低成本。因为ZigBee数据传输速率低，协议简单和较小存放空间，所以大大降低了成本。每片芯片价格通常在2～3美元，而且ZigBee协议是免专利费。(5)网络容量大。一个ZigBee网络能够容纳最多254个从设备和一个主设备，一个区域内能够同时存在最多100个ZigBee网络。(6)工作频段灵活。ZigBee使用频段分别为2.4GHz、868MHz（欧洲）、915MHz（美国），均为免执照频段，这么也降低了成本。(7)传输可靠性高。ZigBee采取了CSMA-CA碰撞避免机制，同时为需要固定带宽通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时竞争和冲突。MAC层采取完全确定数据传输机制，每个发送数据包全部必需等候接收方确实定信息，才能够发送下一个数据包，这么有效确保了传输数据可靠性。(8)安全性高。ZigBee提供了数据完整性检验和鉴权功效，加密算法采取AES-128，同时各个应用能够灵活确定其安全属性。(9)时延短。针对时延敏感应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活时延全部很短。设备搜索时延经典值为30ms，休眠激活时延经典值是15ms，活动设备信道接入时延为15ms，这对一些时间敏感信息至关关键，而且时延缩短后节省了能量消耗。(10)网络自组织、自愈能力强。ZigBee自组织功效指无需人工干预，网络节点能够感知其它节点存在，并确定连接关系，组成结构化网络；ZigBee自愈功效指能够增加、删除一个节点，节点位置发生变动或节点发生故障时，网络全部能够自我修复，并对网络拓扑结构进行对应地调整，无需人工干预，确保整个系统仍然能正常工作；ZigBee技术传输速率即使只有250kbps，但完全能够满足传输挠度数据需求。ZigBee技术网络连接设备相对于其它短距离无线通信技术来说是最多，传输距离较远而且费用、功耗最低，所以将ZigBee无线通信技术应用于组建桥梁挠度无线传感器网络中。3.ZigBee网络配置（1）ZigBee设备功效类型ZigBee网络基础组员即“设备”，根据功效不一样可分为两类：全功效设备FFD(FullFunctionDevice)和精简功效设备RFD(ReducedFunetionDeviee)。全功效设备(FFD)是含有转发和路由能力节点。它拥有足够存放空间来存放路由信息，其处理控制能力也相对较强。FFD可作为协调器、路由器和终端设备，支持任何拓扑结构。精简功效设备(RFD)只能接收和发送信号，其内存小、功耗低、功效简练，在网络中只能作为终端设备使用。FFD能够和FFD、RFD通信；而RFD只能和FFD通信，RFD之间通信只能经过FFD转发。FFD不仅能够发送和接收数据，还含有路由器功效。RFD应用相对简单，比如在无线传感器网络中，它们只负责将采集数据发送给其父节点，并不含有数据转发、路由发觉和路由维护等功效。就成本而言，RFD因为功效简单、存放容量小，所以RFD相对于FFD含有较低成本。（2）ZigBee设备节点类型ZigBee网络中依据设备所处角色不一样定义了三种逻辑设备类型：协调器(Coordinator)、路由器(Router)和终端设备(EndDevice)。a、ZigBee协调器是三类设备中最为复杂一个。它存放容量最大、计算能力最强，所以必需是全功效设备FFD，而且一个ZigBee网络PAN(PersonalAreaNetwork)中也只能存在一个协调器。ZigBee协调器在运行之前需要配置相关网络参数和设备参数，供后面使用。上电后ZigBee协调器进行初始化，首先扫描信道，选择适宜信道，然后建立起自己网络，许可其它设备加入网络。工作状态下，ZigBee协调器不仅要发送和接收数据，而且还需要管理网络中设备加入和离开，建立不一样设备之间相关绑定信息，并处理多种设备和服务查询请求。b、ZigBee路由器也是一个全功效设备FFD。它类似于IEEE802.15.4定义协调器。ZigBee路由器上电后，应该加入或重新加入网络。假如是加入新网络，它需要扫描信道，选择适宜网络加入；假如是重新加入网络，它需要扫描信道查找父设备。在加入网络后它就自动取得一个16位网络地址，并许可在其通信范围内其它节点加入或离开网络，同时还含有路由和转发数据功效，路由节点只有在簇树网络和网状网络中存在。c、ZigBee终端设备能够由简化功效设备RFD或全功效设备FFD组成。其关键负责和实际监控对象相连，这种设备只和自己父节点主动通信，并从父节点处取得网络标识和短地址信息，具体信息路由则全部由其父节点及网络中含有路由功效协调器和路由节点完成。4、ZigBee工作模式ZigBee网络工作模式能够分为信标(Beacon)模式和非信标(Non-beacon)模式两种。信标模式能够实现网络中全部设备同时工作和同时休眠，以达成最大程度地节省功耗，而非信标模式只许可ZE进行周期性休眠，协调器和全部路由器设备长久处于工作状态。5、IEEE802.15.4标准和Zigbee协议介绍IEEE(InstituteofElectricalandElectronicsEngineers美国电气和电子工程师协会)无线个人区域网工作组IEEE802.15.4技术标准是Zigbee技术基础。IEEE802.15.4标准制订是为低能耗简单设备提供有效覆盖范围在10m之内低速连接，用于无线监测、工业控制等消费和商用应用领域。IEEE802.15.4支持两种网络拓扑结构，即单跳星状或当通信线路超出10m时多跳对等拓扑。不过对等拓扑逻辑结构由网络层定义。LR-WPAN中器件既能够使用64位IEEE地址，也能够使用在关联过程中指配16位短地址。一个IEEE802.15.4网最多能够容纳216个器件。IEEE802.15.4标准最关键特点是低功耗。因为在现实中用电池供电嵌入式器件，常常更换电池所产生费用往往比器件本身成本还要高。所以在IEEE802.15.4标准制订中，在数据传输过程中引入了节省功率机制。多数机制是基于信标使能方法，关键是限制器件或协调器之收发信机开通时间，或在无数据传输时使它们处于休眠状态用设备功耗量。IEEE802.15.4标准里有三种不一样数据传输方法从而突出了低功耗特点：间接数据传输、直接数据传输和有时隙确保数据传输。Zigbee网络是一个高可靠性无线数字传输网络，它可工作在三种流行无偿频段上(如全球流行2.4GHz、美国流行915MHz和欧洲流行868MHz)。其传输速率分别能够达成250kbit/s、40kbit/s和20kbit/s。Zigbee是一组基于IEEE同意经过IEEE802.15.4无线标准研制开发组网、安全和应用软件方面技术标准。并由ZigbeeAlliance和IEEE802.15.4小组共同制订了Zigbee技术标准。Zigbee栈体系结构由一组称为层块儿组成。每个层为上层实施指定一套服务：数据实体提供数据传输服务，管理实体提供全部其它服务。每个服务实体经过一个服务接入点（SAP）为上层提供一个接口，每个SAP支持部分服务原语来完成必需功效。Zigbee网络层（NWK）支持星形、树状形和网状拓扑结构三种结构。在星状形拓扑结构里，整个网络是由一个独立通信设备Zigbee协调器来进行控制。Zigbee协调器功效关键是负责对已连入网络中节点进行控制和维护。在树状形拓扑和网状拓扑结构里，Zigbee协调器得功效关键是对已建立网络中部分参数进行选择、确定和设置等。ZigBee网络组建关键是为工业化现场实现自动化控制时对数据传输。它协议规范使得设备功耗低、工作可靠、工作安全、结构简单、价格低廉、使用方便等特点。而移动通信网CDMA网或GSM网关键是为用户语音通信而建立，其单个基站费用通常全部在百万元以上，而Zigbee协议中每个Zigbee基站价值却不到人民币1000元。基于以上对Zigbee节点分析，所以，我选择使用ZigBee中CC2430芯片作为本论文中基站节点来应用。4.2系统软件设计4.2.1Zigbee网络软件设计

传感器网络软件设计关键任务是无线网络组网、传感器工作控制和数据采集和收发。传感器节点关键实现数据采集和定时发送；路由节点实现数据转发；汇聚节点首先负责网络配置和管理，包含定义通信信道、网络标识符（PANID），配置网络Profile,响应节点加入网络请求和绑定请求，为其它节点分配网络地址等。其次还接收各传感器节点发来数据，将其进行汇聚后经过RS-232串口传给PC机终端。

首先上电初始化整个系统，开启协调器建立一个新网络，路由节点和传感器节点寻求并加入网络，协调器即可和终端节点进行绑定。绑定完成后传感器节点即可采集数据并发送数据，搜集节点负责接收数据，并经过RS232传至PC显示。路由节点步骤基础和协调器相同，只是它将接收信息再转发给协调器。4.2.2传感器终端软件设计在本系统网络中，每个终端设备全部含有一个固定地址，且该地址对应温室大棚中不一样区域。该设备负责将本区域内所测得原始数据发送至中央控制设备，并在接收来自中央控制设备控制命令后，驱动对应设备实施该命令，其工作步骤图4-7所表示。图4-7传感器终端设备步骤图4.3服务端设计和实现服务端关键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温湿度数据，并存放在服务端数据库上，接着将每条数据经过SIM300GPRS功效将其发送到远程主机上。服务端程序也是由MFC来完成其界面。经过串口响应来接收温湿度数据，接着读取服务端系统时间，并解码温湿度数据，然后再依据解码得到数据将其继续编码最终经过GPRS发送到远程主机端上；接着将已重新编码数据经过GPRSAT指令发往SIM300模块，经过GPRS网络往远程主机端上发送；最终将收到数据经过一定代码组织将其写入数据库。4.4远程主机端设计和实现远程主机端关键是负责从基站接收数据，并解析、取舍、解码温湿度数据，然后将接收时间、节点号、温湿度值全部存放在主机数据库中，从而为应用软件提供服务。服务器端应用软件设计有用户操作界面和数据库存放设计。它关键实现以下多个方面功效：1、用户登录：该功效模块是在打开应用软件时必需要求用户实施一个操作。2、温湿度数据显示：这里将实时显示从基站传过来温湿度数据，让用户直观看到大棚什么时候、哪个节点(哪里)温湿度数据。另外在收到正确数据后，系统将会将这些数据写到数据库中保留起来。3、报警功效：系统应该处理大棚中温湿度超标时情况，所以应用软件在操作界面应该有该功效。为了降低因为偶然原因引发误报警，在某个节点在温湿度连续搜集3次值全部超出临界值，那么系统将给报警。而报警处理方法就是在界面上形成视觉反差从而引发用户注意。4、历史数据查询：这个是为了方便用户查看历史数据而设定功效。它包含历