毕业设计论文养殖场智能监控系统的设计.docx
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毕业设计论文养殖场智能监控系统的设计
学号
毕业设计〔论文〕
题目：
养殖场智能监控系统的设计
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、二氧化碳浓度及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、用户端三个局部组成。
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、低本钱、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，到达了预期设计要求，符合了现代社会人性化及智能化的特点，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
Abstract
Thedesigntobuildasetoffarmsintelligentmonitoringsystem.Real-timemonitoringoftheimpactofthefarmsambienttemperature&humidity&lightintensity&carbondioxideconcentrationandotherenvironmentalfactors.Tosolvethedifficultproblemoflabormanagementandinvestigationpatrolmonitoring.Thesystemconsistsofthreepartsofthemonitoringnode&thehost&theclient.Themonitoringnodeusesvarioustypesofsensorsdetectingfarmsenvironmentalfactorsandsendstheinformationtothehostthroughawirelesscommunicationnetwork.Hostacceptstheinformationsentbythemonitoringnodesetinaccordaneewiththesystemprocessestheinformationandmaketheappropriateaction,suchassmartregulation&alarm&SMSnotificationuser.Clientreal-timereceivertothehostsentfromtheenvironmentalinformationandremotemonitoringviaSMSfarmsenvironment.Inthissystem,theuseofTI'sultra-low-powerwirelesschipCC1101tobuild433MHzwirelessnetwork.ThecontrollerusesST'smicro-powerthecontrollerSTM32L151andtheSTM32F103.TruecolorTFTtouchscreenhuman-computerinteraction.Comparedtoconventionalfarmsmonitoringsystemwithflexiblearrangementofmonitoringpoints&monitoringawidearea&lowpower&lowcost&morehumane&alsohasadditionalfeaturessuchasburglaralarm.Aftertesting,thesystemoperationissimplebeautifulinterface&completefunctions&stableoperationtoachievethedesireddesignrequirements.Inlinewiththecharacteristicsofmodernsocietyhumaneandintelligentandhasbroadmarketprospects.
Keywords:
Farms;wirelesscommunication;sensornetworks;STM32F103processor;intelligentmonitoring
摘要II
Abstractill
目录1
第一章绪论1
养殖场智能监控的意义1
养殖场监控技术的开展历程1
智能监控的国内现状分析2
第二章系统设计要求论证3
系统设计要求3
系统方案论证3
核心处理器选择3
温湿度传感器选择方案3
远距离通信方案4
供电方案4
显示模块方案5
系统框图5
本章小结6
第三章养殖场智能监控硬件设计7
主机MCU设计7
3.1.1STM32F103ZET6功能简介7
3.1.2STM32F103ZET6电路设计9
监测节点MCU设计9
3.2.1STM32L151功能简介9
3.2.2STM32L151电路设计11
无线模块设计11
节点的硬件结构11
3.3.2RF芯片CC1101介绍11
3.3.3CC1101无线模块电路设计12
传感网络电路设计13
温湿度传感器电路设计13
气体传感器电路设计13
光照强度电路设计13
热释红外传感器电路设计14
3.5TFT真彩液晶电路14
第四章软件设计16
软件设计平台16
系统软件设计17
上位机监控系统设计17
主控制器STM32L103的程序设计17
4.2.3CC1101协调器程序设计18
4.2.4CC1101监控节点程序设计18
握手类帧结构20
432监测类帧结构20
433控制类类帧结构20
数据传输过程21
联机调试21
第五章数据测试以及分析22
测试仪器22
数据测试及结果分析22
5.2.1RF模块测试22
环境因子测试23
自动控制测量24
总结25
参考文献1
致谢2
附录一程序代码3
第一章绪论
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，浪费了大量本钱，且效率不咼。
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、低本钱、
远距离功能实现对养殖场的实时环境进行监控，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。
养殖场监控技术的开展历程
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开展，养殖大棚作为其中一个重要的组成局部，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开展。
随着二十世纪70年代电子技术的飞速
开展和微型计算机的出现，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开展和价格的下降，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开展。
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开展到比拟完备的程度，并形成了自己的体系标准。
养殖场内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、
智能监控的国内现状分析
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兴旺国家相比还有一定的差距。
根据多方面市场调查分析，国内市面上的大局部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，国内大局部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、报警不及时等缺点，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局部问题，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。
经多方位比照，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，有着十分广阔的开展前景。
本文内容安排：
第一章绪论，主要介绍养殖场智能监控的意义、养殖场监控技术的开展历程、智能监控的国内现状分析；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及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
系统设计要求
〔1〕系统由检测节点、主机和用户端三个局部组成；
〔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。
系统方案论证
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做数据存储及处理、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做数据存储及处理、人机交互等功能。
方案比拟：
方案一最大特点是系统体积小、本钱低；但是系统处理速度过慢，内部存储空间较小。
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液晶显得比拟吃力。
采用AT89S52做内核进行控制比拟简单，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，电路设计相比照拟复杂。
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内核，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，同时其较大的内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。
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，所用元件价格廉价。
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。
223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、平安隔离、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：
无线技术
所谓的无线技术，其频段处于2.405GHz-2.485GHz〔科学、医药、农业〕之间，所以简称为无线技术。
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。
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。
常见的无线芯片有TI公司的CC2500、NODIC公司的NRF24L01等。
方案比拟：
433M频段和频段都为我过免费的频段，但是各具特点，应用领域也各不相同。
433M频段相对于频段信号更强，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。
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
购置直流稳压模块，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。
方案比拟：
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，应选择方案三，采用电池供电，更加符合本设计要求。
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12864点阵LCD液晶显示，其可视面尚可，画面效果良好，而且其内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响速度，还可以精确的控制显示色阶，故TFT真彩液晶屏色彩更真。
TFT液晶显示屏具有比照度高、亮度好、颜色鲜艳、层次感强，同时具备触摸功能⑴。
方案比拟：
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。
应选择方案二，采用全触屏TFT
彩屏液晶显示。
系统框图
本系统由检测节点、主机、用户端三个局部组成。
监测节点局部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、等。
通过Internet用户可以远程监控养殖场内湿度、光照等因素，以到达最智能、最方便、最简洁的养殖场环境监控。
系统框图如下列图所示。
图系统结构框图
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、大范围、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。
第三章养殖场智能监控硬件设计
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，本系统主机局部采STM32F10332位微处理器。
3.1.1STM32F103ZET6功能简介
STM32F103是一款高性能、低本钱、低功耗的嵌入式应用设计芯片。
使用高性能
的ARM?
Cortex?
-M332位的RISC内核，时钟频率到达72MHz，是同类产品中性能最好。
内置高速存储器，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-40°C至+105°C温度范围，供电电压至，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相同。
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⑷：
基于ARMCortex-M3核心的32位微控制器，LQFP-144封装.
512K片内FLASH〔相当于硬盘〕，64K片内RAM〔相当于内存〕，片内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运行速度到达最大化
通过片内BOOT区，可实现串口下载程序〔ISP〕片内具有双RC晶振，提供8M及32K的频率支持片外8M咼速晶振，片外低速32K晶振
42个后备存放器〔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实现高速低本钱的开发调试方案
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个根本定时器，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、
NDFlash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供电范围：
嵌入式系统是以计算机技术为根底，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、本钱、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、以及用户的应用程序等局部组成，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内部结
构图如下图。
AEF-
图3.1STM32F103ZET6的内部结构图
3.1.2STM32F103ZET6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、滤波电容等局部都是设计的重点。
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局部界面图片。
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*64LCD接口、SD_CARD接口、7279键盘接口、TFT液晶接口、JTAG调试接口、通用10口等。
整个STM32F103ZET6原理图如下列图所示。
图3.2STM32F103ZET6原理图
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STM32L151CBT微控制
器。
3.2.1S
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