基于无线传感器的农业环境监测系统毕业设计论文.docx
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基于无线传感器的农业环境监测系统毕业设计论文
前言
我国是世界上设施栽培面积最大的国家，而且近几年国产连栋温室每年以新增100～150万公顷的面积快速发展。
引导温室用户根据作物的要求进行环境因子的调节以获得作物产量和品质的提高，是温室环境因子调控决策支持系统的主要目标和方向。
然而，目前的温室测控系统大多采用有线布网、人工测量，导致现场安装困难，工作效率偏低，测量精度差，这不仅大大增加了电气工程施工费用，也导致施肥等工作困难；此外，系统中的每个监控点没有自组织功能和自愈能力，维护工作量大，也不利于系统升级。
因此，为了实现温室农作物的优质、高产和高效，开发和研制一种新型的温室环境测控系统是十分必要的。
无线传感器网络技术是现代传感器技术、微电子技术、通信技术、嵌入式计算技术和分布式信息处理技术等多个学科的综合。
把无线传感器刚络技术引入到温室大棚生产中来，农业将有可能逐渐地从以人力为中心，依赖于孤立的生产模式转向以信息和软件为中心的生产模式。
从而实现温室信息采集自动部署、自组织传输和智能控制、大幅度提高单位面积的劳动生产率和资源产出率、改善温室等设施内工作环境和工作条件、提高工作效率、保障农民身体健康、提高农民生活质量，有助于解决“三农”问题，对实现温室作物生产的可持续发展具有重要意义。
1无线传感器系统概述
1.1无线传感器技术
无线传感器网络是由部署在监测区域内部或附近的大量廉价的、具有通信、感测及计算能力的微型传感器节点通过自组织构成的“智能”测控网络。
无线传感器网络在军事、农业、环境监测、医疗卫生、工业、智能交通、建筑物监测、空间探索等领域有着广阔的应用前景和巨大的应用价值，被认为是未来改变世界的十大技术之一、全球未来四大高技术产业之一。
1.2研究背景
随着无线技术的快速发展和日趋成熟，无线通信也发展到一定的阶段，其发展的技术越来越成熟，方向也越来越多，越来越重要，大量的应用方案开始采用无线技术进行数据采集和通信。
微机电系统和低功耗高集成数字设备的发展，使得低成本、低功耗、小体积的传感器节点得以实现。
这样的节点配合各类型的传感器，可组成无线传感器网络（WSN）。
无线传感网络是一种开创了新的应用领域的新兴概念和技术。
广泛应用于战场监视、大规模环境监测和大区域内的目标追踪等领域。
传感技术、传感网络已经被认定为最重要的研究之一。
因为无线传感器网络节点一般采用电池供电，工作环境通常比较恶劣，而且数量大、更换非常困难，所以低功耗是无线传感器网络最重要的设计准则之一，因此，它迫切需要对传统的嵌入式应用开发进行更新和改进，需要精心设计的软硬件系统，以使其可靠而耐用。
2003年,美国《技术评论》杂志论述未来新兴十大技术时,WSN被列为第一;美国《今日防务》杂志更认为WSN的应用和发展将引起一场划时代的军事技术革命和未来战争的变革。
可以预测,WSN是信息感知和采集的一场革命,是21世纪最重要的技术之一[2]。
低功耗无线传感模块，便是组成无线传感网络的节点。
此方面的研究由来已久，是计算机应用的扩展，采用了大规模集成电路和嵌入式技术，使用智能微处理器对采集到的信息进行处理和加工。
现已广泛应用于社会建设的各个层面和人们的日常生活当中。
但过去的研究有的只考虑低功耗而性能不高，有的性能高但是功耗太大。
因此，在无线传感技术应用如此广泛的今天，在保证无线传感模块性能的同时又能实现其低功耗具有一定的理论和现实意义。
1.3研究目的
当前对于无线传感技术的研究仍然处在一个高速发展的阶段，低功耗就是其发展方向之一，而低功耗与高性能的结合实现还不完全。
因此，为了更好的实现无线传感模块的功能，增加模块的可靠性和使用寿命，通过对无线传感节点的硬件功耗的分析，确定无线传感模块各单元的基本功率消耗，并进行相应比较，确定需重点降耗的单元，在此基础上结合当前对低功耗无线传感模块的研究，通过对比分析选择合适的芯片完成对低功耗无线传输模块的自主设计和制作。
并辅助软件开发人员完成各子模块的驱动编写，实现低功耗无线传感模块的整体通信功能。
1.4研究意义
无线传感网络是一种开创了新应用领域的新兴概念和技术。
当前，传感技术、传感网络已经被认定为最重要的研究之一。
无线传感器网络节点的稳定运行是整个网络可靠性的重要保障。
低功耗无线传感模块研究具有极其重要的学习和研究价值，其功能的实现具有极其重要的理论和现实意义。
首先，现有的众多研究中，将性能和低功耗相结合的较少，有的只考虑低功耗而性能不高，有的性能高但是功耗太大。
本文综合了性能和低功耗的共同需求，经过深入的分析和对芯片的数据比较，提出了低功耗无线传感模块的硬件设计思路。
其次，增加无线传感模块的应用。
无线传感模块应用已非常广泛，除去组成无线传感网络的应用外，无线传感技术还广泛的应用于环境监测，如车间温湿度、压力等；短距无线通信等。
实现了无线传感模块的低功耗，其对电能的需求就会更小，应用的范围将会进一步的扩大。
1.5相关概念界定
无线传感模块：
是指由处理器模块、无线模块、电源模块和传感模块组成的无线通信自治系统，它采用一定的频率和编码方法实现与其它模块的通信，属于无线技术的一种。
无线传感网络WSN（WirelessSensorNetwork）:
是由部署在监测区域内大量的具有信息采集、数据处理和无线通信能力的微小传感器节点通过无线电通信形成的一个多跳的自组织网络系统，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域里被监测对象的信息，并发送给观测者[3]。
PCB:
是PrintedCircuitBoard的缩写，中文意为印刷电路板，是搭配电子零件之前的基板，被誉为“电子系统产品之母”或“3C产业之基石”。
1.6国内外研究现状和发展趋势
1.6.1国内外研究现状
无线传感模块是新兴的下一代无线传感网络节点，它是组成无线传感网络的基本部分。
最早的代表性论述出现在二十世纪九十年代末，题为“传感器走向无线时代”。
传感技术的发展经历了一般传感器、智能传感器、无线传感器等几个阶段。
一般传感器，是最早产生的传感器，只能实现数据采集；智能传感器则是在一般传感器的基础上将处理计算能力与传感器相结合，使得传感模块不但能够实现数据等信息采集，还能对所采集到的信息进行一定程度的计算和处理；无线传感器则是在智能传感器的基础上再集成无线功能模块，使得传感器不再是单独的感知模块，而是一个能够实现数据采集、处理，信息交换和控制的有机整体。
为了实现随时随地与任何人或任何设备的互联互通，无线通信技术获得了蓬勃发展。
在正交频分复用（OFDM）和多入多出（MIMO）等基础技术支持下，多种无线技术如蓝牙、Wi-Fi、WIMAX、超宽带和无线局域网获得了长足发展。
作为蓬勃发展的无线技术，近几年正是其大变革时期。
随着几种重要基础技术的推广和实际应用，无线通信的速度也将得到大大提高。
无线传感模块属于无线技术中较为底层的一个分支，由于越来越多的应用方案开始采用无线节点进行数据采集和通信。
综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等的无线传感网络,是当前的热点研究领域。
而无线传感网络节点的稳定运行是整个网络可靠性的重要保障，因此无线传感模块的设计，传感技术、传感网络已经被认定为最重要的研究之一。
当前国内外出现了多种无线传感器网络节点的硬件平台。
典型的节点包括Mica系列、Telos、IRIS和Imote2等。
各平台的主要区别是采用了不同的处理器和无线通信模块。
有些节点具有高性能但功耗较大，如Imote2节点，不适用于能量受限的应用环境。
其他一些节点，如Telos、Mica等，由于设计时间较早，其性能已经落后于当今的集成电路工业设计水平[4]。
因为无线传感器网络节点一般采用电池供电，工作环境通常比较恶劣，而且数量大，更换非常困难，所以低功耗是无线传感器网络最重要的设计准则之一。
ITP（美国再生能源办公室工业技术计划）在2002年发布的报告“21世纪工业无线技术”第一页中引用了总统科技顾问的断言：
无线传感器可将能源利用率提高10%，将能源损耗减少25%[5]。
后来的研究，如Intel（r）Mote的研究项目则注重了三个方面的要求，包括低功耗操作、系统级集成和硬件的重新配置，希望做到平衡功耗与性能的矛盾，但目标的实现还需要一定的努力。
MIT发展的模块化平台对于具体的传感器有不同的硬件设计，他们的传感器的主要功能是数据收集，采用垂直连接器来使不同的处理层整合到一起，其目的是为了设计一个通用的系统来取代单一的硬件系统[7]。
随着电子技术、计算机技术以及集成技术的不断发展，传感技术也会得到不断的发展和完善。
并且会有更多的结构新、功能强、耗能低的传感器用运于各种实际的无线网络当中，以高的精确度和良好的稳定性服务于更加广泛的领域。
1.6.2发展趋势
正是由于低功耗无线传感节点在如此广范围内的应用，使得它受到了来自军事、工业和商业以及学术专家的极大关注。
其发展方向必然是无线通信的网络化，即通过自组网的方式形成动态、自适应的无线传感网络。
而无线传感网络（WSN）是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域。
它综合了传感器技术、嵌入式计算技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术等。
我国迫切需要提升对此的认识程度，并尽快推动其发展。
因此，以无线传感模块为基础，实现传感网络的无线互联将是一个必然的趋势。
另外由于无线传感器网络节点的稳定运行是整个网络可靠性的重要保障。
在不同的应用中，传感器网络节点的组成不尽相同。
已有的节点，有的只考虑低功耗而性能不高，有的性能高但是功耗太大。
因此，无线传感模块的发展必然是趋向与低功耗的。
即在保证所需要实现功能的基础上，尽量的实现整个模块的低功耗，甚至在不影响整体性能的情况下适当减少部分功能来实现降低功耗的目的。
除开以上所讲两种发展趋势之外，无线传感模块的应用和发展还具有极大的发展空间和良好的发展方向。
当前对无线传感模块的应用都是静止性的，就目前存在的无线传感网络（WSN），构成网络的各个节点都是被固定的安放在一个地方，要实现对整个环境的检测，就需要向环境中投放大量的无线传感节点。
这样一来成本就会非常的高。
若实现无线传感模块对信息的移动式采集，则在同一个环境内投放更少的节点，就能实现对环境的全面检测。
正是由于当前能耗对无线传感模块的影响，低功耗研究才上升为一个热点领域，不论是使用电源或者电池供电，在实现低功耗后，无线传感模块的发展趋势必然是自生能源式的。
利用太阳能、振动能量、地热、风能等实现无线传感模块的电能供应对于全面提高无线传感模块的能力将会起到巨大的作用。
最后，基于能力存储技术的发展，电池的容量越来越大，再加上低功耗的实现，无线传感模块的适用寿命不断增加将会成为一个绝对趋势。
未来的无线传感模块必将是集稳定性与安全性、扩展性与灵活性、微型化与低成本等特点为一体的[8]。
2系统分析和总体设计
2.1对无线传感器系统的要求
系统由温湿度传感器SHT11、光照传感器TSL2561，AT89S52单片机，无线数据传输模块PTR2000，PC和电源模块组成。
传感器节点通过自组织方式构成网络，将采集到的数据沿着其他节点逐跳进行传输，传输到显示模块进行数据显示。
主要技术指标
（1）通信与组网：
负责监测环境信息的传感器节点自组织搭建无线网络，并向管理和基础服务层提供服务支持；
（2）通信频段：
2.4-2.4835Hz；
（3）采用通信协议标准：
ZigBee协议标准；
（4）借点可靠通信范围：
200m；
（5）传感器精度：
温度0.3℃（25℃时），湿度：
2.0%RH（20—80%RH），光照强度：
1lx。
2.2系统组成及工作原理
2.2.1系统组成
系统由电源，上位机系统和下位机系统组成。
电源包括LM7805，四节5号AA电池和一个10K电阻。
上位机包括无线收发模块PTR2000，MAX232，PC。
下位机包括无线收发芯片PTR2000，AT89S52单片机，温湿度传感器SHT11，光照强度传感器TSL2561。
图2.1传感器节点系统框图
2.2.2工作原理
多个无线传感器节点通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络，其中的节点将采集到的数据依照最近路线逐个传递到离监测中心最近的传感器节点，再从节点发送到监测中心。
由检测中心的PC中Labview8.6软件开发出的监测界面显示数据曲线图。
监测软件界面图
系统硬件结构框图
3系统硬件设计
3.1上位机系统
图3.1上位机系统框图
Fig.3.1Blockdiagramofthehostsystem
上位机采用PTR2000，
PTR2000主要有以下几个特点[3]:
该器件将接收和发射合接为一体；
工作频率为国际通用的数传频段433MHZ；
采用FSK调制/解调，可直接进入数据输入/输出，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合；
采用DDS（直接数据合成）+PLL频率合成技术，因而频率稳定性极好；
灵敏度高达—105bBm;
工作电压低（2.7V），功耗小，接收待机状态电流仅为8μA；
具有两个频道，可满足需要多信道工作的场合；
工作速率最高达20kbit/s（也可在较抵速率下工作，如9600bps）;
超小体积，约40×27×5mm;
可直接与MCU的串口进行连接（如8031），也可以通过MAX232与计算机接口，软件编程非常方便；
标准的DIR引脚间距更适合于趼、嵌入式设备；
由于采用了低发射功率、高接收灵敏的设计，因此使用时无需申请许可证，开阔地时的使用距离最远可达1000米。
引脚排列及功能
PTR2000模板的引脚排列如图1所示。
各引脚的功能说明如下；
VCC（1脚）；下输入端，电压范围为2.7~5.25V；
CS（2脚）：
频道选择端。
CS=0时，选择工作频道1，即433.92MHz；CS=1时选择工作频道2，即434.33MHz
DI（3脚）：
数据输入端
DO（4脚）：
数据输出端；
PWR（5脚）：
节能控制端。
当PWR=1时，模块处于正常工作状态，PWR=0时，模块处于待机微功耗状态；
TXEN6脚）：
发射/接收控制端。
当TXEN=1时，模块为发射状态；当TXEN=0时，模块被设置为接收状态。
GND（7脚）：
电源地
PTR2000可与所有单片机（如80C31、2051、68HC08、PIC、Z8等）配合使用，可直接接单片机的串口或I/O口，也可与计算机串口进行通讯，此时需要在中间简单地接在一个RS232电平转换芯片，如MAX232等。
3.2下位机系统
下位机电路图
3.2.1微处理器模块
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。
主要性能：
1、与MCS-51单片机产品兼容；
2、8K字节在系统可编程Flash存储器；
3、1000次擦写周期；
4、全静态操作：
0Hz-33MHz；
5、三级加密程序存储器；
6、32个可编程I/O口线；
7、三个16位定时器/计数器；
8、六个中断源；
9、全双工UART串行通道；
10、低功耗空闲和掉电模式；
11、掉电后中断可唤醒；
12、看门狗定时器；
13、双数据指针；
14、掉电标识符。
引脚说明
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
P0口：
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。
在这种模式下，P0不具有内部上拉电阻。
在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。
程序校验时，需要外部上拉电阻。
P1口：
P1口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。
此外，P1.0和P1.1分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和定时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX）。
在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。
引脚号第二功能：
P1.0T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出
P1.1T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）
P1.5MOSI（在系统编程用）
P1.6MISO（在系统编程用）
P1.7SCK（在系统编程用）
P2口：
P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P2端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。
在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX@DPTR）时，P2口送出高八位地址。
在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。
在使用8位地址（如MOVX@RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。
在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。
P3口：
P3口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p3输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。
P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如下表所示。
在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。
端口引脚第二功能：
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2INTO（外中断0）
P3.3INT1（外中断1）
P3.4TO（定时/计数器0）
P3.5T1（定时/计数器1）
P3.6WR（外部数据存储器写选通）
P3.7RD（外部数据存储器读选通）
此外，P3口还接收一些用于FLASH闪存编程和程序校验的控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。
ALE/PROG：
当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是：
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
对FLASH存储器编程期间，该引脚还用于输入编程脉冲（PROG）。
如有必要，可通过对特殊功能寄存器（SFR）区中的8EH单元的D0位置位，可禁止ALE操作。
该位置位后，只有一条MOVX和MOVC指令才能将ALE激活。
此外，该引脚会被微弱拉高，单片机执行外部程序时，应设置ALE禁止位无效。
PSEN：
程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89S52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。
EA/VPP：
外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。
需注意的是：
如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器的指令。
FLASH存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。
XTAL1：
振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。
XTAL2：
振荡器反相放大器的输出端。
3.2.2温湿度传感器SHT11
SHT11是瑞士Scnsirion公司推出的一款数字温湿度传感器芯片。
该芯片广泛应用于暖通空调、汽车、消费电子、自动控制等领域。
共主要特点如下：
◆高度集成，将温度感测、湿度感测、信号变换、A／D转换和加热器等功能集成到一个芯片上；
◆提供二线数字串行接口SCK和DATA，接口简单，支持CRC传输校验，传输可靠性高；
◆测量精度可编程调节，内置A／D转换器（分辨率为8～12位，可以通过对芯片内部寄存器编程米选择）；
◆测量精确度高，由于同时集成温湿度传感器，可以提供温度补偿的湿度测量值和高质量的露点计算功能；
◆封装尺寸超小（7.62mm×5.08mm×2.5mm），测量和通信结束后，自动转入低功耗模式；
◆高可靠性，采用CMOSens工艺，测量时可将感测头完全浸于水中。
2SHT11的引脚功能
SHT11温湿度传感器采用SMD（LCC）表面贴片封装形式，接口非常简单，引脚名称及排列顺序如图1所示。
各引脚的功能如下：
◇脚1和4--信号地和电源，其工作电压范围是2.4～5.5V；
◇脚2和脚3--二线串行数字接口，其中DA-TA为数据线，SCK为时钟线；
◇脚5～8--未连接。
3SHT11的内部结构和工作原理
温湿度传感器SHT11将温度感测、湿度感测、信号变换、A／D转换和加热器等功能集成到一个芯片上，其内部结构如图2所示。
该芯片包括一个电容性聚合体湿度敏感元件和一个用能隙材料制成的温度敏感元件。
这两个敏感元件分别将湿度和温度转换成电信号，该电
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