高档花卉智慧大棚微环境监测系统.docx
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高档花卉智慧大棚微环境监测系统
高档花卉智慧大棚微环境监测系统的设计与实现
摘要
温室栽培环境是影响花卉生长的重要因素。
建立一个良好的温室环境监测和控制系统是确保温室生产的重要措施。
目前,实际使用的各类环境监测系统普遍存在布线复杂、复杂的布线，传感器的位置不灵活，电缆老化，耐腐蚀等问题。
为了解决上述问题，本文提出了基于ZigBee无线传感器网络的温室花房环境监测系统，利用该系统先进的高可靠低功耗无线传感器网络节点，采集精准温室花卉栽培的数据，对花房的温度、湿度、二氧化碳浓度、光照强度等进行监测，以达到实时远程监测的目的。
该系统具有灵活的传感器的位置，低功耗，易于安装维护和扩展，成本低，实用性强等优点。
本设计通过RS-485总线实现各传感器模块的连接，并通过ZigBee模块将数据送到PC服务器端。
关键词：
无线传感网络节点，RS-485总线，ZigBee
Abstract
Greenhousecultivationenvironmentisanimportfactorinfluencingthegrowthofflowers.Soagoodenvironmentalmonitoringandcontrolofgreenhouseisanimportantmeasuretoensuregreenhouseproduction.Atprsent,theenvironmentalmonitoringandcontrolsysteminusehaslotsofproblems,forexample,complexwiring,inflexiblesensorlocation,cableagingandcorrosionandsoon.Tosolvetheproblem,andesignofenvironmentmonitoringsystembasedonZigBeetechnologyispresentinthepaper.Itusestheadvanced,highreliableandlow-powerwirelesssensornetworknodestocollectthedataofgreenhouseincluding,temperture,humidity,carbondioxideconcentrationandlightintensity,whichisinordertoachieverealtimemonitoringofgreenhouseenviroment.Thesystemhasadvantagessuchasflexiblesensorsplacement,lowpower,easyinstallationmaintenanceandexpansion,lowcost,strongpracticability.
WeconnectRS485busnetworkswithwirelesssensornetworkmodule,andoutputthedatatotheuppercomputer（PC）throughZigBeeinthepaper.
KeyWords：
wirelesssenornetwork、RS-485bus、Zigbee
目录
第一章绪论1
1.1国内外发展概况1
1.2研究目的1
1.3无线传感器网络无线通信方案选择2
1.3.1无线传感网络简述2
1.3.2无线传感器网络设计考虑因素2
1.3.3几种常见的短距离无线通信技术3
1.3.4选择ZigBee技术的理由4
1.4研究内容5
1.5本章小结5
第二章Zigbee技术6
2.1Zigbee技术简述6
2.1.1ZigBee概念6
2.1.2ZigBee技术特点6
2.1.3ZigBee协议7
2.2ZigBee网络的结构8
2.3本章小结9
第三章基于ZigBee温室环境监测系统硬件设计10
3.1系统整体设计方案10
3.2节点的硬件方案设计11
3.3ZigBee终端节点工作原理12
3.4主要芯片介绍以及相关电路：
12
3.4.1STC12C5A60S2芯片12
3.4.2传感器模块13
3.4.3电源模块设计16
3.4.4串口模块16
3.5RS-485总线在系统中的应用18
3.6ZigBee终端设备18
3.6.1简介18
3.7本章小结19
第四章基于ZigBee温室环境监测系统软件设计21
4.1keil-c软件简介21
4.2系统软件设计方案21
4.3协调器节点的软件设计22
4.4终端节点的软件设计23
4.4.1传感器数据采集23
4.4.2串口通信24
4.3上位机PC界面简述27
4.4本章小结27
第五章系统测试与结果28
5.1系统测试28
5.2实验结果29
5.3本章小结30
结束语31
致谢32
参考文献33
附录34
第一章绪论
1.1国内外发展概况
近年来，花卉业已成为世界上最具活力的产业之一，花卉产品成为国际贸易的大宗商品。
研究数据表明，发达国家在以往花卉贸易中占据优势，虽然如此，但是一些发展中国家因其气候环境稳定，劳动力和土地廉价等因素，生产出来的花卉产品在国际市场上一样极具竞争力。
由此，花卉产业向发展中国家转移的趋势日益扩大。
我国自改革开放以后，花卉产业蓬勃发展，花卉生产面积逐年增长，产值不断增长，产业逐步形成，但仍然存在一些问题：
区域性发展不平衡，主要集中在广东、北京、上海、云南等地，生产面积大，但产量低，效益低；生产设施和栽培技术落后，难以规模化生产出高品质的花卉产品；品种以引进为主，自我培育的新品种少，市场竞争力不足；普遍不重视提高产品质量和不注重科学化生产，高质量、高档次的花卉供不应求等[1]。
一些高档花卉，对环境要求较高，在华东地区无法在室外栽培，因此大多采用大棚栽培。
但是大棚栽培对棚内的光照、温度和湿度等环境的控制要求比较高，传统的人工检测和调节难度较大，且精度不高，这样使得温室的利用率比较低。
目前随着科技的发展，人们已开始利用传感器来采集数据，实现微环境的实时监测，生产出优质的花卉产品。
1.2研究目的
（1）降低成本，提高温室的利用率
本文提出了基于ZigBee无线传感器网络的环境监测系统，该系统可以实现低成本无人连续在线监测，同时无线传感网络节点布置密集，可以对多个节点进行测量，数据精度高。
（2）改善花卉特性，提高市场竞争力
通过对大棚环境进行监测，采集数据的分析，并结合环境控制系统，可以调整花卉栽培过程中的一些环境参数，如日照，日夜温度差等参数来控制花卉的长势。
这就能够使得花卉提前或者滞后上市，避开花卉集中上市的高峰时间段，从而延长了花卉的供应期，大大提高了花卉的市场竞争力。
1.3无线传感器网络无线通信方案选择
1.3.1无线传感网络简述
无线传感网络由大量低功耗、低成本的传感器密集分布在一定区域内，实时监测、感知和采集数据，并通过无线电通信组成一个多跳自组织网络系统，此系统能够对信息进行处理，并将被检测的信息发送给PC机，呈现给用户[2]。
自组织、微型化和对外部世界的感知能力是传感网络的三大特点。
在传感网络中，不同类型的传感器节点可以感知不同的信号，如温度，光照等。
由于节点具有一定的计算功能，所以节点采集到信息后可对其进行一定处理并传送出去。
无线传感器网络由移动自组织网络发展而来，它的配置、管理都是以自组织的方式完成。
网络中节点的位置不需要事先确定。
其特点如下：
（1）无线传感器网络节点分布密集；
（2）无线传感器网络节点一旦布置，难以移动，具有弱移动性；
（3）无线传感器网络节点结构简单，容易失效；
（4）无线传感器网络节点通常靠电池供电，一旦布置后很难对其进行能源补给。
1.3.2无线传感器网络设计考虑因素
无线传感网络的特点直接影响它的设计和实现，所以在设计时必须考虑到以下因数：
（1）节点设计的成本：
无线传感器网络中节点数量很大，一般都在成百上千，数量的累积将使得整体的开销上升。
（2）节点的体积问题：
在设计时，应考虑到实际环境的复杂度，所以要尽量选择体积小，集成度高的芯片。
（3）节点的能量管理：
无线传感器节点通常由电池供电，且电池容量不大，一些应用场合下为节点充电难以实现，所以一旦电池用完，节点就无法继续采集信息。
（4）网络协议的维护：
一般传感器节点布置后就很难再接触到，不能进行实时维护，而传感器节点又容易失效，这便使得维护网络协议拓扑变得尤为重要。
除上述因素外，还应该考虑到具体的环境因素、应用需求、以及安全性、可靠性等问题。
1.3.3几种常见的短距离无线通信技术
目前，最流行的短距离无线数据通信技术有蓝牙技术、Wi-Fi、ZigBee、超宽带技术（UWB）和近距离无线传输（NFC）等，下面分别对这几种技术做简要介绍：
（1）蓝牙（BlueTooth）
蓝牙技术由爱立信、诺基亚、英特尔、IBM和东芝等公示提出和推广，旨在提供一种短距离、低成本的无线应用技术。
它工作在全球通用的2.4GHzISM频段，从而消除了“国界”的障碍。
它的数据传输速率为1Mb/s,通信范围一般为10米但在增加功率的情况下可达到100m。
它的最基本的网络结构是微微网，由主设备单元和从设备单元组成,主设备单元负责提供始终同步信号和跳频序列[3]。
在一个微微网中，所有设备单元均采用同步跳频序列。
在一个微微网中最多只能容纳8个设备。
多个微微网之间互联成分散网，实现了各类设备之间方便、快速的通信功能。
（2）Wi-Fi（IEEE802.11）
Wi-Fi是一种可以将个人电脑、手持设备（如PDA、手机）等终端以无线方式互相连接的技术。
Wi-Fi所使用的协议是IEEE802.11b局域网协议，它具有以下特点：
覆盖面积广，传输距离能达到100米；传输速度快，最大可以达到11Mbps，但传输质量不好，安全性能不及蓝牙；优异的带宽是以较大的能耗为代价的，所以一般的Wi-Fi装置都需要经常充电。
（3）ZigBee技术
ZigBee技术是一种新兴的短距离、低速率无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。
它有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。
这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高[3]。
ZigBee的工作频段分为3个频段，它们分别为868MHz，915MHz和2.4GHz。
ZigBee可以构造为星形网络或者点对点对等网络，理论上可以组建65536个网络节点。
（4）超宽带技术（UWB）
超宽带技术作为一种新兴的无线通信技术与传统的通信方式相比有很大的区别。
由于它不需要使用载波电路，而是通过发送纳秒级脉冲传输数据，因此该技术具有发射和接收电路简单、功耗低、对现存的通信系统影响小、传输速率高的优点，此外它还具有多径分辨能力强、穿透力强、隐藏性好、系统容量大、定位精度高等优势。
它传输最高速率可达1Gb/s。
（5）近距离无线传输（NFC）
由飞利浦公司和索尼公司共同开发的NFC是一种非接触式识别和互联技术，可以在移动设备、消费类电子产品、PC和智能控件工具间进行近距离无线通信。
虽然它的传输范围与RFID相比较小，只有20cm，但独特的信号衰减技术的运用使得它比RFID具有了以下优点：
距离近、带宽高、能耗低.其次，NFC和非接触智能卡技术还具有良好的兼容性，由此，越来越多的厂商倾向于选择NFC作为生产的正式标准。
近距离连接协议NFC还能提供各设备间轻松、安全、迅速、自动的通信，这让NFC在无线世界连接的私密通信中占有了一席之地。
1.3.4选择ZigBee技术的理由
在环境监测系统中，组网方式灵活、低成本、低能耗、数据传输可靠、安全是无线传感器网络所必须具备的。
通过上文对几种常见的短距离无线通信技术的分析，可以发现蓝牙的传输距离小于10米且网络最多只能拥有8个节点，这严重制约了它在大型传感网络的应用；而Wi-Fi虽然传输距离远、速度快，但因其价格比较昂贵，而且Wi-Fi收发器的功耗较大，集成到网状网络也比较困难[4]；对于UWB，它的传输距离只有10米左右，不能满足温室监测无线传输的要求，而且它的收发电路简单，很容易产生干扰，；而NFC芯片成本较高，传输距离相当的短，不适合环境监测中使用。
所以在本次设计中，我们选择了ZigBee技术来实现无线通信。
1.4研究内容
在本次课程设计中，我们将利用先进的高可靠低功耗无线传感器网络节点，采集精准温室花卉栽培的数据，包括温度、湿度、光照、二氧化碳浓度等，通过ZigBee协议及互联互通网关将数据传输到生产管理中心。
具体章节如下：
第一章主要介绍课题的国内外研究现状，研究目的及意义，无线传感器网络所具备的条件以及选择ZigBee作为无线通信技术的原因。
第二章主要介绍Zigbee技术的特点、协议栈结构和网络拓扑结构。
第三章主要介绍传感器网络节点的硬件设计与实现，包括单片机芯片的选择和功能介绍，传感器功能介绍和各个模块的电路设计。
第四章主要介绍系统网络软件设计，其中包括协调节点的软件设计和终端节点的软件设计以及人机交互界面的简述。
第五章主要记录试验结果，主要包括组网测试和实现结果数据。
1.5本章小结
本章先介绍了国内外温室发展现状，并阐述了本设计研究的目的和意义。
然后就无线传感网络和组建无线传感网络应考虑的因素进行了简单的介绍，通过对比几种短距离无线通信技术，最后选择了ZigBee技术来实现无线通信。
在本章的最后对本设计中每个章节的研究内容进行了概括。
第二章Zigbee技术
2.1Zigbee技术简述
2.1.1ZigBee概念
ZigBee是一种新兴的短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术,主要用于近距离无线连接。
它对通信速率的要求要低于蓝牙，由电池供电提供无线通信功能。
它能够最大限度的节省网络中的能量，并且具有高容错性，强鲁棒性。
它依据IEEE802．15．4标准和ZigBee协议，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。
Zigbee无线设备工作在公共频段上（全球2.4GHz，美国915MHz，欧洲868MHz），传输距离范围是10-75m，具体数值则受射频环境以及特定应用条件下的输出功耗影响。
Zigbee的通信速率在2.4GHz时为250kbps，在915MHz时为40kbps，在868MHz时为20kbps。
2.1.2ZigBee技术特点
ZigBee技术具有一些区别于其他通信技术的特点，具体如下[5]：
（1）省电：
由于ZigBee技术传输速率低，传输数据量很小，因此信号的收发在瞬间完成，而且ZigBee节点在非工作模式下处于休眠状态，所以ZigBee设备非常省电。
据估计，节点的电池工作时间可以长达6个月到2年左右。
（2）可靠：
为了避免了数据在发送时产生竞争和冲突，ZigBee技术采用了碰撞避免机制，并且为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，；由于MAC层完全确认数据传输机制的采用，使得只有收到接收方的确认信息后，数据包才能发送，因此从根本上保证了数据传输的可靠性。
（3）成本低：
ZigBee协议免专利费,模块初期成本几十元左右,广泛应用后可降到10~20元。
（4）安全：
三级安全保护,可按照应用灵活选择安全属性,第三级安全处理提供数据完整性检查及鉴权功能,采用属于高级加密标准（AES-128）的对称密码。
（5）网络容量大：
Zigbee可采用星型、树型和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网。
2.1.3ZigBee协议
ZigBee协议栈由物理层（PHY）、介质访问控制层（MAC层）、网络层（NWK）和应用层（APL）组成。
其中物理层和介质访问控制层由IEEE802．15．4定义，网络层和应用层由ZigBee联盟定义。
ZigBee协议栈如图2.1所示:
图2.1ZigBee协议栈
PHY层由射频接收器以及底层的控制模块组成，定义了物理无线信道和MAC层之间的接口。
其特性是激活和关闭无线收发器、能量检测、链路质量指示、空闲信道评估、通过物理媒介接收和发送分组数据。
MAC层为高层访问物理信道提供了点到点通信的服务接口，其主要功能是：
进行信标管理、信道接入、保证时隙（GTS）管理、帧确认、应答帧传送、连接和断开连接。
此外，MAC层为实现适当的安全机制应用提供了一些方法。
网络层（NWK）负责设备到设备的通信，并负责网络中设备初始化所包含的活动、消息路由和网络发现。
它的功能包括拓扑管理、MAC管理、路由管理和安全管理。
应用层可以通过Zigbee设备对象对网络层参数进行配置和访问。
应用层由应用支持层（APS）和ZigBee设备对象层（ZDO）以及厂商自定义的应用对象等构成。
APS子层负责建立和维护绑定表（BuildingTable），绑定表主要根据设备之间的服务和他们的需求使设备相互匹配。
ZDO则负责定义设备在网络中的角色（例如是ZigBee协调器或是ZigBee终端设备），发现设备和决定它们提供哪些应用服务，发起或响应绑定请求，在网络设备之间建立可靠的关联[6]。
2.2ZigBee网络的结构
ZigBee支持包含有主从设备的星型、树簇型、网状型等拓扑结构[3]，如图2.2所示。
星型网络：
协调器节点就像一个个关卡，各节点彼此并不通信，所有信息必须通过协调器转发；
树簇型网络：
由协调节点、路由节点和终端节点组成。
协调节点负责整个网络的管理，路由节点完成数据的路由功能，而终端节点的信息一般要通过路由节点的转发，才能到达协调器节点；
网状网络：
这是最复杂的网络结构，数据的传输不受限制，各节点互联互通都具有转发功能，以多跳跃方式进行数据的转发。
通常情况下星型网络和树型网络是一对多点，常用在短距离信息采集和检测等领域，而对于大面积检测通常要通过网状网络来完成。
图2.2ZigBee网络拓扑结构图
2.3本章小结
本章对ZigBee技术进行了简述，然后就其特点进行了概括。
对于协议栈，分别介绍了物理层、MAC层、网络层和应用层的功能。
除此之外，还简单了介绍了ZigBee网络拓扑结构，为下面的提供了理论基础。
第三章基于ZigBee温室环境监测系统硬件设计
3.1系统整体设计方案
一个完整的温室微环境监测系统包括数据采集节点（包括一个协调器，多个路由器和多个终端节点）、网关、PC服务器，其中多个数据采集节点组成基于ZigBee的无线传感器网络系统（WSN）[7]。
基于温室环境监测要求，并结合ZigBee技术，提出了一种新的方案，它由终端节点、路由节点，协调器和PC服务器组成，采用树型拓扑结构。
系统整体结构如图3.1：
图3.1系统整体结构图
ZigBee终端节点包括空气温湿度传感器，土壤湿度传感器，光照传感器等，其主要负责采集环境参数；路由节点汇总各节点数据后向协调器转发；协调器节点负责建立网络，处理子节点的入网申请，并负责收集路由器和终端节点的数据然后发送给PC机；PC服务器则主要负责数据的存储和分析，并提供客户端服务。
3.2节点的硬件方案设计
在本设计中协调器选择了顺舟科技生产的SZ02-ZigBee无线数据传输设备，所以硬件部分只针对ZigBee终端节点进行了设计。
ZigBee终端节点一般由数据采集模块、数据处理模块、无线通信模块和供电模块组成[8]，节点的结构框图如图3.2所示：
图3.2ZigBee终端节点结构框图
数据采集模块包括传感器模块和模数转换模块，负责监测区域内信息的采集和数据的转换，传感器用于感知、获取监测区域内的信息，传感器的类型决定了被检测得物理信号，A/D转换器则将物理信号转换为数字信号。
本设计中传感器采用空气湿度传感器DHT11、光照传感器（GY-30）数字光模块、土壤湿度传感器（YL-69土壤湿度模块），二氧化碳传感器（MG811二氧化碳模块）,无需采用A/D转换器。
数据处理模块负责控制和协调整个传感器节点各部分的工作，存储和处理自身采集的数据。
本设计中采用的是STC12C5A60S2单片机。
无线通信模块负责收发采集数据。
本设计中采用的是顺舟公司SZ02-RS485。
电源供给模块传感器节点提供正常工作所需的能量。
出于实验的考虑，本设计中的传感器和单片机模块未使用干电池供电，而是使用自行设计的电源供电。
3.3ZigBee终端节点工作原理
PC发送采集指令经由协调器、ZigBee通信模块传送给MCU，随后控制按相关指令控制传感器进行环境参数的采集。
然后，传感器将采集到的数据送MCU，MCU对其进行处理，通过RS-485串口，再传送给ZigBee通信模块，并通过协调器将数据传送到PC。
工作原理图如图3.3所示：
图3.3工作原理图
3.4主要芯片介绍以及相关电路：
3.4.1STC12C5A60S2芯片
处理器需要负责数据读取,任务调度,信息传输等工作,因此处理器的选择在节点中尤为重要。
处理器在选择时主要考虑其功耗和计算能力。
综合考虑后，在本设计中本无线传感器节点采用STC12C5A60S2单片机去控制各个传感器。
STC12C5A60S2是新一代单时钟/机器周期（1T）的8051单片机，具有高速、功耗低、抗干扰强的特点，其指令代码与传统的MS-51单片机完全兼容,但其处理速度是传统51系列单片机的8到12倍。
有4个16位定时计数器，2通道PWM,具有可编程看门狗定时器，8路10位精度ADC，无需外加A/D转换芯片。
故STC12C5A60S2单片机是构建本监测节点理想的选择。
它的外围电路图如图3.4所示：
图3.4单片机与外围设备连接电路图
3.4.2传感器模块
（1）空气温湿度传感器——DHT11[9]
它是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，具有很高的可靠性与稳定性。
DHTll传感器内部有两个感测元件：
一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机相连接。
它具有体积小、功耗低、响应快、抗干扰能力强、性价比高等优点。
DHT11温湿度传感器有四个引脚，分别为电源引脚、串行接口引脚、接地引脚、以及一个空脚，在接线时必须将空脚悬空。
其应用电路图如图3.5所示：
图3.5DHT11应用电路图
（2）土壤湿度传感器——YL-69土壤湿度模块
土壤湿度监测模块主要由湿度探头和信号放大电路组成，它的工作原理图如3.6所示：
图3.6土壤湿度传感器原理图
该模块带TTL高/低电平信号和模拟信号输出，电路输出信号可直接接单片机的IO或ADC转换。
其主要技术参数如表1：
表1土壤湿度模块技术参数
加热电压
工作电流
响应时间
检测深度
工作温度
工作湿度
3-50.2VDC
<3mA
≤10ms
40mm
0-60摄氏度
95%以下非结露
（3）光照传感器——GY30数字光模块
该模块是两线式串行总线接口数字
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