物联网--基于无线传感器网络的精准农业环境监测系统设计文档格式.doc
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传感器监测节点很简单，传感器采集数据经过Zigbee模块传送给协调器，由协调器在传送到上位机即可。
另一部分采用Wifi模块传输摄像头采集的视频，将视频传输到上位机，监测农作物是否有病虫害，或者是否有人侵入等。
软件则涉及了Altiumdesigner设计硬件的电路图，上位机选用VisualStudio2013，程序设计语言C#，PC机接将数据存储、分析，若是超出了设置的范围，则会自动实现报警功能，真正实现远程监测的功能。
关键词：
环境监测系统；
无线传感器网络；
传感器；
协调器；
III
Abstract
Asweallknow,thewirelesssensortechnologyhasbecomeamajoragriculturaltechnologyforenvironmentalmonitoring,throughthetechnologytosolvethemanyproblemsoftraditionalagricultureenvironmentalmonitoring,suchas:
equipmentrange,difficultmaintenance;
wiringcumbersome,easytocorrupt;
large-scale,difficulttomanageandsoon.Thedesignisbasedonwirelesssensornetworktechnologycannotonlycollectaccordingtotherequirementsofagriculturalenvironmentalparameters,butalsotheuseofvideotechnologytocollecttheimageinformationenvironment,sothatnotonlytheagriculturalenvironmentparametersobtainedfromthedataanalysis,moreintuitiveobservationbyimagefarmlandenvironment-orienteddesignedtoprovideamorereliablebasis.
Theintegrationofsoftwareandhardwaredesign,hardwareforwirelesstransmission,selecttheZigbeemoduleandWifimodule,Zigbeemoduleismainlyresponsibleforthedatatransmissionofthesensor,Wifiresponsibleforthetransmissionofvideo,becauseyouneedtocollecttemperature,humidity,carbondioxideconcentrationandlightintensity,itismoreamoreafterthekindofsensor,temperatureandhumiditysensorselectionDHT11,carbondioxidesensorsMG811,thelightintensitysensorsBH1750.SensorsmonitornodeissimplesensortocollectdatatothecoordinatorafterZigbeemodule,bythecoordinatorinthetransmissiontothehostcomputercanbe.AnotherpartofWifimoduletransmissioncameratocapturethevideo,thevideotransmissiontothehostcomputer,monitorcropsiftherearepestsanddiseases,orwhethersomeonebreaksthelike.Altiumdesignersoftwareinvolvesthedesignofhardwarecircuit,thehostmachineselectsVisualStudio2013,theprogramminglanguageC#,PCmachinesconnectedtodatastorage,analysis,ifbeyondthescopesetalarmfunctionwillautomaticallytrulyremotemonitoringfunctions.
Keywords:
environmentalmonitoringsystem;
wirelesssensornetworks;
coordinator;
sensors;
目录
摘要 I
Abstract II
第1章绪论 1
1.1选题背景和意义 1
1.2国内外研究现状 2
1.3本文内容及安排 3
第2章系统整体设计方案和核心技术 5
2.1系统功能要求及应用环境 5
2.2系统设计思想 5
2.3总体设计方案构成 6
2.4系统最终实现目标 7
2.5硬件选取 7
2.5.1无线收发模块选取 7
2.5.2温湿度传感器选取 8
2.5.3二氧化碳传感器选取 8
2.5.4光照强度传感器选取 9
2.5.5WIFI模块选取 10
2.6本章小结 10
第3章系统的硬件设计 11
3.1硬件整体设计 11
3.2基于CC2530的监测节点硬件设计 11
3.2.1终端节点系统结构 12
3.2.2Zigbee模块电路原理 12
3.2.3协调器电路原理 13
3.2.4终端节点电路设计 14
3.2.5电源模块设计 15
3.3视频模块设计 15
3.3.1WIFI与视频连接电路设计 15
3.3.2WIFI模块外围电路设计 16
3.4本章小结 17
第4章软件设计 18
4.1软件环境及使用语言 18
4.2监测节点程序设计 18
4.2.1传感器模块程序设计 20
4.3接收数据模块程序设计 21
4.4上位机设计 22
4.4.1上位机软件和语言 22
4.4.2上位机模块设计 23
4.5本章小结 25
第5章系统调试 27
5.1硬件模块调试 27
5.1.1DHT11调试 27
5.1.2MG811和BH1750调试 27
5.1.3摄像头调试 28
5.2软件调试 29
5.2.1IAR调试 29
5.2.2上位机软件调试 30
5.2.3视频调试 31
5.3本章小结 31
结论 33
参考文献 34
附录一 40
附录二 56
致谢 56
第1章绪论
1.1选题背景和意义
中国是农业大国，耕地面积也超过世界许多国家，受分布零散、环境恶劣、病虫害等因素影响，本来显著的优势并没有得以体现，经济发展匮乏，致使中国的农业发展前景黯淡，但是科学技术的腾飞，带动着各行各业向前迈进一大步，很多发达国家把科学这个新助力注入到其他产业，取得的效果非常明显，受到这种启发，我国也渐渐的将眼光转向科技与各产业融合，完美的实现了产业多元化。
可是，农作物众多、多种环境参数无法预知，管理不及时、技术不成熟都导致科技农业的发展迟缓，因此针对这些问题，实施对植物长势的动态监测，是实现高效农业、提高农业管理水平的必要手段，也是真正提高了土地利用率[1]。
针对传统农业问题，有线网络监测技术大规模使用，但是该种技术的农业环境参数需要人工现场采集，周期读数，才能完成整个系统的监测的目的，然而这个方案有着诸多的技术弊端，比如：
人工定期读卡，数据仅仅是某一时刻的数值，不是这段时间的数据包，无法反映农作物真正的生长状态；
采集信息的设备昂贵且笨重，安装困难，占地面积大，维修难度较大，电缆布线错综复杂，容易受环境影响氧化或腐化而受损，维修不及时，就会造成数据的丢失，无法获得最新数据，况且监测范围广大，放置设备时需要准确确定位置，否则就会出现监测漏洞，局部的数据自然无法代表整体，打个比方，要是调查全国男人的身高，仅仅调查黑龙江男性的身高并不能代表全中国一样，这样的结论太过狭隘，没有论证力度[2]；
监测环境发生突变时，不能及时改变设备参数，系统稳定性差；
设备容易损坏，监测数据无法发送到监测终端，容错性差。
因此，这些因素催生了无线传感技术。
那到底什么是无线传感技术？
简单的说它是由无线通信和嵌入式两种技术杂交产生，功能是实现远程传输，并且不用布线，保证农作物种植面积，不用人工读取数据，节省人力，传感器抗干扰性强，数据采集精准，设备简单且廉价，可以大规模安装，不仅容易维修且不会出现监测死角，这就使得数据具有代表性。
无线传感技术简言之就是由多个传感器和无线传输模块构成一个无线传感器网络，与上位机结合，构成这个精准农业环境监测系统；
我们知道，无线传输技术有很多种，每一种也有不同的标准和特点，本设计采集空气温湿度、二氧化碳浓度、光照强度这些环境参数，除此之外还采集了视频信号，达到全面实时监测，那么根据采集信息的不同、传输速率、传输有效距离以及设计花费等因素，在无线传输这里需要多加考虑，并不是每种无线技术都能达到设计的标准，所以这就需要多种无线传感技术的融合，那以下就根据这些微妙的不同做一下简单的分析。
就像世界上有很多不同人种一样，无线传感技术也有相应的种类，我们在设计本监测系统时就必须考虑种类问题，种类不同，特点不同；
传输距离、传输速率、功耗、成本等，还需要接收上位机指令实现双向通信，当前被人们所熟知无线传输技术不外乎就是Zigbee、Wifi、蓝牙、第三代移动通信技术、红外等[3]；
每一种都有自己与众不同的特点，要知道整个系统都是在野外长时间作业的，所以，低功耗是选择的无线传输技术的硬性指标，一旦这个指标不符合，则不用再考虑，Zigbee技术和Wifi技术是比较适合的，Zigbee最突出的特点是短距离传输、功耗很低、实现数据双向通信，最关键的就是成本很低，它组成了网络无非就是以自己为核心，其他传感器作为附属连接在核心上，这样就构成一个无线传输网络，只要节点足够多，它覆盖的面积可以达到无限，就是由于这个特点，它可以随意扩展，可调性非常大，从另一方面看，跟GSM和CDMA有相似之处，却也存在不同，后者两个都是传输语音信号，这就与本设计不符合了，选取Zigbee模块作为传感器数据传输模块，它有三种传输速率，可以具体情况具体分析，有两种工作模式，多级休眠和唤醒，只需要根据上位机指示然后操作即可，可以降低功耗，而使用Wifi技术传输视频信号，因为Zigbee无法实现视频实时传输，即使分辨率足够低且能打包压缩也无法实现实时监测，就算上述因素满足，带宽和传输速率也不能达到传输视频信号的要求，除此之外，Zigbee只能传输容量较小的数据，比如温湿度、二氧化碳浓度等，而对于视频信号这样容量大的数据则不可，并且本视频采集只是一个固定的采集点，它采集半径在100m之内的所有视频信息，所以对比传输距离，Zigbee的传输距离较短于Wifi，所以，综合考虑Wifi更加适合[4]。
1.2国内外研究现状
国外发达国家的农业发展本身起步就很早，虽然土地面积不如中国广阔，但是小却精，而且经济水平要远比中国高、科技力量先进，采用了模糊控制、多单元变量等先进技术对农业进行控制，当20世纪接近尾声的时候，计算机发展的号角响起，各国学者都争先恐后的希望以计算机为依托做出更多贡献，显然计算机技术具有足够大的魅力，引领着研究人员将科技运用到各种行业当中。
结合不同农作物最佳生产条件，调节外部设备，设置不同的环境参数，改善生长环境，赚取更多的经济收益。
据调研发现，早在2002年时，英特尔公司运用无线传感器网络技术建立了第一个无线葡萄园，此举为农业的发展开辟了历史性的新篇章[5]。
即使原理比较简单，操作也相对容易，可毕竟技术有限，所以只能按照想法简单的实施，将大量的监测节点零散的安装在葡萄园里，形成一个包围型网络，将传感器采集模式设定成每隔一分钟检测一次温湿度，除此之外，该区域出现的有害物的数量也会被记录，监测人员通过显示的数据给予恰当的措施，保证其生长最佳。
在整个试验中，研究人员发现，葡萄生长主要受气候影响，气候特别恶劣，葡萄到不到预期的标准，酒的品质自然也随之降低。
通过常年累计的大量的数据，进行多角度对比分析，利用现有设备，良好的掌握了葡萄的动态生长确实和环境参数息息相关，精确掌握葡萄生长过程中所需要的光照强度、二氧化碳浓度、风力强度、以及土壤PH等酸碱度，确定了这些因素，就能通过人工手段创造一个最适合葡萄生长的环境，从而获得最大的生产量。
受到国外成功案例的启发，我国也紧追其后，北京市计划项目“蔬菜生产智能网络传感器体系研究与应用”[6]，具体做法非常简单，就是把蔬菜大棚分成很多个单元，就像居民楼一样，一个单元当作一个监测区，每个监测区内都放置几个监测节点，用来采集这个单元内的环境参数信息，并且，区域与区域之间覆盖的网络范围并不重合，也就是每个传感器所能达到的最大监测范围的边缘也恰是另一个传感器的监测范围边缘，这样既满足网络不重叠，也保证采集的高效。
通过这些环境参数数据的对比，人为的强制性的改变其中某一参数，使其达到最佳生长状态。
也就是说无线传感设备、监测者、控制中心形成一条监测纽带，实现人机一体化，从而达到预期目的、增加管理者收入。
其次，由于物联网技术的飞速发展，农业发展比较集中的地区成为了试点对象，2015年，黑龙江省克东县就作为智慧农业的实验对象，根据国家发展项目的要求，鼓励智慧农业，国家会给项目提供实验资金，帮助整个项目顺利实施，通过大面积投产、使用，意图达到令人满意的结果。
无论是对无线传感器网络还是对农业来说都是极致的发挥了本身最大的优点[6]，它安装简单，价格廉价、无需管理者花费大量时间管理，给管理者提供了前所未有的便利，真真正正实现农业环境的动态管理，总体来说，农作物环境信息采集加上控制中心监测完美的构建了一个无线监测平台，这个监测平台以最低的投入、最简单的管理、最高效的回报。
1.3本文内容及安排
论文首先论述了选题意义和背景，长时间调研，认为此课题具有研究意义并具有可行性，其次了解选题的国内外研究现状，参考国内外无线传感器网络在农业环境监测方面的案例以及未突破的难点等，掌握系统设计所使用的核心技术和技术原理，清晰的掌握设计思路，在这之后就要涉及具体的设计流程了，首先就是整体设计方案，这点很重要，一个清晰的设计方案可以高效的完成工作，另一点就是元件的选取，这一点同样重要，元件的种类繁多而且各不相同，所以，综合多种因素选择合适的元件也是整个设计的关键之一，另外就是软件设计，这一点需要考察的就是设计者的编写程序的能力，有些程序是开源免费的，但是有些程序则需要根据不同的硬件编写，本设计中传感器很多，但是大体的思路几乎相同，所以设计起来并不是很困难，那最重要的算是上位机了，所谓监测系统必然是监测最重要，这就需要对上位机软件选取的要求比较高，设计的界面不能过于复杂，但是也不能十分简单，要有独到的设计特点，便于管理者分析等等[7]。
最后针对典型的环境监测应用，对系统的传输性能进行实验，并将该系统对得到的检测结果进行储存、分析和处理。
那么，论文的主要内容如下：
第一章绪论这一章的内容并不复杂，背景和意义一定要清晰，这也是选择本设计题目的依据，国内外研究现状，根据国内外现状，开发本设计的特色，然后就是论文内容安排，清晰的梳理思路，保证论文的撰写。
第二章这一章详细介绍整体的设计方案和核心技术，一个好的设计方案会使得设计清晰，若是哪里出错，根据设计方案回头一步一步找即可，还要说明，系统完成之后能到什么样的功能以及这个设计可以应用在什么样的环境下，还涵盖了硬件的选取，包括传感器的各种型号分析、无线传输模块分析，选择最佳型号。
第三章这一章是本论文的核心章，主要叙述了整体的硬件设计，除了主要介绍整体硬件设计方案，还会一块一块解读，包括无线传输模块怎样进行电路设计，考虑了那些因素，具体怎样连接引脚等。
第四章此章也是论文核心章节，同硬件类似，先是总体讲述设计理念，然后对各个部分逐一解读，设计还包括了软件的选择和使用语言的简述。
第五章此章介绍整个系统设计的调试，到了这章，整个设计大概完成了，但是还需进一步对硬件和软件进行调试。
56
第2章系统整体设计方案和核心技术
2.1系统功能要求及应用环境
随着人们生活水平的提高，农业生产迟钝化、笨重化的问题,传统的农作物生产已远远不能满足人们的要求。
并且时代在进步，科技在发展，每一天都会有惊喜出现，无线通信技术、传感器技术,带动着我们更加向前，人们不满足这样笨拙的监管方式，对其提出了更高的需求，不仅仅是投入更少、收入更多，更多的是效率和方式，高效率的工作方式给我们带来足够的便利，因此，正是因为这些因素催生了本监测系统。
基于无线传感器网络的精准农业环境监测系统设计可实现如下功能:
（1）能完成农业环境中温湿度、二氧化碳浓度、光照强度的采集。
（2）能完成以上采集数据的无线传输。
（3）能完成农业大棚内视频的采集。
（4）能完成视频的无线传输。
（5）上位机显示接收的所有数据和视频，若超出设定的阈值就会报警提示。
本系统主要应用于集中性农业大棚或温室，便于监测者对农作物的生长环境进行监测，为监测者建立起良好的农作物监测机制。
2.2系统设计思想
本系统采用无线传感器网络技术，实现从温室大棚采集植物生长所需要环境参数，以及病虫害情况，将采集的数据通过协调器传送到上位机，与上位机设定的阈值比较，若是超过这个范围，上位机提示，告诉监测者，此时参数超出标准，需要调整外围设备控制整个大棚的环境达到农作物生长最优的范围；
此外，整个系统还涉及了视频采集技术，这部分使用摄像头直接采集图像，观测整个监测区域是否有病虫害，若是有病虫害情况，就会通过上位机显示的视频观测到，从而采取相应措施，使整个农业环境达到最佳，从而实现精准农业环境监测目的。
在此过程利用ZigBee技术、无线传感器技术、Wifi技术、视频监控技术从农业到管理中心进行全面的监测。
这个监测系统能够达到花费少、收入多的效果，从根本上改善传统农业。
首先，我们把一个农业大棚作为一个实验对象，在实验对象内分区，将每个区域作为一个监测单元，每一个监测单元内放置两个传感器节点，这两个传感器节点作为终端节点，它们的任务就是精准的采集农作物生长环境参数。
而另一部分则采用Wifi加视频技术，可以全面监测整个大棚的整体环境情况，对监测农作物病虫害有极大帮助，然后根据两个部分回传给监测中心的数据，进行数据判断，若是，采集的参数不再设定温度的范围，便会采用报警机制，告知监测人员，监测人员使用正确手段，更能满足农作物生长需要。
2.3总体设计方案构成
基于无线传感网络的精准农业环境监测系统设计的方案大概如下，根据各部分功能分为三大部分，分别为传感器节点采集部分、环境参数传输部分和视频监视部分。
有两个终端节点，分别由一个Zigbee模块和四个传感器组成，两个终端节点通过协调器将数据回传给上位机[8]，另一部分则是采集的视频信息以通过Wifi回传给上位机，这样在上位机上就会有一个相应的数据显示，一旦采集的数据超过设定的数据,就会有报警提示，整体流程如图2-1所示。
上位机
CC2530
DHT11
MG811
协调器
BH1750
PC机
WIFI模块
摄像头
图2-1系统整体结构
那从上面的整体结构图可以看出，硬件结构比较简单，概括的说就是将整体分成两个无线传输部分，一部分是核心是Zigbee模块的，它连接三个传感器，传感器包括DHT11、MG811和BH1750，采集必要的参数，另一个部分是以Wifi作为核心的无线传输部分，选择采集视频的是奥速高清摄像头。
（1）传感器模块主要负责采集农业大棚中的温度、湿度、光照和二氧化碳这些数据[8]；
（2）ZigBee模块的作用是负责将传感器模块测量到的数据通过协调器将数据回传到上位机显示。
（3）Wifi模块的作用将摄像头采集的视频传输给上位机，上位机将这些数据进行存储、保存。
2.4系统最终实现目标
以当前来看，这种监测系统已经实现，但是功能不齐全，技术不完善，因此并没有得到大面积推广使用，但是本设计不仅解决了这些难点，而且将采集数据变得更加精准，使得本监测系统具有无限的潜力。
本设计通过实验，能够精准的采集农作物的生长环境的温湿度、光照强度、二氧化碳浓度、以及病虫害情况，通过两个无线传输模块分别成功的将数据传输到上位机上显示，并能通过上位机准确的观测出农作物生长的多种指标显示。
至此，达到了最终目标。
2.5硬件选取
2.5.1无线收发模块选取
无线传输技术很多，对应的无线收发模块业多种多样
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