摘 要目前，ZigBee技術已經廣泛應用于近距離傳輸的無線通信領域，尤其是在工農業控制、醫療衛生方面日益起著越來越重要的作用。本設計意在通過ZigBee無線通信技術構建一個無線傳感器網絡（WSN），采用樹型網絡拓撲結構，對加入該網絡的傳感器節點進行溫度、濕度、光照強度和二氧化碳濃度的數據進行采集和分析，將此應用于對農業里溫室的環境檢測和控制當中，避免了有線網絡的布線問題和成本問題。本設計利用了一個結構合理的Web應用程序，搭建Web服務器來動態顯示傳感終端所采集的溫室數據。關鍵詞：ZigBee；CC2430；無線傳感器網絡；溫濕度采集32 / 38AbstractCurrently, ZigBee technology has been widely used in close range transmission of wireless communications is increasingly playing an increasingly important role, especially in the agricultural and industrial control, medical protection. This design is intended to build a wireless sensor network (WSN), the adoption of ZigBee wireless communication technology, the use of a tree network topology, sensor nodes join the network temperature, humidity, light intensity and carbon dioxide concentration of the data collection and analysis will this applied to the detection and control of the environment on agricultural greenhouse, to avoid the cable network cabling problems and cost issues. This design uses a rational structure of the Web application, set up a Web server to dynamically display greenhouse data collected by the sensor terminal.Key words: ZigBee; CC2430; wireless sensor networks; temperature acquisitio目 錄摘 要IAbstractII目 錄III前 言V1.緒論11.1研究的背景和意義11.2 國內外溫室測控系統研究現狀11.2.1 國內溫室測控系統研究現狀11.1.2 國外溫室測控系統研究現狀22.系統分析42.1 系統總體架構42.2 系統設計原理52.3 系統節點設計63.系統概述83.1 數字溫濕度傳感器SHT1083.2 CC2430芯片103.3串行通信接口RS-232123.4 顯示模塊133.5 報警模塊144.系統軟硬件的設計154.1 系統硬件設計154.1.1 Zigbee節點硬件設計154.1.2 傳感器節點硬件設計164.1.3 溫濕度數據采集節點設計184.1.4 基站節點的設計214.2 系統軟件設計264.2.1 Zigbee網絡軟件設計264.2.2 傳感器終端軟件設計264.3 服務端的設計和實現274.4 遠程主機端的設計和實現275.系統測試295.1系統測試步驟295.2系統測試結果295.2.1 系統的硬件測試295.2.2 協議棧的測試295.2.3 GPRS測試295.2.4 上位機的測試295.3系統測試結果分析30結 論31參考文獻32致 謝33前 言隨著我國國民經濟的發展人民生活水平日益提高,冬季大棚蔬菜市場日漸擴大。在利用蔬菜大棚生產中,溫度、濕度等因素直接關系到大棚作物的生長,因此,對大棚溫濕度數據進行實時、精準的采集以及監測調節是實現大棚蔬菜生產優質、高效益的重要環節。傳統的環境參數系統使用有線監測設備,具有線路多、布線復雜、維護困難等缺點,在很多特定區域無法順利使用。基于此,本文介紹了一種基于Zigbee的蔬菜大棚環境參數采集系統,該系統利用無線通信技術,無需布設任何線路,自動組網,成本低廉,采集及監測節點數量大,有效地實現了對蔬菜大棚環境參數采集的實時無線監控,促進了蔬菜大棚的智能化、統一化管理。1.緒論1.1研究的背景和意義21世紀是設施農業迅速發展的時期。發達國家與發展中國家紛紛采取措施，加大投資.大力發展智能化設施農業。設施農業是采用先進的科學技術和工廠化生產方式，把作物種植在一個相對封閉的空間，為作物的高效生產提供適宜的生長環境，并且在任何地區，一年四季均能種植任何作物的現代化農業。設施農業是農業現代化的重要標志，其特點表現為高產量、高品質、環保、周年可持續生產。設施農業的迅速發展加速了農業科學推廣，對農業現代化水平的提高起到了積極的推動作用。植物的生長都是在一定的環境中進行的，其在生長過程中受到環境中各種因素的影響，其中對植物生長影響最大的是環境中的溫度和濕度。環境中晝夜的溫度和濕度變化大，其對植物生長極為不利。因此必須對環境的溫度和濕度數據進行采集、監測和控制，使其適合植物的生長，提高其產量和質量。本系統就是利用價格便宜的一般電子器件來設計一個參數精度高，控制操作方便，性價比高的應用于農業種植生產的蔬菜大棚溫濕度采集測控系統。溫室內作物生長到一定時期，一方面對溫室環境進行調控會影響作物的生長，另一方面作物光合作用、蒸騰作用的改變又對室內環境因子產生新的影響，從而產生了一種反饋作用機制，而在現有的溫室環境控制系統并沒有考慮到這種反饋作用機制。如果能同時對沒施內的溫度、光照、二氧化碳濃度等進行智能調控，并能考慮到作物反饋作用機制，這種調控方式既節約資源又提高生產效率。研究溫室環境控制的現狀及發展趨勢，不僅可以提高作物的產量和降低溫室能耗，而且對未來溫室環境調控的發展具有重要的指導意義。1.2 國內外溫室測控系統研究現狀1.2.1 國內溫室測控系統研究現狀目前溫室環境控制系統主要針對溫度和濕度控制進行研究。盧佩等采用模糊控制方法，通過建立模糊控制系統模型和對模糊控制器的設計，引入解藕參數，實現系統的溫濕度解耦控制，提高了溫濕度控制的精度。黃力櫟等針對溫室氣候控制方法中溫濕度之間的耦合作用，提出以溫度控制為主、濕度控制為輔的控制策略，并建立兩變量輸入、三變量輸出的控制主回路和補償回路模糊控制系統，從而為溫濕度控制提供了一種行之有效的方法。鄧璐娟采用逆系統方法對溫室環境非線性系統進行了解耦和線性化，同時對隨機的擾動進行補償，采用PDF控制算法和Smith預估補償對線性化后的系統進行了綜合校正，在選擇校正后閉環系統的參數時考慮了非線性系統解耦的要求。朱虹通過對歷史溫室環境數據的合理分析，將溫室的溫度控制模型近似為一階慣性加時滯環節。基于該溫度近似模型采用Zhuang等中提出的時間為權誤差積到分指標最優的參數自整定公式來整定PID控制器參數，將整定后的PID控制器應用于溫室控制。楊澤林等通過數據挖掘，利用采集的溫室內、外溫度及室內濕度數據對溫室狀態進行分類，提出一種基于各類別中的溫室溫、濕度變化率相關性進行模糊解耦控制。沈敏等考慮開關設備組合作用下溫室測控系統的非線性動態特性，提出結構簡單、不需復雜數值計算的離散預測模型，對設備組合進行滾動優化預測控制，大大簡化溫室測控系統預測控制算法的復雜性，緩解了測控系統分布大時滯問題。1.1.2 國外溫室測控系統研究現狀國外的溫室環境起步較早，溫室環境控制經過多年的發展，控制技術和理論發展到較高水平。隨著用于溫室環境控制的作物模型的研究，研究人員將溫室物理模型和作物模型結合起來，以實現溫室的高效生產。Seginer等進行模擬研究確定溫室二氧化碳施肥的優化措施，其方法是在建立一系列函數(作物生長函數、溫室函數、設備函數及成本函數)之后，進行數值尋優得到不同溫光水平下最優的二氧化碳施肥量，并給出一系列圖表用于指導實際二氧化碳施肥操作管理；Van- Straten等利用作物的光合作用和蒸騰作用進行溫室內短期的優化與控制，利用有效積溫的原理進行溫室的長期的優化與控制，將短期優化和長期優化相結合，實現了以經濟最優為目標的溫室環境控制。Aaslyng等利用作物的光輻射吸收、葉片的光合作用和呼吸作用預測模型建立了溫室環境控制系統，根據自然光照來控制溫室內的溫度，系統在節省能源和由于光照減弱而導致的作物產量降低之間取得了很好的平衡。基于作物與環境的動態響應時間尺度不同，前人把溫室作物生產優化控制問題分成慢速子問題和快速子問題2個子問題。Seginer等只考慮慢速子問題，Hwang只考慮快速子問題。Van Henten是第一位解決整個優化控制問題的科學家，提出把系統分解為2個時間尺度的方法，根據該方法首先解決長期問題，然后用長期問題的結果來計算短期問題的軌跡并把該方法應用到生萊生產的優化控制中。從以上文獻可以看出，國外進行溫室環境控制時已經考慮到作物與環境的相互作用機制，同時考慮到作物動態響應與環境動態響應的時間尺度不一致性，但應用到黃瓜生長的優化控制中較少。2.系統分析2.1 系統總體架構無線傳感器網絡終端節點主要由數據采集模塊、數據處理模塊、數據傳輸模塊和電源管理模塊組成。數據采集模塊負責通過各種類型的傳感器采集物理信息；數據處理模塊負責控制整個節點的處理操作、功耗管理以及任務管理等；數據通信模塊負責與其他節點進行無線通信，它通過ZigBee無線電波將數據傳送到路由節點或主協調器節點，路由節點再將數據轉送到主協調器節點或經過上級路由節點轉給主協調器節點，主協調器節點通過RS 232串口將所有信息匯集傳至PC機或服務器。本系統的模型主要分為四塊:溫濕度的數據采集節點、負責從節點接收數據并向主機發送數據的系統節點、主機（服務器）以及最終的用戶。該系統的總體架構圖如圖2-1所示：遠程主機端服務器程序系統節點數據采集節點圖2-1 系統總體架構圖該系統由上位機（PC）監控端和下位機ZigBee網絡兩部分組成。下位機ZigBee網絡系統負責采集溫室大棚內的溫濕度數據，上位機負責顯示溫濕度數據并進行實時監控。下位機ZigBee網絡系統由溫濕度傳感器模塊、路由器模塊和協調器模塊組成。溫濕度傳感器模塊主要負責采集、存儲和上傳溫濕度信息。路由器模塊主要負責轉發溫濕度信息。協調器模塊主要完成溫濕度數據的匯聚。下位機ZigBee網絡系統和上位機之間通過RS-232串口進行通信。當監測大棚溫濕度信 息時，首先通過上位機端監控軟件設置好波特率和串口號等參數，然后協調器開始組建ZigBee網絡，這時路由器節點和溫濕度傳感器節點開始加入ZigBee網絡。分布在各個大棚內的溫濕度傳感模塊開始采集溫濕度信息，并存儲在Flash中，通過單跳或者多跳的方式發送到上位機，上位機監控端接收到溫濕度信息后，把各個大棚內的溫濕度信息顯示出來。當溫濕度信息異常時，在監控端會有異常提示，以便及時處理。各個傳感器節點每隔一定的時間采集一次它周圍的溫濕度，并將溫濕度數據通過臨近節點或直接傳給基站核心板上；基站核心板負責收集從各個幾點上傳來的數據，并通過串口轉傳到服務器端上；遠程主機將建立數據庫來存儲這些數據，為用戶提供查詢操作，主機也可以實現報警等功能。以下是對這幾部分功能的詳細介紹：1、溫濕度傳感器數據采集節點：本系統中該環節主要是通過CC2430集成的暴露在空氣中的溫濕度傳感器來采集菜蔬大棚里空氣的溫濕度，將其轉化成數字信號，并通過Zigbee無線網絡將這些采集到的數據發送到基站節點。數據采集節點并不是多對一的傳輸關系，每個節點都有路由轉發功能，也可以接受來自鄰近節點的數據，并將其轉發給基站節點，從而擴大了測量的距離，解決了無線測量范圍有限的難題。2、基站：基站作為本系統的核心環節，它需要完成收集從自己網內各個數據采集節點發來的數據，并將這些數據通過串口發送到計算機(也可以稱作服務器上)進行存儲，從而為上層用戶提供查詢等服務提供了數據依據。基站也是一塊CC2430的增強型工業標準的嵌入式核心板，它在組網中的序號必須是01號，否則將接受不到數據。3、服務器端：服務器端通過串口線將從基站收到的數據存儲在數據庫中，并通過GPRS網絡傳輸給遠程主機端，從而為上層軟件的設計、用戶的使用提供了數據依據。本系統的一個重點是在服務器端建立一個軟件系統來管理這些數據。4、遠程用戶端：該部分主要負責從服務器端收集數據，并存儲在自己的數據庫中，并以此為數據基礎為用戶提供數據。本系統在該軟件設計中實現數據接收的控制、溫濕度數據的顯示、歷史數據的查詢、刪除、溫濕度的自報警以及系統用戶等的管理。2.2 系統設計原理該檢測系統充分利用ZigBee技術的軟、硬件資源,輔以相應的測量電路和SHT10數字式集成溫濕度傳感器等智能儀器,能實現多任務、多通道的檢測和輸出。并且通過RS232接口實現與上位PC機的連接,進行數據的分析、處理和存儲及打印輸出等。它具有測量范圍廣、測量精度高等特點,前端測量用的傳感器類型可在該基礎上修改為其他非電量參數的測量系統。溫濕度檢測系統采用SHT10為溫濕度測量元件。系統在硬件設計上充分考慮了可擴展性,經過一定的添加或改造,很容易增加功能。根據溫室大棚內的溫濕度、土壤水分、土壤溫度等傳感器采集到的信息，利用串口通信RS-232將傳感器信息發送給上位計算機，然后再接到上位計算機上進行顯示，報警，查詢。監控中心將收到的采樣數據以表格形式顯示和存儲，然后將其與設定的報警值相比較，若實測值超出設定范圍，則通過屏幕顯示報警或語音報警，并打印記錄。與此同時，監控中心可向現場控制器發出控制指令，監測儀根據指令控制風機、水泵、等設備進行降溫除濕，以保證大棚內作物的生長環境。監控中心也可以通過報警指令來啟動現場監測儀上的聲光報警裝置，通知大棚管理人員采取相應措施來確保大棚內的環境正常。2.3 系統節點設計 數據采集節點及其基站節點是一組安放在蔬菜大棚實地內的傳感器和無線通信模塊的終端集合。主要是負責大棚內空氣的溫濕度的數據采集，并接收從基站發來的指令，定時通過無線模塊將本節點采集到的溫濕度數據傳輸給基站節點。1、數據采集節點是定時的(默認設置成10S采集一次溫濕度數據)采集數據，這個時間間隔可以是網絡中的基站向溫濕度傳感器節點發送重新設置時間間隙的控制命令來完成設置的。PPP(Point-to-Point Protocol)協議是在設計和實現網絡中基站節點功能所要用到的技術。PPP協議是為在同等單元之間傳輸數據包這樣的簡單鏈路設計的鏈路層協議。這種鏈路提供全雙工操作，并按照順序傳遞數據包。設計目的主要是用來通過撥號或專線方式建立點對點連接發送數據，使其成為各種主機、網橋和路由器之間簡單連接的一種共通的解決方案。傳感器應用了其技術從而實現了數據的接力傳送，從而提高了網絡通信的效率。數據采集節點主要由電源模塊、處理器模塊、溫濕度傳感器收集模塊和無線通信模塊4個模塊構成的：（1）電源：采用兩節1.5V的紐扣電池組成的3V直流電為整個系統供電。（2）處理器模塊和無線通信模塊：采用增強型工業標準的CC2430核心板，它是加強版的Zigbee模塊。（3）溫濕度傳感器收集模塊：采用CC2430核心板集成溫濕度傳感器SHT10。數據采集節點的硬件框圖如圖2-2所示：圖2-2 為數據采集節點硬件框架圖2、溫濕度采集節點也是基于Zigbee通信協議的終端設備。Zigbee的基礎是IEEE 802.15.4,但IEEE僅處理低級MAC層和物理層協議，因此Zigbee聯盟擴展了IEEE，對其網絡層協議和API進行了標準化。與其他無線標準802.11或802.16不同，Zigbee以250Kbps的最大傳輸速率承載有限的數據流量。它滿足國際標準組織(ISO)開放系統互連(OSI)參考模型，主要包括物理層、數據鏈路層。Zigbee是一種新興的短距離、低速率、低功耗的無線可自組的網絡技術。主要用于近距離無線連接。在數千個微小的傳感器之間相互協調實現通信，這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數據從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以它們的通信效率非常高。3.系統概述3.1 數字溫濕度傳感器SHT101、SHT10的結構原理SHT10是瑞士Sensirion公司生產的一款含有已校準數字信號輸出的高度集成數字式溫濕度傳感器，體積微小、功耗極低，由于采用了CMOSensR技術，從而可確保器件具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性。該傳感器包括一個電容性聚合體測濕敏感元件和一個用能隙材料制成的測溫元件，并在同一芯片上，與14位的A/D轉換器以及串行接口電路實現無縫連接。生產過程中，每個傳感器芯片都在極為精確的濕度腔室中進行標定，以鏡面冷凝式濕度計為參照，校準系數以程序形式儲存在OTP內存中，在標定的過程中使用。SHT10傳感器的濕度測量范圍為0100RH，濕度測量精度為4.5RH20到80RH，濕度測量分辨率為0.03RH；溫度測量范圍為-40+123.8，溫度測量精度為0.5（25時），溫度測量分辨率為0.01。可實現寬范圍的溫濕度測量。SHT10默認的測量分辨率分別是溫度14位、濕度12位，也可以通過修改傳感器的8位狀態寄存器的“1”將分辨率分別降至12位和8位，通常在高速或最低位為超低功耗的應用中采用低分辨率。其中傳感器SHT10的原理圖如圖3-1所示。圖3-1 傳感器SHT10的原理圖2、引腳說明a.電源引腳（VDD、GND） SHT10的供電電壓為2.4V5.5V。傳感器上電后，要等待11ms，從“休眠”狀態恢復。在此期間不發送任何指令。電源引腳（VDD和GND）之間可增加1個100nF的電容器，用于去耦濾波。b.串行接口 SHT10的兩線串行接口（bidirectional 2-wire）在傳感器信號讀取和電源功耗方面都做了優化處理，其總線類似I2C總線但并不兼容。串行時鐘輸入（SCK）。SCK引腳是MCU與SHTIO之問通信的同步時鐘，由于接口包含了全靜態邏輯，因此沒有最小時鐘頻率。即微控制器可以以任意慢的速度與SHT10通信。串行數據（DATA）。DATA三態引腳是內部的數據的輸出和外部數據的輸入引腳。DATA在SCK時鐘的下降沿之后改變狀態，并在SCK時鐘的上升沿有效。即微控制器可以在SCK的高電平段讀取有效數據。在微控制器向SHT10傳輸數據的過程中，必須保證數據線在時鐘線的高電平段內穩定。為了避免信號沖突，微控制器僅將數據線拉低，在需要輸出高電平的時候，微控制器將引腳置為高阻態，由外部的上拉電阻(例如; 10k)將信號拉至高電平。為避免數據發生沖突，MCU應該驅動DATA使其處于低電平狀態，而外部接1個上拉電阻將信號拉至高電平。3、發送命令用一組“ 啟動傳輸”時序，來表示數據傳輸的初始化。它包括：當SCK時鐘高電平時DATA翻轉為低電平，緊接著SCK變為低電平，隨后是在SCK時鐘高電平時DATA翻轉為高電平。4、測量時序(RH和T)發布一組測量命令（00000101表示相對濕度RH，00000011表示溫度T）后，控制器要等待測量結束。這個過程需要大約20/80/320ms，分別對應8/12/14bit測量。確切的時間隨內部晶振速度，最多可能有-30%的變化。SHT10通過下拉DATA至低電平并進入空閑模式，表示測量的結束。控制器在再次觸發SCK時鐘前，必須等待這個“數據備妥”信號來讀出數據。檢測數據可以先被存儲，這樣控制器可以繼續執行其它任務在需要時再讀出數據。接著傳輸2個字節的測量數據和1個字節的CRC奇偶校驗。UC需要通過下拉DATA為低電平，以確認每個字節。所有的數據從MSB開始，右值有效（例如：對于12bit數據，從第5個SCK時鐘起算作MSB；而對于 8bit數據，首字節則無意義）。用CRC數據的確認位，表明通訊結束。如果不使用CRC-8校驗，控制器可以在測量值LSB后，通過保持確認位ack高電平，來中止通訊。在測量和通訊結束后，SHT10自動轉入休眠模式。警告：為保證自身溫升低于0.1，SHT10的激活時間不要超過10%（例如，對應12bit精度測量，每秒最多進行2次測量）。3.2 CC2430芯片1、CC2430芯片簡介 CC2430芯片以強大的集成開發環境作為支持，內部線路的交互式調試以遵從IDE的IAR工業標準為支持，得到嵌入式機構很高的認可。它結合Chipcon公司全球先進的ZigBee協議、工具包和參考設計，展示了領先的ZigBee解決方案。其產品廣泛應用于汽車、工控系統和無線感應網絡等領域，同時也適用于ZigBee之外2.4GHz頻率的其他設備。其引腳示意圖如圖3-2所示。 CC2430包含一個增強型工業標準的8位8051微控制器內核，運行時鐘32MHz。 CC2430包含一個DMA控制器。8K字節靜態RAM，其中的4K字節是超低功耗SRAM。32K，64K或128K字節的片內Flash塊提供在電路可編程非易失性存儲器。CC2430集成了4個振蕩器用于系統時鐘和定時操作：一個32MHz晶體振蕩器，一個16MHz RC-振蕩器，一個可選的32.768kHz晶體振蕩器和一個可選的32.768kHz RC 振蕩器。CC2430也集成了用于用戶自定義應用的外設。一個AES協處理器被集成在CC2430之中，用來支持IEEE 802.15.4 MAC 安全所需的（128位關鍵字）AES的運行，以盡可能少的占用微控制器。中斷控制器為總共18個中斷源提供服務，他們中的每個中斷都被賦予4個中斷優先級中的某一個。調試接口采用兩線串行接口，該接口被用于在電路調試和外部Flash編程。I/O控制器的職責是21個一般I/O口的靈活分配和可靠控制。圖3-2 CC2430芯片引腳示意圖CC2430包括四個定時器：一個16位MAC定時器，用以為IEEE 802.15.4的CSMA-CA算法提供定時以及為IEEE 802.15.4的MAC層提供定時。一個一般的16位和兩個8位定時器，支持典型的定時/計數功能，例如，輸入捕捉、比較輸出和PWM功能。CC2430內集成的其他外設有: 實時時鐘；上電復位；8通道，814位ADC；可編程看門狗；兩個可編程USART，用于主/從SPI或UART操作。為了更好的處理網絡和應用操作的帶寬，CC2430集成了大多數對定時要求嚴格的一系列IEEE 802.15.4 MAC協議，以減輕微控制器的負擔。這包括：自動前導幀發生器、同步字插入/檢測、CRC-16校驗、CCA、信號強度檢測/數字RSSI、連接品質指示(LQI) 和CSMA/CA協處理器。2、CC2430芯片的主要特點CC2430 芯片延用了以往CC2420 芯片的架構，在單個芯片上整合了ZigBee 射頻(RF)前端、內存和微控制器。它使用1個8位MCU（8051），具有128 KB可編程閃存和8 KB 的RAM，還包含模擬數字轉換器(ADC)、幾個定時器（Timer）、AES128 協同處理器、看門狗定時器（Watchdog timer）、32 kHz 晶振的休眠模式定時器、上電復位電路(Power On Reset)、掉電檢測電路(Brown out detection)，以及21個可編程I/O引腳。CC2430 芯片采用0.18m CMOS 工藝生產,在接收和發射模式下，電流損耗分別低 于27mA 或25mA。CC2430 的休眠模式和轉換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應用。3.3串行通信接口RS-2321、電氣特性RS-232采用負邏輯在TxD和RxD上：邏輯1(MARK)=一515V邏輯0(SPACE)=+5+15VRS-232的主要電氣特性為：帶37k歐姆負載時驅動器的輸出電平：邏輯“1”：一5 一12V；邏輯“0“：+5 +12V。不帶負載時驅動器的輸出電平： 一25+25V。驅動器轉換速率：30V，L 。接收器輸入阻抗：37K歐姆之間。接收器輸入電壓的允許范圍：一25 +25V。最大負載電容：2500PF。2、電平轉換RS-232是用正負電壓來表示邏輯狀態，與1vrL以高低電平表示邏輯狀態的規定不同。為了能夠同計算機接口或終端的1vrL器件連接，必須在EIA-RS-232與1vrL電路之間進行電平和邏輯關系的變換。實現變換的方法目前較為廣泛地使用集成電路轉換器件，如MC1488、SN75150芯片可完成1vrL電平到EIA電平的轉換，而MC1489、SN75 154可實現EIA電平到1vrL電平的轉換，MAX232芯片可完成1vrL一IA雙向電平轉換。MAX232芯片的轉換口，包含兩路驅動器和接收器的RS-232轉換芯片。芯片內部有一個電壓轉換器，可以把輸入的+5V電壓轉換為RS-232接口所需的10V電壓，最大的好處是工作電壓為+5V，不需要額外電源。3.4 顯示模塊本系統中所需要顯示的內容比較簡單，采用一般液晶顯示器即可滿足系統需求，綜合成本及效果考慮決定采用市場上使用廣泛的LCD1602液晶顯示模塊。如圖3-3所示。圖3-3 LCD1602液晶顯示模塊原理圖 1、特性：（1）工作電源：5V 亮度可調；（2）內部控制：HD44780；（3）支持LCD的一般控制命令；（4）字符發生器ROM：160個57點陣字型；（5）顯示數據寄存RAM:80Byte；（6）用戶自定義字型RAM：8個57點陣字型；2、引腳說明VSSVDD: 工作電源和地；VEE: 輝度調節端；RS: 寄存器片選信號接口；R/W: 讀寫信號控制接口；E : 使能信號；D0D7: 8位數據I/O口。3、控制方式LCD內部可看成兩組寄存器，指令寄存器與數據寄存器，選擇信號由RS引腳控制，RS=0，指向指令寄存器，此時的讀為讀標志位，寫則是寫入指令到控制寄存器。對LCD的一切操作都必須在內部忙標志位為0的情況下有效。確認本次操作置E為1；RS=1,操作指向數據寄存器，讀寫的對象都是內部RAM。在使用LCD之前應對其先初始化，可從以下幾個方面入手：選定LCD的顯示功能；設定LCD顯示模式； 設定顯示字符的進入方式；清屏。3.5 報警模塊蜂鳴器是一種一體化結構的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應用于計算機、打印機、復印機、報警器、電子玩具、汽車電子設備、電話機、定時器等電子產品中作發聲器件。簡單易懂，還易用音樂作為其報警聲音，所以選擇用電磁式蜂鳴器作為本次設計的報警系統。如圖3-4所示。電磁式蜂鳴器工作原理：（1）電磁式蜂鳴器由振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振動膜片及外殼等組成。（2）接通電源后，振蕩器產生的音頻信號電流通過電磁線圈，使電磁線圈產生磁場。振動膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期性的振動發聲。圖3-4 蜂鳴器報警電路 4. 系統軟硬件的設計 早期對蔬菜大棚內溫濕度的監控是采用手工控制的，通過長期的經驗積累，對蔬菜大棚內農作物的生長狀況的記錄等形成的依據，直接對大棚的溫濕度進行調節以使給大棚里的作物一個適宜生長的環境。而基于Zigbee網絡的蔬菜大棚監控系統可以節省一定的人力資源，將收集到的數據和系統設置的上下限進行對比，將準確的進行報警，通知相關人員進行處理。相比于人工管理階段，本系統一定程度上提高了生產效率。4.1 系統硬件設計4.1.1 Zigbee節點硬件設計ZigBee節點硬件結構如圖4-1示，主要由CC2430射頻芯片和傳感器構成。 圖4-1 ZigBee節點硬件結構CC2430芯片整合了高性能2.4 GHz DSSS（直接序列擴頻）射頻收發器內核和工業標準的增強型8051 MCU，還包括了8 KB的SDRAM、128 KB的Flash，是一種片上系統（SOC）解決方案。將相應的傳感器與CC2430的IO引腳連接，可測得所需的溫室環境參數，并通過ZigBee無線網絡進行傳輸。本文總體硬件設計是實現針對主協調器節點的設計與開發。主協調器的硬件系統中包括CC2430通信模塊、鍵盤電路模塊、串口轉USB模塊、液晶顯示模和電源電路模塊等。主協調器節點的主要功能是負責接收和存儲傳感器節點發送來的消息，并向傳感器節點發布網絡控制信息，同時與Pc機進行數據交換。其中串口轉USB模塊負責轉換CC2430模塊與PC機的通信信號；液晶顯示模塊負責節點工作狀態的指示；電源模塊通常采用持續電力供電，為主協調器節點提供運行所需的能量。根據氣象采集系統的需求設計硬件結構，并設計各部分電路，包括無線傳輸模塊、CC2430接口模塊、復位電路模塊、電源電路模塊、數據采集模塊、擴展電路模塊及外圍電路。如圖4-2所示為主協調器節點硬件組成圖。LCD模塊通用接口CC2430天線鍵盤電路A/D轉換復位電路8051MCU存儲器串口轉USB電源管理PC 圖4-2 主協調器節點硬件組成圖4.1.2 傳感器節點硬件設計傳感器節點是由無線收發器CC2430、射頻天線RF、電源模塊、晶振電路和串口電路組成。由于CC2430芯片本身帶有溫度傳感器，因而本實驗直接采用了CC2430的內置溫度傳感器監測溫度。但是該溫度傳感器的精度有限，如果要求更高的精度，可以擴展出一個溫濕度傳感器，如SHT10。傳感器終端設備由RF收發模塊、傳感器模塊和執行器驅動模塊組成。其中執行器驅動模塊主要是由繼電器電路組成，而傳感器模塊由數字溫度傳感器DS18B20、數字濕度傳感器SHT21、微型數字二氧化碳傳感器S-100及TSL230B光照強度頻率傳感芯片組成，而RF收發模塊使用的是TI公司提供的CC2430無線收發模塊，具體電路原理如圖4-3所示。圖4-3 基于CC2430芯片的RF收發模塊電路圖下面對每個部分的功能和指標進行詳細介紹：(1)信息收集終端：即協調器，放置于監控室， 完成網絡的建立與維護，和節點之間綁定的建立，實現數據的匯總，然后以有線的方式傳送到上位機軟件，進行進一步數據處理。本設計采用RS-232串口將采集到的數據發送到上位機。(2)溫度采集終端：即節點，放置在需要采集溫度的地方。溫度采集終端可以實現網絡的加入、與協調器綁定的建立、溫度的檢測。檢測到的溫度通過ZigBee無線網絡發送到協調器。(3)上位機：位于監控室，完成對所采集溫度的匯總與顯示。采集到的數據實時保存到文檔中，同時以折線圖的形式實時反映出溫度的變化趨勢，使其更為直觀。4.1.3 溫濕度數據采集節點設計數據采集節點按功能模塊劃分可分為：無線通信模塊和溫濕度數據采集模塊。（1）無線通信模塊CC2430是一塊符合IEEE802.15.4標準的片上Zigbee芯片。它的無線通信模塊的基礎是數據采集節點之間是采用點對點的通信方式。其數據采集的流程圖如圖4-4所示：圖4-4 數據采集節點流程圖在系統啟動，數據采集節點開啟后，并完成初始化工作后，節點將開始搜索其無線范圍內的網絡信息。由于Zibgee網絡內的節點具有路由轉發的功能，所以節點之間也可以互發數據，直至將源數據發送到最終的基站節點。(2) 溫濕度數據采集模塊溫濕度采集模塊式采用溫濕度傳感器SHT10。SHT10是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，采用CMOSens專利技術將溫度濕度傳感器、A/D轉換器及數字接口無縫結合。SHT10與CC2430連接電路原理圖如圖4-5所示：圖4-5 CC2430與SHT10連接電路原理圖該傳感器由1個能隙式測溫元件、1個電容式聚合體測濕元件、1個14位A/D轉換器和1個2-wire數字接口組成，使得該產品具有體積小、精度高、功耗低、反應快、抗干擾能力強等優點。而且SHT10 數字式傳感器具有類似I2C總線數字接口的通信方式與CRC數據傳輸校驗。數據采集節點在上電后，經過11ms后，SHT10會從休眠狀態恢復到等待狀態；接著發送一組“傳輸啟動”時序進行數據傳輸的初始化工作,然后發送一組測量命令（其中相對濕度RH量的時序命令為“0000 0101”，攝氏溫度T量的時序命令為“0000 0011”）開始測量周圍的溫濕度量，等待測量結束（大約需要20/80/320ms對應其8/12/14位的時間）；最后SHT10將下拉DATA到低電平（進入空閑模式）表示測量結束了，并傳入一個字節的CRC校驗并開始接收數據。圖4-5為溫濕度數據采集模塊流程圖。 圖4-6 溫濕度數據采集模塊流程圖 其中產生啟動傳輸時序的程序片段如下：/相關其他的代碼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；/其他相關代碼4.1.4 基站節點的設計1. ZigBee技術概述ZigBee是一種新型的短距離、低成本、低功耗、低數據速率和低復雜度的無線通信技術。ZigBee的名字來源于蜂群使用的賴以生存和發展的通信方式，蜜蜂通過跳ZigZag形狀的舞蹈來分享新發現的食物源的位置、距離和方向等信息。借此來寓意ZigBee的特點。ZigBee是一種新興的短距離、低速率的無線通信網絡技術。它有自己的協議標準，在數千個微小的傳感器之間相互協調實現通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數據從 一個傳感器傳到另一個傳感器，所以通信效率非常高。IEEE于2000年12月成立了802.15.4小組，負責制定了介質接入控制層(MAC)和物理層(PHY)規范，于2003年5月通過IEEE802.15.4標準，這是ZigBee技術的基礎標準，被稱作為IEEE802.15.4(ZigBee)技術標準。ZigBee 聯盟成立于2002年8月，由英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉(現Freescale)公司以及荷蘭飛利浦半導體公司組成。四大巨頭共同宣布加盟ZigBee聯盟，負責提供網絡層和應用層的框架設計，并研發名為ZigBee的下一代無線通信標準。ZigBee技術符合行業標準，它提供互操作性，從而使不同廠商之間的設備能夠相互進行通信，并為系統集成商和客戶提供靈活的購買選擇，還可以降低原始設備廠商(OEM)的成本。目前世界大型IT 公 司不斷推出自己的ZigBee解決方案，比較著名的有Freescale公司、Microchip公司、Chipcon公司（現在TI的子公司）等。美國和歐洲引領了ZigBee技術的發展前沿，韓國、日本也紛紛研制出ZigBee 的相關開發套件和解決方案。國內也有很多著名的研究所和知名院校也加入到該領域的研究工作中來，其中寧波研究所己經研制出2.4GHz的ZigBee網絡節點，一些公司和研究機構也紛紛推出自己的ZigBee開發套件，可以預計，在未來的幾年里，ZigBee 技術將是通信領域研究和開發的熱點技術，具有廣闊的應用前景。2. ZigBee技術可以彌補其它短距離無線通信技術的缺陷，它具有以下的優點：(1)數據傳輸速率低。ZigBee技術的數據傳輸速率，一般在10kb/s250kb/s，非常適合于于低傳輸速率應用。(2)功耗低。由于工作周期很短，收發信息功耗較低，并且采用了休眠模式，因此在通常情況下，兩節普通5號干電池支持節點工作長達6個月到2年左右的時間，從而避免充電和頻繁更換電池。這是ZigBee技術最引以為豪的獨特優勢。(3)協議簡單。(4)低成本。由于ZigBee數據傳輸速率低，協議簡單和較小的存儲空間，所以大大降低了成本。每片芯片的價格一般在23 美元，并且ZigBee協議是免專利費的。(5)網絡容量大。一個ZigBee網絡可以容納最多254個從設備和一個主設備，一個區域內可以同時存在最多100 個ZigBee網絡。(6)工作頻段靈活。ZigBee使用的頻段分別為2.4GHz、868MHz（歐洲）、915MHz（美國），均為免執照頻段，這樣也降低了成本。(7)傳輸可靠性高。ZigBee采用了CSMA-CA碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時隙，避免了發送數據時的競爭和沖突。MAC層采用完全確認的數據傳輸機制，每個發送的數據包都必須等待接收方的確認信息，才可以發送下一個數據包，這樣有效的保證了傳輸數據的可靠性。(8)安全性高。ZigBee提供了數據完整性檢查和鑒權功能，加密算法采用AES-128，同時各個應用可以靈活確定其安全屬性。(9)時延短。針對時延敏感的應用做了優化，通信時延和從休眠狀態激活的時延都非常短。設備搜索時延典型值為30ms，休眠激活時延典型值是15ms，活動設備信道接入時延為15ms，這對某些時間敏感的信息至關重要，而且時延縮短后節省了能量消耗。(10)網絡的自組織、自愈能力強。ZigBee的自組織功能指無需人工干預，網絡節點能夠感知其他節點的存在，并確定連接關系，組成結構化的網絡；ZigBee自愈功能指能夠增加、刪除一個節點，節點位置發生變動或節點發生故障時，網絡都能夠自我修復，并對網絡拓撲結構進行相應地調整，無需人工干預，保證整個系統仍然能正常工作；ZigBee技術的傳輸速率雖然只有250kbps，但完全可以滿足傳輸撓度數據的需求。ZigBee技術的網絡連接設備相對于其它短距離無線通信技術來說是最多的，傳輸距離較遠并且費用、功耗最低，因此將ZigBee無線通信技術應用于組建橋梁撓度無線傳感器網絡中。3. ZigBee網絡配置（1） ZigBee設備功能類型ZigBee網絡的基本成員即“設備”，按照功能的不同可分為兩類：全功能設備FFD(Full Function Device)和精簡功能設備RFD(Reduced Funetion Deviee)。全功能設備(FFD)是具有轉發與路由能力的節點。它擁有足夠的存儲空間來存放路由信息，其處理控制能力也相對較強。FFD可作為協調器、路由器和終端設備，支持任何拓撲結構。精簡功能設備(RFD)只能接收和發送信號，其內存小、功耗低、功能簡潔，在網絡中只能作為終端設備使用。FFD可以和FFD、RFD通信；而RFD只能和FFD通信，RFD 之間的通信只能通過FFD轉發。FFD不僅可以發送和接收數據，還具備路由器的功能。RFD的應用相對簡單，例如在無線傳感器網絡中，它們只負責將采集的數據發送給其父節點，并不具備數據轉發、路由發現和路由維護等功能。就成本而言，RFD由于功能簡單、存儲容量小，因此RFD相對于FFD具有較低的成本。（2）ZigBee設備節點類型ZigBee網絡中根據設備所處的角色不同定義了三種邏輯設備類型：協調器 (Coordinator)、路由器(Router)和終端設備(End Device)。a、ZigBee 協調器是三類設備中最為復雜的一種。它的存儲容量最大、計算能力最強，因此必須是全功能設備FFD，并且一個ZigBee 網絡PAN(Personal Area Network)中也只能存在一個協調器。ZigBee 協調器在運行之前需要配置相關的網絡參數和設備參數，供后面使用。上電后ZigBee協調器進行初始化，首先掃描信道，選擇合適的信道，然后建立起自己的網絡，允許其它設備加入網絡。工作狀態下，ZigBee協調器不但要發送和接收數據，而且還需要管理網絡中設備的加入和離開，建立不同設備之間的相關綁定信息，并處理各種設備和服務查詢請求。b、ZigBee路由器也是一個全功能設備FFD。它類似于IEEE802.15.4 定義的協調器。ZigBee路由器上電后，應當加入或重新加入網絡。如果是加入新網絡，它需要掃描信道，選擇合適的網絡加入；如果是重新加入網絡，它需要掃描信道查找父設備。在加入網絡后它就自動獲得一個16位網絡地址，并允許在其通信范圍內的其它節點加入或離開網絡，同時還具有路由和轉發數據的功能，路由節點只有在簇樹網絡和網狀網絡中存在。c、ZigBee終端設備可以由簡化功能設備RFD或者全功能設備FFD構成。其主要負責與實際的監控對象相連，這種設備只與自己的父節點主動通信，并從父節點處獲得網絡標識和短地址信息，具體的信息路由則全部由其父節點及網絡中具有路由功能的協調器和路由節點完成。4、ZigBee的工作模式ZigBee網絡的工作模式可以分為信標(Beacon)模式和非信標(Non-beacon)模式兩種。信標模式可以實現網絡中所有設備的同步工作和同步休眠，以達到最大限度地節省功耗，而非信標模式只允許ZE進行周期性休眠，協調器和所有路由器設備長期處于工作狀態。5、IEEE802.15.4標準和Zigbee協議介紹IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers美國電氣和電子工程師協會)無線個人區域網工作組的IEEE802.15.4技術標準是Zigbee的技術基礎。IEEE802.15.4標準的制定是為低能耗的簡單設備提供有效覆蓋范圍在10m之內的低速連接，用于無線監測、工業控制等消費與商用應用領域。IEEE802.15.4支持兩種的網絡拓撲結構，即單跳星狀或當通信線路超過10 m時的多跳對等拓撲。但是對等拓撲的邏輯結構由網絡層定義。LR-WPAN中的器件既可以使用64位IEEE地址，也可以使用在關聯過程中指配的16位短地址。一個IEEE802.15.4網最多可以容納216個器件。IEEE802.15.4標準最重要的特點是低功耗。因為在現實中用電池供電的嵌入式器件，經常的更換電池所產生的費用往往比器件本身的成本還要高。所以在IEEE802.15.4標準的制定中，在數據傳輸過程中引入了節省功率的機制。多數機制是基于信標使能的方式，主要是限制器件或協調器之