1、謝謝觀賞畢 業 設 計才旨導教師評語（包含學生在畢業實習期間的表現）：成績（平時成績）：指導教師簽名：年月日告）課題:基于ZigBee的農業大棚光照環境監控系統設計學生：楊雪系部：物聯網班級：物聯網1203班學號：指導教師：李靖裝訂交卷日期：畢業設計（報告）成績評定記錄表評閱教師評語：成績（評閱成績）：評閱教師簽名:指導教師評語（包含學生在畢業實習期間的表現有:月 日成績（平時成績）：指導教師簽名：年 月曰笞辯情況記錄:答辯成績：答辯委員會主任（或答辯教師小組組長）簽名：年 月曰總評成績:注：1.此表適 用于參 加畢業 答辯學生的畢業設計（報告） 成績評心2.平時成 績占20%卷面評11成績占

2、50%答辯成績占30%在上面的評分表中，可分別按20分、50分、30分來量化評分，三項相加所得總分即為總評成績，總評成績請轉換為優秀、良好、中等、及格、不及格五等級計分。教務處制畢業設計（報告）成績評定記錄表評閱教師評語：成績（評閱成績）：評閱教師簽名：年 月日總評成績:注：1. 此表適 用于不 參加畢 業答辯 學生的畢業設計（報告）成績評定；2.平時成績占40%卷面評閱成績占60%在上面的評分表中，可分別按40分、60分來量化評分，二項相加所得總分即為總評成績，總評成績請轉換為優秀、良好、中等、及格、不及格五等級計分。教務處謝謝觀賞目錄第一章緒論221.1 論文背景221.2 主要需求33第

3、二章系統分析442.1 設計原理442.2 系統節點設計442.3 系統總體架構66第三章系統硬件設計883.1 Zigbee節點硬件設計883.2 傳感器節點硬件設計883.3 光照數據采集節點設計1010第四章基站節點設計12124.1 ZigBee技術概述12124.2 ZigBee技術優缺點12124.3 ZigBee網絡配置13134.4 ZigBee工作模式1515第五章系統測試17175.1 系統測試步驟17175.2 系統測試結果17175.2.1 系統硬件測試17175.2.2 協議棧測試18185.2.3 上位機測試18185.3 系統測試結果分析1818總結1919參考文

4、獻2020摘要隨著農業應用技術及科技的發展，溫室大棚已經成為農業的一個重要組成部分，而且能帶動農業高效的發展。因此，對于農業生產環境來說，對一些重要參數進行檢測與控制就顯得十分重要且必要，這些參數包括光照強度、溫度、濕度、二氧化碳濃度等。這些參數控制得當，就改變了植物的生長環境，為植物創造了最佳的生長環境，而且避免了外界四季變化和惡劣氣候對植物生長的影響。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

5、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Wetfi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；CC2530無線傳感器網絡；光照傳感器第一章緒論1.1 論文背景近幾年來，隨著物聯網、傳感器、電子標簽、智能裝備等技術的重大突破及廣泛應用，也漸漸改變了農業傳統的生產經營方法，擴大了農業的發展空間。近年來，溫室大棚種植為提高人們的生活水平帶來極大的便利，得到了迅速的推廣和應用。種植環境中的溫度、濕度、光照度、CO"度等環境因子對作物的生

6、產有很大的影響。傳統的人工控制方式難以達到科學合理種植的要求，目前國內可以實現上述環境因子自動監控的系統還不多見，而引進國外具有多功能的大型連棟溫室控制系統價格昂貴，不適合國情針對目前大棚發展的趨勢，提出了一種大棚智能監控系統的設計。根據大棚智能監控的特殊性，需要傳輸大棚現場參數給管理者，并把管理者的命令下發到現場執行設備，同時又要使上級部門可隨時通過互連網或者手機信息了解區域大棚的實時狀況。基于GPRS勺智能大棚監控系統使這些成為可能。圖1-1農業大棚智能化監控1.2 主要需求在每個智能農業大棚內部署無線空氣溫濕度傳感器、無線土壤溫度傳感器、無線土壤含水量傳感器、無線光照度傳感器、無線CO2

7、專感器等，分別用來監測大棚內空氣溫濕度、土壤溫度、土壤水分、光照度、co詠度等環境參數。為了方便部署和調整位置，所有傳感器均應采用電池供電、無線數據傳輸。大棚內僅需在少量固定位置提供交流220V市電（如：風機、水泵、加熱器、電動卷簾）。每個農業大棚園區部署1套采集傳輸設備（包含路由節點、長距離無線網關節點、Wi-Fi無線網關等），用來覆蓋整個園區的所有農業大棚，傳輸園區內各農業大棚的傳感器數據、設備控制指令數據等到Internet上與平臺服務器交互。在每個需要智能控制功能的大棚內安裝智能控制設備（包含一體化控制器、擴展控制配電箱、電磁閥、電源轉換適配設備等），用來接受控制指令、響應控制執行設備

8、。實現對大棚內的電動卷簾、智能噴水、智能通風等行為的實現1o第二章系統分析2.1 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

9、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。圖2-1總線型架構圖2.2 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

10、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。圖2-2采集節點結構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，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控制命令來完成設置的。PPP(Point-to-PointProtocol)協議是在設計和實現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，使成為各種主

11、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CC253cM心板，它是加強版的Zigbee模塊。(3)溫濕度傳感器收集模塊：采用CC2530K心板集成光照傳感器SHT102、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IEEE802.15.4,但IEEE僅處理低級MAC®和物

12、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。3、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。圖2-3混搭型架構圖2.3 系統總體架構無線傳感器網絡終端節點主要

13、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RS232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：光照的數據采集節點、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。圖2-4系統模型框架該系統由上位機（P。監控端和下位機ZigBee

14、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光照數據，上位機負責顯示光照數據并進行實時監控。下位機ZigBee網絡系統由光照傳感器模塊、路由器模塊和協調器模塊組成。光照傳感器模塊主要負責采集、存儲和上傳光照信息。路由器模塊主要負責轉發光照信息。協調器模塊主要完成光照數據的匯聚。下位機ZigBee網絡系統和上位機之間通過RS-232串口進行通信。當監測大棚光照信息時，首先通過上位機端監控軟件設置好波特率和用口號等參數，然后協調器開始組建ZigBee網絡，這時路由器節點和光照傳感器節點開始加入ZigBee網絡。分布在各個大棚內的光照傳感模塊開始采集光照信息，并存儲在Flash中，

15、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，把各個大棚內的光照信息顯示出來。ZigBee組網流程如下圖2-5。圖2-5無線網絡形成流程第三章系統硬件設計3.1Zigbee節點硬件設計ZigBee節點硬件主要由CC2530I寸頻芯片和傳感器構成。CC24305片整合了高性能2.4GHzDSSS（直接序列擴頻）射頻收發器內核和工業標準的增強型8051MCU還包括了8KB的SDRAM128KB的Flash,是一種片上系統（SOC解決方案。將相應的傳感器與CC2530I勺I/O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

16、調器節點的設計與開發。主協調器的硬件系統中包括CC25301信模塊、鍵盤電路模塊、串口轉USB真塊、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真塊負責轉換CC2530真塊與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、CC25308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。圖3-1數據采集結構圖3.2

17、傳感器節點硬件設計傳感器節點是由無線收發器CC2530射頻天線RFID電源模塊、晶振電路和串口電路組成。由于CC2530S片本身帶有溫度傳感器，因而本實驗直接采用了CC2530K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RFID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SHT21微型數字二氧化碳傳感器S-100及TSL230B光照強度/頻率彳感芯片組成，RFID收發模塊使用的是TI公司提供的CC253CK線收發模塊

18、。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。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。圖3-2采集節點數據發送給上位機流程圖3

19、.3 光照數據采集節點設計數據采集節點按功能模塊劃分可分為：無線通信模塊和光照數據采集模塊。(1)無線通信模塊CC25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) 光照數據采集模塊光照采集模塊式采用光照傳感器，將光照傳感器、A/D轉換器及數字接口無縫結合。光照傳感器(BH1750FVI采用I2總線方式傳輸數據，光源依賴性不大，采集范圍可以從160000勒克斯，且受紅外線影響較小，支持I2CBU堂口(f/sModeSupport)、接近

20、視覺靈敏度的光譜靈敏度特性、輸出對應亮度的數字值，無需其他外部件，光源依賴性弱(白熾燈，熒光燈，鹵素燈，白光LED,日光燈)，可調的測量結果影響較大的因素為光入口大小，最小誤差變動在土20%終端控制節點如圖3-3所示。圖3-3控制節點流程圖第四章基站節點設計2.1 ZigBee技術概述ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數據傳輸以及典型的有周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據傳輸的應用。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

21、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。圖4-1協議結構圖2.2 ZigBee技術優缺點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。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

22、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年左右的時問，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。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。(7)傳輸可靠性高。(8)安全性高。時延短。(10)網絡的自組織、自愈能力強。圖4-2協議結構圖2.3 ZigBee網絡配置(1) ZigBee設

23、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(FullFunctionDevice)和精簡功能設備RFD(ReducedFunetionDeviee)。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。謝謝觀賞圖4-3加入網絡流程圖(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(C

24、oordinator)、路由器(Router)和終端設備(EndDevice)。圖4-4發送數據流程圖謝謝觀賞謝謝觀賞(3)接收數據ZigBee協議棧能夠自動過濾掉以非本節點為目的節點的所有數據，而只接收以本節點號為目的節點號的無線傳輸的數據。圖4-5接收數據流程圖2.4 ZigBee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。信息平臺功能框圖如圖4-6所示。謝謝觀賞圖4-6信

25、息平臺功能框圖第五章系統測試5.1 系統測試步驟(1)檢查開發板電源、用口線以及外擴設備連接是否正常。(2)下載協調器代碼到開發系統的表演板。(3)下載傳感器節點代碼到電池板。(4)用串口調試助手觀察協議棧運行是否正常。(5)測試上位機軟件，PC端能否正常接收數據以及能否將數據存到數據庫中，可否正常畫出曲線。圖5-1協調器模塊連接5.2 系統測試結果5.2.1 系統硬件測試系統的硬件測試包括對開發平臺的電源、內存、按鍵、LED燈、串口，以及配套電路進行測試。下載各模塊的程序后，系統各硬件均能正常工作30圖5-2協調器模塊、光照傳感器模塊連接5.2.2 協議棧測試下載協調器模塊到表演板、節點模塊到電池板后，程序運行正確，從用口能正確接收到節點的地址以及所采集到的溫度405.2.3 上位機測試打開上位機軟件，從串口讀入當前溫度值，能夠實時顯示光照并能夠繪出光照曲線，能夠順利在多個曲線間進行切換，能夠存儲過往數據并且能夠查看。如圖5-3所示。圖5-3串口調試圖5.3 系統測試結果分析經測試，系統軟硬件均工作正常，實現了需求中的絕大部分功能5。例如：通過ZigBee節點組網測試，無線傳感網絡的各節點組網成功并能正常通信；通過傳感器節點控