基于無線傳感器網絡的溫室控制系統(tǒng)設計

1、目錄 摘要Abstract第一章 前言11.1 研究目的和意義11.2 國內外研究現狀21.3 研究內容2第二章 系統(tǒng)相關技術42.1 無線傳感器網絡4 2.2 ZigBee無線通信技術4 2.3 GPRS概述 5第三章 溫室參數分析和系統(tǒng)總體設計63.1 溫室參數分析73.2 系統(tǒng)總體設計 5第四章硬件設計64.1 微處理器模塊74.2 無線收發(fā)模塊104.3 數據采集模塊114.4 報警模塊15第五章 軟件設計165.1 管理中心設計165.2 ZigBee 軟件開發(fā)環(huán)境175.3 傳感器節(jié)點設計185.4 匯聚節(jié)點設計195.5 執(zhí)行結構模塊設計20第六章 結論21致謝22參考文獻23摘

2、要我國的農業(yè)正在向現代化、規(guī)?；?、智能化發(fā)展。溫室大棚作為現代農業(yè)生產中不可缺少的部分，對溫室環(huán)境的有效管理能提高溫室作物生產效率和農民經濟效益。 溫室環(huán)境的濕度、溫度、 光照強度等因數對溫室作物的生長有很大的影響。針對溫室控制的需要，設計了一個基于無線傳感器網絡的溫室控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過分布在溫室區(qū)域內的大量傳感器節(jié)點采集信息，數據以Zigbee無線傳送方式發(fā)送至匯聚節(jié)點。 匯聚節(jié)點通過GPRS網絡與遠程服務中心通信，同時匯聚節(jié)點能接收遠程服務中心發(fā)出的控制命令，控制部署在溫室的控制節(jié)點，進而調節(jié)溫室各參數達到合適要求。 關鍵詞： 無線傳感器網絡，溫室，ZigBee技術 AbstractCh

3、ina's agriculture is to modern, large-scale, intelligent development. Greenhouse an indispensable part of modern agricultural production, the effective management of the greenhouse environment can improve the efficiency of greenhouse crop production and farmers' economic benefits. Greenhouse

4、 environment, humidity, temperature, light intensity and other factors on the growth of greenhouse crops have a great impact. A greenhouse control system based on wireless sensor network is designed for the needs of greenhouse control. The system collects information through the sensor nodes distrib

5、uted in the greenhouse area, and the data is sent to the sink node in ZigBee wireless transmission mode. The convergence node communicates with the remote service center through the GPRS network, and the collection node can receive the control commands issued by the remote service center to control

6、the control nodes deployed in the greenhouse, and then adjust the greenhouse parameters to meet the requirements. The system has the advantages of low cost and convenient deployment.Key words: Wireless Sensor Network，Greenhouse， ZigBee Technology 第一章 前言1.1 研究目的和意義目前很多溫室控制系統(tǒng)采用的是有線傳輸方式，有線傳輸需要鋪設大量的信號傳輸

7、線，由于天氣和其他原因設備之間的連接線很容易壞，提高了檢修和維護的難度。將無線傳感器網絡應用在溫室控制系統(tǒng)中，除去了設備之間的信號傳輸線，不僅提高了系統(tǒng)的準確性，系統(tǒng)的擴展性也得到提高，也方便了系統(tǒng)的檢修和維護。基于無線傳感器網絡的溫室控制系統(tǒng)，能準確地監(jiān)測溫室內溫度、濕度、光照強度等參數，大幅度提高溫室作物的產量和品質。1.2 國內外研究現狀 20世紀，基于總線技術包括以太網技術的溫室控制系統(tǒng)得到了快速發(fā)展。葡萄牙的Metrolho,J. C.等人在1999建立了基于CAN總線以及PC機等組建的典型溫室控制系統(tǒng)1。 美國興起了劃時代意義的無線傳感器網絡技術，并嘗試性地將其運用到溫室監(jiān)測中。由

8、分布在監(jiān)測區(qū)域內大量微型傳感器節(jié)點組成，以多跳的形式自組織成網絡系統(tǒng)，各傳感器采集和分析網絡覆蓋區(qū)域中監(jiān)測對象的信息，并發(fā)送給觀察者的技術引起了人們的關注2-3。 在無線傳感器的技術這個方面，我國的溫室無線控制技術仍處于起步階段。 目前， 星型網絡拓撲結構在溫室控制系統(tǒng)中是運用最多的無線數據傳輸。系統(tǒng)中，主機直接與溫室大棚中的傳感器節(jié)點相連。拓撲結構相對簡單，易于檢修和維護。運用溫室智能環(huán)境監(jiān)控技術、無線傳感器網絡技術構成無線溫室控制系統(tǒng)，實現溫室環(huán)境的自動化、規(guī)?；刂剖俏磥淼陌l(fā)展方向4-5。 1.3 研究內容本文根據溫室環(huán)境參數和無線傳感器網絡的特點，提出溫室控制系統(tǒng)的設計方案。設計了一個

9、基于無線傳感器網絡的溫室控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過分布在溫室里傳感器節(jié)點采集信息，數據以ZigBee無線傳送方式將信息發(fā)送至匯聚節(jié)點。 匯聚節(jié)點通過GPRS技術傳輸到遠程服務中心，同時匯聚節(jié)點能接收遠程服務中心發(fā)出的控制命令，控制部署在溫室的控制節(jié)點，進而調節(jié)溫室環(huán)境參數達到合適要求。本系統(tǒng)具有成本不高，部署便利等優(yōu)點。 第二章 系統(tǒng)相關技術2.1 無線傳感器網絡無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks, WSN）是由部署在監(jiān)測區(qū)域內大量的低成本、低功耗微型傳感器節(jié)點組成，節(jié)點之間通過無線通信形成的一個多跳自組織網絡系統(tǒng) 6。WSN 由無線傳感器節(jié)點、匯聚節(jié)點、傳輸網絡和遠程

10、控制中心組成，其基本組成結構如圖1。圖1無線傳感器網絡的基本組成部分部署在被監(jiān)測區(qū)域的監(jiān)測節(jié)點實時、有效、準確的對監(jiān)測區(qū)域進行數據采集，對數據進行存儲以無線傳輸的方式傳輸到匯聚節(jié)點。匯聚節(jié)點對數據進一步的處理、分析、存儲，在顯示屏上顯示，便于觀察者查看。通過互聯網傳輸到遠程管理中心，遠程管理中心可以對被監(jiān)測區(qū)域發(fā)出控制任務和收集數據。 2.2 ZigBee無線通信技術 目前，在短距離無線傳輸技術大家族中，除ZigBee技術外， 還有許多，如：藍牙技術、 UWB技術、Wi-Fi 等。表1給出了幾種常見的短距離無線傳輸技術 5-6。 表1幾種短距離無線通信技術的比較 藍牙UWB Wi-Fi Zig

11、Bee 規(guī)范標準未定802.11b802.15.4 工作頻段 2.4GHz 2.4GHz; 5GHz868/915GHz；2.4GHz最大傳輸速率1 Mb/s110 Mb/s 54 Mb/s250kb/s 最大功耗 1-100mW200mW 100mW13mW傳輸距離 l 0m 10m10-100m 10-75m網絡容量 8 8256 65536 電池壽命 4-8小時1-2小時1-3小時半年以上 成本低高 低低 從上面的表格可以對比得到，ZigBee技術在溫室控制系統(tǒng)中有如下優(yōu)點：(1)成本低:相比于其他幾種短距離無線通信技術，ZigBee技術的協(xié)議棧設計相對簡單， ZigBee不收任何協(xié)議專

12、利費。因此ZigBee通信模塊的成本低，很適合用在無線傳感器網絡中。(2)容量大: ZigBee有星型、樹型、網狀結構。一個主節(jié)點管理若干個子節(jié)點，一個主節(jié)點可以管理254個子節(jié)點，主節(jié)點可以由上層網絡管理可以組成65535個節(jié)點。(3)低速率:從上表中可以看出ZigBee技術傳輸速率是最低的，最大為250kb/s，在溫室控制系統(tǒng)中，溫室采集數據的周期大且數據量大，傳輸速率低有利于節(jié)能，適合溫室應用。 (4) 功耗低: 相比其他技術的功耗，ZigBee是最低的，而且ZigBee技術允許設備空閑時轉入睡眠功能，這有利于節(jié)點節(jié)能，減少了更換電池的次數，增加電池使用壽命。 ZigBee網絡層支持星型

13、拓撲結構、樹型和網狀拓撲結構，如圖2所示。圖2 ZigBee技術的網絡拓撲機構圖星型拓撲結構由一個協(xié)調器控制，協(xié)調器可以直接與遠程控制中心進行數據通信，當一個節(jié)點發(fā)生故障時不會影響其他節(jié)點工作。在溫室控制系統(tǒng)中部署在監(jiān)測區(qū)域的傳感器自組織成網絡，以多跳傳輸數據。樹型拓撲結構包括一個協(xié)調器和若干路由器和終端節(jié)點，通信原則是：子節(jié)點只能和父節(jié)點通信。網狀拓撲結構和樹型拓撲結構組成大致相同，由協(xié)調器、路由器、終端節(jié)點組成，不同的是網狀拓撲結構任意節(jié)點間可以通信，并且是自動尋找一條信息傳輸的最優(yōu)路徑。ZigBee技術可在868MHz、915MHz、2.4GHz三個頻段上工作，這三個頻段分別適用于全球、

14、歐洲、美國，三個頻段的傳輸速率為20kbit/s、40kbit/s、250kbit/s。通信延遲時間在15ms-30ms之間，它的傳輸距離在10-75m之間，用干電池供電。適合與溫室控制系統(tǒng)的短距離傳輸，低功耗的特點。 2.3 GPRS概述 GPRS(General Packet Radio Service)是通用分組無線服務技術 的簡稱。英國BT Cellnet公司于1993年提出在GSM發(fā)展新的分組數據承載業(yè)務GPRS，作為向第三代移動通信(3 G)過渡的一種技術，是GSM Phase2+規(guī)范實現的內容之一。GPRS采用與GSM相同的頻段、頻帶寬度、突發(fā)結構、無線調制標準、跳頻規(guī)則以及TD

15、MA幀結構，面向用戶提供移動分組的IP或者X.25連接，從而為用戶同時提供語音與數據業(yè)務 9-11。從外部看，GPRS同時又是Internet的一個子網。 GPRS網絡主要有以下特點:l 實時在線，管理中心與匯聚節(jié)點實時保持通信，方便用戶查閱溫室大棚數據。l 按量計費，只有傳輸數據是才會產生流量費用，沒有數據傳輸，用戶可以掛在網上，不會產生任何費用。l 高速傳輸，GPRS采用分組交換技術，數據傳輸速率最高可達171.2kbps。本文采用GPRS技術進行WSN與監(jiān)控中心之間的通信。 第三章 溫室參數分析和系統(tǒng)總體設計3.1 溫室參數分析 l 溫度對作物的影響農作物生長與溫度有密切的關系，在農作物

16、適宜溫度范圍內，溫度越高，呼吸作用和光合作用越旺盛，農作物的生長就越好。而溫度過低低，農作物呼吸作減弱，生長緩慢。晚上農作物只進行呼吸作用，呼吸作用消耗有機物質。在一定溫度范圍內，晚上溫度越低呼吸作用越弱，消耗的有機物就少。因此對溫室大棚的溫度控制特別重要，對溫室溫度的實時監(jiān)測有利于提高農作物產量，增加農民收入。l 濕度對作物的影響溫室內的空氣濕度是由土壤水分的蒸發(fā)、 灌溉補充水分和植物的蒸騰作用在設施密閉情況下形成的12。溫室內作物代謝旺盛、生長旺盛、作物葉面積指數高, 蒸騰作用釋放出大量的水蒸氣。同時,由于溫室大棚的空間小、密閉性強、空氣流通比較穩(wěn)定,溫室大棚內水蒸氣經常超標, 保持溫室大

17、棚濕度在一個適宜范圍非常重要。l 光照度對作物的影響農作物想要旺盛的生長，適宜的光照強度必不可少。光以光照強度對農作物產生影響，光照強度太低或者太高對農作物的生長都有很大的影響。太低，光合作用效率低；太高，效率也會降低。光照強度太高會導致農作物氣孔關閉，光合作用受阻。 3.2 系統(tǒng)總體設計 溫室控制系統(tǒng)的目的是對溫室內環(huán)境參數的的采集，以及根據監(jiān)測的數據控制相應的控制節(jié)點來控制設備調整溫室大棚的環(huán)境參數，使其達到農作物的生長的適宜環(huán)境。用戶可以根據采集到的參數對農作物適宜生長參數進行調整，使溫室作物產量達到最高，農民的收入最大化。溫室系統(tǒng)的具體要求如下： (1)傳感器器節(jié)點實時、準確的監(jiān)測溫室

18、環(huán)境參數是溫室控制必須達到的要求，也是非常關鍵的部分。(2)匯聚節(jié)點可以實時接收傳感器節(jié)點發(fā)送的數據，能準確的顯示在顯示屏上，并且還要準確無誤的傳輸到遠程服務中心，遠程服務中對接收到的數據進行分析、存儲、并和原始數據比較，得出最佳的溫室環(huán)境參數。(3)遠程服務中心收到匯聚節(jié)點傳輸的數據與原始數據比較，高出或低于原始設置數據，發(fā)出控制命令，控制 裝置做出相應反應，調節(jié)溫室環(huán)境參數達到適宜的生長環(huán)境。(4)提供客戶端遠程管理軟件，方便用戶方便實時讀取溫室環(huán)境參數，查詢歷史環(huán)境參數數據，發(fā)送控制命令。本文設計的系統(tǒng)主要包括無線傳感器節(jié)點、控制裝置、匯聚節(jié)點或者基站 ，遠程服務器，遠程管理。總體框架如

19、下圖3所示。 圖3系統(tǒng)總體結構根據應用需求，將大量微型廉價的傳感器節(jié)點合理分布在被監(jiān)測區(qū)域中，被監(jiān)測區(qū)域有大量的傳感器節(jié)點和一個匯聚節(jié)點，部分節(jié)點帶有控制設備，控制天窗、遮陽網、熱風機、濕簾風機、灌溉裝置、補光光源繼電器的開啟和關閉來調節(jié)環(huán)境參數。傳感器節(jié)點對溫室大棚內的溫度、濕度、光照強度等信息進行采集，用ZigBee無線通信模塊傳輸至匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點通過GPRS網絡將數據傳輸給管理中心。同時匯聚節(jié)點可以接收管理中心傳輸來的控制命令并將命令轉發(fā)給相應的控制節(jié)點，控制節(jié)點驅動相應的閥門設備調整環(huán)境參數。管理中心接收數據、分析數據、存儲數據并做出控制命令，發(fā)送控制命令給匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點通過Z

20、igBee發(fā)送到控制節(jié)點?？刂葡鄳O備做出反應。第四章 硬件設計 匯聚節(jié)點接收監(jiān)測節(jié)點發(fā)送的數據并進行分析、存儲、顯示通過GPRS技術傳輸到遠程管理中心，匯集節(jié)點還可以接收管理中心的控制命令，發(fā)送給控制裝置調節(jié)溫室環(huán)境參數。匯聚節(jié)點由微處理器模塊、無線收發(fā)模塊、報警模塊構成。現場監(jiān)測節(jié)點由控制模塊、無線收發(fā)模塊、數據采集模塊組成。4.1 微處理器模塊在本設計中微處理器模塊主要由以下模塊構成:微控制器、數據存儲模塊、實時時鐘模塊、按鍵及顯示模塊。 微控制器用于對傳感器節(jié)點采集的環(huán)境參數處理與傳輸，本設計選用MSP430F149芯片作為微控制器芯片，MSP430系列單片機是美國德州儀器生產的一種1

21、6位超低功耗的混合處理器。數據存儲模塊用于存儲傳感器節(jié)點采集的數據，實時時鐘模塊主要用于提供系統(tǒng)的實時時鐘，按鍵及顯示模塊主要用于操作顯示被監(jiān)測區(qū)域的溫度、濕度、光照強度等環(huán)境參數，顯示模塊還能顯示時間，電池電量，方便用戶對溫室進行控制和觀察。ZigBee無線通信模塊用于匯聚節(jié)點與溫室內傳感器節(jié)點之間的無線數據通訊，GPRS網絡模塊用于匯聚節(jié)點與管理中心之間的遠程無線數據傳輸，執(zhí)行機構模塊用于對溫室內環(huán)境參數的控制，使農作物處于適宜的生長環(huán)境，報警模塊用于系統(tǒng)發(fā)生故障或者電池電量低需要更換電池時的報警，通知用戶及時處理。l 數據存儲模塊設計FM24CL64是采用先進鐵電工藝生產的一個保存時間很

22、長的存儲器，在斷電的情況下存儲的數據可以保存45年，具有64kb的容量，操作電源為2.7V3.6V，最大工作電流40µA。最大讀寫頻率為1MHz，具有快速的兩線串行接口。 FM24CL64采用I2C總線進行數據傳輸， I2C總線是由Philips公司開發(fā)的一種簡單、雙向二線制同步串行總線。它只需要兩根線即可在連接于總線上的器件之間傳送信息13。 由于溫室控制系統(tǒng)一次傳輸的數據量相對較小， 1片FM24CL64可完成系統(tǒng)數據存儲，FM244CL6與MSP430F149單片機的接口電路如圖4所示。圖4 數據存儲模塊電路圖單片機MSP430F149接收到傳感器節(jié)點傳輸的數據，傳輸到FM24

23、CL64進行存儲時 ，需要占用MSP430F149三個引腳，使用起來很方便。SDA是串行數據引腳， 數據的輸入、輸出、傳送地址信息等操作用SDA引腳。SCL是串行同步時鐘引腳。WP寫保護引腳，WP為0時有效，WP為1時，單片機無法向存儲單元寫入數據，只有當WP為低電平時，單片機才可以對存儲模塊進行讀寫 。l 實時時鐘模塊設計 本系統(tǒng)的實時時鐘模塊采用DS1302時鐘芯片設計。DS1302S是一個低功耗、高性能自帶存儲器的實時時鐘芯片。DS1302通過SPI（是一種高速的，全雙工同步的通信總線）三線接口完成與CPU之間的同步通信，DS1302可對時、分、秒、年、月、日、星期進行計時，當出現閏年和

24、一個月不足30或多于30天時可自行調整。DS1302有主電源和備用電源供電，可設置備用電源進行涓流充電14即串行時鐘線SCLK、數據線I/O和復位線RST 。DS1302和MSP430F149的連接電路圖需要三條線即串行時鐘線SCLK、數據線I/O和復位線RST4。如圖5圖5 實時時鐘模塊電路圖 DS1302有兩個電源，VCC2是主電源，VCC1引腳上連接一個0.5 F電容作后備電源，系統(tǒng)正常工作是，VCC1處于充電模式，當主電源斷電時是，后備電源繼續(xù)供電。DS1302讀取MSP430F149寫入的時間，進行時間調整，MSP430F149再從DS1302里讀取時鐘信息。RST是復位，當RST輸

25、入高電平時數據開始傳輸。 X1、X2是振蕩源外接32768Hz晶振，SLCK為時鐘輸入端，I/O口為串行數據輸入輸出端。l 按鍵及顯示模塊設計 在匯聚節(jié)點處，設計按鍵及顯示模塊， 顯示數據顯示溫室內不同區(qū)域的溫度、濕度、光照強度、時間、系統(tǒng)報警及更換電池等信息。操作模塊主要操作顯示上述數據。系統(tǒng)的按鍵模塊提供了K1、K2、K3、K4分別表示“選項”、“確定”、“左”、“右”四個按鍵。按鍵模塊的電路設計如圖6所示。圖6 按鍵模塊電路圖液晶顯示如圖7所示。圖7 液晶顯示圖液晶顯示模塊采用具有低成本、低功耗、多功能的HT 1621，與MSP430F149單片機連接僅需4根線。集成HT1621芯片的液

26、晶顯示模塊完全滿足本設計的顯示模塊需求。HT 1621寫模式時序圖如圖 8所示。圖8 時序圖 HT 1621只有CS ， RD ，WR和DATA共4個引腳與MSP430F149單片機相連接。CS負責串行接口電路初始化、中斷通信。CS為高電平時，MSP430F149與HT1621之間不工作，當CS為低電平是進行數據傳輸。DATA負責串行數據的輸入與輸出， RD為讀操作，數據在RD下降沿時輸出到DATA，在RD上升沿和RD下降沿之間時，MSP430F149讀出數據。WR為寫操作，WR為高電平寫入DATA上的命令、地址以及數據 顯示模塊電路如圖9所示。圖9 顯示模塊電路圖 液晶顯示具有低功耗的特點，

27、只有當按鍵按下時才開啟，60s內無操作液晶顯示屏自動黑屏。液晶顯示模塊顯示溫室環(huán)境內的溫度、濕度、光照強度參數和電池過低報警、系統(tǒng)異常。 4.2無線收發(fā)模塊 CC2530是TI公司推出一款符合ZigBee技術的SOC芯片，使用IEEE 802.15 .4標準，具有較高的數據傳輸靈敏度和較強的抗干擾能力。CC2530集成了RF收發(fā)器、8kB RAM、系統(tǒng)內可編程閃存存儲器、增強型8051MCU及許多其它強大功能，可以在不同的模式下運行，適用于系統(tǒng)要求低功耗的場合。CC2530各個運行模式可以在較短的時間內進行轉換，實現低能源消耗15l 運行條件CC2530的最佳運行條件 最小值最大值單位運行環(huán)境

28、溫度-40125運行供電電壓2 3.6V表2運行條件l 功能介紹 適應2.4-GHz IEEE 802.15.4 的RF 收發(fā)器極高的接收靈敏度和抗干擾性能可編程的輸出功率高達4.5 dBm只需極少的外接元件只需一個晶振，即可滿足網狀網絡系統(tǒng)需要6-mm ×6-mm 的QFN40 封裝 4.3 數據采集模塊l 溫濕度監(jiān)測單元設計 本設計采用DHT11作為本系統(tǒng)的溫濕度傳感器，供電電壓3.3-5.5VDC,溫濕度測量范圍20-90%RH、0-50。它具有別的傳感器不具備的穩(wěn)定高效的性能，具有反應快，價格便宜性能優(yōu)越的特點，DHT11是集傳統(tǒng)的數據采集功能和溫度傳感器技術于一身的現代化溫

29、濕度傳感器。DHT11由電阻式感濕元件和測溫元件組成，這就決定了其具有穩(wěn)定性強，受環(huán)境影響弱的優(yōu)點。在正常的溫室環(huán)境中DHT11的精確度很高，濕度±5%RH，溫度±2。這樣的精度完全滿足溫室的設計準則，再加上其體積小，能耗低，功率大等特點，使其成為溫濕度傳感器的不二選擇。即使在同類產品繁多的市場上也是最佳選擇。 DHT11與CC2530接線圖如圖10圖10 DHT11與CC2530接線圖DHT11引腳說明表3 引腳說明pin名稱注釋1VDD供電 35.5VDC2DATA串行數據，單總線3NC空腳，請懸空4GND接地，電源負極 溫濕度傳感器DHT11與無線傳輸模塊的數據傳輸是

30、通過DATA引腳完成的，完整的一次傳輸大概需要4ms。傳輸的數據總和為40為，傳輸的數據包括整數和小數兩個部分，前四個字節(jié)是溫度和濕度的整數部分和小數部分，后一個字節(jié)是前面四個字節(jié)相加，主要用于檢查傳輸的正確性。l 光照強度監(jiān)測單元設計 光敏傳感器是運用廣泛和最常見的傳感器，光敏傳感器主要是利用光敏元件將光照強度轉換成電信號輸出，由輸出電流的強弱判斷光照的強度。光敏傳感器包括光電管、光敏電阻、紫外線傳感器、光敏三節(jié)管等傳感器。本文選用具有低功耗、低成本的硫化鎘(CDS)光敏電阻器UR-74A 。 UR-74A具有以下特性:光照強度與光電流正相關與電阻值負相關，即所受光照強度越強，產生的光電流越

31、大，電阻值越小。接收光照后，光電流上升到正常值的63%時所用的時間稱為“上升時間”，結束光照后，光電流下降到正常值的63%時所用的時間稱為“衰弱時間”，通常為1 0ms至數秒;負載電阻越大，則上升時間越短，衰弱時間越長17。光照強度檢測電路如圖11所示。圖11 光照強度監(jiān)測電路圖光敏電阻受光的照射，電阻值發(fā)生變化，使輸入CC2530芯片P0.7端口的電壓發(fā)生改變，即可得出被測區(qū)域所受的光照強度。溫室環(huán)境的光照采用模擬自然光或者直接用自然光，光敏電阻具有很快的反應速度，監(jiān)測的數據具有很高的準確性，光敏電阻器不僅操作簡單而且成本和功耗也特別低，符合溫室系統(tǒng)的特性。4.4 控制模塊 當系統(tǒng)監(jiān)測的數據

32、與設定的農作物適宜生長參數閾值有差別時， 匯聚節(jié)點會自動對控制節(jié)點發(fā)出命令，通過開啟或關閉天窗、遮陽網、熱風機、濕簾風機、灌溉裝置、補光光源等執(zhí)行子系統(tǒng)對環(huán)境參數進行調節(jié)。遠程控制中心有時候也會認為的發(fā)出控制命令調節(jié)溫室內參數。 執(zhí)行子系統(tǒng)的設計如下:（1）溫度控制設計部署在溫室大棚內的溫度傳感器監(jiān)測溫室環(huán)境的溫度參數，把監(jiān)測的參數與設定閾值進行比較，高于或低于閾值時相應的控制節(jié)點做出反應。冬天室內外溫差相差較大，開啟熱風機提高溫室溫度，溫差越大熱風機工作時間越長。夏天的時候溫室的溫度會時間的變化而發(fā)生變化。降溫的措施要隨之而改變。溫度相差較小時可以打開天窗降溫，在正午時溫室溫度會急劇升高打開

33、遮陽網啟動濕簾風機進行降溫。溫度達到適宜弄作曲生長時關閉相應控制器。（2）濕度控制設計部署在溫室大棚內的濕度傳感器監(jiān)測溫室環(huán)境的濕度參數，把監(jiān)測的參數與設定閾值進行比較，啟動相應的控制器節(jié)點控制設備進行增濕、除濕。在對溫室進行增濕或除濕時會對其他參數產生影響，盡可能的選擇對濕度影響較大的對其他參數影響較小的調節(jié)設備。遮陽網可以影響光照強度溫度，溫室內濕度低、溫度和光照強度高時可以打開遮陽網和開啟灌溉裝置；濕度高、光照強度低是可以打開遮陽網和熱風機。（3）光照強度控制設計 部署在溫室大棚內的光敏傳感器監(jiān)測溫室環(huán)境的光照強度，把監(jiān)測的參數與設定閾值進行比較，當監(jiān)測到的光照強度和閾值不一樣時，系統(tǒng)自

34、動開啟或關閉遮陽網，調節(jié)光照強度。由于打開或關閉遮陽網會影響溫室的溫度和光照強度，當光照強度和溫度低于設定閾值時，可以打開遮陽網調節(jié)，單獨進行溫度調節(jié)是，要檢測所測區(qū)域的光照強度是否高于設定閾值下限，若高于下限，則可以開啟遮陽網。當陰雨天時，光照強度低于設定閾值，則開啟補光光源進行補光操作15-16 控制模塊的控制裝置較多而且工作功率較大，因此無法用MSP430F149單片機直接控制 ，需要用繼電器作為各個控制裝置的開關。需要打開某個控制裝置時相應繼電器開關閉合，打開相應的控制模塊，直到該溫室環(huán)境參數符合農作物的生長繼電器開關才閉合。 本設計采用的繼電器是JQX-13F控制執(zhí)行子系統(tǒng)工作，JQ

35、X-13F型繼電器的線圈功耗為0.9W、線圈電阻為640，工作溫度為-25+40，絕緣電阻100M，驅動電流為37.5mA。執(zhí)行機構模塊電路如圖12所示。圖12 控制模塊電路圖 TLP521是光耦合器件，可增強電路的安全性，減小電壓的干擾。繼電器主要是通過MSP430F149單片機的P4.0引腳和三接管Q1控制，當P4.0為高點平時三接管Q1導通，發(fā)光二接管D14發(fā)光，繼電器開關閉合，相應的控制系統(tǒng)工作，對監(jiān)測區(qū)域的參數進行調節(jié)。此處二極管D1的作用是在繼電器斷開后，將繼電器線圈兩端的電流迅速釋放出去，防止其發(fā)生突然變化產生反電動勢損壞三極管Q1。 4.5 報警模塊由于長時間處于工作狀態(tài)系統(tǒng)可

36、能會出現故障，監(jiān)測模塊、無線傳輸模塊、控制模塊發(fā)生故障、電池電量過低等等。根據系統(tǒng)的需求設計了一個聲光報警模塊。聲光報警模塊電路如圖13所示。聲光報警模塊中555用于構成多諧振蕩器。555定時器成本低，性能可靠，電路簡單，外加幾個電阻和電容可以實現多種功能。電阻R42、R44、C54和555定時器構成多諧振蕩器。當系統(tǒng)發(fā)生故障時MSP430F149單片機引腳P5.4為低電平，三接管Q2截至，555的4引腳為高電平，振蕩器振動，555定時器的3引腳輸出，三接管Q3導通，發(fā)光二節(jié)管D8發(fā)光，B發(fā)出聲音報警。反之當無故障時P5.4為高電平，Q2截至，4引腳復位，不會發(fā)出報警。 圖13 報警模塊電路圖

37、第五章 軟件設計5.1 管理中心設計在本設計中溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)管理中心軟件采用VC+ 6.0軟件進行開發(fā)，VC+是一個跟好的C或者C+開發(fā)環(huán)境，一般被簡稱為VC或者VC+。該開發(fā)環(huán)境提供了優(yōu)秀的代碼編輯功能同時提供了編譯連接程序，在開發(fā)環(huán)境里，輸入完源代碼，可立即編譯運行，并其可以參照代碼進行調試19管理中心軟件要實現參數調節(jié)功能、數據實時顯示功能、選擇功能、通信功能。如圖14圖14 管理中心顯示窗口l 參數調節(jié)功能：管理中心接收到的環(huán)境參數與閾值進行比較，然后發(fā)出相應的控制命令。l 數據實時顯示功能：管理中心軟件能實時準確的顯示從監(jiān)測節(jié)點傳輸來的數據，方便用戶觀察。l 選擇功能：管理中心可以

38、選擇查看某一區(qū)域具體的監(jiān)測節(jié)點，控制節(jié)點和控制中心。l 通信功能：管理中心能實時接收匯聚節(jié)點的實時數據，能準確的想控制節(jié)點發(fā)送命令。5.2 ZigBee 無線通信模塊設計ZigBee堆棧的基礎是，定義了協(xié)議的MAC和PHY 。在本設計中，只對應用層加以設計開發(fā)。網絡初始化和節(jié)點加入網絡是Zigbee網絡組建的必要因數，網絡初始化主要是協(xié)調器組網，終端設備和路由設備發(fā)現網絡以及加入網絡，確定網絡協(xié)調器。網絡初始化完成后節(jié)點將選擇區(qū)域內信號最強的父節(jié)點加入網絡。節(jié)點在入網成功后將得到一個16位的網絡短地址，并通過這個地址完成數據收發(fā)。 地址保存在節(jié)點各自的Flash中。ZigBee無線通信程序設計

39、主要是匯聚節(jié)點和現場監(jiān)測節(jié)點ZigBee無線通信程序設計。程序流程圖如圖15，圖16：圖15 匯聚節(jié)點ZigBee無線通信程序流程圖在本設計中，ZigBee網絡完成匯聚節(jié)點的協(xié)調器節(jié)點和現場圖16 現場監(jiān)測節(jié)點ZigBee無線通信程序流程圖監(jiān)測的終端節(jié)點之間的通信。匯聚節(jié)點的協(xié)調器節(jié)點主要用于建立網絡、管理網絡節(jié)點、對終端節(jié)點即傳感器節(jié)點收發(fā)信息;現場監(jiān)測的傳感器節(jié)點主要用于采集環(huán)境參數數據、傳送匯聚節(jié)點、從匯聚節(jié)點接收信息。協(xié)調器啟動后，系統(tǒng)進行初始化，建立起一個ZigBee的無線傳感器網絡，如果有新的傳感器節(jié)點加入，協(xié)調器會自動加入新的傳感器節(jié)點，匯聚節(jié)點讀取傳感器節(jié)點發(fā)送的環(huán)境參數數據，

40、并把數據傳送到管理中心;當匯聚中心有命令時，通過ZigBee無線傳輸技術傳輸到控制節(jié)點，并自動判斷是否發(fā)送成功，若未成功，則繼續(xù)發(fā)送。 5.3傳感器節(jié)點設計 整個傳感器監(jiān)測節(jié)點數量較多，為了減少系統(tǒng)功耗，傳感器節(jié)點命令傳感器每五分鐘進行一次數據采集。 初始化成功之后，判斷是否收到匯聚節(jié)點發(fā)送的數據采集命令，收到后先后進行溫度采集、濕度采集、和光照強度采集，并將采集的數據上傳到匯聚節(jié)點。現場監(jiān)測節(jié)點的程序流程如圖17圖17 傳感器節(jié)點流程圖5.4 匯聚節(jié)點設計 匯聚節(jié)點能與現場監(jiān)測節(jié)點和管理中心通信，匯聚節(jié)點主要任務是對溫室環(huán)境傳感器節(jié)點進行巡視和發(fā)送命令，匯聚節(jié)點收到管理中心的控制命令，發(fā)送給

41、相應控制節(jié)點調節(jié)環(huán)境參數。定時時間到以后匯集節(jié)點命令監(jiān)測節(jié)點傳輸監(jiān)測數據，匯聚節(jié)點接收并上傳到管理中心 ，在匯聚節(jié)點顯示模塊顯示。如果管理中心發(fā)出修改閾值命令則修改，沒有收到修改閾值命令則和設定閾值做比較，然后做出相應的控制措施調節(jié)溫室參數匯聚節(jié)點的程序流程如圖18：圖18 匯聚節(jié)點流程圖5.5執(zhí)行結構模塊設計 執(zhí)行機構模塊由匯聚節(jié)點控制，當匯聚節(jié)點接收到監(jiān)測節(jié)點發(fā)送的現場監(jiān)測參數后，超出和低于設定閾值，匯聚節(jié)點發(fā)出命令，閉合相應的節(jié)電器，啟動相應執(zhí)行機構子系統(tǒng)，通過遮陽網、熱風機、濕簾風機、灌溉裝置及補光光源等裝置的開閉，對溫室內溫度、濕度、光照強度進行調節(jié)，改善作物的生長環(huán)境。執(zhí)行機構模塊

42、程序流程如圖19所示。圖19 執(zhí)行機構流程圖 第六章 結論本課題在查看文獻、理論分析的基礎上，將無線傳感器網絡技術引入到了溫室環(huán)境自動控制中，提出和設計了溫室無線傳感器網絡控制系統(tǒng)。本文的主要特點和不足如下： 1.采用ZigBee無線通信技術和GPRS通信技術對監(jiān)測節(jié)點和匯聚節(jié)點、匯聚節(jié)點和控制中心進行通信。 2.系統(tǒng)可以實時、準確的檢測溫室環(huán)境參數并對溫室環(huán)境參數傳輸到遠程控制中心，方便用戶實時查看。3.當溫室環(huán)境參數發(fā)送變化時，系統(tǒng)會控制相應的控制裝置進行調節(jié)，使溫室環(huán)境參數達到作物適宜生長環(huán)境。 4.當系統(tǒng)任何地方發(fā)生故障時或者電池電量過低，報警模塊會發(fā)出聲光報警，提醒用戶及時排查或者更

43、換電池。 5.本系統(tǒng)具有遠程監(jiān)控的特點，較大地方便了用戶對作物生長狀態(tài)的監(jiān)控 。由于經驗的不足，本設計還有一些需要完善的地方，主要體現在以下幾點: 1.無線傳輸模塊采用的是星型拓撲結構，該結構只有一個協(xié)調器，當協(xié)調器發(fā)生故障時，系統(tǒng)無法進行數據傳輸。 2.執(zhí)行機構還有待完善，需要根據溫室環(huán)境的實際情況，可以智能的控制各個控制模塊開啟或關閉的時間，比如遮陽網的開啟或關閉面積等。 致謝 隨著時光的流逝，我在大連海洋大學的學習生活即將要結束。這四年的大學生活讓我學到了很多專業(yè)知識，使我的生活更加充實。首先，我要衷心感謝老師。老師以其深厚的專業(yè)知識，嚴謹的學術研究態(tài)度，感染了我，默默奉獻的精神時刻深深

44、影響著我。在撰寫本論文時，我獲得老師的認真指導，無論從開始設定方向還是在檢查準備過程中，始終耐心地給我指導和建議，使我在學術和寫作方面有很大的提高。向老師致以誠摯的謝意。還要感謝我的每一學科老師對我孜孜不倦的教誨。在美麗的大連海洋大學，我遇到的一幫來自五湖四海的大學同窗，我們一起度過了一個愉快的大學生活，我們有很好的友誼。我真誠地感謝你們在大學生活中的關心和照顧。 參考文獻1 Metrolho, J.C., Serodio, C.M.J.A., Couto, C.A.C.M. CAN based actuation system for greenhouse control. Proceedi

45、ngs of the IEEE International Symposium，1999: 945一950.2 XuGang,GuoShirong, Zhang Changwei, etal. Expert system formini-watermelon culture management in greenhouse based on the growth model.Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2006, 22(4):157-161.3 Ding Weilong, Xiong Fanlun, Liang Ronghual.Expert system for tomato planting management in greenhouse based on virtual growth model. Transactions of the Chinese Society