智能農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)視系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

課程設(shè)計(jì)報(bào)告學(xué)生姓名學(xué)號(hào)學(xué) 院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院專 業(yè) 物聯(lián)網(wǎng)工程題目智能農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)視系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)指導(dǎo)教師2016年7月1日目錄1引言 .錯(cuò)誤！未定義書簽。1.1智能農(nóng)業(yè)大棚應(yīng)用的背景 錯(cuò)誤！未定義書簽。1.2智能農(nóng)業(yè)大棚設(shè)計(jì)的目的與意義 錯(cuò)誤！未定義書簽。TOC\o"1-5"\h\z2監(jiān)視系統(tǒng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案 12.1ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)簡(jiǎn)介（這個(gè)抄一下老師給我們的那個(gè)參考） 12.2兩種典型網(wǎng)絡(luò)配置結(jié)構(gòu) 錯(cuò)誤！未定義書簽。2.2.1兩層網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)由兩類點(diǎn)構(gòu)成： 錯(cuò)誤！未定義書簽。2.2.2三層網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)由三類點(diǎn)構(gòu)成： 33智能農(nóng)業(yè)大棚控制系統(tǒng)的總體方案 33.1智能農(nóng)業(yè)大棚的特點(diǎn) 3\o"CurrentDocument"3.2設(shè)計(jì)的總體思路 .43.3系統(tǒng)分為三個(gè)模塊（說一說各部分的功能與工作的流程） 5\o"CurrentDocument"ZigBee無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn) 5\o"CurrentDocument"ZigBee數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn) 5\o"CurrentDocument"控制系統(tǒng) .6\o"CurrentDocument"3.4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥B接圖 64結(jié)論 6\o"CurrentDocument"4.1系統(tǒng)應(yīng)該完成的功能 6\o"CurrentDocument"4.2心得體會(huì)和感悟 .7\o"CurrentDocument"參考文獻(xiàn) 71引言1.1智能農(nóng)業(yè)大棚應(yīng)用的背景在我國(guó)智能農(nóng)業(yè)大棚控制系統(tǒng)還處于發(fā)展階段，特別是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)與現(xiàn)代自動(dòng)化控制技術(shù)相結(jié)合的研究成果還不夠成熟。在傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大棚中，澆水、通風(fēng)，燈光等控制全憑經(jīng)驗(yàn)、靠感覺。對(duì)農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)的溫度、濕度、光照、二氧化碳的濃度、土壤的酸堿度等環(huán)境參數(shù)都需要靠人工進(jìn)行采集，這樣的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大棚不僅大大耗費(fèi)人工成本，而且還會(huì)因?yàn)楸O(jiān)測(cè)不到位而使農(nóng)業(yè)大棚的環(huán)境得不到保障。因此智能的農(nóng)業(yè)大棚應(yīng)運(yùn)而生。1.2智能農(nóng)業(yè)大棚設(shè)計(jì)的目的與意義目的：1） 通過智能化的設(shè)計(jì)使得大棚的環(huán)境得到自動(dòng)監(jiān)視，便于管理員通過手機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)查與管理。2） 將大棚內(nèi)農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境與溫室環(huán)境有機(jī)結(jié)合，分析數(shù)據(jù)并確定適合溫室大棚的控制系統(tǒng)。意義：大大的縮減了人工巡查的成本，同時(shí)更加高效的實(shí)現(xiàn)了人工智能自動(dòng)監(jiān)管，使得農(nóng)業(yè)大棚向信息化，網(wǎng)絡(luò)化，智能化的方向發(fā)展。2監(jiān)視系統(tǒng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案2.1ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)簡(jiǎn)介ZigBee是一組面向低速無(wú)線個(gè)人區(qū)域（LR-WPAN）的雙向無(wú)線通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。它是基于IEEE802.15.4無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的，有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。其MAC層和物理層協(xié)議使用了IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，ZigBee聯(lián)盟對(duì)網(wǎng)路層協(xié)議和API（應(yīng)用層）進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，同時(shí)還開發(fā)了安全層，以保證這種便攜設(shè)備不會(huì)意外泄漏其標(biāo)識(shí)，這種利用網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離傳輸不會(huì)被其他節(jié)點(diǎn)獲得。與Wi-Fi,Bluetooth等其他無(wú)線接入技術(shù)相比，ZigBee具有的優(yōu)勢(shì)如下：1、功耗低：工作非常省電，支持休眠狀態(tài)。由于周期很短，收發(fā)信息功耗較低，以及采用了休眠模式，ZigBee可確報(bào)兩節(jié)5號(hào)電池支持6個(gè)月至兩年左右的使用時(shí)間；2、 工作頻段靈活：使用的頻段分別為2.4GHz(250Kb/s)、915MHz(40Kb/s)、和868MHz(20Kb/s)均為無(wú)須申請(qǐng)的ISM頻段；3、 低成本：由于傳輸速率低，并且協(xié)議簡(jiǎn)單，降低了成本，另外使用ZigBee協(xié)議可以免專利費(fèi)；4、 組網(wǎng)靈活、網(wǎng)絡(luò)容量大：ZigBee可采用星型、樹型和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)；同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可支持達(dá)65000個(gè)節(jié)點(diǎn)。5、 安全：ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用通用的AES-128,應(yīng)用層安全屬性可根據(jù)需求來配置。6、高保密性：64位出廠編號(hào)和支持AES-128加密。ZigBee網(wǎng)絡(luò)具有三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖2-3所示。星魅 樹狀 網(wǎng)狀圖2-3ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖1、 星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：節(jié)點(diǎn)之間只有唯一的一條路徑2、 樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：當(dāng)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)向另一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，信息將沿著樹的路徑向上傳遞到最近的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，然后再向下傳遞到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。3、 網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一種特殊的、按多跳方式傳輸?shù)狞c(diǎn)對(duì)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其路由可自動(dòng)建立和維護(hù)，并且具有多種強(qiáng)大的自組織、自愈功能。網(wǎng)絡(luò)可以通過“多跳”方式通信，可以組成極為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，具有很大的路由深度和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)規(guī)模。2.2兩種典型網(wǎng)絡(luò)配置結(jié)構(gòu)2.2.1兩層網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)由兩類點(diǎn)構(gòu)成：無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，包括無(wú)線空氣溫濕度傳感器、無(wú)線土壤溫度傳感器、無(wú)線土壤含水量傳感器、無(wú)線光照度傳感器、無(wú)線CO2傳感器等；無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，包括Wi-Fi無(wú)線網(wǎng)關(guān)或GPRS無(wú)線網(wǎng)關(guān)。該結(jié)構(gòu)適用于園區(qū)已經(jīng)有Wi-Fi局域網(wǎng)覆蓋，或是可以采用GPRS直接上傳數(shù)據(jù)的場(chǎng)景。在此結(jié)構(gòu)中，只需要在合適的區(qū)域部署無(wú)線網(wǎng)關(guān)，即可實(shí)現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)的采集和上傳。（本次我所使用）2.2.2三層網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)由三類點(diǎn)構(gòu)成：無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，包括無(wú)線空氣溫濕度傳感器、無(wú)線土壤溫度傳感器、無(wú)線土壤含水量傳感器、無(wú)線光照度傳感器、無(wú)線CO2傳感器等；無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；數(shù)據(jù)路由器。該結(jié)構(gòu)適用于園區(qū)沒有Wi-Fi局域網(wǎng)覆蓋，也不準(zhǔn)備采用GPRS直接上傳數(shù)據(jù)的場(chǎng)景。在此結(jié)構(gòu)中，需要部署數(shù)據(jù)路由節(jié)點(diǎn)和無(wú)線網(wǎng)關(guān)，無(wú)線網(wǎng)關(guān)與數(shù)據(jù)路由節(jié)點(diǎn)之間以長(zhǎng)距離無(wú)線通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換，在區(qū)域較大，節(jié)點(diǎn)間通信距離不足時(shí)，無(wú)線網(wǎng)關(guān)還可以相互之間進(jìn)行自動(dòng)數(shù)據(jù)中繼，擴(kuò)大監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。3智能農(nóng)業(yè)大棚控制系統(tǒng)的總體方案3.1智能農(nóng)業(yè)大棚的特點(diǎn)通過使用智能無(wú)線節(jié)點(diǎn)CC2530模塊形成的小型局域網(wǎng)（如下圖所示）。紅色為協(xié)調(diào)器模塊（小型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)），黃色為功能模塊（子節(jié)點(diǎn)包括：溫濕度采集模塊、數(shù)字量輸入/輸出模塊等）。采集的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，最終通過程序?qū)⒂脩羲枰臄?shù)據(jù)進(jìn)行顯示；并將其與已經(jīng)設(shè)置好的最適合農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的數(shù)據(jù)范圍進(jìn)行比較，從而控制農(nóng)業(yè)大棚的環(huán)境得以讓農(nóng)作物更好的生長(zhǎng)。智能控制包括：環(huán)境溫度，環(huán)境適度，光照，通風(fēng)等。3.2設(shè)計(jì)的總體思路通過使用智能無(wú)線節(jié)點(diǎn)ZigBee通訊協(xié)議進(jìn)行小型局域網(wǎng)絡(luò)的組建，無(wú)線節(jié)點(diǎn)的控制，數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送都要通過這個(gè)局域網(wǎng)絡(luò)。首先，控制系統(tǒng)通過農(nóng)業(yè)大棚中的溫濕度傳感器，光照強(qiáng)度傳感器，測(cè)定二氧化碳濃度傳感器等一系列傳感器對(duì)農(nóng)業(yè)大棚的空氣、環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集，以達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。然后，智能農(nóng)業(yè)大棚控制系統(tǒng)將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，處理，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制灌溉設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備、降溫設(shè)備、遮陽(yáng)設(shè)備等等。同時(shí)，智能農(nóng)業(yè)大棚控制系統(tǒng)還可以通過計(jì)算機(jī)等通信終端，向管理者推送實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信息、報(bào)警信息，實(shí)現(xiàn)溫室大棚的信息化，網(wǎng)絡(luò)化，智能化遠(yuǎn)程管理。CCZ53D智能無(wú)線節(jié)點(diǎn)智能農(nóng)業(yè)大棚事實(shí)的流程圖3.3系統(tǒng)分為三個(gè)模塊3.3.1ZigBee無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)總體設(shè)計(jì)的要求，ZigBee無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)的采集節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)將溫室大棚里的溫濕度傳感器，光照強(qiáng)度傳感器，二氧化碳傳感器等采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到ZigBee數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)，即CC2530智能無(wú)線節(jié)點(diǎn)。3.3.2ZigBee數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)ZigBee數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)，即CC2530智能無(wú)線節(jié)點(diǎn)。USB串口輸出，協(xié)調(diào)器獲取底層的ZigBee無(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，并將其向上位機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)，所以ZigBee匯聚節(jié)點(diǎn)（協(xié)調(diào)器）為一個(gè)小型局域網(wǎng)的網(wǎng)關(guān)。

3.3.3控制系統(tǒng)ZigBee數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)整合，然后傳送給控制中心系統(tǒng)，控制中心系統(tǒng)首先將用戶所需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示；并將獲取的數(shù)據(jù)與已經(jīng)設(shè)置好的最適合農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的數(shù)據(jù)范圍進(jìn)行比較，從而控制農(nóng)業(yè)大棚的環(huán)境讓農(nóng)作物更好的生長(zhǎng)。智能控制包括：環(huán)境溫度，環(huán)境適度，光照，通風(fēng)等。3.4無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥B接圖木用埋成耳皿■fW機(jī)木用埋成耳皿■fW機(jī)4結(jié)論4.1系統(tǒng)應(yīng)該完成的功能數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視功能:可在線實(shí)時(shí)24小時(shí)連續(xù)的采集和記錄監(jiān)測(cè)點(diǎn)位的溫度、濕度、風(fēng)速、二氧化碳、光照、空氣潔凈度等各項(xiàng)參數(shù)情況，以數(shù)字、圖形和圖像等多種方式進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示和記錄存儲(chǔ)監(jiān)測(cè)信息，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位可擴(kuò)充多達(dá)上百個(gè)點(diǎn)。報(bào)警功能：可設(shè)定各監(jiān)控點(diǎn)位的溫濕度報(bào)警限值，當(dāng)出現(xiàn)被監(jiān)控點(diǎn)位數(shù)據(jù)異常時(shí)可自動(dòng)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，報(bào)警方式包括：現(xiàn)場(chǎng)多媒體聲光報(bào)警、電話語(yǔ)音報(bào)警、手機(jī)短信息報(bào)警等。上傳報(bào)警信息并進(jìn)行本地及遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)可在不同的時(shí)刻通知不同的值班人員；控制系統(tǒng)自動(dòng)控制執(zhí)行設(shè)備的功能：如當(dāng)室內(nèi)的溫度低于室內(nèi)農(nóng)作物的最適生長(zhǎng)溫度范圍，則控制系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)升溫設(shè)備。無(wú)線傳輸功能：數(shù)據(jù)集中器端提供具有信號(hào)輸出協(xié)議的端口，可接通信設(shè)備（GPRSIPMODEM等）進(jìn)行無(wú)線傳輸?？刂栖浖@示功能：溫濕度監(jiān)控軟件采用標(biāo)準(zhǔn)windows98/2000/XP全中文圖形界面，實(shí)時(shí)顯示、記錄各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的溫濕度值和曲線變化，統(tǒng)計(jì)溫濕度數(shù)據(jù)的歷史數(shù)據(jù)、最大值、最小值及平均值，累積數(shù)據(jù)，報(bào)警畫面。4.2心得體會(huì)和感悟本次課程設(shè)計(jì)，時(shí)間緊迫，一邊實(shí)訓(xùn)，一邊完成本次的無(wú)線傳感網(wǎng)的課程設(shè)計(jì)。本次課程