基于物联网的信息采集系统农业大棚温湿度监测.docx

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基于物联网的信息采集系统农业大棚温湿度监测

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实践教学

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理工大学

计算机与通信学院

2014年春季学期

物联网综合应用实践课程设计

题目：

基于物联网的信息采集系统（农业大棚温湿度监测）

专业班级：

姓名：

学号：

指导教师：

成绩：

摘要

当今计算机技术跟现代通信技术的进步与发展使得ZigBee无线通信技术日渐成熟，本系统组建了基于ZigBee2007/PRO协议的网状网络，采用了新型低功耗传感器SHT10进行温湿度信息采集，同时对终端节进行了进一步设计，使得终端节点可以自主发现和加入网络并绑定，随即将实时监测到的农业温室温湿度数据发送给终端节点。

结合ZigBee2007/PRO协议的特点和当今市场对环境监控的要求，设计了基于CC2530的ZigBee2007/PRO协议的无线温湿度监控系统，并通过“物联网创新实验系统OURS-IOTV2-2530”对其中的关键部分进行了可行性分析。

关键字：

ZigBee2007/PRO，温湿度监控，CC2530

第1章前言

1.1课题的背景

随着科学技术的发展以及人类要求的提高，环境条件的温湿度指标已成为许多工作场合的重要参数，尤其是环境中的温湿度，温度和湿度的变化直接影响着人们的日程生活。

温湿度的过高或过低都会影响不同事物的变化，所以有必要测量和控制环境的温湿度，不同的环境对温湿度的要求各不相同。

因此按照各种不同的要求来测量和控制一些信息，是社会发展的必然趋势。

无论是在工业，农业，军事及气象预报领域，还是人类生活的环境中，我们都需要对温度和湿度的环境进行测量和控制，尤其是要实现大环境中的温湿度测量和自动控制，采用有线网络的方案实现不仅会带来高昂的成本问题，而且还存在大量未知因素。

因此，研制可靠且使用的温湿度测量装置显得非常重要。

通过ZigBee技术实现对温湿度采集器的无线控制，解决了温湿度监控系统现阶段人工采集、效率低下和数据采集存在盲区等问题，可全天候实时监控温农业大棚的空气温湿度等信息，实现了温室环境采集的无线通讯，所构建控制系统具有低功耗、低成本，开发方便，易于扩展等特点，而且通过手持读写器进行控制给人们带来了便利。

因为ZigBee的简单易用的特点，使得该系统可以进一步扩展到采集系统远程无线控制。

温湿度监控系统未来的研究应侧重于节点数据传输的安全性和稳定性，进一步提高基于无线传感器网络的环境采集系统的自动化、智能化程度，使之满足实际环境应用的需求。

1.2课题的目的及意义

由于应用的场合不同监测对象的不同，其系统设计也是千差万别。

在实际生活中此类系统有着广泛的应用，农业大棚环境检测系统中温度和湿度是两个重要的显示和分析指标，必须定期抽样检查农业环境温度和湿度，以便采取相应的措施。

CC2530是常用的电路板，在智能仪器仪表、工业检测控制、机电一体化等方面取得了令人瞩目的成果，用其作为温湿度检测控制系统的实例也很多。

使用CC2530电路板能够实现温湿度全程的自动检测与控制，而且CC2530电路板具有易于学习、掌握，性价比高。

使用CC2530电路板设计温湿度检测控制系统，可以及时、精确的反映农业大棚的温度以及湿度的变化。

完成诸如升温到特定温度、降温到特定温度、在温度上下限围保持恒温等多种控制方式，在湿度控制方面也是如此。

ZigBee是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。

DHT10数字温湿度传感器是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，它应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性。

1.3国外发展现状

目前国外的温湿度检测使用的温湿度检测元件种类繁多、应用围也较广泛加之大规模集成电路技术的不断提高，出现了高性能、高可靠性的单片数据采集系统。

基于CC2530的温湿度监测控制系统的设计研究已经日趋成熟。

随着经济和社会的不断发展，人们对自己的生活环境越来越严格。

特别在大棚中，对温湿度要求更为严格。

基于CC2530的温湿度监测控制统设计，将对环境的温湿度监测控制系统做详细的设计与实现。

采用高性能的控制芯片CC2530，高精度数字温湿度传感器DHT10，方便快捷的ZigBee传输。

将此系统应用到农业大棚当中无疑为生活提供了更加适宜的环境符合人们的生活环境要求，具有良好的发展前景。

1.4本文研究容

本文设计的是基于Z—stack的无线温湿度数据采集系统，在ZigBee2007/PRO协议栈的基础上，实现无线组网及通信。

即协调器自动组网，终端节点（附带温湿度传感器）自动入网，并采集温湿度数据广播传输，协调器接收到信息后将温湿度数据通过串口发送给智能主板显示。

以此实现基于Z—Stack协议栈的温湿度数据的无线透明传输。

第一章：

主要说明温湿度检测的意义及本文基本结构；

第二章：

简单的介绍了ZigBee，并且引出详细设计；

第三章：

详述本系统的硬件设计；

第四章：

简述Z-Stack协议栈总体流程；

第五章：

详述应用层的核心设计；

第六章：

总结本文研究工作以及在研究方面存在的不足，提出了进一步研究的展望。

1.5总体方案设计

本系统使用CC2530读取温湿度传感器SHT10的温度和湿度数据，并通过ADC得到光照传感器的数据。

然后将采样到的数据通过RS232串口总线传输到智能主板上面，通过液晶屏显示出来，进而设计并构建系统的硬件平台，完成农业大棚温湿度信息采集系统的设计。

该系统能够实现有温湿度信号采集、显示、传输等功能。

本章具体的说明了系统硬件设计的容，通过模块化的设计思想，把一个复杂的单片机系统按照功能划分成单独的电路模型，分别进行设计，最后在集成到一起。

这种方法对于设计复杂的单片机系统很有效，大大提高系统设计的效率与质量。

第2章ZigBee简介

ZigBee是IEEE802.15.4协议的代名词。

IEEE802.15.4是IEEE针对低速率无线个人区域网（low-ratewirelesspersonalareanetworks，LR-WPAN）制定的无线通信标准。

该标准把低能量消耗、低速率传输、低成本作为重点目标，旨在为个人或者家庭不同设备之间低速率无线互连提供统一标准。

该标准定义的LR-WPAN网络的特征与无线传感器网络有很多相似之处，很多研究把它作为无线传感器网路的通信标准。

因此ZigBee主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。

2.1ZigBee协议体系结构

ZigBee协议栈建立在IEEE802．154的PHY层和MAC子层规之上。

它实现了网络层（networklayer，NWK）和应用层（applicationlayer，APL）。

在应用层提供了应用支持子层（applicationsupportsub—layer，APS）和ZigBee设备对象（ZigBeeDeviceObject，ZDO）。

应用框架中则加入了用户自定义的应用对象ZigBee的体系结构由称为层的各模块组成。

每一层为其上层提供特定的服务：

即由数据服务实体提供数据传输服务；管理实体提供所有的其他管理服务。

每个服务实体通过相应的服务接入点（SAP）为其上层提供一个接口，每个服务接入点通过服务原语来完成所对应的功能。

ZigBee协议的体系结构如下图所示：

1.物理层（PHY）

物理层定义了物理无线信道和MAC子层之间的接口，提供物理层数据服务和物理层管理服务。

物理层容主要有：

1）ZigBee的激活；2）当前信道的能量检测；3）接收链路服务质量信息；4）ZigBee信道接入方式；5）信道频率选择；6）数据传输和接收。

2.介质接入控制子层（MAC）

MAC层负责处理所有的物理无线信道访问，并产生网络信号、同步信号；支持PAN连接和分离，提供两个对等MAC实体之间可靠的链路。

MAC层的主要功能有：

1）网络协调器产生信标；2）与信标同步；3）支持PAN（个域网）链路的建立和断开；4）为设备的安全性提供支持；5）信道接入方式采用免冲突载波检测多址接入（CSMA-CA）机制；6）处理和维护保护时隙（GTS）机制；7）在两个对等的MAC实体之间提供一个可靠的通信链路。

3.网络层（NWK）

ZigBee协议栈的核心部分在网络层，网络层主要实现节点加入或离开网络接收或抛弃其他节点、路由查找及传送等功能。

网络层功能有1）网络发现；2）网络形成；3）允许设备连接；4）路由初始化；5）设备同网络连接；6）直接将设备同网络连接；7）断开网络连接；8）重复复位设备；9）接收机同步；10）信息库维护；

4.应用层（APL）

ZigBee应用层框架包括应用支持层（APS）、ZigBee设备对象（ZDO）和制造商所定义的应用对象。

应用支持层的功能包括：

维持绑定表、在绑定的设备之间传送消息。

ZigBee设备对象的功能包括：

定义设备在网络中的角色（如ZigBee协调器和终端设备），发起和响应绑定请求，在网络设备之间建立安全机制。

ZigBee设备对象还负责发现网络中的设备，并且决定向他们提供何种应用服务。

ZigBee应用层除了提供一些必要函数以及为网络层提供合适的服务接口外，一个重要的功能是应用者可在这层定义自己的应用对象。

4.应用程序框架（AF）

运行在ZigBee协议栈上的应用程序实际上就是厂商自定义的应用对象，并且遵循规（profile）运行在端点1~240上。

在ZigBee应用中，提供键值对（KVP）或报文（MSG）2种标准服务类型。

5.ZigBee设备对象（ZDO）

ZigBee设备对象（ZDO）的功能包括负责定义网络中设备的角色，如：

协调器或者终端设备，还包括对绑定请求的初始化或者响应，在网络设备之间建立安全联系等。

实现这些功能，ZDO使用APS层的APSDE-SAP和网络层的NLME-SAP。

ZDO是特殊的应用对象，它在端点（entire）0上实现。

远程设备通过ZDO请求描述符信息，接收到这些请求时，ZDO会调用配置对象获取相应描述符值。

2.2ZigBee的主要特点

1.工作频段和数据速率

IEEE802.15.4工作在工业科学医疗（ISM）频段，它定义了两种物理层，即2.4GHz频段和868/915MHz频段物理层。

免许可证的2.4GHzISM频段全世界都有，而868MHz和915MHz的ISM频段分别只在欧洲和北美有。

2.4GHz的物理层通过采用高阶调制技术有助于获得更高的吞吐量、更小的通信时延和更短的工作周期，从而更加省电。

由于868MHz和915MHz这两个频段上无线信号传播损耗较小，因此可以降低对接收机灵敏度的要求，获得较远的有效通信距离，从而可以用较少的设备覆盖给定的区域。

现在市场上应用大多数是2.4GHz频段。

2.支持简单器件

ZigBee低速率、低功耗和短距离传输的特点使它非常适宜支持简单器件。

在IEEE802.15．4中定义了14个物理层基本参数和35个媒体接入控制层基本参数，总共为49个，仅为蓝牙的1／3。

这使它非常适用于存储能力和计算能力有限的简单器件。

在IEEE802.15.4中定义了两种器件：

全功能器件（FFD）和简化功能器件（RFD）。

对全功能器件，要求它支持所有的49个基本参数。

而对简化功能器件，在最小配置时只要求它支持38个基本参数。

一个全功能器件可以与简化功能器件和其他全功能器件通话，可以按三种方式工作，即用做个人域网协调器、协调器或器件。

而简化功能器件只能与全功能器件通话，仅用于非常简单的应用。

3.信标方式和超帧结构

IEEE802.15．4网可以工作于信标使能方式或非信标使能方式。

在信标使能方式中，协调器定期广播信标，以达到相关器件同步及其他目的。

在非信标使能方式中，协调器不定期地广播信标，而是在器件请求信标时向它单播信标。

在信标使能方式中使用超帧结构，超帧结构的格式由协调器来定义，一般包括工作部分和任选的不工作部分。

4.数据传输和低功耗

在IEEE802．15．4中，有三种不同的数据转移：

从器件到协调器；从协调器到器件；在对等网络中从一方到另一方。

为了突出低功耗的特点，把数据传输一般分为直接数据传输、间接数据传输、有保证时隙（GTS）数据传输三种方式。

同时低功耗是IEEE802．15．4最重要的特点。

在IEEE802.15.4的数据传输过程中引入了几种延长器件电池寿命或节省功率的机制多数是基于信标使能的方式，主要是限制器件或协调器之收发信机的开通时间，或者在无数据传输时使它们处于休眠状态。

5.安全性

安全性是IEEE802.15.4的另一个重要问题。

为了提供灵活性和支持简单器件，IEEE802．15．4在数据传输中提供了三级安全性。

第一级实际是无安全性方式，对于某种应用，如果安全性并不重要或者上层已经提供足够的安全保护，器件就可以选择这种方式来转移数据。

对于第二级安全性，器件可以使用接人控制清单（ACL）来防止非法器件获取数据，在这一级不采取加密措施。

第三级安全性在数据转移中采用属于高级加密标准（AES）的对称密码。

AES可以用来保护数据净荷和防止攻击者冒充合法器件，但它不能防止攻击者在通信双方交换密钥时通过窃听来截取对称密钥。

为了防止这种攻击，可以采用公钥加密。

6.自配置

IEEE802．15．4在媒体接人控制层中加入了关联和分离功能，以达到支持自配置的目的。

自配置不仅能自动建立起一个星形网，而且还允许创建自配置的对等网。

在关联过程中可以实现各种配置，例如为个人域网选择信道和识别符（ID），为器件指配16位短地址，设定电池寿命延长选项等。

第3章农业大棚温湿度检测系统硬件设计

3.1CC2530单片机简介

随着计算机技术的发展，单片机因具有集成度高、体积小、速度快、价格低等特点而在许多领域如过程控制、数据采集、机电一体化、智能化仪表、家用电器以及网络技术等方面得到广泛应用，从而使这些领域的技术水平、自动化程度大大提高。

根据上述几方面及本课题的实际情况，单片机型号的选择主要从以下两点考虑:

一是要有较强的抗干扰能力。

由于一般农业大棚环境较自然环境而言，比较单一，因此对单片机的要求比较简单。

二是要有较高的性价比。

由于MCS-51系列在我国使用最广且该系列的资料和能够兼容的外围芯片也比较多，故本系统采用CC2530作为本系统的核心部件。

CC2530是用于2.4-GHz，IEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统（SoC）解决方案。

它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。

CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051CPU，系统可编程闪存，8-KBRAM和许多其它强大的功能。

拥有四种不同的闪存版本：

CC2530F32/64/128/256，分别具有32/64/128/256KB的闪存。

CC2530具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。

运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。

它有三个不同的存储器访问总线（SFR、DATA和CODE/XDATA），以单周期访问SFR、DATA和主SRAM。

CC2530的中断控制器提供了18个中断源，分为六个中断组，每组与四个中断优先级相关。

当设备从空闲模式回到活动模式，也会发出一个中断服务请求。

一些中断还可以从睡眠模式唤醒设备。

存仲裁器位于系统中心，因为它通过SFR总线，把CPU和DMA控制器和物理存储器和所有外设连接在一起。

存仲裁器有四个存取访问点，访问每一个可以映射到三个物理存储器之一：

一个8-KBSRAM、一个闪存存储器和一个XREG/SFR寄存器。

它负责执行仲裁，并确定同时到同一个物理存储器的存访问的顺序。

数字核和外设由一个1.8-V低差稳压器供电，同时它具有电源管理功能，可以实现使用不同供电模式的长电池寿命的低功耗应用运行。

CC2530包括许多不同的外设，允许应用程序设计者开发先进的应用。

3.2SH10温湿度传感器简介

SHT10是一款高度集成的温湿度传感器芯片，提供全标定的数字输出。

它采用专利的CMOSens®技术，确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。

传感器包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个用能隙材料制成的测温元件，并在同一芯片上，与14位的A/D转换器以及串行接口电路实现无缝连接。

因此，该产品具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、极高的性价比等优点。

每个传感器芯片都在极为精确的湿度腔室中进行标定，以镜面冷凝式湿度计为参照。

校准系数以程序形式储存在OTP存中，在标定的过程中使用。

两线制的串行接口与部的电压调整，使外围系统集成变得快速而简单。

微小的体积、极低的功耗，使其成为各类应用的首选。

产品提供表面贴片LCC或4针单排引脚封装，特殊封装形式可根据用户需求而提供。

1.高度集成，将温度感测、湿度感测、信号变换、A/D转换和加热器等功能集成到一个芯片上；

2.提供二线数字串行接口SCK和DATA，接口简单，支持CRC传输校验．传输可靠性高；

3.测量精度可编程调节，置A/D转换器（分辨率为8～12位，可以通过对芯片部寄存器编程来选择）；

4.测量精确度高，由于同时集成温湿度传感器，可以提供温度补偿的湿度测量值和高质量的露点计算功能；

5.封装尺寸超小（7．62mm×5．08mm×2．5mm）重量仅为100毫克，测量和通信结束后，自动转入低功耗模式；

6.SHT10采用表面贴装LCC（无铅芯片载体）包装方式。

液晶聚合物环氧包覆外壳，标准0.8mmFR4衬底。

不含铅、铬、汞。

高可靠性，采用CMOSens工艺，测量时可将感测头完全浸于水中

3.2.1SHT10基本原理

SHT10部连线图

SHT10引脚的功能如下：

脚1和4：

信号地和电源，工作电压围是2.4～5.5V；脚2和3：

二线串行数字接口，DATA数据线，SCK为时钟线；脚5～8：

未连接。

引脚结构如下图所示：

SHT10的部结构和工作原理：

温湿度传感器SHT10将温度感测、湿度感测、信号变换、A/D转换和加热器等功能集成到一个芯片上。

部结构如下图所示

该芯片包括一个电容性聚合体湿度敏感元件和一个用能隙材料制成的温度敏感元件。

这两个敏感元件分别将湿度和温度转换成电信号，该电信号首先进入微弱信号放大器进行放大；然后进入一个14位的A/D转换器；最后经过二线串行数字接口输出数字信号。

SHT10在出厂前，都会在恒湿或恒温环境中进行校准，校准系数存储在校准寄存器中；在测量过程中，校准系数会自动校准来自传感器的信号，此外，SHT10部还集成了一个加热元件，加热元件接通后可以将SHT10的温度升高5℃左右，同时功耗也会有所增加。

此功能主要为了比较加热前后的温度和湿度值，可以综合验证两个传感器元件的性能。

在高湿（>95％RH）环境中，加热传感器可预防传感器结露，同时缩短响应时间，提高精度。

加热后SHT10温度升高、相对湿度降低，较加热前，测量值会略有差异。

微处理器是通过二线串行数字接口与SHT10进行通信的。

通信协议与通用的I2C总线协议是不兼容的，因此需要用通用微处理器I/O口模拟该通信时序。

微处理器对SHT11的控制是通过5个5位命令代码来实现的，命令代码的含义如下表所示：

SHT10控制命令代码

命令代码

含义

00011

测量温度

00101

测量湿度

00111

读部状态寄存器

11110

复位命令，使部状态寄存器恢复默认值，下一次命令前至少等11ms

其他

保留

3.3光照强度采集传感器简介

本系统光照采集主要是通过用CC2530部的ADC来得到OURS-CC2530开发板上的光照传感器输出电压。

传感器输出电压，连接到CC2530的AIN0。

3.4硬件设计总结

本系统温湿度检测部分选用了优异的数字式温湿度传感器SHT10和CC2530模块来搭建，终端传感器节点硬件部分主要采用电源供电的方式，SHT10的2、3端口分别与CC2530ZigBee模块的P2_8口和P2_7口连接，SHT10与CC2530之间通过I2C总线技术进行数据交换，而协调器节点硬件部分主要使用了RS232串口电路域计算机通信，为提高测量的准确性，本系统在信号转换的时候进行分现行补偿和温度补偿来获得精确的数据，在收到CRC8是确认位后，通过保持ACK高电平来结束通讯并且自动地进入休眠模式。

硬件流程图如下所示：

第4章Z-stack协议栈总体流程

4.1终端传感器节点部分软件设计

终端传感器节点开始工作后，先进行初始化工作，分别对硬件还有协议栈进行初始化，初始化后立即搜索附近存在的无线ZigBee网络并发出加入请求，在成功加入该无线ZigBee网络之后进入休眠模式等待条件中断的产生，若中断产生则对中断做出判别接着做出相应的响应动作。

总体流程如下图所示：

4.2协调器节点软件设计

协调器节点同终端传感器节点有点类似，协调器节点上电后首先对硬件还有协议栈进行初始化。

初始化完成之后进行信道搜索和并对搜索到的空闲信道进行评估，选择最优信道建立ZigBee无线网络，在网络组建成功后检查是否收到其他节点的入网请求或控制中心的测量命令，并对这两种情况作出相应的响应动作，而在此过程中要检查网络的地址空间是否已满，如果地址空间已经满了，就转到加入网络失败。

一旦协调器节点接收到从控制中心发出的采集温湿度数据的命令时，马上把从终端节点接收的温湿度数据信息发送给控制中心。

总体流程如下图所示：

是

成功加入网络

第5章应用层详细软件设计

4.1主程序设计

按照本系统的要求，完成温湿度的采集并且显示到LCD，因此本程序首先进行系统时钟的初始化，设置系统时钟源为32MHz晶体振荡器，紧接着进行LCD的初始化以及初始字符的输出操作。

当完成上述模块时，接下来的就进入整个程序的核心部分，采集温湿度，并且将采集到的数据显示为ASCII码，然后循环往复。

4.2LCD模块显示模块设计

LCD模块主要完成对采集到的数据显示输出的功能，因此本模块主要完成对LCD的初始化。

首先主要完成GUI的初始化，即LCM（SO12864FPD-13ASBE（3S））初始化，清屏，将显示缓冲区的容刷新到LCM12864的操作；接下来设置显示色及背景色，用于ASCII字符显示及英文字符显示。

最后完成输出显示5*7字体ASCII码字符串（没有自动换行功能）的功能，即将”OURS-CC2530:

”,”Temp:

”,”Humi:

”,”Light:

”几个字符显示到LCD上。

此阶段即完成了LCD模块的初始化操作，为后面显示温湿度数据做好铺垫。

4.3温湿度采集模块设计

温湿度采集模块是本次整个系统的核心，主要完成温湿度采集及显示的工作。

首先启动传输，即对SDA与SCL两根总线进行时序设置，使其满足SHT10的传输调剂，这样就可以读取温湿度传感器SHT10中数据，并进行简单的校验，接下来进行是否接受到数据进行一次判断，如果读取成功，那么开始计算数据，如果没有读取成功，则通信复位。

最后一步则将温湿度结果显示为字符串然后显示出最后结果，这样就完成了温湿度采集的整个流程。

4.4AIN0通道采样模块设计

本模块主要完成光照的采集及其显示功能，首先对AINO进行初始化，配置ADCCON3寄存器以便在ADCCON1.STSEL=11（复位默认值）且ADCCON1.ST=1时进行单一转换，参考电压为AVDD_SOC引脚上的电压，同时确定抽取率为512。

第6章