本科毕业论文基于单片机的土壤温湿度采集系统设计.docx
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本科毕业论文基于单片机的土壤温湿度采集系统设计
本科毕业设计
论文题目：
土壤温湿度采集系统设计
学生姓名：
专业年级：
电子信息科学与技术专业
指导教师：
职称讲师
年月日
土壤温湿度采集系统设计
学生：
韩
专业：
电子信息科学与技术
指导教师：
摘要：
本设计基于CC2430无线片上系统为核心部件，用时域反射型（TDR）抗腐蚀土壤湿度传感器采集湿度数据，以DS18B20采集土壤温度，同时根据农业生产的需要附加SHT11温湿度模块采集空气温湿度值，使用OLED屏显示测得数据，并用AT24C08存储数据。
本设计是土壤温湿度环境无线监测网络系统的初步设计，目的在于实现终端设备的功能，后待开发建立在IEEE802.15.4的ZigBee无线传感网络的最优建网方案。
关键词：
ZigBee；OLED显示；温湿度采集；时域反射；无线传输；CC2430。
ADesignofaCollectingSystemforSoilTemperatureandHumidity
Name：
HanYunxiao
Major：
ElectronicsInformationScienceandTechnology
Tutor：
GongHe
Abstract:
ThisdesignbasesonCC2430wirelesssystemascorecomponent,usingTime-DomainReflector（TDR）Anti-corrosionSoilHumiditySensorstocollecthumiditydata,usingDS18B20tocollectsoiltemperature,inthemeanwhile,addingSHT11temperature-humiditymoduletocollectairtemperatureandairhumidityaccordingtoagricultureproductionneeds,usingOLEDscreentogetthedata,andsavingthemwithAT24C08.Thisdesignisabasicdesignofsoiltemperature-humiditywirelessmonitorsystem,thepurposeistorealizethefunctionoftheterminalequipments,thefollowingdesignbasesonIEEE802.15.4'sZigBeewirelesssensornet'sbestcreationplan.
Keywords:
ZigBee;oled;Collecttemperatureandhumidity;TDR;Wireless;CC2430.
1前言
1.1题目的来源与开发意义
土壤墒情（温度和湿度等）是重要的土壤信息，是农作物和树木生长的重要生态因素，进行土壤墒情的测定，掌握土壤墒情变化的规律，对作物生态状况的监测和预报具有重要意义。
土壤墒情无线采集系统已成为现代农林监管的高科技手段，随着电子计算机技术的飞速发展和智能化测量技术的不断进步，以及ZigBdee无线传感网络技术的进一步成熟，因此土壤墒情无线监管系统的ZigBee解决方案已经成为可能。
总结以往在土壤湿度采集过程中的经验可知，虽然测量的精确性可以保证，但是方便性与精确性却很难同时达到，便捷的手持设备可以方便采集到接近的数据，但不够精确又不耐腐蚀，使用寿命短，配合电子计算机的大型设备又不能随身携带。
更为困难的是在大面积的土地中是不可能人工采集方法获得数据的，我们无法安排足够的人力每天多次测量大面积的土地，所测得的数据也不便于统计分析。
因此无线传感网络的建设势在必得。
基于ZigBee无线传感网络设计的土壤温湿度无线采集系统，完全符合我们的要求，首先我们使用最专业的土壤温湿度采集传感器，湿度采集利用时域反射原理设计而成，精度极高，耐腐蚀极强，这也是长期在土壤中安置的前提保证。
智能型网络可以快捷方便的获得每个检测点的土壤状况数据，以超低功耗的传输机制使得系统灵活方便，即使每天使用高精度传感器多次测量也可以保证一块锂电池可以使用一、两年之久，当然，我们可以使用太阳能电池，能源问题完全不必担心。
配合电源管理芯片可以将终端采集设备的运行状况及时的报告给远端的监控设备确保运行正常。
使用计算机的统计与管理功能，我们可以方便高效的对土壤资源状况进行统计分析。
因此，决定建设套无线传感网络，于是设计终端便成为网络的基础环节，本设计也就由此开始了。
1.2系统功能概述
本次设计中网络架设及终端设备的远程控制将不做为重点研究内容，主要完成终端设备的数据采集、显示、发送与存储工作，实现无线传感网络的底层设计。
整体设计是将TDR土壤湿度传感器获得湿度数据、DS18B20采集的土壤温度数据利以及SHT11获得的空气温湿度数据通过CC2430无线单片机发送出去，并可以根据需要将数据显示在OLED显示屏上，通过导航按键可以方便设定采集数据的时间间隔、采集数据的类型（便于统计分析）、系统时间等信息。
使用AT24C08串行EEPROM将数据同步存储在设备终端，即便网络出现故障或者设备中断，所测得数据依然安全保存。
2系统硬件设计
2.1系统硬件设计概述
2.1.1无线传输核心技术——ZigBee
ZigBee名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈来通知发现的新食物源的位置、距离和方向等信息，以此作为新一代无线通讯技术的名称。
ZigBee过去又称为“HomeRFLite”、“RF-EasyLink”或“FireFly”无线电技术，目前统一称为ZigBee技术。
[1]
ZigBee是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术。
ZigBee采取了IEEE802.15.4强有力的无线物理层所规定的全部优点：
省电、简单、成本又低的规格；ZigBee增加了逻辑网络、网络安全和应用层。
ZigBee联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、家庭和楼宇自动化、医用设备控制等。
鉴于ZigBee技术的诸多优势，本次设计将采用这一组网方式，硬件设备采用德州仪器生产的无线单片机CC2430为核心部件，它是世界上首个真正的单芯片ZigBee解决方案，是世界上第一个真正意义上的SoC-ZigBee一站式产品，具有芯片可编程闪存以及通过认证的ZigBeeTM协议栈，它们都集成在一个硅片内，方便日后的网络建设。
2.1.2终端设备解决方案
在设计的开始前我们还需要作一部分工作：
TDR土壤湿度传感器的使用是十分不便的，我们并不知道它的输出与采样的对应关系，使用的传感器来自于计算机平台上的传感器，它使用计算机串口，通过软件实现数据的分析，最终得到湿度数据。
我们的工作就是需要从它的原有计算机平台中取出对应关系，然后才能够将传感器通过终端设备独立使用，告别计算机。
这部分也是设计的难点。
设计中选择了从计算机平台中“偷取数据”的办法实现获得采样与输出的对应关系。
即在计算机平台工作时将传感器送出的数据定时窃取一个存入终端设备中，持续重复数次，然后按时间与计算机平台中丢失的数据的相邻两个数据的平均值对比，这样就可以获得输出与采样的对应关系。
这种方法简便有效（只需要安装一个程控继电器即可），误差较低。
根据需要，完整的终端设备包括中心控制与数据收发、数据采集、数据显示、数据存储及按键五个部分。
中心控制单元主要是CC2430无线片上系统，强大的功能优势足以满足系统的全部需求。
数据收发部分利用CC2430自身的功能，通过2.4G天线、晶体振荡器及简单外围电路即可实现。
数据采集部分包括三个大部分：
1TDR土壤湿度传感器和模数转换：
使用耐腐蚀TDR土壤湿度传感器和MAX1301高速率A/D转换搭建完成，可以将数据以数字信号的方式通过SPI总线模式送入中心控制单元。
2DS18B20温度采集模块采集土壤温度，由于DS18B20是单总线模式，所以使用还是相当的方便。
3SHT11空气温湿度采集模块。
数字信号直接输出，以I2C总线模式传送数据应用方便。
数据显示部分通过OLED屏幕（冷光屏）显示数据。
OLED屏是利用有机发光材料受激辐射发光原理，因此无需背光、亮度高、功耗低，最符合系统需要。
数据存储部分使用的AT24C08支持I2C总线数据传送协议。
I2C总线协议规定任何将数据传送到总线的器件作为发送器，任何从总线接收数据的器件为接收器，存储能力为8k，在不影响使用的情况下减小了设计成本。
按键采用了上、下、左、右四个方向键和确认、取消两个功能键作。
四个方向键采用ADC采样输入，两个功能键直接读取端口电平。
节约了CC2430的端口充分利用了内部的剩余资源（内部ADC）。
2.2系统框图
2.2.1网络系统框图
图2-1网络系统框图
Fig.2-1Blockdiagramofnetworksystem
本系统的总体网络框图如图2-1所示，这部分内容将是后待开发的主要内容，目前不做细致研究。
2.2.2终端设备系统框图
本系统的终端设备框图如图2-2所示，这部分内容将作为本次设计重点研究。
图2-2终端设备系统框图
Fig.2-2Systematicblockdiagramoftheterminaldevice
2.3方案论证
2.3.1网络制式选择
ZigBee（IEEE802.15.4）技术是最近发展起来的一种短距离无线通信技术，功耗低，被业界认为是最有可能应用在工控场合的无线方式。
它同样使用2.4GHz波段，采用跳频技术和扩频技术。
另外，它可与254个节点联网。
节点可以包括仪器和家庭自动化应用设备。
它本身的特点使得其在工业监控、传感器网络、家庭监控、安全系统等领域有很大的发展空间。
蓝牙（BlueTooth）最早是爱立信在1994年开始研究的一种能使手机与其附件（如耳机）之间互相通信的无线模块。
1998年，爱立信、诺基亚、IBM等公司共同推出了蓝牙技术，主要用于通信和信息设备的无线连接。
它的工作频率为2.4GHz，有效范围大约在10m半径内。
Bluetooth列入了IEEE802.15.1，规定了包括PHY、MAC、网络和应用层等集成协议栈。
为对语音和特定网络提供支持，需要协议栈提供250kB系统开销，从而增加了系统成本和集成复杂性。
另外，Bluetooth对每个“Piconet”（微微网）有只能配置7个节点的限制，制约了其在大型传感器网络开发中的应用。
Wi-Fi（WirelessFidelity，无线高保真）也是一种无线通信协议。
IEEE802.11的最初规范是在1997年提出的。
主要目的是提供WLAN接入，也是目前WLAN的主要技术标准，其工作频率也是2.4GHz。
目前，IEEE802.11标准还没有被工业界广泛接受。
IEEE802.11流行的几个版本包括“a”（在5.8GHz波段带宽为54MBps）、“b”（波段2.4GHz带宽为11MBps）、“g”（波段2.4GHz带宽为22MBps）。
这种复杂性为用户选择标准化无线平台增加了困难。
Wi-Fi规定了协议的物理（PHY）层和媒体接入控制（MAC）层，并依赖TCP/IP作为网络层。
由于其优异的带宽是以大的功耗为代价的，因此大多数便携Wi-Fi装置都需要常规充电。
这些特点限制了它在工业场合的推广和应用。
红外线数据协会IrDA（InfraredDataAssociation）成立于1993年。
IrDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术。
IrDA标准的无线设备传输速率已从115.2kbps逐步发展到4Mbps、16Mbps。
目前，支持它的软硬件技术都很成熟，在小型移动设备（如PDA、手机）上被广泛使用。
它具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用成本低廉的特点。
IrDA用于工业网络上的最大问题在于只能在2台设备之间连接，并且存在有视距角度等问题。
四种无线传输的机制完全不同，无论从应用领域的功耗要求还是从技术创新方面考虑，ZigBee都具有最佳建网优势，这就是我们选择ZigBee作为本次设计网络拓扑方案的原因。
2.3.2终端设备方案选择
我们总结一下土壤墒情监测的方法如下：
1负压计土壤湿度监测系统
负压计，又称张力计，以测量土壤负压（张力）来显示土壤水分状况。
负压计瓷头埋设于土壤中某一高程后，负压计内部的水分通过瓷头上的微孔同土壤水分进行交换，使内外水势渐趋平衡，仪器上所指示的负压值即代表土壤水势，可以直接反映土壤水分能为植物吸收利用的程度，同时又可换算为土壤含水率。
负压计结构简单，易于制造，因此使用较为广泛。
但是负压计易受环境温度的影响，仪器稳定性较差。
此外，负压计具有滞后性，往往不能及时反映土壤水分状况，在土壤干燥过程中尤为显著。
2中子土壤湿度计
中子土壤湿度计以测量快中子与土壤水分中氢原子碰撞而转化为慢中子的数量来感知土壤水分状况。
土孔上下移动即可测定不同高程点的土壤含水量。
目前主要采用手工方法测量，也可以改造为自动化或半自动化监测仪，从田间监测室监测，以防止或减少中子对人体的辐射。
3γ透射仪
γ透射仪利用γ射线透射土壤后的衰减程度来测定土壤水分状况。
此种装置在实验室内应用效果较好，可进行土壤水分自动化和半自动化监测。
4时域反射仪
时域反射仪（TDR仪），利用时域反射原理定点测量某一土层内的土壤水分情况。
此仪器有较好的测量效果，是目前较先进的土壤湿度仪，便于实现自动化监测，但价格较为昂贵。
5电阻/电容式土壤湿度监测系统
电阻/电容式土壤湿度监测系统包括电阻式土壤湿度监测系统和电容式土壤湿度监测系统，它们分别以电阻式土壤湿度传感器和电容式土壤湿度传感器为基础。
电阻式土壤湿度传感器，用装有电极的感湿材料做成传感器的感湿元件（探头），感湿材料常为石膏、陶瓷、尼龙丝绕块等。
将感湿元件埋设在土壤中某一定点上，使其同土壤保持紧密接触，以便感湿元件的水分与土壤水分达到平衡，由于感湿元件的电阻值与其含水量具有一定关系，测量感湿元件的电阻值可以得到感湿元件的湿度，从而间接求得土壤湿度。
感湿元件在同土壤进行水分交换的同时，也常具有溶质交换，特别是由于元件埋设时间较长以后，元件中常有溶质积累，从而影响到水分测定的精度。
此外，由于感湿元件具有一定的滞后作用，往往不能及时反映土壤水分现状。
电容法测定土壤湿度是根据土壤介电常数随土壤湿度变化的原理来进行的。
它同电阻法相比，受土壤盐分的影响较小。
考虑上述多种湿度采集方法的优势，我们决定采用时域反射仪，它设计灵活、便于自动控制，更符合设计要求。
在对湿度传感器的应用方面我们考虑了以下两种方案：
方案一：
使用12V、电源供电的传感器，得到的模拟信号为0~12V，而我们的控制单元CC2430电压范围是2~3.3V这样在模拟与数字信号转换方面就产生了困难要么使用信号压缩的方法将其转换为3.3V的模拟信号后再进行A/D转换，但是这样将会导致数据误差大。
如果先进行A/D转换再进行数字信号的电压转换，这样又增加了设计的复杂性。
本身传感器的12V电压也不利于功耗降低，对整体的网络设计不利。
方案二：
使用一种低电压的土壤湿度传感器自身工作电压为5V，输出数据为标准的传感器数据：
4~20mA电流。
在A/D转换方面，我们采用美信公司生产的MAX1301A芯片，它能完好的将电流转换为数字信号，并且可以直接和+2.7V~+5.25V设备相连接，这样与CC2430就可以方便的结合，再加上MAX1301A具有完全关闭模式，这样就可以配合CC2430的休眠模式实现网络与终端的同时休眠模式，可以将功耗降至最低。
方案二的优势使我们觉得设计变得方便，无疑的采用了这个方案。
2.4硬件设计与物理实现
本部分将不重点介绍ZigBee网络建设方法，只简单介绍ZigBee标准及特点。
着重介绍终端设备的硬件解决方案与原理。
2.4.1网络建设——ZigBee无线传输技术介绍
ZigBee与IEEE802.15.4
ZigBee是一组基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的、有关组网、安全和应用软件方面的技术，IEEE802.15.4仅处理MAC层和物理层协议，ZigBee联盟对其网络层协议和API进行了标准化[3]。
ZigBee是由ZigBeeAlliance所主导的标准，定义了网络层（NetworkLayer）、安全层（SecurityLayer）、应用层（ApplicationLayer）、以及各种应用产品的资料（Profile）；而由国际电子电机工程协会（IEEE）所制订的802.15.4标准，则是定义了物理层（PHYLayer）及媒体存取层（MediaAccessControlLayer；MACLayer）。
ZigBee协议
ZigBee标准提供了网络、安全和应用支持服务，这些服务工作在IEEE802.15.4媒体存取控制（MAC）和物理层（PHY）无线标准之上。
它采用了一整套技术来实现可扩展、自组织、自恢复的网络，这种网络可以管理各种各样的数据传输模式（如图2-3所示）。
[4]
尽管ZigBee常常被默认为无线网格网络，但该标准实际上支持多种网络拓扑，包括星型、簇树型（clustertree）或星/网格混合型网络（如图2-4所示）
ZigBee技术优势
1数据传输速率低：
10KB/秒~250KB/秒，专注于低传输应用
2功耗低：
在低功耗待机模式下，两节普通5号电池可使用6~24个月
3成本低：
ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本
4网络容量大：
网络可容纳65,000个设备
5时延短：
典型搜索设备时延为30ms，休眠激活时延为15ms，活动设备信道接入时延为15ms。
6网络的自组织、自愈能力强，通信可靠
7数据安全：
ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加密算法（美国新加密算法，是目前最好的文本加密算法之一）,各个应用可灵
8工作频段灵活：
使用频段为2.4GHz、868MHz（欧洲）和915MHz（美国），均为免执照（免费）的频段
ZigBee通信可靠性保证
1物理层RF通信链接
直序扩频采用高处理增益
明晰的信道检测
对干扰能量进行检测
采用跳频技术Frequencyagility
2协议
基于CRC的误码检测/校正
采取了避免冲突的策略CSMA/CA
为固定带宽的通信业务预留了专用的有保证的时隙
发送的数据包都有待于接受方的确认，如出现问题进行重发
保持数据包的及时传输Packetdatafreshness
3通信可靠机制
zigbee采用了CSMA－CA的碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；明晰的信道检测
MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。
4网络的自组织、自愈能力强
zigbee的自组织功能：
无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络；
zigbee自愈功能：
增加或者删除一个节点，节点位置发生变动，节点发生故障等等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应地调整，无需人工干预，保证整个系统仍然能正常工作。
在低信噪比的环境下ZigBee具有很强的抗干扰性能
ZigBee物理信道
如图如图2-5所示
图2-5ZigBee物理信道示意图
Fig.-5PhysicalchannelsketchmapofZigBee
2.4.2终端设备硬件实现方法
2.4.2.1主控芯片CC2430与无线收发
CC2430主要特征外设[5]：
CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频（RF）前端、内存和微控制器。
它使用1个8位MCU（8051），具有32/64/128KB可编程闪存和8KB的RAM，还包括模/数转换器（ADC）、几个定时器、AES128协同处理器、看门狗定时器、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路、掉电检测电路以及21个可编程I/O引脚。
引脚如图如图2-6所示，原理图如图2-6所示。
图2-6CC2430引脚示意图
Fig.2-6PinouttopviewofCC2430
CC2430包括3个8位输入/输出端口，分别为P0、P1、P2。
其中，P0和P1分别有8个引脚，P2有5个引脚，共21个数字I/O口引脚。
这些引脚都可以作为通用I/O端口，同时通过独立编程还可以作为特殊功能的输
入/输出，通过软件设置还可以改变引脚的输入/输出硬件状态配置。
21个I/O引脚都可以作为外部中断源输入口，因此如果需要，外部设备可以产生中断。
外部中断功能也可以唤醒休眠模式。
为了提高数据存取的效率，CC2430专门在内存与外设之间开辟了一条专用数据通道。
这条数据通道在DMA控制器硬件的控制下，直接进行数据交换而不通过8051内核，不用I/O指令。
图2-7CC2430应用框图
Fig.2-7ApplicationblockdiagramofCC2430
DMA控制器可以把外设（如ADC、射频收发器）的数据移到内存而不需要CC2430内核的干涉。
这样，传输数据速度上限取决于存储器的速度。
采用DMA方式发送时，由DMA控制器向8051内核发送DMA请求，内核响应DMA请求，这时数据输入/输出完全由DMA控制器指挥。
CC2430包括4个定时器：
1个一般的16位定时器和2个8位定时器，支持典型的定时/计数功能；一个16位MAC定时器，用于为IEEE802.15.4的CSMA-CA算法以及IEEE802.15.4的MAC层提供定时。
CC2430的数据加密由一个支持先进的高级加密技术标准AES的协处理器来实现.该协处理器允许加密/解密将使用最小CPU使用率。
AES安全协处理器工作在128位。
组128位的数据下载到协处理器中加密，须在下一组数据送至协处理器前完成加密.每组数据送至协处理器加密前，须给协处理器一个开始指令。
由于AES协处理器加密的数据都是以128位为一组的，因此当一组数据不足128位的时，必须在后面添加0后才能把数据送至协处理器加密。
CC2430的ADC支持14位的模/数转换，这跟一般的单片机8位ADC不同。
这个ADC包括一个参考电压发生器、8个独立可配置通道、电压发生器和通过DMA模式把转化结果写入内存的控制器。
当使用ADC时，P0口必须配置成ADC输入作为8位ADC输入；把P0相应的引脚当作ADC输入使用，寄存器ADCCFC相应位置设置为1。
否则寄存器ADCCFG的各为处始值是0，则不当作ADC输入使用。
ADC完成顺序模/数转换以及把结果送至内存而不需要CPU的干涉。
CC2430无线收发
CC2430的无线接收器是一个低中频接收器。
接收到的射频信号通过低噪声放大器放大而正交降频转换到中频。
在中频2MHz中，当ADC模/数转换时，输入/增益调相信号被过滤和放大。
CC2430的数据缓冲区通过“先进先出”的方式来接收128位数据。
使用“先进先出”方式读取数据需要通过特殊功能寄存器接口。
内存与先进先出缓冲区数据移动使用DMA
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