基于zigbee的蔬菜大棚环境参数采集系统设计.docx

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基于zigbee的蔬菜大棚环境参数采集系统设计

摘要

目前，ZigBee技术已经广泛应用于近距离传输的无线通信领域，尤其是在工农业控制、医疗卫生方面日益起着越来越重要的作用。

本设计意在通过ZigBee无线通信技术构建一个无线传感器网络（WSN），采用树型网络拓扑结构，对加入该网络的传感器节点进行温度、湿度、光照强度和二氧化碳浓度的数据进行采集和分析，将此应用于对农业里温室的环境检测和控制当中，避免了有线网络的布线问题和成本问题。

本设计利用了一个结构合理的Web应用程序，搭建Web服务器来动态显示传感终端所采集的温室数据。

关键词：

ZigBee；CC2430；无线传感器网络；温湿度采集

Abstract

Currently,ZigBeetechnologyhasbeenwidelyusedincloserangetransmissionofwirelesscommunicationsisincreasinglyplayinganincreasinglyimportantrole,especiallyintheagriculturalandindustrialcontrol,medicalprotection.Thisdesignisintendedtobuildawirelesssensornetwork（WSN）,theadoptionofZigBeewirelesscommunicationtechnology,theuseofatreenetworktopology,sensornodesjointhenetworktemperature,humidity,lightintensityandcarbondioxideconcentrationofthedatacollectionandanalysiswillthisappliedtothedetectionandcontroloftheenvironmentonagriculturalgreenhouse,toavoidthecablenetworkcablingproblemsandcostissues.ThisdesignusesarationalstructureoftheWebapplication,setupaWebservertodynamicallydisplaygreenhousedatacollectedbythesensorterminal.

Keywords:

ZigBee;CC2430;wirelesssensornetworks;temperatureacquisitio

前言

随着我国国民经济的发展人民生活水平日益提高,冬季大棚蔬菜市场日渐扩大。

在利用蔬菜大棚生产中,温度、湿度等因素直接关系到大棚作物的生长,因此,对大棚温湿度数据进行实时、精准的采集以及监测调节是实现大棚蔬菜生产优质、高效益的重要环节。

传统的环境参数系统使用有线监测设备,具有线路多、布线复杂、维护困难等缺点,在很多特定区域无法顺利使用。

基于此,本文介绍了一种基于Zigbee的蔬菜大棚环境参数采集系统,该系统利用无线通信技术,无需布设任何线路,自动组网,成本低廉,采集及监测节点数量大,有效地实现了对蔬菜大棚环境参数采集的实时无线监控,促进了蔬菜大棚的智能化、统一化管理。

1.绪论

1.1研究的背景和意义

21世纪是设施农业迅速发展的时期。

发达国家与发展中国家纷纷采取措施，加大投资.大力发展智能化设施农业。

设施农业是采用先进的科学技术和工厂化生产方式，把作物种植在一个相对封闭的空间，为作物的高效生产提供适宜的生长环境，并且在任何地区，一年四季均能种植任何作物的现代化农业。

设施农业是农业现代化的重要标志，其特点表现为高产量、高品质、环保、周年可持续生产。

设施农业的迅速发展加速了农业科学推广，对农业现代化水平的提高起到了积极的推动作用。

植物的生长都是在一定的环境中进行的，其在生长过程中受到环境中各种因素的影响，其中对植物生长影响最大的是环境中的温度和湿度。

环境中昼夜的温度和湿度变化大，其对植物生长极为不利。

因此必须对环境的温度和湿度数据进行采集、监测和控制，使其适合植物的生长，提高其产量和质量。

本系统就是利用价格便宜的一般电子器件来设计一个参数精度高，控制操作方便，性价比高的应用于农业种植生产的蔬菜大棚温湿度采集测控系统。

温室内作物生长到一定时期，一方面对温室环境进行调控会影响作物的生长，另一方面作物光合作用、蒸腾作用的改变又对室内环境因子产生新的影响，从而产生了一种反馈作用机制，而在现有的温室环境控制系统并没有考虑到这种反馈作用机制。

如果能同时对没施内的温度、光照、二氧化碳浓度等进行智能调控，并能考虑到作物反馈作用机制，这种调控方式既节约资源又提高生产效率。

研究温室环境控制的现状及发展趋势，不仅可以提高作物的产量和降低温室能耗，而且对未来温室环境调控的发展具有重要的指导意义。

1.2国内外温室测控系统研究现状

1.2.1国内温室测控系统研究现状

目前温室环境控制系统主要针对温度和湿度控制进行研究。

卢佩等采用模糊控制方法，通过建立模糊控制系统模型和对模糊控制器的设计，引入解藕参数，实现系统的温湿度解耦控制，提高了温湿度控制的精度。

黄力栎等针对温室气候控制方法中温湿度之间的耦合作用，提出以温度控制为主、湿度控制为辅的控制策略，并建立两变量输入、三变量输出的控制主回路和补偿回路模糊控制系统，从而为温湿度控制提供了一种行之有效的方法。

邓璐娟采用逆系统方法对温室环境非线性系统进行了解耦和线性化，同时对随机的扰动进行补偿，采用PDF控制算法和Smith预估补偿对线性化后的系统进行了综合校正，在选择校正后闭环系统的参数时考虑了非线性系统解耦的要求。

朱虹通过对历史温室环境数据的合理分析，将温室的温度控制模型近似为一阶惯性加时滞环节。

基于该温度近似模型采用Zhuang等中提出的时间为权误差积到分指标最优的参数自整定公式来整定PID控制器参数，将整定后的PID控制器应用于温室控制。

杨泽林等通过数据挖掘，利用采集的温室内、外温度及室内湿度数据对温室状态进行分类，提出一种基于各类别中的温室温、湿度变化率相关性进行模糊解耦控制。

沈敏等考虑开关设备组合作用下温室测控系统的非线性动态特性，提出结构简单、不需复杂数值计算的离散预测模型，对设备组合进行滚动优化预测控制，大大简化温室测控系统预测控制算法的复杂性，缓解了测控系统分布大时滞问题。

1.1.2国外温室测控系统研究现状

国外的温室环境起步较早，温室环境控制经过多年的发展，控制技术和理论发展到较高水平。

随着用于温室环境控制的作物模型的研究，研究人员将温室物理模型和作物模型结合起来，以实现温室的高效生产。

Seginer等进行模拟研究确定温室二氧化碳施肥的优化措施，其方法是在建立一系列函数（作物生长函数、温室函数、设备函数及成本函数）之后，进行数值寻优得到不同温光水平下最优的二氧化碳施肥量，并给出一系列图表用于指导实际二氧化碳施肥操作管理；Van-Straten等利用作物的光合作用和蒸腾作用进行温室内短期的优化与控制，利用有效积温的原理进行温室的长期的优化与控制，将短期优化和长期优化相结合，实现了以经济最优为目标的温室环境控制。

Aaslyng等利用作物的光辐射吸收、叶片的光合作用和呼吸作用预测模型建立了温室环境控制系统，根据自然光照来控制温室内的温度，系统在节省能源和由于光照减弱而导致的作物产量降低之间取得了很好的平衡。

基于作物与环境的动态响应时间尺度不同，前人把温室作物生产优化控制问题分成慢速子问题和快速子问题2个子问题。

Seginer等只考虑慢速子问题，Hwang只考虑快速子问题。

VanHenten是第一位解决整个优化控制问题的科学家，提出把系统分解为2个时间尺度的方法，根据该方法首先解决长期问题，然后用长期问题的结果来计算短期问题的轨迹并把该方法应用到生莱生产的优化控制中。

从以上文献可以看出，国外进行温室环境控制时已经考虑到作物与环境的相互作用机制，同时考虑到作物动态响应与环境动态响应的时间尺度不一致性，但应用到黄瓜生长的优化控制中较少。

2.系统分析

2.1系统总体架构

无线传感器网络终端节点主要由数据采集模块、数据处理模块、数据传输模块和电源管理模块组成。

数据采集模块负责通过各种类型的传感器采集物理信息；数据处理模块负责控制整个节点的处理操作、功耗管理以及任务管理等；数据通信模块负责与其他节点进行无线通信，它通过ZigBee无线电波将数据传送到路由节点或主协调器节点，路由节点再将数据转送到主协调器节点或经过上级路由节点转给主协调器节点，主协调器节点通过RS232串口将所有信息汇集传至PC机或服务器。

本系统的模型主要分为四块:

温湿度的数据采集节点、负责从节点接收数据并向主机发送数据的系统节点、主机（服务器）以及最终的用户。

该系统的总体架构图如图2-1所示：

图2-1系统总体架构图

该系统由上位机（PC）监控端和下位机ZigBee网络两部分组成。

下位机ZigBee网络系统负责采集温室大棚内的温湿度数据，上位机负责显示温湿度数据并进行实时监控。

下位机ZigBee网络系统由温湿度传感器模块、路由器模块和协调器模块组成。

温湿度传感器模块主要负责采集、存储和上传温湿度信息。

路由器模块主要负责转发温湿度信息。

协调器模块主要完成温湿度数据的汇聚。

下位机ZigBee网络系统和上位机之间通过RS-232串口进行通信。

当监测大棚温湿度信息时，首先通过上位机端监控软件设置好波特率和串口号等参数，然后协调器开始组建ZigBee网络，这时路由器节点和温湿度传感器节点开始加入ZigBee网络。

分布在各个大棚内的温湿度传感模块开始采集温湿度信息，并存储在Flash中，通过单跳或者多跳的方式发送到上位机，上位机监控端接收到温湿度信息后，把各个大棚内的温湿度信息显示出来。

当温湿度信息异常时，在监控端会有异常提示，以便及时处理。

各个传感器节点每隔一定的时间采集一次它周围的温湿度，并将温湿度数据通过临近节点或直接传给基站核心板上；基站核心板负责收集从各个几点上传来的数据，并通过串口转传到服务器端上；远程主机将建立数据库来存储这些数据，为用户提供查询操作，主机也可以实现报警等功能。

以下是对这几部分功能的详细介绍：

1、温湿度传感器数据采集节点：

本系统中该环节主要是通过CC2430集成的暴露在空气中的温湿度传感器来采集菜蔬大棚里空气的温湿度，将其转化成数字信号，并通过Zigbee无线网络将这些采集到的数据发送到基站节点。

数据采集节点并不是多对一的传输关系，每个节点都有路由转发功能，也可以接受来自邻近节点的数据，并将其转发给基站节点，从而扩大了测量的距离，解决了无线测量范围有限的难题。

2、基站：

基站作为本系统的核心环节，它需要完成收集从自己网内各个数据采集节点发来的数据，并将这些数据通过串口发送到计算机（也可以称作服务器上）进行存储，从而为上层用户提供查询等服务提供了数据依据。

基站也是一块CC2430的增强型工业标准的嵌入式核心板，它在组网中的序号必须是01号，否则将接受不到数据。

3、服务器端：

服务器端通过串口线将从基站收到的数据存储在数据库中，并通过GPRS网络传输给远程主机端，从而为上层软件的设计、用户的使用提供了数据依据。

本系统的一个重点是在服务器端建立一个软件系统来管理这些数据。

4、远程用户端：

该部分主要负责从服务器端收集数据，并存储在自己的数据库中，并以此为数据基础为用户提供数据。

本系统在该软件设计中实现数据接收的控制、温湿度数据的显示、历史数据的查询、删除、温湿度的自报警以及系统用户等的管理。

2.2系统设计原理

该检测系统充分利用ZigBee技术的软、硬件资源,辅以相应的测量电路和SHT10数字式集成温湿度传感器等智能仪器,能实现多任务、多通道的检测和输出。

并且通过RS232接口实现与上位PC机的连接,进行数据的分析、处理和存储及打印输出等。

它具有测量范围广、测量精度高等特点,前端测量用的传感器类型可在该基础上修改为其他非电量参数的测量系统。

温湿度检测系统采用SHT10为温湿度测量元件。

系统在硬件设计上充分考虑了可扩展性,经过一定的添加或改造,很容易增加功能。

根据温室大棚内的温湿度、土壤水分、土壤温度等传感器采集到的信息，利用串口通信RS-232将传感器信息发送给上位计算机，然后再接到上位计算机上进行显示，报警，查询。

监控中心将收到的采样数据以表格形式显示和存储，然后将其与设定的报警值相比较，若实测值超出设定范围，则通过屏幕显示报警或语音报警，并打印记录。

与此同时，监控中心可向现场控制器发出控制指令，监测仪根据指令控制风机、水泵、等设备进行降温除湿，以保证大棚内作物的生长环境。

监控中心也可以通过报警指令来启动现场监测仪上的声光报警装置，通知大棚管理人员采取相应措施来确保大棚内的环境正常。

2.3系统节点设计

数据采集节点及其基站节点是一组安放在蔬菜大棚实地内的传感器和无线通信模块的终端集合。

主要是负责大棚内空气的温湿度的数据采集，并接收从基站发来的指令，定时通过无线模块将本节点采集到的温湿度数据传输给基站节点。

1、数据采集节点是定时的（默认设置成10S采集一次温湿度数据）采集数据，这个时间间隔可以是网络中的基站向温湿度传感器节点发送重新设置时间间隙的控制命令来完成设置的。

PPP（Point-to-PointProtocol）协议是在设计和实现网络中基站节点功能所要用到的技术。

PPP协议是为在同等单元之间传输数据包这样的简单链路设计的链路层协议。

这种链路提供全双工操作，并按照顺序传递数据包。

设计目的主要是用来通过拨号或专线方式建立点对点连接发送数据，使其成为各种主机、网桥和路由器之间简单连接的一种共通的解决方案。

传感器应用了其技术从而实现了数据的接力传送，从而提高了网络通信的效率。

数据采集节点主要由电源模块、处理器模块、温湿度传感器收集模块和无线通信模块4个模块构成的：

（1）电源：

采用两节1.5V的纽扣电池组成的3V直流电为整个系统供电。

（2）处理器模块和无线通信模块：

采用增强型工业标准的CC2430核心板，它是加强版的Zigbee模块。

（3）温湿度传感器收集模块：

采用CC2430核心板集成温湿度传感器SHT10。

数据采集节点的硬件框图如图2-2所示：

图2-2为数据采集节点硬件框架图

2、温湿度采集节点也是基于Zigbee通信协议的终端设备。

Zigbee的基础是IEEE802.15.4,但IEEE仅处理低级MAC层和物理层协议，因此Zigbee联盟扩展了IEEE，对其网络层协议和API进行了标准化。

与其他无线标准802.11或802.16不同，Zigbee以250Kbps的最大传输速率承载有限的数据流量。

它满足国际标准组织（ISO）开放系统互连（OSI）参考模型，主要包括物理层、数据链路层。

Zigbee是一种新兴的短距离、低速率、低功耗的无线可自组的网络技术。

主要用于近距离无线连接。

在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信，这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。

3.系统概述

3.1数字温湿度传感器SHT10

1、SHT10的结构原理

SHT10是瑞士Sensirion公司生产的一款含有已校准数字信号输出的高度集成数字式温湿度传感器，体积微小、功耗极低，由于采用了CMOSensR技术，从而可确保器件具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。

该传感器包括一个电容性聚合体测湿敏感元件和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。

生产过程中，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内存中，在标定的过程中使用。

SHT10传感器的湿度测量范围为0~100％RH，湿度测量精度为±4.5％RH20到80％RH，湿度测量分辨率为0.03％RH；温度测量范围为-40～+123.8℃，温度测量精度为±0.5℃（25℃时），温度测量分辨率为0.01℃。

可实现宽范围的温湿度测量。

SHT10默认的测量分辨率分别是温度14位、湿度12位，也可以通过修改传感器的8位状态寄存器的“1”将分辨率分别降至12位和8位，通常在高速或最低位为超低功耗的应用中采用低分辨率。

其中传感器SHT10的原理图如图3-1所示。

图3-1传感器SHT10的原理图

2、引脚说明

a.电源引脚（VDD、GND）

SHT10的供电电压为2.4V～5.5V。

传感器上电后，要等待11ms，从“休眠”状态恢复。

在此期间不发送任何指令。

电源引脚（VDD和GND）之间可增加1个100nF的电容器，用于去耦滤波。

b.串行接口

SHT10的两线串行接口（bidirectional2-wire）在传感器信号读取和电源功耗方面都做了优化处理，其总线类似I2C总线但并不兼容。

①串行时钟输入（SCK）。

SCK引脚是MCU与SHTIO之问通信的同步时钟，由于接口包含了全静态逻辑，因此没有最小时钟频率。

即微控制器可以以任意慢的速度与SHT10通信。

②串行数据（DATA）。

DATA三态引脚是内部的数据的输出和外部数据的输入引脚。

DATA在SCK时钟的下降沿之后改变状态，并在SCK时钟的上升沿有效。

即微控制器可以在SCK的高电平段读取有效数据。

在微控制器向SHT10传输数据的过程中，必须保证数据线在时钟线的高电平段内稳定。

为了避免信号冲突，微控制器仅将数据线拉低，在需要输出高电平的时候，微控制器将引脚置为高阻态，由外部的上拉电阻（例如;10kΩ）将信号拉至高电平。

为避免数据发生冲突，MCU应该驱动DATA使其处于低电平状态，而外部接1个上拉电阻将信号拉至高电平。

3、发送命令

用一组“启动传输”时序，来表示数据传输的初始化。

它包括：

当SCK时钟高电平时DATA翻转为低电平，紧接着SCK变为低电平，随后是在SCK时钟高电平时DATA翻转为高电平。

4、测量时序（RH和T）

发布一组测量命令（‘00000101’表示相对湿度RH，‘00000011’表示温度T）后，控制器要等待测量结束。

这个过程需要大约20/80/320ms，分别对应8/12/14bit测量。

确切的时间随内部晶振速度，最多可能有-30%的变化。

SHT10通过下拉DATA至低电平并进入空闲模式，表示测量的结束。

控制器在再次触发SCK时钟前，必须等待这个“数据备妥”信号来读出数据。

检测数据可以先被存储，这样控制器可以继续执行其它任务在需要时再读出数据。

接着传输2个字节的测量数据和1个字节的CRC奇偶校验。

UC需要通过下拉DATA为低电平，以确认每个字节。

所有的数据从MSB开始，右值有效（例如：

对于12bit数据，从第5个SCK时钟起算作MSB；而对于8bit数据，首字节则无意义）。

用CRC数据的确认位，表明通讯结束。

如果不使用CRC-8校验，控制器可以在测量值LSB后，通过保持确认位ack高电平，来中止通讯。

在测量和通讯结束后，SHT10自动转入休眠模式。

警告：

为保证自身温升低于0.1℃，SHT10的激活时间不要超过10%（例如，对应12bit精度测量，每秒最多进行2次测量）。

3.2CC2430芯片

1、CC2430芯片简介

CC2430芯片以强大的集成开发环境作为支持，内部线路的交互式调试以遵从IDE的IAR工业标准为支持，得到嵌入式机构很高的认可。

它结合Chipcon公司全球先进的ZigBee协议、工具包和参考设计，展示了领先的ZigBee解决方案。

其产品广泛应用于汽车、工控系统和无线感应网络等领域，同时也适用于ZigBee之外2.4 GHz频率的其他设备。

其引脚示意图如图3-2所示。

CC2430包含一个增强型工业标准的8位8051微控制器内核，运行时钟32MHz。

CC2430包含一个DMA控制器。

8K字节静态RAM，其中的4K字节是超低功耗SRAM。

32K，64K或128K字节的片内Flash块提供在电路可编程非易失性存储器。

CC2430集成了4个振荡器用于系统时钟和定时操作：

一个32MHz晶体振荡器，一个16MHzRC-振荡器，一个可选的32.768kHz晶体振荡器和一个可选的32.768kHzRC振荡器。

CC2430也集成了用于用户自定义应用的外设。

一个AES协处理器被集成在CC2430之中，用来支持IEEE802.15.4MAC安全所需的（128位关键字）AES的运行，以尽可能少的占用微控制器。

中断控制器为总共18个中断源提供服务，他们中的每个中断都被赋予4个中断优先级中的某一个。

调试接口采用两线串行接口，该接口被用于在电路调试和外部Flash编程。

I/O控制器的职责是21个一般I/O口的灵活分配和可靠控制。

图3-2CC2430芯片引脚示意图

CC2430包括四个定时器：

一个16位MAC定时器，用以为IEEE802.15.4的CSMA-CA算法提供定时以及为IEEE802.15.4的MAC层提供定时。

一个一般的16位和两个8位定时器，支持典型的定时/计数功能，例如，输入捕捉、比较输出和PWM功能。

CC2430内集成的其他外设有:

实时时钟；上电复位；8通道，8－14位ADC；可编程看门狗；两个可编程USART，用于主/从SPI或UART操作。

为了更好的处理网络和应用操作的带宽，CC2430集成了大多数对定时要求严格的一系列IEEE802.15.4MAC协议，以减轻微控制器的负担。

这包括：

自动前导帧发生器、同步字插入/检测、CRC-16校验、CCA、信号强度检测/数字RSSI、连接品质指示（LQI）和CSMA/CA协处理器。

2、CC2430芯片的主要特点

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128KB可编程闪存和8KB的RAM，还包含模拟数字转换器（ADC）、几个定时器（Timer）、AES128协同处理器、看门狗定时器（Watchdogtimer）、32kHz晶振的休眠模式定时器、上电复位电路（PowerOnReset）、掉电检测电路（Brownoutdetection），以及21个可编程I/O引脚。

CC2430芯片采用0.18μmCMOS工艺生产,在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27mA或25mA。

CC2430的休眠模式和转换到主动模式的超短时间的特性，特别适合那些要求电池寿命非常长的应用。

3.3串行通信接口RS-232

1、电气特性

RS-232采用负逻辑在TxD和RxD上：

逻辑1（MARK）=一5～15V逻辑0（SPACE）=+5～+15VRS-232的主要电气特性为：

带3—7k欧姆负载时驱动器的输出电平：

逻辑“1”：

一5～一12V；逻辑“0“：

+5～+12V。

不带负载时驱动器的输出电平：

一25～+25V。

驱动器转换速率：

<30V／，L。

接收器输入阻抗：

3～7K欧姆之间。

接收器输入电压的允许范围：

一25～+25V。

最大负载电容：

2500PF。

2、电平转换

RS-232是用正负电压来表示逻辑状态，与1vrL以高低电平表示逻辑状态的规定不同。

为了能够同计算机接口或终端的1vrL器件连接，必须在EIA-RS-232与1vrL电路之间进行电平和逻辑关系的变换。

实现变换的方法目前较为广泛地使用集成电路转换器件，如MC1488、SN．75150芯片可完成1vrL电平到E