物联网--基于无线传感器网络的精准农业环境监测系统设计.doc

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齐齐哈尔大学毕业设计（论文）

齐齐哈尔大学

毕业设计（论文）

题目基于无线传感器网络的精准农业环境监测系统设计

学院通信与电子工程学院

专业班级物联网111班

学生姓名卢旭

指导教师苗凤娟

成绩

2015年6月25日

摘要

众所周知，无线传感器技术已经成为农业环境监测的主要技术，通过该技术解决了传统农业环境监测的诸多问题，比如：

设备繁多、维修困难；布线繁琐、容易腐化；规模庞大、不易管理等。

本设计基于无线传感器网络技术根据要求不仅能够采集农业环境参数，还利用视频技术采集了环境的图像信息，这样不仅从数据分析上得到农业环境参数，更能通过图像直观的观测农田环境，为本设计提供更可靠的依据。

本设计融合软件和硬件，对于无线传输硬件，选择了Zigbee模块和Wifi模块，Zigbee模块主要负责传输传感器的数据，Wifi负责传输视频，因为需要采集温湿度、二氧化碳浓度和光照强度，所以比较了多种传感器后，温湿度传感器选择DHT11，二氧化碳传感器使用MG811，对于光照强度传感器使用BH1750。

传感器监测节点很简单，传感器采集数据经过Zigbee模块传送给协调器，由协调器在传送到上位机即可。

另一部分采用Wifi模块传输摄像头采集的视频，将视频传输到上位机，监测农作物是否有病虫害，或者是否有人侵入等。

软件则涉及了Altiumdesigner设计硬件的电路图，上位机选用VisualStudio2013，程序设计语言C#，PC机接将数据存储、分析，若是超出了设置的范围，则会自动实现报警功能，真正实现远程监测的功能。

关键词：

环境监测系统；无线传感器网络；传感器；协调器；

III

Abstract

Asweallknow,thewirelesssensortechnologyhasbecomeamajoragriculturaltechnologyforenvironmentalmonitoring,throughthetechnologytosolvethemanyproblemsoftraditionalagricultureenvironmentalmonitoring,suchas:

equipmentrange,difficultmaintenance;wiringcumbersome,easytocorrupt;large-scale,difficulttomanageandsoon.Thedesignisbasedonwirelesssensornetworktechnologycannotonlycollectaccordingtotherequirementsofagriculturalenvironmentalparameters,butalsotheuseofvideotechnologytocollecttheimageinformationenvironment,sothatnotonlytheagriculturalenvironmentparametersobtainedfromthedataanalysis,moreintuitiveobservationbyimagefarmlandenvironment-orienteddesignedtoprovideamorereliablebasis.

Theintegrationofsoftwareandhardwaredesign,hardwareforwirelesstransmission,selecttheZigbeemoduleandWifimodule,Zigbeemoduleismainlyresponsibleforthedatatransmissionofthesensor,Wifiresponsibleforthetransmissionofvideo,becauseyouneedtocollecttemperature,humidity,carbondioxideconcentrationandlightintensity,itismoreamoreafterthekindofsensor,temperatureandhumiditysensorselectionDHT11,carbondioxidesensorsMG811,thelightintensitysensorsBH1750.SensorsmonitornodeissimplesensortocollectdatatothecoordinatorafterZigbeemodule,bythecoordinatorinthetransmissiontothehostcomputercanbe.AnotherpartofWifimoduletransmissioncameratocapturethevideo,thevideotransmissiontothehostcomputer,monitorcropsiftherearepestsanddiseases,orwhethersomeonebreaksthelike.Altiumdesignersoftwareinvolvesthedesignofhardwarecircuit,thehostmachineselectsVisualStudio2013,theprogramminglanguageC#,PCmachinesconnectedtodatastorage,analysis,ifbeyondthescopesetalarmfunctionwillautomaticallytrulyremotemonitoringfunctions.

Keywords:

environmentalmonitoringsystem;wirelesssensornetworks;coordinator;sensors;

III

目录

摘要 I

Abstract II

第1章绪论 1

1.1选题背景和意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3本文内容及安排 3

第2章系统整体设计方案和核心技术 5

2.1系统功能要求及应用环境 5

2.2系统设计思想 5

2.3总体设计方案构成 6

2.4系统最终实现目标 7

2.5硬件选取 7

2.5.1无线收发模块选取 7

2.5.2温湿度传感器选取 8

2.5.3二氧化碳传感器选取 8

2.5.4光照强度传感器选取 9

2.5.5WIFI模块选取 10

2.6本章小结 10

第3章系统的硬件设计 11

3.1硬件整体设计 11

3.2基于CC2530的监测节点硬件设计 11

3.2.1终端节点系统结构 12

3.2.2Zigbee模块电路原理 12

3.2.3协调器电路原理 13

3.2.4终端节点电路设计 14

3.2.5电源模块设计 15

3.3视频模块设计 15

3.3.1WIFI与视频连接电路设计 15

3.3.2WIFI模块外围电路设计 16

3.4本章小结 17

第4章软件设计 18

4.1软件环境及使用语言 18

4.2监测节点程序设计 18

4.2.1传感器模块程序设计 20

4.3接收数据模块程序设计 21

4.4上位机设计 22

4.4.1上位机软件和语言 22

4.4.2上位机模块设计 23

4.5本章小结 25

第5章系统调试 27

5.1硬件模块调试 27

5.1.1DHT11调试 27

5.1.2MG811和BH1750调试 27

5.1.3摄像头调试 28

5.2软件调试 29

5.2.1IAR调试 29

5.2.2上位机软件调试 30

5.2.3视频调试 31

5.3本章小结 31

结论 33

参考文献 34

附录一 40

附录二 56

致谢 56

第1章绪论

1.1选题背景和意义

中国是农业大国，耕地面积也超过世界许多国家，受分布零散、环境恶劣、病虫害等因素影响，本来显著的优势并没有得以体现，经济发展匮乏，致使中国的农业发展前景黯淡，但是科学技术的腾飞，带动着各行各业向前迈进一大步，很多发达国家把科学这个新助力注入到其他产业，取得的效果非常明显，受到这种启发，我国也渐渐的将眼光转向科技与各产业融合，完美的实现了产业多元化。

可是，农作物众多、多种环境参数无法预知，管理不及时、技术不成熟都导致科技农业的发展迟缓，因此针对这些问题，实施对植物长势的动态监测，是实现高效农业、提高农业管理水平的必要手段，也是真正提高了土地利用率[1]。

针对传统农业问题，有线网络监测技术大规模使用，但是该种技术的农业环境参数需要人工现场采集，周期读数，才能完成整个系统的监测的目的，然而这个方案有着诸多的技术弊端，比如：

人工定期读卡，数据仅仅是某一时刻的数值，不是这段时间的数据包，无法反映农作物真正的生长状态；采集信息的设备昂贵且笨重，安装困难，占地面积大，维修难度较大，电缆布线错综复杂，容易受环境影响氧化或腐化而受损，维修不及时，就会造成数据的丢失，无法获得最新数据，况且监测范围广大，放置设备时需要准确确定位置，否则就会出现监测漏洞，局部的数据自然无法代表整体，打个比方，要是调查全国男人的身高，仅仅调查黑龙江男性的身高并不能代表全中国一样，这样的结论太过狭隘，没有论证力度[2]；监测环境发生突变时，不能及时改变设备参数，系统稳定性差；设备容易损坏，监测数据无法发送到监测终端，容错性差。

因此，这些因素催生了无线传感技术。

那到底什么是无线传感技术？

简单的说它是由无线通信和嵌入式两种技术杂交产生，功能是实现远程传输，并且不用布线，保证农作物种植面积，不用人工读取数据，节省人力，传感器抗干扰性强，数据采集精准，设备简单且廉价，可以大规模安装，不仅容易维修且不会出现监测死角，这就使得数据具有代表性。

无线传感技术简言之就是由多个传感器和无线传输模块构成一个无线传感器网络，与上位机结合，构成这个精准农业环境监测系统；我们知道，无线传输技术有很多种，每一种也有不同的标准和特点，本设计采集空气温湿度、二氧化碳浓度、光照强度这些环境参数，除此之外还采集了视频信号，达到全面实时监测，那么根据采集信息的不同、传输速率、传输有效距离以及设计花费等因素，在无线传输这里需要多加考虑，并不是每种无线技术都能达到设计的标准，所以这就需要多种无线传感技术的融合，那以下就根据这些