基于ZigBee的智慧农业监控系统的设计与实现毕业论文.docx

基于ZigBee的智慧农业监控系统的设计与实现毕业论文.docx

《基于ZigBee的智慧农业监控系统的设计与实现毕业论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于ZigBee的智慧农业监控系统的设计与实现毕业论文.docx（32页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于ZigBee的智慧农业监控系统的设计与实现毕业论文

---文档均为word文档，下载后可直接编辑使用亦可打印---

摘要

众所周知，我国是一个农业大国，但是由于我国各个地域的环境、温湿度和气候都有所差异，因此传统农业已经满足不了当下农业的生产要求，因此，实现传统农业向现代农业发展转变是如今我国农业发展的必然趋势。

然而ZigBee技术的出现,实现了高效率大范围的数据信息的采集，还有高效率的数据传输和分析，因此本论文为了提高农业生产的效率，保证农作物的生长，减轻人工劳动量，发展智能化农业，然而设计了一种基于ZigBee无线传感器网络的智慧农业监控系统，采用检测温度、湿度、光线等等的传感器对农业的空气温度、光照强度、土壤温湿度等等数据信息的采集、传输和处理，并且可以在上位机和屏幕上同时显示各个参数的数据，还可以在上位机设置控制的参数数值范围，从而实现对农业的精确性、实时性和可靠性监控。

关键词：

ZigBee;智能农业；传感器；数据传输

Abstract

Fromancienttimestothepresent,itiswellknownthatChinaisabigagriculturalcountry,butduetodifferencesintheenvironment,temperature,humidityandclimateofvariousregionsinChina,traditionalagriculturecannolongermeetthecurrentagriculturalproductionrequirements.Therefore,thetransformationoftraditionalagriculturetomodernagriculturehasbeenrealized.ItisaninevitabletrendofChina'sagriculturaldevelopment.However,theemergenceofZigBeetechnologyhasrealizedthecollectionofhigh-efficiencyandlarge-scaledatainformation,aswellashigh-efficiencydatatransmissionandanalysis.Intelligent,butdesignedasmartagriculturalmonitoringsystembasedonZigBeewirelesssensornetwork,usingsensorsthatdetecttemperature,humidity,light,etc.tocollectagriculturalairtemperature,lightintensity,soiltemperatureandhumidity,etc.datainformation,Transmissionandprocessing,andcandisplaythedataofeachparameteronthehostcomputerandthescreenatthesametime,andcanalsosettheparametervaluerangeofthecontrolonthehostcomputer,soastorealizetheaccuracy,real-timeandreliabilitymonitoringofagriculture.

Keywords：

ZigBee;Intelligentagriculture;Thesensor;Thedatatransfer

第一章绪论

1.1研究背景目的和意义

众所周知，我国农业生产一直是我国第一大支柱产业，截止到2019年，我国的耕地面积达到138万平方公里，占全世界的8.80%。

随着物联网等高新技术的蓬勃发展，我国农业从最初的原始生态农业发展到了传统农业，然而近几年智能时代的飞速发展，我国传统农业也正在加快向现代农业转型，智慧农业将成为现代农业未来发展的趋势。

然而我国各地域都有环境气候的差异，季候的过渡变化也对农作物的生长有很大影响，传统农业需要消耗大量的劳动力，因此为了提高农业生产的效率，保证农作物不受环境气候影响正常生长，减轻人工劳动量，本文设计了一种基于ZigBee无线传感器网络的智慧农业监控系统，采用温度、湿度、光线传感器等等系统实现了对农作物的空气温度、光照强度、土壤温湿度等等数据信息的采集、传输和处理，实现对农业的智能化监控处理。

以下为本系统的主要特点特征：

（1）精确性：

通过传感器对农作物的空气温度、光照、土壤湿度等等进行数据信息采集，并且对数据进行多次测定,观察测定数值的变化程度，数值结果的精密度越高，表现了测定的重复性和再现性，实现对农作物生产的精确数据处理。

（2）实时性：

24小时不停歇地对农作物进行监控，在某个时刻或某个时间内搜集农业外部环境信息，并及时作出检测处理。

（3）高效性：

在如今物联网技术和高新技术的飞速发展下，智慧农业监控系统更能对农业进行高效率地监测处理，使农作物提高质量和产量。

减轻农业人员劳动力。

1.2国内外研究现状

上下五千年，中华文明源远流长，我国是一个历史悠久的发展大国，早在两千多年前，我国就有蔬菜和花卉等等的温室栽培技术。

而且在20世纪30年代，我国再冬季时，某些地区已经利用“日光温室”生产新鲜的蔬菜。

但是当时的这种技术只能维持某些水果和蔬菜的生长，具有局限性。

然而在20世纪80年代，我国技术人员从外国发达国家温室控制技术上吸收经验，并在人工气候室中掌握了微机控制技术。

90年代末，我国开发了一种综合性极强的蔬菜温室监测系统。

目前，我国的智能农业自动化技术已经得到了很大的发展。

截止如今，大部分中国人都还不清楚国外对温室环境控制技术的研究是否较早并且发展很迅速。

早再1970年代，他们就开始使用模拟仪表盘来收集农业信息并对其数据进行记录和控制。

然而在1980年代后期，其发明了分布式控制系统。

在1990年代，在多因子环境控制系统中，采用模式控制等先进技术对农业进行自动化控制。

目前，世界各国的温室控制技术也发展迅速，多因子综合控制系统不断完善，逐渐向自动化发展。

1.3论文总体结构

本系统将采用普遍性最高的计算机编程C语言和开发性极强的C#语言，基于C语言，结合ZigBee无线传感网络技术，选择常用的协议栈Zstack-CC2530，运用CH340SER上位机进行记录处理数据，减轻系统所占用的资源，实现开开发的效率化。

本论文的智慧弄姑爷监控系统将分为6章，下列为论文中各章节的主要内容概述。

（1）第一章节为论文的绪论，简要阐述了智慧农业监控系统的研究目的背景、意义和国内外就研究现状，以及本论文的大概总体结构叙述。

（2）第二章节为系统方案设计，主要阐述了本系统所采用的相关技术，以及对这些技术框架进行介绍选择。

（3）第三章节为系统的硬件设计，通过硬件PCB原理图设计，分析说明各个硬件模块的功能结构设计。

（4）第四章节为系统的软件设计，主要分析上位机和下位机软件代码的实现，对各种驱动进行解释说明。

（5）第五章节为系统的测试与分析，主要叙述了各个模块的实现和运行测试，以及总体测试运行的结果分析。

（6）第六章节为本系统的总体概述与愿景，也是本文的结尾。

本章主要对全文进行总结，并展望了未来的系统优化。

。

第二章系统功能方案设计

2.1系统需求分析

针对第一章节对智慧农业监控系统的目的意义和发展现状，将做出以下2.2小姐的功能设计。

由于功能设计在项目研发中起到了主导性的作用。

是项目产品的标志，因此本系统的功能设计是该系统设计必不可少的一部分，也是项目产品最终的测试是否达到理想预期效果的标准。

因此本节主要提出无线控制功能、水泵自动控制功能、风扇自动控制功能等功能。

2.2系统功能设计

无线控制功能可以实现无线控制端对农作物错所处环境的光照强度、温度、土壤湿度进行模式控制、手动控制等等功能。

因此无线控制功能，选取ZigBeeCC2530，采用光敏电阻5516传感器对所处环境的光照进行采集与处理。

其中采集环境中温度的时候，采用温度传感器DS1820，实时地采集和处理，并在温度过高时启动风扇降温。

然而，水泵自动控制功能，通过YL-69土壤湿度传感器对农产品所在的土壤湿度进行检测，当湿度低于阈值时，启动水泵往土壤里注水。

然而，除了自动控制模式外，还有手动控制功能，可以手动开启关闭水泵和风扇。

除此之外，还可以通过上位机对温度、土壤湿度、光照的阈值进行修改，切换自动模式和手动模式，也可以通过下位机ZigBee协调器进行按键修改切换自动和手动，以及阈值数据。

2.3系统方案设计

本系统总体设计方案如图2.1所示，主要分为三个部分：

ZigBee终端、ZigBee协调器和上位机，如图左半部分为ZigBee终端部分，包含光敏电阻传感器、温度传感器、土壤湿度传感器、水泵和风扇，而ZigBee协调器终端包括了功能OLED屏幕和控制按键。

然而ZigBee终端和ZigBee协调器之间是采用ZigBee无线通信连接。

图2.1系统方案图

2.3.1ZigBee无线技术

众所周知，随着如今智能无线时代的飞速发展，WiFi、蓝牙、ZigBee等等的无线通信技术已经融入了我们，是生活中不可缺少的一部分。

WiFi无线技术在当今社会，主要用于无线局域网的建立与路由功能，其具有高速、覆盖范围广、支持多个用户同时使用的特点。

因此，其功耗是非常大的，而且WiFi的软件实现难度较高、系统成本较高，因此不采用WiFi作为智慧农业监控系统的无线技术。

蓝牙技术是一种无线数据和语音通信开放的技术，因此它可以使一些便捷的移动设备和计算机设备直接连接到Internet，并且可以无线访问互联网。

然而当前蓝牙5.0已经开发，但是由于其主要用于近距离低功耗的传输、如可穿蓝牙手表、蓝牙耳机等应用。

因此蓝牙主要适用于短距离数据传输，对于智慧农业监控系统而言，距离至少需要覆盖个生态园或者农场中，所以蓝牙距离受限，无法作为智慧农业监控系统的无线传输技术。

ZigBee技术是一种专门为智能而设计的无线通信技术，它可以在2.4GHz（全球流行）、868MHz（欧洲流行）和915MHz（美国流行）3个频段上工作,最高的传输速率250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s，其传输距离在10-75m的范围内,但可以继续增加。

除此之外，ZigBee还具有无线技术中还具有低功耗、成本低、网络容量大等等特点，还具有CSMA.CA载波侦听、冲突检测技术。

因此通过这些技术可以实现MAC层的数据重发，从而保证无线数据不会因冲突而丢失，因此这特别适合作为控制领域的无线协议。

然而，ZigBee无线协议还可以实现自动网络构建的功能，其ZigBee网络中存在一个ZigBee主机，也叫ZigBee协调器。

该设备可以将其他两个设备连接起来，即ZigBee终端和上位机，并和这些设备进行无线通信。

因此可以通过上位机控制整个生态园或农场的蔬果生长。

2.3.2ZigBee芯片

图2.2CC2530芯片

ZigBee是一种稳定的无线协议，目前已有很多类型的芯片对该协议支持使用，其中较为常见的ZigBee型号主要有CC2430\CC2530等ZigBee集成芯片。

CC系列主要为德州仪器TI公司设计生产的一种专门处理无线方案的片上集成芯片系列。

CC2430是TI公司的第一代zigbee协议栈集成芯片，该芯片有点古老，仅支持64K的ROM程序空间以及1K的RAM随机存取空间，对于当前较为完善的zigbee协议栈而言，程序空间和随机存取空间需求较大，CC2430已无法满足。

因而CC2430不具备选型条件。

作为第二代Zigbee集成芯片，CC2530结合了先进的射频收发器的卓越性能，行业标准的增强型8051CPU，系统内可编程闪存，因此考虑到智慧农业监控系统的稳定性，CC2530更适合ZigBee主控芯片。

2.3.3温度传感器

图2.3DS18B20温度传感器

温度传感器是一种可以感受温度并将其转换为可用输出信号的传感器，根据其功能特点不同，主要分为模拟型温度传感器和数字型温度传感器。

模拟型温度传感器的原理通常是使用热敏电阻作为温度传感器，然后再通过电阻分压来获得温度的大致范围，但它一般适用于一些对温度精确度要求不高的应用设备。

然而数字型温度传感器则通过温度传感器内部集成的数字电路将温度数据处理，并通过驱动传感器由MCU获取温度信息，数字型温度传感器的精确度较高。

除此之外，因为农产品的生长对温度精度要求很高，所以选用数字型温度传感器作为本系统的温度采集模块。

本智慧农业监控系统选取型号为DS12B20的数字温度传感器，其可以满足一般智慧农业监控系统对环境温度的采集和处理。

2.3.4光敏电阻传感器

图2.4光敏传感器

光敏传感器是最常见的传感器之一，它的种类繁多，例如红外线传感器、紫外线传感器、光敏电阻等。

光电电池原理是基于外光电效应，主要分为三个部分：

真空管、光电阴极K和光电阳极A，但是真空光电电池受照光通量不大，仅适用于低强度的检测以及光子初始速度分布的测量。

红外传感器是一种使用红外来处理数据的传感器，而且它可以在不接触的情况下测量温度。

例如，它使用热图像来长距离测量人体温度，但是热模型的灵敏度低，响应速度慢，必须冷却量子模型并且波长依赖性太高。

紫外线传感器是通过光伏模式和光导模式将紫外线信号转换为可测量的电信号，然而可见光盲只对紫外线响应，屏蔽可见光，太阳光盲仅对UVC波段的紫外线响应，屏蔽UVA、UVB。

而光敏电阻的工作原理是内光电效应，属于半导体光敏器件，其具有灵敏度高和反应速度快的特点，还能保持极强的稳定性和可靠性，然而光敏电阻5516在Φ5系列中功耗最低，效率最高，因此选取光敏电阻5516作为采集光照得光敏传感器。

2.3.5土壤湿度传感器

图2.5土壤湿度传感器

土壤湿度传感器主要是用来测量土壤的湿度，其原理是采用FDR频域反射原理，如今应用于林业防护和农业灌溉。

通常，土壤湿度传感器可分为三种类型：

电容型、电阻型和离子型。

但是，电容型湿度传感器由于感应相对湿度范围大，结构简单，形式等效，，生产工艺容易，因此采用以梳状铝电极结构的YL-69土壤湿度传感器，成本低廉，功能齐全，可以与其他器件和芯片封装在一起，更好地发挥其性能，从而对土壤的表层和深层进行测量，获取到土壤的湿度含水量，精确地采集和处理。

2.3.6其他器件

2.3.6.1水泵

图2.6水泵

本系统选取的是一种2.5-6V的微型小水泵，成本较低，而且功能稳定性高。

2.3.6.2风扇

图2.7风扇

本系统选取CJY4010的微型散热风扇，成本较低，而且实现风速较快稳定。

2.3.6.3CH340

图2.8CH340

本系统选取CH340的USB转接芯片，通过安装CH340SER驱动对协调器进行USB转串口，进行串口操作。

而且CH340在Windows操作系统下的串口应用程序下完全兼容。

2.3.6.4USB数据线

图2.9USB数据线

本系统选取一种安装USB数据线，传输稳定、工艺简单，用来连接ZigBee主控板与电脑连接，从而供电使用。

2.3.6.5屏幕

图2.10OLED屏幕

本系统选取128*64的0.96寸OLED显示屏，可3.3V/5V供电，工艺简单，造价便宜焊接方便，显示文字采用黑底白字，因为省电，还可以有效防止CROSSTALK现象。

2.4本章小节

本章节主要介绍了本智慧农业监控系统的功能需求分析，以及根据其功能进行系统实现的方案，还有根据制定的系统方案对硬件进行选型以及指定。

第三章系统硬件设计

3.1硬件开发环境

在多数的硬件开始过程中，包括硬件电路的设计，电路原理图、PCB图以及实物元器件的焊接测试等等。

本次设计采用了电路绘图软件AltiumDesigned10作为硬件开发环境软件.AltiumDesigned10是一款效率极高的电路制图软件，也是当今硬件开发使用量最多的电路制图软件。

主要是原理图通过网络表相连，使用连线将若干个元器件连接起来，原理图连接绘制完后，选择正确的元器件封装，然后，将原理图导入到PCB图中，然后绘制PCB。

根据每个组件连接的虚线，执行电路的PCB布线。

这样，我们就可以完美地整合原理图设计，电路仿真，PCB绘图和编辑，拓扑逻辑自动布线，信号完整性分析以及设计输出等技术，从而大大提高了硬件电路设计的效率。

3.2硬件模块原理图设计

图3.1系统总体电路图

本硬件设计采用模块化的方式进行绘制。

其中包含电源输入电路、电源稳压模块、CC2530系统模块、LED指示灯模块、CCDEBUG下载口模块、UART串口模块、DS18B20温度传感器模块、OLED屏幕模块、土壤湿度传感器模块、光线传感器模块、按键模块、水泵驱动模块、风扇驱动模块。

以下是对各模块的原理图进行设计和介绍。

3.2.1电源输入电路

图3.2电源输入电路

如图3.2所示为电源输入电路，然而图中的USB口电压为5V，C1为电容，对整个电源进行供电，以及起到稳定电源的作用。

D1为二极管1N5819，其最大可通过1A电流，在此电路的作用是防止UART接口接反导致短路，保护AMS1117分支电路。

PWR为LED电源指示灯，R10电阻的阻值为10K欧姆，起到了限流的作用，当USB有有输入时，电流通过电阻R10将其点亮。

3.2.2电源稳压模块

图3.3AMS1117电源稳压

如图3.3所示，本系统采用的是AMS1117，这是一种用于电源电压转换的芯片，可输入范围为1.2V-4.2V，稳定输出电压为3.3V，最高输出电流为1A，C3和C5都是电容，用来电路的稳压和抗外界干扰，然而电容对电源的作用非常重要，可以起到储能的效果却能够起到稳压、滤波的作用。

由图3.2可知，C3并于AMS1117的输入端，可以对电源的输入起到稳压作用，然而输出3.3V电压后，再通过一个C2标称值为106的电容进行稳压，为后续使用3.3V电压的器和电路起到保护作用。

3.2.3CC2530模块

图3.4CC2530系统

如图3.4所示是CC2530F256最小系统，P0口由电阻上拉到3V3电源，这样有助于增强P0口的低电平读取，增强其稳定性。

CC2530F256内部具有256KB的ROM以及8K的RAM，这样只需要再VCC脚与GND叫之间加入2.8V~3.6V电压，即可正常工作。

因此再芯片VCC输入端接入一个C0标称值为104的电容，这样有耦合的效果，也起到抗电源干扰的作用。

3.2.4LED指示灯

图3.5LED指示灯

LED指示灯的作用有很多，在不同的部位，所实现的作用就不一样。

在调试程序的时候，LED灯可以发现很多问题，例如通过LED的频闪和灭亮来验证程序是否正常和配置是否正确。

然而如图3.5所示，将一个限流电阻与LED等进行上拉，当正极的电压大于负极的电压时，LED即可导通发光。

3.2.5接口电路

图3.6CCDEBUG下载口

图3.7UART串口

图3.8DHT11接口

图3.9OLED屏幕接口

图3.6-3.9为接口电路，分别是CCDEBUG接口、UART接口、DHT11温度传感器接口以及OLED屏幕接口，其中DHT11接口使用3.3V电压输入，其他则使用5V电压输入。

DEBUG接口如图3.6所示，通过DEBUG口可实现CC2530的在线调试,以及仿真和相关程序的下载，因此其下载口用于烧写与调试程序。

UART为同步或异步串口通信技术，它将要传输的资料在串行通信与并行通信之间加以转换。

当今几乎所有的MCU都具有UART接口，其中RX为串行接收、TX为串行发送。

如图3.7所示，通过该接口通常可实现人机交互，如串口数据打印，串口通信等。

CC2530的UART用于串口调试，对此程序调试至关重要，因此选择UART接口。

DHT11接口如图3.8所示，VCC外接3.3V的电压，GND口外接GND口，实现温度传感器的调试。

如图3.9为OLED屏幕，采用的是SPI接口通信，SPI是一种串行外设接口，具有MOSI、CS、SCK等SPI的特性。

因此本系统将使用SPI通信，显示屏刷新速度远超过I2C通信的屏幕。

3.2.6驱动电路

图3.10水泵驱动电路

图3.11风扇驱动电路

如图3.10和3.11所示，这都是三极管作为开关管的典型电路。

三极管是NPN三极管，当在基极施加一个高电平，集电极和发射极之间变会导通，使负载元件与电源VCC和GND之间形成一个回路，这样就能导通负载元件，使其工作。

当在基极施加一个低电平，则三极管工作在截止区，此时集电极和发射极之间不构成回路，即负载元件停止工作。

3.2.7传感器模块

图3.12土壤湿度传感器

图3.13光线传感器

如图3.12和3.13所示，输入电压都为3.3V，R13和R14得电阻阻值都为10K欧姆，在AD集成部分并且和一个压敏电阻串联，起到分压得作用。

检测土壤湿度时，当湿度大（AC值小），OUT输出低电平，相反输出高电平。

检测光照强度时，检测到的ADC值就是光敏电阻的分压值，如果光线暗，光敏的阻值大。

分压就大，这样测得的ADC值比较大。

反过来测到的ADC值就比较小。

3.2.8按键模块

图3.14拓展按键

图3.15复位按键

如图3.14和图3.15为拓展按键和复位按键，拓展按键一共有3个按键，按键使用得IO口P0_1,P0_4和P0_7。

由于IO口具有上拉电阻的功能，并且按键一般采用低电平有效得方法。

则按键的一端接IO口，另一端接GND即可实现按键按键的检测。

然而本次CC2530的IO口默认开启上拉电阻的功能，因此选择低电平有效作为按键触发的条件。

第四章系统软件设计

4.1下位机软件设计

图4.1下位机程序设计

下位机程序由两个部分组成，，分别是ZiBbee发射端和ZigBee接收端。

ZiGBee使用的是zstack无线软件协议栈，然而无论是发射端还是接收端都是收发一体的，并且在ZigBee协议中，两者都需要无线数据的收发，从而来保持连接网络的通信。

如图4.1左半部分所示，这是ZigBee接收端的设计部分，首先ZigBee接收端开启时，判断当时是手动模式还是自动模式，手动模式下，检测出温度、土壤湿度、光照后，手动开启水泵和风扇进行处理。

自动模式下，ZigBee接收端驱动温度传感器获得温度值、土壤湿度传感器或者土壤湿度值、光线传感器获得光照值，当检测到环境的温度大于设定值，启动风扇进行降温；当检测到土壤的湿度低时，含水量较少时，启动水泵往土壤里注水，提高土壤的水分。

执行完这些操作后，处理完无线部分的数据后，将水泵和风扇的状态传至ZigBee发射端，该反馈主要用于上位机的和ZigBee发射端对ZigBee接收端的状态值更新。

除了自动模式外，ZigBee接收端还可以切换手动模式。

在该模式下，可以手动修改温度、土壤湿度、光照的阈值范围，以及手动开启风扇和水泵对农业进行处理。

如图4.2右半部分所示，发射端主要用于控制接收端上的传感器参数和模式。

然而传感器系统和水泵、风扇都存在上位机的控制方