基于ZigBee的土壤含水率检测系统设计94856758.docx
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基于ZigBee的土壤含水率检测系统设计94856758
基于ZigBee的土壤含水率检测系统设计94856758
题目：
基于ZigBee的土壤含水率检测系统设计
【摘要】在农业、生态环境科学等领域的研究中，常常需要测量土壤的湿度。
土壤湿度测量具有被测土地面积大、测量点多、需要观测时间长等特点。
传统的测试方法是将传感器插入土层，然后进行读数记录，不仅花费大量的时间和人力，而且由于人为等因素还会造成数据测试不准等问题。
本文采用CC2530作为核心控制器件，利用埋入地下的土壤湿度传感器检测土壤的湿度，采用基于ZigBee和WSN的自组网通信技术实现远程数据采集，克服了传统土壤湿度检测的缺点，讨论了系统的硬件电路设计、软件编程和系统调试。
该系统综合了Zigbee无线网络自组网、自行愈合和超低功耗的优点，能实时监测土壤信息，为进一步简化农业和生态环境的研究操作。
最终经过测试结果表明，该系统运行稳定，丢包率低，能及时准确的监控土壤信息，并将土壤含水率维持在适合植物生长的最佳含水量的范围之内。
【关键词】CC2530ZigBeeWSN技术低功耗自组网
【Abstract】Researchinthefieldofagriculture,ecologyandenvironmentalscience,andoftenneedtomeasuresoilmoisture.Soilmoisturemeasurementhasaofmeasuredlandareameasurementpoints,needalongobservationtime.Traditionaltestingmethodsisthesensorintothesoil,andthenreadingtherecord,notonlyspendalotoftimeandeffort,butalsoduetoman-madeandotherfactorscanalsocausedatatestallowedandsoon.Inthispaper,CC2530asthecorecontroldeviceburiedinthegroundsoilmoisturesensordetectsthemoisturecontentofthesoil,theuseofremotedataacquisitionbasedonZigBeeWSNgroupnetworkcommunicationtechnology,toovercomethetraditionalsoilmoisturedetectiondisadvantageofthesystemisdiscussedinthehardwarecircuitdesign,softwareprogrammingandsystemdebugging.ThesystemcombinestheZigBeewirelessnetworkfromthenetworkself-healingandultra-lowpowerconsumptionadvantages,real-timemonitoringofsoilinformationtofurthersimplifytheresearchoperationofagriculturalandecologicalenvironment.Afterthefinaltestresultsshowthatthesystemisstable,lowpacketlossrate,timelyandaccuratemonitoringsoil,andthesoilmoisturecontentismaintainedwithinthescopeoftheoptimummoisturecontentsuitableforplantgrowth.
【Keyword】CC2530ZigBeeWSNLowpowerconsumption
AutoAddNetwork
一、绪论1
1.1课题背景2
1.2研究的目的和意义2
1.3国内外的发展现状2
二、ZigBee简介2
2.1Zigbee的概念及特点2
2.2Zigbee与几种无线通信技术的比较3
2.2.1ZigBee技术3
2.2.2蓝牙技术3
2.2.3Wi-Fi技术的比较4
2.2.4红外技术4
2.3zigbee网络基础5
2.3.1ZigBee节点的类型6
2.3.2ZigBee网络的拓扑结构6
2.3.3ZigBee无线网络的组建7
2.3.4星型网络的组建与通信的实现9
三、系统硬件设计12
3.1系统总体电路图12
3.1.1土壤含水率数据采集电路图12
3.1.2ZigBee网络节点电路图12
3.2土壤含水率采集电路与原理12
3.2.1土壤含水量传感器采集原理12
3.2.2土壤含水量传感器电路图12
3.3ZigBee节点基本电路与原理12
3.3.1时钟频率电路12
3.3.2复位电路13
3.4显示电路14
3.4.1诺基亚5110液晶显示原理14
3.4.2诺基亚5110液晶显示电路图14
四、系统软件设计16
4.1系统主函数程序16
4.2土壤传感器采集程序20
4.3ZigBee终端节点程序22
4.4ZigBee路由器节点程序27
4.5ZigBee协调器节点程序34
4.6NOKIA5110显示程序40
五、系统调试40
参考文献40
附录141
附录242
附录359
附录444
附录547
一、绪论
1.1课题背景
随着精准农业的发展和人们对农产品安全的重视，农田土壤信息（如含水率）的实时获取变得越来越重要。
土壤含水率是地表和大气之间通过蒸发的方式进行能量和水分交换的主要控制因子，很大程度上影响农作物的健康状况。
现有的监测系统大多采用有线数据采集及传输，其缺点是安装和布线繁琐且工作量大，组网复杂，设备移动性差以及成本偏高，无法实施精确有效的监测，甚至在有些场合难以实现。
无线传感网络是一种集信息采集、处理和无线传输于一体的先进监测技术，在诸多领域（如国防军事、环境监测、工程安全、农业温室、畜禽养殖场和食品加工等领域"一刊得到了一定的应用。
已经有国内外科研人员将其应用于不同农业环境监测领域，但从国外进口的同类设备及控制系统价格昂贵，运行成本高，不利于在国内推广。
1.2研究的目的和意义
针对上述实际情况，研究开发一种智能农田土壤含水率信息监测系统十分必要。
根据农田土壤环境及含水率监测的具体特点，应用无线传感器网络技术，设计了切实可行的土壤水分无线传感网络自动监测系统。
它主要由低功耗无线传感器网络终端节点，通过ZigBee自组网方式构成，进行环境数据的采集和无线传输，通过ZigBee网络技术实现终端节点与网关节点的无线通信，监测中心人员可以通过监测中心对系统进行管理和配置、发布监测任务以及对数据进行分析。
将该系统应用于现场数据监测，通过测试检验其性能。
1.3国内外的发展现状
ZigBee从2002年ZigBeeAlliance成立到2006年联盟推出比较成熟的ZigBee2006标准协议，至今已走过了多个春秋，当Zigbee几年前刚出现时，它的支持者曾设想这种基于IEEE802.15.4规范的无线技术拥有潜在的巨大市场。
在低吞吐量、短距离通信应用中，成本是第一王牌，而类似蓝牙、802.11x和802.15.3等规范的性能过于强大。
但对于一些Zigbee支持者来说，当初的设想并没有成为现实。
任何一项通信协议标准都离不开上游芯片厂商的支持和推动，ZigBee作为一项低功耗、低速率无线短距离传输应用的标准，自然也离不开芯片厂商的支持。
从整个ZigBee产业联盟来看，主要的上游芯片供应商有五家，分别为Jennic、Ti（Chipcon）、Frescale、Ember、Ateml。
“芯片”实际上只是一个符合物理层标准的芯片，它只负责调制解调无线通讯信号，所以必须结合单片机才能完成对数据的接收发送和协议的实现。
为了进一步减少OEM厂商的成本，部分上游芯片厂商推出了在单颗芯片上同时集成了物理层的收发和单片机功能的单Soc解决方案，单Soc把射频部分和单片机部分集成在了一起，不需要额外的一个单片机，它的好处是节约成本，简化设计电路。
而且基本上每家芯片公司都免费提供了基于自家芯片的ZigBee协议栈，大大地加速了ZigBee的应用和普及。
随着ZigBee协议标准的逐步完善和物联网大环境的带动，整个ZigBee产业可以说是朝着越来越繁盛的趋势发展，在5大上游芯片厂商和ZigBee联盟的不断努力推动下，基于ZigBee应用层出不穷，并和我们的实际生活接轨，让人们的生活更加智能美好。
ZigBee芯片全球销售收入逐年递增。
ZigBee技术的应用十分广泛，现阶段以商业大楼自动化，家庭自动化控制（新建安装）与仪表控制为重点。
商业大楼可以利用ZigBee完成自动控制，管理员可以有效地管理空调，灯光，火灾感应系统等各项开关控制系统，可以达到减少能源费用，降低管理人力等节约目的。
对消费者来说，若家中具有ZigBee系统，可方便的监控家中的整体运作，有效掌握电力，自来水，瓦斯的使用状况之外，亦可以具有安全功能，例如可以在家中安装无线传感器来监控各种不同情况，一旦侦查到异状即可自动发出警告。
ZigBee在仪表控制市场随着国际仪表巨头中国华立仪表集团;韩国NURITelecom等纷纷开始引进ZigBee技术之仪表控制系统之后，这个市场开始受到重视。
ZigBee仪表控制系统相当适合人工高昂，幅员辽阔，或是抄表员素质不良，抄表准确度不高，又或抄表员不易进入水，电，瓦斯仪表所在地的地方。
具有这样背景的地方促使ZigBee仪表控制市场具有一定的需求。
二、ZigBee简介
2.1Zigbee的概念及特点
ZigBee一词来源于蜜蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过调ZigBee形状的舞蹈来传递新发现的食物的位置，距离和方向等信息。
ZigBee是一种基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的，集组网、安全和应用技术为一体的无线网络技术，ZigBee技术的应用不仅解决了传统灯光控制相对分散、能源浪费、不能实现有效管理的问题，还具备了传统控制方式没有的功能，比如场景设置以及与建筑物内其他灯光系统的关联调节等。
由于IEEE802.15.4仅能处理低层协议：
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。
ZigBee是一种新兴的短距离、低功耗、低数据传输速率（10~250KB/S）、低成本、低复杂度、可靠性高的无线网络技术。
其网络容量较大，可以容纳65000个设备。
提供了数据完整性检查和检测功能，采用AES-128加密算法。
使用频段为2.4GHZ，868MHZ（欧洲）和915MHZ（美国），均为免费频段。
ZigBee的网络拓扑结构主要有星型网络拓扑和对等网络拓扑。
星状拓扑结构中有一个协调者和其它的设备所组成，其它的装置．都只能与协调者连接，完全有协调者处理所需要处理的事情，这种拓扑结构基本上使用64位（8个字节）的扩展地址，此外，协调者给加入网络的设备分配16为的地址以节省频宽。
在这种网络中，网络协调器一般使用持续电力系统供电，而其他设备采用电池供电。
星型网络适合家庭自动化、个人计算机的外设以及个人健康护理等小范围的室内应用。
点对点的拓扑结构也有一个协调者，用来点对点网络中也需要网络协调器，负责实现管理链路状态信息，认证设备身份等功能，但是其他非协调者的FFD除了与协调者连接外，也可、以对在其一定范围内的其他的设备进行通信，不过终端设备只能与FFD连接，而点对点在实际的应用中主要是以更复杂的方式运作，点对点网络模式可以支持ad-hoc网络允许通过多跳路由的方式在网络中传输数据ZigBee网络中主要包括三种类型的设备，包括网络协调器、全功能设备（FFD）、精简功能设备（RFD）。
只有网络协调者才能形成网络与其他的全功能设备或者是精简功能设备的连接。
全功能设备同时具有路由的功能，可提供信息的双向传输。
精简功能设备只能传送信息给全功能设备或者从全功能设备接收信息。
2.2Zigbee与几种无线通信技术的比较
当今无线通讯领域由于其应用范围和要求不同，存在着许多种无线通讯技术，各种无线连接技术都有着各自的优势和不足，应用在不同的领域之中。
目前应用的最为广泛的无线通讯技术有以下几种。
2.2.1ZigBee技术
Zigbee技术主要用于近距离无线连接和家庭局域网络方面，其基础是IEEE802.15.4协议，该协议规定了物理层和低层次的MAC层协议，网络层以上的协议和API的制定由Zigbee联盟负责进行标准化。
工作频带为868/915MHz与2.4GHz,2.4GHz为无许可证频带，世界各地各个领域都可以使用，适合于低成本的Zigbee技术使用。
其传输速度为10k-250kbps,相对于蓝牙技术的传输速度较慢，适用于对数据需求量小，速度要求不高的环境。
并且具有以下几大特点：
（1）省电：
两节五号电池支持长达半年到两年左右的使用时间；
（2）可靠：
采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用的隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；节点模块之间具有自动动态组网的功能，信息在整个Zigbee网络中通过自动路由方式进行传输，从而保证了信息传输的可靠性；
（3）时延短：
针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短；
（4）网络容量大：
可支持达65000个节点；
（5）安全：
Zigbee提供了数据完整性检查功能，加密算法采用通用的AES-128；
（6）高保密性：
64位出厂编号和支持AES-128加密。
2.2.2蓝牙技术
蓝牙技术是1994年爱立信公司首先提出的一种短距离无线通讯技术规范，能够在设备间实现方便快捷、灵活安全、低成本、低功耗的数据和语音通讯，是目前无线局域网的主流技术之一。
其工作标准为IEEE802.15.4工作频带为ISM2.4GHz，在该频带上有79个信道，可以随时更换频道以防止干扰，传输速率为723.1kbps.当发射功率为1mW时，其通信距离可达10m；发射功率为100mW时，通信距离可达100m。
蓝牙技术采用灵活的无基站组网方式，在这种组网方式下，每一个蓝牙设备都能够同时和7个设备进行通信，而且支持点对点与点对多点的通信方式，在点对点的通信方式下，蓝牙技术采用密码核对方式进行通信，及通信的两个设备需要进行设置相应的密码进行配对，大大增加了数据传输的安全性。
该技术广泛应用于现在如手机、PDA、台式机电脑和笔记本电脑等主流消费性产品当中。
2.2.3Wi-Fi技术的比较
无线局域网技术WLAN（Wi-Fi）,其技术标准为802.11，可实现十几兆至几十兆的无线接入。
WLAN最大的特点是便携性，主要解决用户“最好100m”的通信需求，定位于人点地区的高速游牧数据接入，不支持高速移动性，主流应用是商务用户在酒店、机场等热点使用便携电脑上网浏览或访问企业的服务器。
WLAN制定有一系列标准，有802.11b/n等。
使用WiFi的缺点包括功耗大、成本高、协议开销大、需要接入点。
目前在一个器具上增加WiFi至少需要15美元。
Bluesoft标记的价格是65美元。
虽然成本还会下降，但近期仍只能用于跟踪价值较高的资产。
一个仓库可能只会把Bluesoft标记用于它的铲车，而不会用于铲车搬动的箱子。
Wi-Fi是一个无中继转发能力的单跳网，器具只能连接到接入点（AP）。
AP之间的链接、AP与其他网络的链接往往通过常规的有线以太网。
如果已经用于其他以太网业务的同一布线再用作WiFi回传，就需要进行认证或者把WiFi无线数据包隔离开。
要不，你就不得不安装新的缆线和交换机。
现在，需要新兴公司正在推进Wi-Fi网状网，其内AP被用作路由器，彼此自动发现，可经过几跳转发业务。
但网状网结构主要涉及用于室外，在AP之间要求视距，使他们更适用于服务提供商，而不是企业。
随着低速率应用市场需要的不断增长，Zigbee和Wi-Fi系统共处的可能性越来越大，但是由于两者都主要工作在2.4GHZ的ism频段，他们不可避免的会产生相互干扰，所以Zigbee和Wi-Fi之间的共存是一个待需解决的问题。
2.2.4红外技术
红外技术（IrDA,InfraredDataAssociation）是制定于1993年的一种短距离无线通讯标准。
采用波长850nm的红光作为传输介质，采用点到点通讯方式，通过红外光脉冲和电脉冲的转化实现通信，通讯距离在1米以内，传输速率为16Mbps,是一种代替传统线缆传输的有效通讯方式。
但因其传输距离有限、传输方向局限大等特点，在应用上受到了很大的限制。
2.3zigbee网络基础
ZigBee协议栈由IEEE802.15.4规范的物理层（PHY）、媒介访问控制层（MAC）和ZigBee联盟增加的网络层（NWK）、安全层、应用层（APL）组成。
IEEE802.15.4定义了868/915MHz和2.4GHz两个物理层标准，其中最常采用的是2.4GHz物理层，它基于直接序列扩频技术，有16个信道，信道间隔为5MHz，数据采用十六进制准正交调制，能够提供250kbps的传输速率。
IEEE802.15.4定义的MAC层采用了特别的载波侦听多路访问/冲突防止（CSMA-CA）算法的信道访问控制和完全握手协议，为无线数据的可靠传输提供了保证。
ZigBee的网络层主要实现网络的建立，节点加入或离开网络、储存相关邻近节点信息、路由发现和路由维护等功能，支持星形、树形、网格等多种拓扑结构。
ZigBee的安全层提供了循环冗余校验、访问控制列表、AES-128加密等安全保护措施，保证网络中的便携设备不会意外泄漏其标识以及其它节点不会俘获传输中的信息。
ZigBee的应用层主要负责把不同的应用映射到ZigBee网络上，主要包括安全与鉴权、多个业务数据流的会聚、设备发现和业务发现等。
图2.3ZigBee协议栈结构
2.3.1ZigBee节点的类型
从网络配置来讲，ZigBee网络有三种类型的节点：
协调节点、路由节点和终端节点。
ZigBee协调节点在无线传感器网络中可以作为汇聚节点,它必须是FFD，一个ZigBee网络只有一个协调节点，它功能强大，是整个网络的主控节点，负责发起建立新的网络、设定网络参数、管理网络中的节点以及存储网络中节点信息等，网络形成后也可以执行路由器的功能，协调节点一般由交流电源持续供电。
ZigBee路由节点也必须是FFD，它可以参与路由发现、消息转发、通过连接别的节点来扩展网络的覆盖范围等。
此外，路由节点还可以在它的个人操作空间中充当普通协调节点，普通协调节点与协调节点不同，它仍然受协调节点的控制。
ZigBee终端节点可以是FFD或者RFD，它通过协调节点或者路由节点连接到网络，但不允许其它任何节点通过它加入网络，终端节点能以非常低的功率运行。
2.3.2ZigBee网络的拓扑结构
如图2.3.1所示，ZigBee主要支持三种拓扑结构：
星形、树形和网格形[10]。
星形拓扑是由一个协调节点和多个终端节点组成的，协调节点位于网络的中心，负责发起建立和维护整个网络，其它的节点一般为RFD，分布在协调节点的覆盖范围内，直接与协调节点进行通信。
星形网的控制和同步都比较简单，通常用于节点数量较少的场合；网格拓扑一般由若干个FFD连接在一起组成骨干网，它们之间是完全的对等通信，每个节点都可以与通信范围内的其它节点通信，但它们中也有一个会被推荐为协调节点，骨干网中的节点还可以连接FFD或RFD组成以它为协调节点的子网。
网格拓扑是一种高可靠性网络，具有自恢复能力，它可为传输的数据包提供多条路径，一旦一条路径出现故障，则存在另一条或多条路径可供选择，但正是由于两个节点之间存在多条路径，它也是一种“高冗余”的网络；树形拓扑采用簇树路由传输数据和控制信息，枝干末端的叶子节点一般为RFD。
每个簇首向与它相连的叶子节点提供同步服务，这些簇首受协调节点的控制，协调节点比网络中的其它簇首具有更强大的处理能力和存储空间。
树形拓扑的一个显著优点是网络覆盖范围较大，但随着覆盖范围的增大，信息的传输时延增大，而且同步复杂。
图2.3.1网络结构类型
而本次设计中采用的通信方式为星型拓扑结构，这样使用起来可以在设计中省略了无线路由器的建立。
2.3.3ZigBee无线网络的组建
协调器节点组网流程如图4.3所示，当FFD协调器设备被激活后，首先进行对物理层所默认的有效信道进行能量扫描，以检测可能存在的网络重叠以及PANID冲突的干扰。
并对检测到的信道按能量值进行排序。
然后执行主动扫描过程以选择唯一的16位PANID，建立自己的网络。
当一个新网络被建立后，ZigBee路由器与终端设备就可以加入到该网络中了。
图4.3协调器组网流程图
新网络建立后，所有其它节点（FFD或RFD）均可作为网络中的子节点发送入网请求，寻找其通信范围内的网络。
如果找到网络，节点根据所获取的网络信息选择一个父节点提出入网请求，并等待父节点的请求响应。
父节点接到一个入网申请后，将根据请求信息做出是否允许加入网络的判断，若允许加入，则父节点发出请求响应，通知子节点。
子节点收到请求响应后，将得到一个父节点分配给它的一个16位网络地址作为在网络内的唯一身份标识，至此节点成功加入该网络。
这样通过一级级的网络地址分配，网络区域内的所有节点将组成一定形式的网络结构。
2.3.4星型网络的组建与通信的实现
本文的实验是以土壤湿度传感器采集的样本作为实验数据，以此来验证本系统的可行性，因此以土壤湿度采集节点为例，介绍星型网络的组建与各节点间通信的实现。
在网络设置时，使用网峰公司提供的开发套件对网络进行配置。
加入网络成功后，它即通过协调器发送的信标与协调器实现同步工作，开始按周期采集本处的压力值，并将测量值传送给协调器。
其流程如图2.3.4所示。
否
是
否
是
图2.3.4加入网络流程图
三、系统硬件设计
3.1系统总体电路图
3.1.1气体浓度数据采集电路图
3.1.2ZigBee网络节点电路图
3.2气体浓度采集电路与原理
3.2.1气体浓度传感器采集原理
利用气体浓度传感器可以读出气体浓度的模拟值，工作过程为：
当浓度过高时，模块输出一个高电平，反之输出低电平。
这是一个简易的水分传感器可用于检测土壤的水分，当土壤缺水时，模块输出一个高电平，反之输出低电平。
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3.3ZigBee节点基本电路与原理
3.3.1时钟频率电路
CC2530芯片的时钟频率电路主要有晶振频率为32MHz和32.768KHz的两个时钟电路。
外接的32MHz的晶振XTAL1与两个负载电容一起组成32MHz的晶体振荡器。
如图3.3.1所示。
图3.3.132MHz时钟频率
XTAL2是一个频率为32.768KHz的晶振，与连个电容组成晶体振荡
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