大棚环境监控网络设计.docx
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大棚环境监控网络设计
摘要-2-
第一章绪论-3-
1.1温室温度控制系统的设计背景-3-
1.2温室温度控制系统设计的意义-3-
1.3温室温度控制系统的内容-3-
第二章无线传感器网络的理论基础-4-
2.1WSN的介绍-4-
2.1.1应用领域-4-
2.1.2主要特点-4-
2.2WSN的构成-4-
第三章路由协议的分析-6-
3.1路由协议的分类-6-
3.2路由协议的分析-6-
第四章无线传感器网络的设计实现-8-
4.1系统硬件电路设计-8-
4.1.1主板电路设计（如附录）-8-
4.1.2各部分电路-8-
4.2系统软件设计-10-
4.2.1系统软件设计的整体思想-10-
4.2.2系统程序流程图-11-
第五章总结与展望13
参考文献14
附录15
摘要
本文利用8051单片机设计一个温室的温湿度控制系统，对给定的温湿度进行控制并实时显示，其中温湿度信号各有四路，系统采用一定的算法对信号处理以确定采取某种控制手段，在本系统中采用温度优先模式，循环处理。
关键字：
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第一章绪论
1.1温室温度控制系统的设计背景
温度是科学技术中最基本的物理量之一，物理、化学、生物等学科都离不开温度。
在工业生产和实验研究中，像电力、化工、石油、冶金、航空航天、机械制造、粮食存储、酒类生产等领域内，温度常常是表征对象和过程状态的最重要的参数之一。
比如，发电厂锅炉的温度必须控制在一定的范围之内；许多化学反应的工艺过程必须在适当的温度下才能正常进行；炼油过程中，原油必须在不同的温度和压力条件下进行分馏才能得到汽油、柴油、煤油等产品。
没有合适的温度环境，许多电子设备就不能正常工作，粮仓的储粮就会变质霉烂，酒类的品质就没有保障。
因此，各行各业对温度控制的要求都越来越高。
可见，温度的测量和控制是非常重要的。
单片机在电子产品中的应用已经越来越广泛，在很多的电子产品中也用到了温度检测和温度控制。
随着温度控制器应用范围的日益广泛和多样，各种适用于不同场合的智能温度控制器应运而生。
1.2温室温度控制系统设计的意义
随着社会的发展，科技的进步，以及测温仪器在各个领域的应用，智能化已是现代温度控制系统发展的主流方向。
特别是近年来，温度控制系统已应用到人们生活的各个方面，但温室温度控制一直是一个未开发的领域，却又是与人们息息相关的一个实际问题。
针对这种实际情况，设计一个温室温度控制系统，具有广泛的应用前景与实际意义。
1.3温室温度控制系统的内容
本设计的内容是温度测试控制系统，控制对象是温度。
温度控制在日常生活及工业领域应用相当广泛，比如温室、水池、发酵缸、电源等场所的温度控制。
而以往温度控制是由人工完成的而且不够重视，其实在很多场所温度都需要监控以防止发生意外。
针对此问题，本系统设计的目的是实现一种可连续高精度调温的温度控制系统，它应用广泛，功能强大，小巧美观，便于携带，是一款既实用又廉价的控制系统。
本设计是对温度进行实时监测与控制，设计的温度控制系统实现了基本的温度控制功能：
当温度低于设定下限温度时，系统自动启动加热继电器加温，使温度上升，同时绿灯亮。
当温度上升到下限温度以上时，停止加温；当温度高于设定上限温度时，系统自动启动风扇降温，使温度下降，同时红灯亮。
当温度下降到上限温度以下时，停止降温。
温度在上下限温度之间时，执行机构不执行。
三个数码管即时显示温度，精确到小数点一位。
第二章无线传感器网络的理论基础
2.1WSN的介绍
无线传感网（wirelesssensornetwork）是由在空间中分布的含有传感器的自主设备所组成的无线网络。
这些设备协同监测不同位置上的物理或环境条件，比如温度、声音、振动、压力、运动、污染等。
无线传感网的开发最初用于军事用途，比如战场监视。
如今无线传感网已被用于很多民事用途，包括生态环境监测、医疗卫生应用、家庭自动化、交通控制等。
传感网络中的每一个节点除了装有一个或多个传感器以外，一般还装有一个无线电收发器，一个小型微控制器，和一个能量装备，这通常是一个电池。
单一传感节点的大小不一，大如一个鞋盒，小至一粒尘土。
同样的，部署这些传感节点的花费也不一，这要取决于传感网络的大小以及单一传感节点的复杂度。
在尺寸和费用上对传感节点的制约，导致了对其在能源、存储、计算速度和带宽等资源方面上的相关制约。
在计算机科学和电信学领域，无线传感网是一个活跃的研究方向，每年都安排有大量的研究小组和研讨会。
2.1.1应用领域
无线传感网在不同的场合有很多应用。
在商业和工业领域，有些数据很难用有线传感器来监视，或者实现起来代价过于昂贵，在这种场合可以用无线传感网来监视。
无线传感网可以被部署在野外环境，它们可以被放置多年（用来监视某些环境因素）而不需要重新充电或者更换能量装备。
它们能够组成属地的边界，监视入侵者的行进过程（将信息在节点之间传递）。
无线传感网的用途很多，典型的应用包括监视、跟踪和控制。
它一般被用于自然环境监视、目标跟踪、核反应堆控制、火警监测、交通监视等用途。
在一个典型的工作环境中，无线传感网被分散布置到区域中的各处，通过它的传感节点来采集数据。
地区监视是无线传感网的一种典型应用。
在此应用中，无线传感网被布置在需要监视某种现象的区域中。
举例来讲，可将大量的传感节点布置在战场上，取代地雷来监视敌人的入侵。
一旦传感器检测到被监视事件（热、压力、声音、光、电磁场、振动等）的发生，就需要将该事件报告给基站，基站收到报告后做出相应的动作（比如将消息发至互联网或者卫星）。
根据具体应用的场合，不同的性能目标需要不同的数据传播策略，这些目标包括对响应的实时性的要求，对数据冗余的要求，对安全性的要求等。
2.1.2主要特点
无线传感网的特点有：
节点小型化、有限的能量供给、苛刻的环境条件、节点失效问题、动态的网络拓扑、通讯失败问题、大量部署的节点、无人值守。
可以将传感节点想像成一台小巧的计算机，特别是在它们的接口和组件方面。
传感节点通常由这些部分组成，一个计算能力和存储能力有限的处理单元，一些传感器（有特定的调节电路），一个通讯设备（通常为无线电收发器），和一个通常为电池的能量供给装置。
其他一些可选部分有环境能源发电模块，辅助的专用集成电路，以及可能的辅助通讯设备（比如RS232或USB）。
基站可以有一个或者多个，它们是无线传感网中的特殊成员，具有相对强大的计算、能量和通讯资源。
基站的作用相当于传感节点和最终用户之间的网关。
2.2WSN的构成
典型的WSN系统主要由信息管理节点、汇聚节点、传感器节点和相关网络构成。
传感器节点由部署在感知对象附近大量的廉价微型传感器模块组成，其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖区域中感知对象的信息，并发送到汇聚节点。
各模块通过无线通信方式形成一个多跳的自组织网络系统，传感器节点采集到的数据沿着其他传感器节点逐跳传输到汇聚节点。
一个WSN系统通常有数量众多的体积小、成本低的传感器节点。
汇聚节点和传感器节点构成了底层数据采集和传输的网络系统，虽然单个节点功能有限，采集的数据也不够准确，但是大量具有一定计算能力、存储能力和通信能力的节点相互协作，构成一个具有高度抗毁性的网络系统，其采集数据的精度和广度得以很大提升，传回的数据完全能够作为用户决策的参考。
汇聚节点通过通信卫星或其他其通信网络，将监测数据传输到管理节点。
管理节点通过对整个系统的配置和管理，实现对系统中各节点监测任务的发布和监测数据的收集与处理。
第三章路由协议的分析
3.1路由协议的分类
一种分类方法（5类）：
1、基于聚簇的路由协议可分为LEACH,PEGASIS,TEEN等。
2、基于地理位置的路由协议可分为GEM，MAP，LCR等。
3、以数据为中心的路由协议可分为DD，Rumor-routing，TTDD，支持查询的近似路由算法等。
4、能量感知路由协议可分为Energyawarerouting，GEAR,等。
5、容错路由协议
建立多条路径，重复传输数据包，基于编码的机会路由协议（MORE）等
3.2路由协议的分析
1、能量有效性
提高能量有效性是WSN从硬件设计到软件开发都必须考虑的问题。
从路由协议设计的角度有两种思路提高能量有效性：
节能：
寻找节能路由，减少路由建立和维护的控制开销，提高路由可靠性
能耗均衡：
从空间上调度能量资源，使网络中节点能量均衡消耗
2、可扩展性
可扩展性是指网络的性能不随着网络中节点的数量增加而有明显的下降两类重要策略：
分层路由：
网络分成若干层，低一层的群首构成高一层的网络。
节点地位不同，首为局部控制中心，负责群内路由、信道接入、休眠调度等；大多数节点作为群成员其操作相对简单，控制开销较低
地理路由：
地理位置信息实际上体现节点间相对拓扑关系，利用这一信息路由能很大程度上降低用于收集拓扑信息付出的开销，提高协议的可扩展性地理路由使用的前提是节点能获得自己和目的节点的地理位置信息对于节点有移动性，任意两个节点之间都可能进行通信的网络，为获得目的节点位置信息需不断更新位置信息，开销较大，地理路由的优势就不明显
3、数据传输可靠性
数据传输的可靠性直接关系到WSN是否能给用户提供准确、全面和可靠的信息，而WSN中节点无线通信能力弱，应用环境复杂，实际的链路质量比较低。
如何保证数据传输的可靠性是WSN路由设计中的一个关键问题影响WSN数据传输可靠性原因：
无线信道上的碰撞导致分组无法正确接收、节点故障使路由不可用，导致分组丢失、链路不可靠，导致分组传输出错或丢失。
路由协议的解决策略：
泛洪路由（Flooding）
扩散法（Flooding）是一种传统的网络路由协议，不需要知道网络拓扑结构和使用任何路由算法
协议内容：
一节点S希望发送一块数据给节点D，节点S首先通过网络将数据副本传送给它的每一个邻居节点，每一个邻居节点又将其传输给各自的每一个邻居节点，除了刚刚给它们发送数据副本的节点S外。
如此继续下去，直到将数据传输到目标节点D为止或者为该数据所设定的生命期限（在传感器网络里面通常定义为最大跳数）变为零为止或者所有节点拥有此数据副本为止。
Gossiping路由协议：
Gossiping协议是对Flooding协议的改进,节点将产生或收到的数据随机转发给一个或者若干个相邻节点,避免了内爆,但增加了时延，且无法避免重叠问题。
SPIN协议（sensorprotocolforinformationvianegotiation）
SPIN是最早的以数据为中心的自适应路由协议，通过协商机制来解决洪泛算法中的“内爆”和“重叠”问题，节省了能量的消耗。
DD（DirectedDiffusion）定向扩散路由协议：
DirectedDiffusion是一种以数据为中心的路由协议，与已有的路由协议有着截然不同的实现机制，其突出特点是引入了梯度来描述网络中间节点对该方向继续搜索获得匹配数据的可能性。
在DirectedDiffusion中，可以对路径进行修复。
在建立多条数据源到Sink节点的路径之后，Sink节点可以选择增强其中的一条路径用于数据的传输，而同时保持另外一条低速数据传输的路径。
当高速路径，也就是经过增强的路径出现故障时，Sink节点可以增强低速路径，保证源节点到Sink节点的数据传输。
虽然保持低速路径的过程需要消耗一些能量，但是在故障时，可以节省很多能量开销。
对于故障比较频繁的网络，保持一条低速路径是很有好处的。
DD与SPIN的最大区别：
DD采用基于需求的数据查询机制。
在DD中，由Sink节点发出数据查询请求，而在SPIN中，节点广播自己的数据，以允许其他节点来查询。
GPSR（GreedyPerimeterStatelessRouting）路由协议：
GPSR协议是一个典型的基于位置的路由协议。
使用GPSR协议，网络节点都知道自身地理位置并被统一编址，各节点利用贪心算法尽量沿直线转发数据。
产生或收到数据的节点向以欧氏距离计算最靠近目的节点的邻节点转发数据，但由于数据会到达没有比该节点更接近目的点的区域（称为空洞），导致数据无法传输，当出现这种情况时，空洞周围的节点能够探测到，并利用右手法则沿空洞周围传输来解决此问题。
LEACH（Low-EnergyAdaptiveClusteringHierarchy）路由协议：
LEACH是一种基于聚类（Clustering）路由协议，在WSN路由协议占有重要地位，其他基于聚类的路由协议如TEEN、APTEEN、PEGASIS等大都由LEACH发展而来。
第四章无线传感器网络的设计实现
4.1系统硬件电路设计
4.1.1主板电路设计（如附录）
单片机的P1.0接DS18B20的2号引脚，P0口送数P2口扫描，P1.1、P1.2控制加热器和电风扇的继电器。
4.1.2各部分电路
（1）显示电路
显示电路采用了7段共阴数码管扫描电路，节约了单片机的输出端口，便于程序的编写。
图1显示电路图
（2）单片机电路
图2单片机电路引脚图
（3）AT89SISP下载口电路
图3下载口电路引脚图
此电路连接单片机。
（4）DS18B20温度传感器电路
图4温度传感器电路引脚图
（5）继电器电路
图中P1.1引脚控制加热器继电器，P1.2引脚控制电风扇继电器。
给.P1.1低电平，三极管导通，电磁铁触头放下来开始工作；同样给P1.2低电平，三极管导通，电磁铁触头放下来开始工作。
图16继电器电路图
（6）晶振控制电路
图17晶振控制电路图
（7）复位电路
图18复位电路图
4.2系统软件设计
4.2.1系统软件设计的整体思想
一个应用系统要完成各项功能，首先必须有较完善的硬件作保证。
同时还必须得到相应设计合理的软件的支持，尤其是微机应用高速发展的今天，许多由硬件完成的工作，都可通过软件编程而代替。
甚至有些必须采用很复杂的硬件电路才能完成的工作，用软件编程有时会变得很简单，如数字滤波，信号处理等。
因此充分利用其内部丰富的硬件资源和软件资源，采用与S51系列单片机相对应的51汇编语言和结构化程序设计方法进行软件编程。
程序设计语言有三种：
机器语言、汇编语言和高级语言。
机器语言是机器唯一能“懂”的语言，用汇编语言或高级语言编写的程序（称为源程序）最终都必须翻译成机器语言的程序（成为目标程序），计算机才能“看懂”，然后逐一执行。
高级语言是面向问题和计算过程的语言，它可通过于各种不同的计算机，用户编程时不必仔细了解所用的计算机的具体性能与指令系统，而且语句的功能强，常常一个语句已相当于很多条计算机指令，于是用高级语言编制程序的速度比较快，也便于学习和交流，但是本系统却选用了汇编语言。
原因在于，本系统是编制程序工作量不大、规模较小的单片机微控制系统，使用汇编语言可以不用像高级语言那样占用较多的存储空间，适合于存储容量较小的系统。
同时，本系统对位处理要求很高，需要解决大量的逻辑控制问题。
MCS—51指令系统的指令长度较短，它在存储空间和执行时间方面具有较高的效率，编成的程序占用内存单元少，执行也非常的快捷，与本系统的应用要求很适合。
而且MCS—51指令系统有丰富的位操作（或称位处理）指令，可以形成一个相当完整的位操作指令子集，这是MCS—51指令系统主要的优点之一。
对于要求反应灵敏与控制及时的工控、检测等实时控制系统以及要求体积小、系统小的许多“电脑化”产品，可以充分体现出汇编语言简明、整齐、执行时间短和易于使用的特点。
本装置的软件包括主程序、读出温度子程序、复位应答子程序、写入子程序、以及有关DS18B20的程序（初始化子程序、写程序和读程序）等。
主程序的功能是：
启动DS18B20测量温度，将测量值与给定值进行比较，若测得温度小于设定值，则进入加热阶段，置P1.1为低电平，这期间继续对温度进行监测，直到温度在设定范围内，置P1.1为高电平断开可控硅，关闭加热器，等待下一次的启动命令。
当测得温度大于设定值，则进入降温阶段，则置P1.2为低电平，这期间继续对温度进行监测，直到温度在设定范围内，置P1.2为高电平断开，关闭风扇，等待下一次的启动命。
4.2.2系统程序流程图
系统程序主要包括主程序，读出温度子程序，复位应答子程序，写入子程序等。
1）主程序
主程序的主要功能是负责温度的实时显示、读出并处理DS18B20的测量的当前温度值，温度测量每1s进行一次。
这样可以在一秒之内测量一次被测温度，见图19所示观察数据变化波形。
通过调用读温度子程序把存入内存储中的整数部分与小数部分分开存放在不同的两个单元中，然后通过调用显示子程序显示出来。
图5.1连接传感器及各节点数据的观测
2）读出温度子程序
读出温度子程序的主要功能是读出RAM中的9字节，在读出时需进行CRC校验，校验有错时不进行温度数据的改写。
DS18B20的各个命令对时序的要求特别严格，所以必须按照所要求的时序才能达到预期的目的，同时，要注意读进来的是高位在后低位在前，共有12位数，小数4位，整数7位，还有一位符号位。
3）复位、应答子程序
4）写入子程序
5）系统总的流程图
第五章总结与展望
经过几天努力，完成了温室温度控制系统的设计，达到预计的设计目标，从心底里说，非常高兴，通过这次设计将硬、软件做了出来，并能按照预定的要求工作了，但高兴之余不得不深思呀！
在本次设计的过程中，我发现很多的问题，虽然以前没有独立做过这样的设计，但这次设计真的让我长进了很多，单片机课程设计重点就在于软件算法的设计，需要有很巧妙的程序算法，虽然以前写过几次程序，但我觉的写好一个程序并不是一件简单的事，举个例子，以前写的那几次，数据加减时，我用的都是BCD码，这一次，我全部用的都是16进制的数直接加减，显示处理时在用除法去删分,感觉效果比较好，有好多的东西，只有我们去试着做了，才能真正的掌握，只学习理论有些东西是很难理解的，更谈不上掌握。
从这次的设计中，我真真正正的意识到，在以后的学习中，要理论联系实际，把我们所学的理论知识运用到实际当中，学习单机片机更是如此，程序只有在经常的写与读的过程中才能提高，这就是我在这次设计中的最大收获。
通过对多种温度控制系统的分析研究，本论文自行设计并实现了一种温度测试控制系统。
该系统基于51系列单片机的控制，通过AT89S51处理温度传感器检测的数字信号，从而控制固态继电器的打开和关闭，实现对温度的控制，同时配合按键的手动控制，使得系统操作更加方便、人性化。
通过对硬件与软件的调试情况，系统基本能实现论文所预期的设计功能，不过系统仍然存在一些不足之处，有待改进。
从设计方案的选择到最终系统功能的实现，我在这个过程中学到了许多新的知识。
首先是阅读了一些参考文献，使我对温度控制系统有了全新的认识。
在这次系统设计的过程中遇到了很多困难，但通过自己的努力都一一克服了。
这次设计我不光在硬件方面有很大提高，在理论上也学到了很多。
当然由于自己前一段时间不抓紧，搞的到最后几天拼命赶论文，弄的自己很狼狈，这是我以后要吸取教训的地方，凡事都得有计划。
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