基于无线传感器网络的温室控制新版专业系统设计.doc
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1、目录 摘要Abstract第一章 前言11.1 研究目和意义11.2 国内外研究现状21.3 研究内容2第二章 系统有关技术42.1 无线传感器网络4 2.2 ZigBee无线通信技术4 2.3 GPRS概述 5第三章 温室参数分析和系统总体设计63.1 温室参数分析73.2 系统总体设计 5第四章硬件设计64.1 微解决器模块74.2 无线收发模块104.3 数据采集模块114.4 报警模块15第五章 软件设计165.1 管理中心设计165.2 ZigBee 软件开发环境175.3 传感器节点设计185.4 汇聚节点设计195.5 执行构造模块设计20第六章 结论21道谢22参照文献23摘要
2、国内农业正在向当代化、规模化、智能化发展。温室大棚作为当代农业生产中不可缺少某些,对温室环境有效管理能提高温室作物生产效率和农民经济效益。 温室环境湿度、温度、光照强度等因数对温室作物生长有很大影响。针对温室控制需要,设计了一种基于无线传感器网络温室控制系统。该系统通过度布在温室区域内大量传感器节点采集信息,数据以Zigbee无线传送方式发送至汇聚节点。 汇聚节点通过GPRS网络与远程服务中心通信,同步汇聚节点能接受远程服务中心发出控制命令,控制布置在温室控制节点,进而调节温室各参数达到适当规定。 核心词: 无线传感器网络,温室,ZigBee技术 AbstractChinas agricult
3、ure is to modern,large-scale,intelligent development. Greenhouse an indispensable part of modern agricultural production,the effective management of the greenhouse environment can improve the efficiency of greenhouse crop production and farmers economic benefits. Greenhouse environment,humidity,temp
4、erature,light intensity and other factors on the growth of greenhouse crops have a great impact. A greenhouse control system based on wireless sensor network is designed for the needs of greenhouse control. The system collects information through the sensor nodes distributed in the greenhouse area,a
5、nd the data is sent to the sink node in ZigBee wireless transmission mode. The convergence node communicates with the remote service center through the GPRS network,and the collection node can receive the control commands issued by the remote service center to control the control nodes deployed in t
6、he greenhouse,and then adjust the greenhouse parameters to meet the requirements. The system has the advantages of low cost and convenient deployment.Key words: Wireless Sensor Network,Greenhouse, ZigBee Technology 第一章 前言1.1 研究目和意义当前诸多温室控制系统采用是有线传播方式,有线传播需要铺设大量信号传播线,由于天气和其她因素设备之间连接线很容易坏,提高了检修和维护难度。将
7、无线传感器网络应用在温室控制系统中,除去了设备之间信号传播线,不但提高了系统精确性,系统扩展性也得到提高,也以便了系统检修和维护。基于无线传感器网络温室控制系统,能精确地监测温室内温度、湿度、光照强度等参数,大幅度提高温室作物产量和品质。1.2 国内外研究现状 20世纪,基于总线技术涉及以太网技术温室控制系统得到了迅速发展。葡萄牙Metrolho,J. C.等人在1999建立了基于CAN总线以及PC机等组建典型温室控制系统1。 美国兴起了划时代意义无线传感器网络技术,并尝试性地将其运用到温室监测中。由分布在监测区域内大量微型传感器节点构成,以多跳形式自组织成网络系统,各传感器采集和分析网络覆盖
8、区域中监测对象信息,并发送给观测者技术引起了人们关注2-3。 在无线传感器技术这个方面,国内温室无线控制技术仍处在起步阶段。 当前, 星型网络拓扑构造在温室控制系统中是运用最多无线数据传播。系统中,主机直接与温室大棚中传感器节点相连。拓扑构造相对简朴,易于检修和维护。运用温室智能环境监控技术、无线传感器网络技术构成无线温室控制系统,实现温室环境自动化、规模化控制是将来发展方向4-5。 1.3 研究内容本文依照温室环境参数和无线传感器网络特点,提出温室控制系统设计方案。设计了一种基于无线传感器网络温室控制系统。该系统通过度布在温室里传感器节点采集信息,数据以ZigBee无线传送方式将信息发送至汇
9、聚节点。 汇聚节点通过GPRS技术传播到远程服务中心,同步汇聚节点能接受远程服务中心发出控制命令,控制布置在温室控制节点,进而调节温室环境参数达到适当规定。本系统具备成本不高,布置便利等长处。 第二章 系统有关技术2.1 无线传感器网络无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)是由布置在监测区域内大量低成本、低功耗微型传感器节点构成,节点之间通过无线通信形成一种多跳自组织网络系统 6。WSN 由无线传感器节点、汇聚节点、传播网络和远程控制中心构成,其基本构成构造如图1。图1无线传感器网络基本构成某些布置在被监测区域监测节点实时、有效、精确对监测区域进行数据采集,
10、对数据进行存储以无线传播方式传播到汇聚节点。汇聚节点对数据进一步解决、分析、存储,在显示屏上显示,便于观测者查看。通过互联网传播到远程管理中心,远程管理中心可以对被监测区域发出控制任务和收集数据。 2.2 ZigBee无线通信技术 当前,在短距离无线传播技术人们族中,除ZigBee技术外, 尚有许多,如:蓝牙技术、UWB技术、Wi-Fi 等。表1给出了几种常用短距离无线传播技术 5-6。 表1几种短距离无线通信技术比较 蓝牙UWB Wi-Fi ZigBee 规范原则802.15.1未定802.11b802.15.4 工作频段 2.4GHz 3.1-10.6GHz2.4GHz;5GHz868/9
11、15GHz;2.4GHz最大传播速率1 Mb/s110 Mb/s 54 Mb/s250kb/s 最大功耗 1-100mW200mW 100mW13mW传播距离 l 0m 10m10-100m 10-75m网络容量 8 8256 65536 电池寿命 4-8小时1-2小时1-3小时半年以上 成本低高 低低 从上面表格可以对比得到,ZigBee技术在温室控制系统中有如下长处:(1)成本低:相比于其她几种短距离无线通信技术,ZigBee技术合同栈设计相对简朴, ZigBee不收任何合同专利费。因而ZigBee通信模块成本低,很适合用在无线传感器网络中。(2)容量大:ZigBee有星型、树型、网状构造
12、。一种主节点管理若干个子节点,一种主节点可以管理254个子节点,主节点可以由上层网络管理可以构成65535个节点。(3)低速率:从上表中可以看出ZigBee技术传播速率是最低,最大为250kb/s,在温室控制系统中,温室采集数据周期大且数据量大,传播速率低有助于节能,适合温室应用。 (4) 功耗低:相比其她技术功耗,ZigBee是最低,并且ZigBee技术容许设备空闲时转入睡眠功能,这有助于节点节能,减少了更换电池次数,增长电池使用寿命。 ZigBee网络层支持星型拓扑构造、树型和网状拓扑构造,如图2所示。图2 ZigBee技术网络拓扑机构图星型拓扑构造由一种协调器控制,协调器可以直接与远程控
13、制中心进行数据通信,当一种节点发生故障时不会影响其她节点工作。在温室控制系统中布置在监测区域传感器自组织成网络,以多跳传播数据。树型拓扑构造涉及一种协调器和若干路由器和终端节点,通信原则是:子节点只能和父节点通信。网状拓扑构造和树型拓扑构造构成大体相似,由协调器、路由器、终端节点构成,不同是网状拓扑构造任意节点间可以通信,并且是自动寻找一条信息传播最优途径。ZigBee技术可在868MHz、915MHz、2.4GHz三个频段上工作,这三个频段分别合用于全球、欧洲、美国,三个频段传播速率为20kbit/s、40kbit/s、250kbit/s。通信延迟时间在15ms-30ms之间,它传播距离在1
14、0-75m之间,用干电池供电。适合与温室控制系统短距离传播,低功耗特点。 2.3 GPRS概述 GPRS(General Packet Radio Service)是通用分组无线服务技术 简称。英国BT Cellnet公司于1993年提出在GSM发展新分组数据承载业务GPRS,作为向第三代移动通信(3 G)过渡一种技术,是GSM Phase2+规范实现内容之一。GPRS采用与GSM相似频段、频带宽度、突发构造、无线调制原则、跳频规则以及TDMA帧构造,面向顾客提供移动分组IP或者X.25连接,从而为顾客同步提供语音与数据业务 9-11。从外部看,GPRS同步又是Internet一种子网。 GP
15、RS网络重要有如下特点:l 实时在线,管理中心与汇聚节点实时保持通信,以便顾客查阅温室大棚数据。l 按量计费,只有传播数据是才会产生流量费用,没有数据传播,顾客可以挂在网上,不会产生任何费用。l 高速传播,GPRS采用分组互换技术,数据传播速率最高可达171.2kbps。本文采用GPRS技术进行WSN与监控中心之间通信。 第三章 温室参数分析和系统总体设计3.1 温室参数分析 l 温度对作物影响农作物生长与温度有密切关系,在农作物适当温度范畴内,温度越高,呼吸作用和光合伙用越旺盛,农作物生长就越好。而温度过低低,农作物呼吸作削弱,生长缓慢。晚上农作物只进行呼吸作用,呼吸作用消耗有机物质。在一定
16、温度范畴内,晚上温度越低呼吸作用越弱,消耗有机物就少。因而对温室大棚温度控制特别重要,对温室温度实时监测有助于提高农作物产量,增长农民收入。l 湿度对作物影响温室内空气湿度是由土壤水分蒸发、灌溉补充水分和植物蒸腾作用在设施密闭状况下形成12。温室内作物代谢旺盛、生长旺盛、作物叶面积指数高,蒸腾作用释放出大量水蒸气。同步,由于温室大棚空间小、密闭性强、空气流通比较稳定,温室大棚内水蒸气经常超标,保持温室大棚湿度在一种适当范畴非常重要。l 光照度对作物影响农作物想要旺盛生长,适当光照强度必不可少。光以光照强度对农作物产生影响,光照强度太低或者太高对农作物生长均有很大影响。太低,光合伙用效率低;太高
17、,效率也会减少。光照强度太高会导致农作物气孔关闭,光合伙用受阻。 3.2 系统总体设计 温室控制系统目是对温室内环境参数采集,以及依照监测数据控制相应控制节点来控制设备调节温室大棚环境参数,使其达到农作物生长适当环境。顾客可以依照采集到参数对农作物适当生长参数进行调节,使温室作物产量达到最高,农民收入最大化。温室系统详细规定如下: (1)传感器器节点实时、精确监测温室环境参数是温室控制必要达到规定,也是非常核心某些。(2)汇聚节点可以实时接受传感器节点发送数据,能精确显示在显示屏上,并且还要精确无误传播到远程服务中心,远程服务中对接受到数据进行分析、存储、并和原始数据比较,得出最佳温室环境参数
18、。(3)远程服务中心收到汇聚节点传播数据与原始数据比较,高出或低于原始设立数据,发出控制命令,控制 装置做出相应反映,调节温室环境参数达到适当生长环境。(4)提供客户端远程管理软件,以便顾客以便实时读取温室环境参数,查询历史环境参数数据,发送控制命令。本文设计系统重要涉及无线传感器节点、控制装置、汇聚节点或者基站 ,远程服务器,远程管理。总体框架如下图3所示。 图3系统总体构造依照应用需求,将大量微型便宜传感器节点合理分布在被监测区域中,被监测区域有大量传感器节点和一种汇聚节点,某些节点带有控制设备,控制天窗、遮阳网、热风机、湿帘风机、灌溉装置、补光光源继电器启动和关闭来调节环境参数。传感器节
19、点对温室大棚内温度、湿度、光照强度等信息进行采集,用ZigBee无线通信模块传播至汇聚节点,汇聚节点通过GPRS网络将数据传播给管理中心。同步汇聚节点可以接受管理中心传播来控制命令并将命令转发给相应控制节点,控制节点驱动相应阀门设备调节环境参数。管理中心接受数据、分析数据、存储数据并做出控制命令,发送控制命令给汇聚节点,汇聚节点通过ZigBee发送到控制节点。控制相应设备做出反映。第四章 硬件设计 汇聚节点接受监测节点发送数据并进行分析、存储、显示通过GPRS技术传播到远程管理中心,汇集节点还可以接受管理中心控制命令,发送给控制装置调节温室环境参数。汇聚节点由微解决器模块、无线收发模块、报警模
20、块构成。现场监测节点由控制模块、无线收发模块、数据采集模块构成。4.1 微解决器模块在本设计中微解决器模块重要由如下模块构成:微控制器、数据存储模块、实时时钟模块、按键及显示模块。 微控制器用于对传感器节点采集环境参数解决与传播,本设计选用MSP430F149芯片作为微控制器芯片,MSP430系列单片机是美国德州仪器生产一种16位超低功耗混合解决器。数据存储模块用于存储传感器节点采集数据,实时时钟模块重要用于提供系统实时时钟,按键及显示模块重要用于操作显示被监测区域温度、湿度、光照强度等环境参数,显示模块还能显示时间,电池电量,以便顾客对温室进行控制和观测。ZigBee无线通信模块用于汇聚节点
21、与温室内传感器节点之间无线数据通讯,GPRS网络模块用于汇聚节点与管理中心之间远程无线数据传播,执行机构模块用于对温室内环境参数控制,使农作物处在适当生长环境,报警模块用于系统发生故障或者电池电量低需要更换电池时报警,告知顾客及时解决。l 数据存储模块设计FM24CL64是采用先进铁电工艺生产一种保存时间很长存储器,在断电状况下存储数据可以保存45年,具备64kb容量,操作电源为2.7V3.6V,最大工作电流40A。最大读写频率为1MHz,具备迅速两线串行接口。 FM24CL64采用I2C总线进行数据传播, I2C总线是由Philips公司开发一种简朴、双向二线制同步串行总线。它只需要两根线即
22、可在连接于总线上器件之间传送信息13。 由于温室控制系统一次传播数据量相对较小, 1片FM24CL64可完毕系统数据存储,FM244CL6与MSP430F149单片机接口电路如图4所示。图4 数据存储模块电路图单片机MSP430F149接受到传感器节点传播数据,传播到FM24CL64进行存储时 ,需要占用MSP430F149三个引脚,使用起来很以便。SDA是串行数据引脚, 数据输入、输出、传送地址信息等操作用SDA引脚。SCL是串行同步时钟引脚。WP写保护引脚,WP为0时有效,WP为1时,单片机无法向存储单元写入数据,只有当WP为低电平时,单片机才可以对存储模块进行读写 。l 实时时钟模块设计
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