农业大棚环境监测无线传感器网络节点的设计与实现Word格式.docx
- 文档编号:7758609
- 上传时间:2023-05-09
- 格式:DOCX
- 页数:31
- 大小:1.47MB
农业大棚环境监测无线传感器网络节点的设计与实现Word格式.docx
《农业大棚环境监测无线传感器网络节点的设计与实现Word格式.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《农业大棚环境监测无线传感器网络节点的设计与实现Word格式.docx(31页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
greenhouseenvironmentmonitoring;
CC2530;
Zigbee;
Wirelesssensornetwork
第1章引言
1.1论文的研究背景和意义
众所周知,CO2是作物光合作用的重要元素,它对作物的生长发育起着与水肥同等的作用,CO2若供给不足会直接影响作物正常的光合作用,从而导致减产减收。
阳光是作物赖以生存的必要条件,是进行光合作用、制造有机物的能量来源,其对作物生长起着关键的作用。
而作物的光合作用是在温度和光照条件下进行,不同的农作物对于光强度、CO2浓度和温度这三个基本环境参数的需求也不尽相同。
因此,准确掌握大棚温室环境的光强度、CO2浓度和温度等信息参数,给农业大棚温室内的作物提供合理的生存条件,对于提高作物的产量和效益有着不可小觑的作用。
以往,由于受经济和技术条件的限制,多数农业大棚采用人工方式定时对环境参数进行监测。
但是对于生产规模较大的农业大棚来说,人工方式既不方便又浪费人力,且不易保存光强度、CO2浓度和温度的历史数据。
本设计采用的无线传感器网络(WSN)技术是通过传感器节点无线通信方式形成的一个多跳的(multi-hops)自组织网络系统。
它是传感器技术和信息通信技术的综合体,是一种由传感器节点构成的网络,其目的是感知、采集和处理无线网络覆盖区域内被监测的各种基本环境参量的信息,并发送给观察者。
把无线传感器网络(WSN)技术应用于农业大棚环境监测中,能够实现对网络覆盖区域(农业大棚)的各种基本环境参量(如光强、温度、CO2气体浓度)信息的采集。
无线传感器网络(WSN)借助于节点中内置的各种类型传感器来监测农业大棚环境的光强度、CO2浓度和温度等基本环境参量,以达到对这些信息参数准确掌握的目的。
WSN为大棚环境监测系统提供了新型的信息采集技术,具有十分广泛的应用前景。
1.2WSN概述
WSN为WirelessSensorNetwork的简称,也就是无线传感器网络。
无线传感器网络(WSN)是由部署在监测环境区域内的大量廉价微型传感器节点,通过无线通信方式所形成的一个多跳的自组织网络系统,从而来实现对网络覆盖区域内基本对象的信息采集、感知、量化、处理、融合以及传输应用的功能。
无线传感器网络(WSN)一般都是由一个低功耗的微控制器(MCU)、传感器、若干个存储器和无线电/光通信装置等器件集成,通过传感器、通信装置、动臂结构以及与他们所存在的外界环境来进行交互。
如果将其大量的分布到所需监测的农业大棚温室环境中,并组成一个无线传感器网络(WSN),然后在性能良好的软件系统平台上布施,就可以实时准确地完成强大的农业大棚环境监测功能。
随着高集成、低功耗数字设备和微机系统的迅速发展,实现小体积、低功耗、低成本的传感器节点已经不再是设想。
低功耗的无线传感器模块,便是组成无线传感器网络(WSN)的节点。
无线传感器网络(WSN)正是由大量的这些节点组成,它是传感器、无线通信、信息处理等多领域综合的技术。
通过各种类型的无线传感器对所需监测的基本环境参量信息进行实时采集,再由嵌入式微处理器对采集到的信息进行处理,然后由Zigbee无线通信网络将处理后的信息传送至远程客户端。
经过采集、分析,最后实现对环境参量的监测。
涉及无线传感器网络(WSN)的关键技术从总体上可分为无线通信技术、信号处理技术、网络技术及应用技术四个方面。
总的来说,无线传感器网络(WSN)是信息化获取技术的发展结果,它的核心目标是进行分布式的感知,以完成对环境和物体的识别。
无线传感器网络(WSN)具有以下四个特点:
1.节点数量大
2.支持自组织(ad-hoc)多跳(multi-hops)网络
3.短距离无线连接
4.低功耗无线传输
WSN是一种开拓了全新应用领域的新型概念和新型技术。
低功耗是它最重要的设计准则之一。
传感器节点、监测对象和监测者是无线传感器网络(WSN)的三个基本要素。
1.3WSN在环境监测中的研究现状及趋势
环境监测是在分析环境基本参数的基础上,通过对环境质量因素的监测,研究环境质量的变化,并描述环境状态、科学地预报环境质量的变化趋势,以达到优化环境发展状态的目的。
环境监测按照监测区域可划分为厂区监测和区域监测。
本设计中的农业大棚环境监测则属于区域监测。
无线传感器网络(WSN)作为21世纪最具重要性的技术之一,它的发展日渐成熟,方向也开始呈现出多样化。
无线传感器网络(WSN)自组织、环境适应、随机布投等特点,非常适用于现代农业大棚类型的区域环境监测,现阶段已得到了较大范围的推广。
目前,环境监测已跻身于英特尔公司“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”中的重要应用领域之一。
无线传感器网络(WSN)经过几十年的发展,虽然已经取得到了较好的技术改进,但是仍将继续努力朝着以下几个方向发展:
(1)低耗能、高寿命,低误差、低成本;
(2)大数据的处理和管理的模式开发;
(3)嵌入式网关技术的应用;
(4)无线通讯的标准统一化。
然而,从传感器网络节点本身来说,它所具有的存储能力、处理能力、通信能力和能量等方面都存在一定程度的限制;
从实际应用环境来说,节点数目比较庞大,节点分布也相当密集,而环境因素变化和节点故障会不可避免地造成网络拓扑结构的变化等等。
基于上述对传感器节点本身限制和环境因素的考虑,得出节点出现故障的机率可能大大上升。
所有的这些,对WSN在环境监测中的研究提出了新的挑战。
1.4论文的主要内容和结构安排
本论文基于无线传感网络(WSN)技术的发展,阅读了大量资料文献,对农业大棚环境监测进行了整体分析。
在深入研究Zigbee无线通信协议的基础上,提出了基于TI公司的CC2530单片机设计无线传感网络节点的系统总体方案,并设计了系统的硬件和软件方案,本设计的主要内容如下:
第一章,介绍了本设计的背景和意义,分析当前无线传感器网络(WSN)技术的发展、传统的大棚环境监测限制性,以及把无线传感器网络(WSN)技术和无线通信引入到大棚监测中的优势。
第二章,提出了系统总体方案设计,完成各部分硬件电路选型。
第三章,设计了以CC2530为核心的传感器节点。
根据设计要求对三种传感器电路、复位电路、电源电路和LCD显示电路进行设计。
第四章,设计了系统软件方案,以模块化的思想,给出各部分程序流程图。
主要包含对节点中传感器信息获取的程序设计和Zigbee无线通信程序设计。
第五章,选取了典型场景对设计的硬件电路进行测试,并对实验结果进行了分析。
第六章,总结研究论文,分析了存在的不足,并指出改进方向,提出了对于未来研究中的设想和展望。
第2章系统总体方案设计
2.1系统总体方案设计
WSN节点主要包括传感器部分、电源电路部分、存储器部分、A/D转换器部分、微处理器(射频通信)部分等。
节点一般采用原电池供电,当电源电能耗尽的时候,节点工作能力将丧失。
为了提高电源的利用率,在系统硬件电路方案设计方面,应尽量考虑低功耗器件。
在系统软件设计方案中,各层的通信协议均应本着节能的原则。
本设计提出的无线传感网络(WSN)节点农业大棚环境监测方案,不需铺设多余电缆。
在农业大棚温室内放置所需的传感器节点,由传感器定时采集各节点处基本环境参量信息(光强度、CO2浓度和温度),采集的信息结果可以显示在LCD上。
各环境参量信息经处理后通过Zigbee传输并进行节点间的无线通信,再由监测终端对采集的信息统一进行管理分析。
对于传感器节点的设计,硬件方面,必须考虑低功耗型,选取无线传输方式;
软件方面,必须能支持多跳(multi-hops)路由协议。
Zigbee协议充分考虑了无线传感器网络(WSN)的应用要求,是现阶段业界内统一看好的一种无线通信协议。
在这些基本思想和考虑下,本设计选取了以CC2530单片机为核心,结合外围光强度、CO2浓度和温度三种传感器构建无线传感器网络(WSN)节点。
CC2530控制传感器采集农业大棚环境的光强度、CO2浓度和温度等基本环境参量,由CC2530自身集成的Zigbee模块将采集的数据发送给节点,实现节点间的无线通信。
从而实现对农业大棚温室环境基本参量的监测。
2.2硬件电路方案设计
系统的硬件电路设计采用模块化设计思想,可分为下面三个模块:
微处理器模块、传感器模块和电源模块。
其中,选用的CC2530微处理器本身具有信号处理和射频通信的双重功能,故不需再外设射频通信模块,从微处理器模块外接天线即可。
传感器模块包含了温度传感器、光强度传感器和CO2传感器。
传感器节点的硬件结构如图2-1所示。
图2-1传感器节点的硬件结构图
2.2.1微处理器选型
微处理器选择的是CC2530芯片。
它工作在2.4GHzISM频带,是真正意义上最新的符合ZigBee协议的片上系统解决方案,与此同时,CC2530是现阶段诸多Zigbee设备产品中最具特色的微处理器之一。
CC2530采用一个通用处理器核为基础,该处理器核不但能够支持一种完善的指令集,而且能达到应用环境下的大部分要求。
CC2530内含一个Zigbee协议兼容无线收发器,射频通信能在芯片内部自行控制。
此外,它还包括了一个微控制器(MCU)与无线设备间的接口,让系统能按一定的次序工作:
发出命令—读取状态—自动操作—确定无线设备事件。
这些都使得采用CC2530操作只需要连接极少的外部元件,整体硬件电路设计趋于优化态。
CC2530采用业界标准的增强型8051CPU,实现系统内可编程闪存,8KBRAM和很多其他强大的功能。
另外,它可以以十分低的总材料成本建立起十分强大的网络节点。
由于其硬件设计简单、功耗低、封装小,在无线传感器网络(WSN)中得到了一致认可。
CC2530引脚如图2-2所示。
图2-2CC2530引脚图
2.2.2传感器选型
1.CO2传感器
本设计采用的是MG811电化学CO2传感器。
MG811对CO2浓度有良好的灵敏度和感知,受外界环境变化影响小,稳定性良好。
相比于其他的比如TGS4160电化学CO2传感器,MG811更适于做手持式或者便携式CO2测量仪器。
它预热的时间比较短,5min左右即可,能够实现即时测量的目的。
同时传感器的功率也比较小,符合本设计中对于系统低功耗的考虑,十分适合应用于农业大棚环境内的CO2监测。
MG811采用固体电解质电池原理。
元件加热电压由外电路提供,当其表面温度足够高时,元件相当于一个电池,其两端会输出电压信号,信号值比较符合能斯特方程。
元件测量时放大器的阻抗须在100—1000GΩ之间,其测试电流应控制在1pA以下,同时,当CO2浓度越高时,系统输出电压则越低。
MG811传感器如图2-3所示。
图2-3MG811传感器图
2.温度传感器
本设计采用的是DSI8B20单总线数字式温度传感器。
与传统的分立式温度传感器相比,DSI8B20集温度测量和A/D转换于一体,能够直接在LCD上读出显示出被测温度值,并且可根据实际应用要求实现9~12位的数字值读数方式。
它与单片机接口需要的外围元件非常少,使得硬件电路结构简单。
从DS18B20读/写信息只需要一根口线(单线接口),温度变换功率来源于数据总线,总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电,无需补充额外电源。
另外,DSI8B20具有分辨率高,转换速度快,能自动报警等特性,可广泛用于节点分布多的场合。
使用DS18B20可使系统结构更趋简单,可靠性更高,十分适用于本设计中的农业大棚环境内的温度监测。
采用DSI8B20温度传感器,可直接读取被测温度值并进行转换。
测温范围是-55℃~+125℃,固有测温分辨率为0.5℃。
具有传输距离远,精度性高,软硬件易于实现的优点,而且单片机的接口便于系统的再扩展,满足本设计要求。
DSI8B20传感器如图2-4所示。
从左至右引脚分别为:
DQ\GND\VDD。
图2-4DSI8B20传感器图
3.光强传感器
本设计采用的光强传感器为BH1750FVI。
BH1750FVI
是一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路。
利用I2C总线接口数字型的BH1750FVI光强度传感器,可以尽量避免由A\D转化系统带来的不必要误差,同时可在LCD上直接进行数据测量。
该传感器组成的系统具有光强度采集精度高、受红外线影响小、实时性强等优点,并且无需连接其他外部件,硬件电路设计较为简单,容易实现与集成,它可以根据光线强度来进行农业大棚环境内的光强度监测。
利用它的1lx~65535lx高分辨率可以探测到农业大棚环境内较大范围的光强度变化。
BH1750FVI传感器如图2-5所示。
DVI是I2C总线的参考电压终端,同时也是异步重置终端。
在VCC供应后必须设置为“L”,在DVI设置为“L”期间,内部状态设置为电源掉电模式。
ADDR端口是用来缓冲内部测试的3种状态而设计的,SDA和SCL都是I2C接口,VCC是3.3V电源接口。
图2-5BH1750FVI传感器图
2.3系统软件方案设计
软件设计上移植了德州仪器(TI)Zigbee协议栈,采用的射频芯片是TI公司的CC2530单片机。
Zigbee协议栈无线网络的开发语言为C语言,以IAREmbeddedWorkbench7.51A作为开发平台。
本系统各传感器节点间的组网方式采用ZigBee网络中的星型网络。
这样设计不仅可以组建出稳定的网状网络,并且数据传输稳定,功耗低,还可以与TI公司支持的其他方案混合组网,以实现网络的最优化。
本设计节点软件分为两种类型:
传感器节点和网络协调器节点。
传感器节点负责完成农业大棚环境的信息采集,并将采集到的信息传送给无线传输模块,然后通过Zigbee技术无线传送给网络协调器;
网络协调器节点负责接收传感器节点的信息并将信息发送给PC机,然后进行信息处理。
2.4本章小结
本章节在考虑可用性,可靠性,可实现性和成本性等基本因素的前期下,经过深入研究,分析,设计出了基于TI公司的CC2530单片机下农业大棚环境监测无线传感器网络节点系统。
并分硬件电路和系统软件两方面进行了阐述。
硬件方面介绍了对系统采用的主控芯片CC2530和CO2、温度、光强度三种传感器的选型。
软件方面给出了一个整体的设计线路。
整合软硬件的设计,更好的体现出基于低功耗原则下的整个设计方案的可靠性和真实性。
第3章节点的硬件设计
传感器节点是为无线传感器网络(WSN)特别设计的微型计算机系统。
无线传感器网络(WSN)的特点决定了传感器节点的硬件设计应着重考虑低功耗、低成本、稳定性和安全性等方面的问题。
3.1最小系统设计
CC2530的最小硬件系统由电源电路、复位电路、晶振(时钟)电路组成。
其中,射频通信部分在CC2530单片机片内自行构建,晶振部分也应用CC2530片内的晶振。
电源电路部分作为系统所有模块的基础模块,在本设计中单独提出来进行阐述。
单片机最小系统框架如图3-1所示。
图3-1单片机最小系统框图
CC2530最小系统有32MHh和32.768KHz两个外部晶振电路。
其中,32MHz的晶振电路是由1个32MHz的石英谐振器和2个电容构成(管脚22和23)。
32.768kHz的晶振电路是用1个32.768kHz的石英晶振器和2个电容(管脚33和32)构成。
另外,在信号输出端处设计了一个滤波网络至天线接口,增强了信号的稳定性和抗干扰能力。
并且在每个电源引脚处设计了一至两个滤波电容,有利于系统更加稳定地工作。
CC2530最小系统电路如图3-2所示。
图3-2CC2530最小系统电路图
3.1.1CC2530射频通信
射频通信模块由无线射频电路和天线组成。
射频通信收发模块是传感器节点中最为主要的耗能模块,同时也是传感器节点的设计重点。
射频收发的主要功能是对传感器节点板块的数据进行无线收发操作。
天线是射频通信模块的重要器件,是信号收发所必不可少的,天线设计的优劣会直接影响射频通信模块的整体性能。
通过对各种类型天线的分析及ZigBee整体通信系统的要求,本设计采用2.4G增益为3dB的SMA全向天线作为ZigBee射频模块的天线。
它能在水平方向图上表现为360°
的均匀辐射,适合本设计的农业大棚环境监测这样的范围小距离使用,精度较高,且成本较低。
天线传输单元有4种工作状态:
发送、接收、空闲、休眠。
考虑到空闲态仍然具有比较高的功耗,在本设计中选用动态定时与应答机制,在传输能正常进行的前提下,让无线传输单元处于休眠态,以配合系统低功耗的设计原则。
本设计所应用的射频收发模块电路如图3-3所示。
图3-3射频收发模块电路图
3.1.2复位电路设计
在单片机系统中,复位电路是十分关键的。
当程序运行不正常或停止运行时,就需要进行复位。
本设计采用按键方式用于系统的复位。
当按键闭合时,为低电平,CC2530处于复位状态;
当按键开启时,为高电平,CC2530处于正常工作状态。
为了保证系统的稳定性和可靠性,在按键的输出端接上拉电阻R2。
复位电路如图3-4所示。
图3-4CC2530复位电路图
3.1.3CC2530晶振模块设计
晶振模块是一个电路系统正常工作的基本架构之一,大部分的电路均是以晶振产生的时钟信号来驱动的。
晶振可用做时钟信号发生器,为系统提供基本的时钟信号。
通常一个系统共用一个晶振,便于各部分保持同步。
本设计晶振模块部分采用的是CC2530单片机的片内晶振。
CC2530内部有四个晶振:
两个内部(16MRC晶振,32KRC晶振),两个外部(32.768K的石英晶振,32M的石英晶振)。
一般,石英晶振的精度高、启动慢、耗电大;
RC晶振精度稍低,但是启动快、耗电小。
在上电时,默认的是使用内部的这两个晶振。
外部晶振是由管脚33和32构成的32.768kHz晶振电路,管脚22和23构成32MHz的晶振电路。
同时需要注意的是,两个低频晶振不能同时上电,即不可以同时起振。
晶振在重新使用之前必须处于掉电状态一段时间,以保护晶振不受损坏。
晶振电路如图3-5所示。
图3-5晶振电路图
3.2数据采集模块
3.2.1温度传感器模块
温度传感器模块主要功能是实时、准确地采集农业大棚环境中的温度参数,及时将数据信息传输到微处理器中。
DSI8B20单总线数字式温度传感器集温度测量和A/D转换与一体,整体硬件电路设计简单,运用上拉电阻R7提高输出能力。
温度传感器电路设计如图3-6所示。
如图所示,DQ是数据线,用于和CPU的P0.5接口连接传送串行数据,不需要外部件和备份电源,可直接用数据线供电。
GND是地线接口,VCC是3.3V电源接口。
图3-6温度传感器模块图
3.2.2CO2传感器模块
CO2传感器模块主要功能是实时、准确地监测农业大棚环境中CO2浓度参数,及时地将数据信息传送给微处理器。
CO2传感器电路设计如图3-7所示。
如图所示,由于MG811工作电压在6V,输出电压在40mA左右,单片机不能直接采集,所以增加了一个高输入阻抗、低偏置电流的运放CA3140来放大信号至1.2V左右,能够简单提高CO2浓度的分辨率,使单片机可以直接采集。
后接一个LM393双电压比较器集成电路,将模拟信号转换为数字信号,利于单片机用不同方式来处理信号。
通过正负端输入电压大小比较的变化直观显示在指示灯D5上。
比较器反
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 农业 大棚 环境监测 无线 传感器 网络 节点 设计 实现