農業大棚環境監測無線傳感器網絡節點的設計與實現

word文檔可自由復制編輯目錄TOC\o"1-3"\h\z\u23550摘要 I846Abstract II2295第1章引言 1185911.1論文的研究背景和意義 134411.2WSN概述 147451.3WSN在環境監測中的研究現狀及趨勢 2112061.4論文的主要內容和結構安排 315605第2章系統總體方案設計 4121292.1系統總體方案設計 4287052.2硬件電路方案設計 420572.2.1微處理器選型 528902.2.2傳感器選型 6215802.3系統軟件方案設計 897032.4本章小結 931841第3章節點的硬件設計 10254813.1最小系統設計 10186823.1.1CC2530射頻通信 11306793.1.2復位電路設計 12322293.1.3CC2530晶振模塊設計 12254023.2數據采集模塊 13323623.2.1溫度傳感器模塊 13302723.2.2CO2傳感器模塊 14291173.2.3光強度傳感器塊 15227163.3電源模塊設計 15204923.3.13.3V電源電路設計 15315253.3.26V電源電路設計 16176453.3.3電壓檢測電路設計 17185913.4LCD顯示 18194063.5本章小結 1931281第4章節點的軟件設計 2058594.1溫度傳感器程序設計 20216954.2二氧化碳與光強傳感器程序設計 21123094.3Zigbee無線通信程序設計 2197694.4本章小結 2523221第5章系統測試 2616105.1系統的硬件介紹 26220965.2傳感器模塊調試 265.2.1DSI8B20模塊調試275.2.2MG811模塊調試275.2.3BH1750模塊調試2816105.3Zigbee通信測試 2916105.4本章小結 298862第6章總結和展望 3010884參考文獻 319873致謝 32附錄33word文檔可自由復制編輯農業大棚環境監測無線傳感器網絡節點的設計與實現摘要為提高農業大棚溫室生產過程的自動化，非常有必要實時獲取大棚溫室環境的光強度、溫度、CO2濃度等基本環境參數。針對農業大棚環境監測易變、多樣的考慮，本設計提出了一種基于Zigbee的農業大棚環境監測無線傳感器網絡節點設計方案。微處理器采用CC2530單片機；軟件上移植了德州儀器（TI）Zigbee協議棧，并在應用層開發了通信程序。本文設計了系統的整體結構和硬件電路，并給出了軟件流程圖。實驗表明，該設計具有良好的穩定性和較高的通信效率，可以滿足農業大棚環境監測對無線通信網絡的傳輸和組網要求，具有較高的推廣價值和應用前景。關鍵字：大棚環境監測；CC2530；Zigbee；無線傳感網絡ThedesignofgreenhouseenvironmentmonitoringbasedonwirelesssensornetworknodesAbstractToimprovetheagriculturegreenhousegreenhouseproductionprocessautomation，Itisanecessarytoobtainthelightintensity,temperature,andCO2concentration.Forvolatileagriculturalgreenhouseenvironmentmonitoring,diverseconsiderations,ThisdesignisputforwardakindofagriculturalgreenhouseenvironmentmonitoringbasedonZigbeewirelesssensornetworknodedesign.ThedesignofthecoreCC2530single-chipmicroprocessors;softwaretransplantedTexasInstruments(TI)Zigbeeprotocolstackandapplicationlayerdevelopedacommunicationsprogram.Accordingtothetechnicalrequirementsofthegreenhouseenvironmentmonitoringsystem,systemarchitectureandhardwaredesignofthecircuit,itgivesthesoftwareprocess.Throughtestingexperiment,itshowsthatthedesignhasgoodstabilityandhighcommunicationefficiencytomeetthegreenhouseenvironmentalmonitoringrequirementsfornetworktransmissionandwirelesscommunicationnetworks,thepromotionofhighvalueandapplicationprospect.Keywords:greenhouseenvironmentmonitoring；CC2530；Zigbee；Wirelesssensornetwork第1章引言1.1論文的研究背景和意義眾所周知，CO2是作物光合作用的重要元素，它對作物的生長發育起著與水肥同等的作用，CO2若供給不足會直接影響作物正常的光合作用，從而導致減產減收。陽光是作物賴以生存的必要條件，是進行光合作用、制造有機物的能量來源，其對作物生長起著關鍵的作用。而作物的光合作用是在溫度和光照條件下進行，不同的農作物對于光強度、CO2濃度和溫度這三個基本環境參數的需求也不盡相同。因此，準確掌握大棚溫室環境的光強度、CO2濃度和溫度等信息參數，給農業大棚溫室內的作物提供合理的生存條件，對于提高作物的產量和效益有著不可小覷的作用。以往，由于受經濟和技術條件的限制，多數農業大棚采用人工方式定時對環境參數進行監測。但是對于生產規模較大的農業大棚來說，人工方式既不方便又浪費人力，且不易保存光強度、CO2濃度和溫度的歷史數據。本設計采用的無線傳感器網絡（WSN）技術是通過傳感器節點無線通信方式形成的一個多跳的（multi-hops）自組織網絡系統。它是傳感器技術和信息通信技術的綜合體，是一種由傳感器節點構成的網絡，其目的是感知、采集和處理無線網絡覆蓋區域內被監測的各種基本環境參量的信息，并發送給觀察者。把無線傳感器網絡（WSN）技術應用于農業大棚環境監測中，能夠實現對網絡覆蓋區域（農業大棚）的各種基本環境參量（如光強、溫度、CO2氣體濃度）信息的采集。無線傳感器網絡（WSN）借助于節點中內置的各種類型傳感器來監測農業大棚環境的光強度、CO2濃度和溫度等基本環境參量，以達到對這些信息參數準確掌握的目的。WSN為大棚環境監測系統提供了新型的信息采集技術，具有十分廣泛的應用前景。1.2WSN概述WSN為WirelessSensorNetwork的簡稱，也就是無線傳感器網絡。無線傳感器網絡（WSN）是由部署在監測環境區域內的大量廉價微型傳感器節點，通過無線通信方式所形成的一個多跳的自組織網絡系統，從而來實現對網絡覆蓋區域內基本對象的信息采集、感知、量化、處理、融合以及傳輸應用的功能。無線傳感器網絡（WSN）一般都是由一個低功耗的微控制器（MCU）、傳感器、若干個存儲器和無線電/光通信裝置等器件集成，通過傳感器、通信裝置、動臂結構以及與他們所存在的外界環境來進行交互。如果將其大量的分布到所需監測的農業大棚溫室環境中，并組成一個無線傳感器網絡（WSN），然后在性能良好的軟件系統平臺上布施，就可以實時準確地完成強大的農業大棚環境監測功能。隨著高集成、低功耗數字設備和微機系統的迅速發展，實現小體積、低功耗、低成本的傳感器節點已經不再是設想。低功耗的無線傳感器模塊，便是組成無線傳感器網絡（WSN）的節點。無線傳感器網絡（WSN）正是由大量的這些節點組成，它是傳感器、無線通信、信息處理等多領域綜合的技術。通過各種類型的無線傳感器對所需監測的基本環境參量信息進行實時采集，再由嵌入式微處理器對采集到的信息進行處理，然后由Zigbee無線通信網絡將處理后的信息傳送至遠程客戶端。經過采集、分析，最后實現對環境參量的監測。涉及無線傳感器網絡（WSN）的關鍵技術從總體上可分為無線通信技術、信號處理技術、網絡技術及應用技術四個方面。總的來說，無線傳感器網絡（WSN）是信息化獲取技術的發展結果，它的核心目標是進行分布式的感知，以完成對環境和物體的識別。無線傳感器網絡（WSN）具有以下四個特點：節點數量大支持自組織（ad-hoc）多跳（multi-hops）網絡短距離無線連接低功耗無線傳輸WSN是一種開拓了全新應用領域的新型概念和新型技術。低功耗是它最重要的設計準則之一。傳感器節點、監測對象和監測者是無線傳感器網絡（WSN）的三個基本要素。1.3WSN在環境監測中的研究現狀及趨勢環境監測是在分析環境基本參數的基礎上，通過對環境質量因素的監測，研究環境質量的變化，并描述環境狀態、科學地預報環境質量的變化趨勢，以達到優化環境發展狀態的目的。環境監測按照監測區域可劃分為廠區監測和區域監測。本設計中的農業大棚環境監測則屬于區域監測。無線傳感器網絡（WSN）作為21世紀最具重要性的技術之一，它的發展日漸成熟，方向也開始呈現出多樣化。無線傳感器網絡（WSN）自組織、環境適應、隨機布投等特點，非常適用于現代農業大棚類型的區域環境監測，現階段已得到了較大范圍的推廣。目前，環境監測已躋身于英特爾公司“基于微型傳感器網絡的新型計算發展規劃”中的重要應用領域之一。無線傳感器網絡（WSN）經過幾十年的發展，雖然已經取得到了較好的技術改進，但是仍將繼續努力朝著以下幾個方向發展：（1）低耗能、高壽命，低誤差、低成本；（2）大數據的處理和管理的模式開發；（3）嵌入式網關技術的應用；（4）無線通訊的標準統一化。然而，從傳感器網絡節點本身來說，它所具有的存儲能力、處理能力、通信能力和能量等方面都存在一定程度的限制；從實際應用環境來說，節點數目比較龐大，節點分布也相當密集，而環境因素變化和節點故障會不可避免地造成網絡拓撲結構的變化等等。基于上述對傳感器節點本身限制和環境因素的考慮，得出節點出現故障的機率可能大大上升。所有的這些，對WSN在環境監測中的研究提出了新的挑戰。1.4論文的主要內容和結構安排本論文基于無線傳感網絡（WSN）技術的發展，閱讀了大量資料文獻，對農業大棚環境監測進行了整體分析。在深入研究Zigbee無線通信協議的基礎上，提出了基于TI公司的CC2530單片機設計無線傳感網絡節點的系統總體方案，并設計了系統的硬件和軟件方案，本設計的主要內容如下：第一章，介紹了本設計的背景和意義，分析當前無線傳感器網絡（WSN）技術的發展、傳統的大棚環境監測限制性，以及把無線傳感器網絡（WSN）技術和無線通信引入到大棚監測中的優勢。第二章，提出了系統總體方案設計，完成各部分硬件電路選型。第三章，設計了以CC2530為核心的傳感器節點。根據設計要求對三種傳感器電路、復位電路、電源電路和LCD顯示電路進行設計。第四章，設計了系統軟件方案，以模塊化的思想，給出各部分程序流程圖。主要包含對節點中傳感器信息獲取的程序設計和Zigbee無線通信程序設計。第五章，選取了典型場景對設計的硬件電路進行測試，并對實驗結果進行了分析。第六章，總結研究論文，分析了存在的不足，并指出改進方向，提出了對于未來研究中的設想和展望。第2章系統總體方案設計2.1系統總體方案設計WSN節點主要包括傳感器部分、電源電路部分、存儲器部分、A/D轉換器部分、微處理器（射頻通信）部分等。節點一般采用原電池供電，當電源電能耗盡的時候，節點工作能力將喪失。為了提高電源的利用率，在系統硬件電路方案設計方面，應盡量考慮低功耗器件。在系統軟件設計方案中，各層的通信協議均應本著節能的原則。本設計提出的無線傳感網絡(WSN)節點農業大棚環境監測方案，不需鋪設多余電纜。在農業大棚溫室內放置所需的傳感器節點，由傳感器定時采集各節點處基本環境參量信息（光強度、CO2濃度和溫度），采集的信息結果可以顯示在LCD上。各環境參量信息經處理后通過Zigbee傳輸并進行節點間的無線通信，再由監測終端對采集的信息統一進行管理分析。對于傳感器節點的設計，硬件方面，必須考慮低功耗型，選取無線傳輸方式；軟件方面，必須能支持多跳（multi-hops）路由協議。Zigbee協議充分考慮了無線傳感器網絡（WSN）的應用要求，是現階段業界內統一看好的一種無線通信協議。在這些基本思想和考慮下，本設計選取了以CC2530單片機為核心，結合外圍光強度、CO2濃度和溫度三種傳感器構建無線傳感器網絡（WSN）節點。CC2530控制傳感器采集農業大棚環境的光強度、CO2濃度和溫度等基本環境參量，由CC2530自身集成的Zigbee模塊將采集的數據發送給節點，實現節點間的無線通信。從而實現對農業大棚溫室環境基本參量的監測。2.2硬件電路方案設計系統的硬件電路設計采用模塊化設計思想，可分為下面三個模塊：微處理器模塊、傳感器模塊和電源模塊。其中，選用的CC2530微處理器本身具有信號處理和射頻通信的雙重功能，故不需再外設射頻通信模塊，從微處理器模塊外接天線即可。傳感器模塊包含了溫度傳感器、光強度傳感器和CO2傳感器。傳感器節點的硬件結構如圖2-1所示。圖2-1傳感器節點的硬件結構圖2.2.1微處理器選型微處理器選擇的是CC2530芯片。它工作在2.4GHzISM頻帶，是真正意義上最新的符合ZigBee協議的片上系統解決方案，與此同時，CC2530是現階段諸多Zigbee設備產品中最具特色的微處理器之一。CC2530采用一個通用處理器核為基礎，該處理器核不但能夠支持一種完善的指令集，而且能達到應用環境下的大部分要求。CC2530內含一個Zigbee協議兼容無線收發器，射頻通信能在芯片內部自行控制。此外，它還包括了一個微控制器（MCU）與無線設備間的接口，讓系統能按一定的次序工作：發出命令—讀取狀態—自動操作—確定無線設備事件。這些都使得采用CC2530操作只需要連接極少的外部元件，整體硬件電路設計趨于優化態。CC2530采用業界標準的增強型8051CPU，實現系統內可編程閃存，8KBRAM和很多其他強大的功能。另外，它可以以十分低的總材料成本建立起十分強大的網絡節點。由于其硬件設計簡單、功耗低、封裝小，在無線傳感器網絡（WSN）中得到了一致認可。CC2530引腳如圖2-2所示。圖2-2CC2530引腳圖2.2.2傳感器選型1.CO2傳感器本設計采用的是MG811電化學CO2傳感器。MG811對CO2濃度有良好的靈敏度和感知，受外界環境變化影響小，穩定性良好。相比于其他的比如TGS4160電化學CO2傳感器，MG811更適于做手持式或者便攜式CO2測量儀器。它預熱的時間比較短，5min左右即可，能夠實現即時測量的目的。同時傳感器的功率也比較小，符合本設計中對于系統低功耗的考慮，十分適合應用于農業大棚環境內的CO2監測。MG811采用固體電解質電池原理。元件加熱電壓由外電路提供，當其表面溫度足夠高時，元件相當于一個電池，其兩端會輸出電壓信號，信號值比較符合能斯特方程。元件測量時放大器的阻抗須在100—1000GΩ之間，其測試電流應控制在1pA以下，同時，當CO2濃度越高時，系統輸出電壓則越低。MG811傳感器如圖2-3所示。圖2-3MG811傳感器圖2.溫度傳感器本設計采用的是DSI8B20單總線數字式溫度傳感器。與傳統的分立式溫度傳感器相比，DSI8B20集溫度測量和A/D轉換于一體，能夠直接在LCD上讀出顯示出被測溫度值，并且可根據實際應用要求實現9～12位的數字值讀數方式。它與單片機接口需要的外圍元件非常少，使得硬件電路結構簡單。從DS18B20讀/寫信息只需要一根口線（單線接口），溫度變換功率來源于數據總線，總線本身也可以向所掛接的DS18B20供電，無需補充額外電源。另外，DSI8B20具有分辨率高，轉換速度快，能自動報警等特性，可廣泛用于節點分布多的場合。使用DS18B20可使系統結構更趨簡單，可靠性更高，十分適用于本設計中的農業大棚環境內的溫度監測。采用DSI8B20溫度傳感器，可直接讀取被測溫度值并進行轉換。測溫范圍是-55℃~+125℃，固有測溫分辨率為0.5℃。具有傳輸距離遠，精度性高，軟硬件易于實現的優點，而且單片機的接口便于系統的再擴展，滿足本設計要求。DSI8B20傳感器如圖2-4所示。從左至右引腳分別為：DQ\GND\VDD。圖2-4DSI8B20傳感器圖3.光強傳感器本設計采用的光強傳感器為BH1750FVI。BH1750FVI

是一種用于兩線式串行總線接口的數字型光強度傳感器集成電路。利用I2C總線接口數字型的BH1750FVI光強度傳感器，可以盡量避免由A\D轉化系統帶來的不必要誤差，同時可在LCD上直接進行數據測量。該傳感器組成的系統具有光強度采集精度高、受紅外線影響小、實時性強等優點，并且無需連接其他外部件，硬件電路設計較為簡單，容易實現與集成，它可以根據光線強度來進行農業大棚環境內的光強度監測。利用它的1lx~65535lx高分辨率可以探測到農業大棚環境內較大范圍的光強度變化。BH1750FVI傳感器如圖2-5所示。DVI是I2C總線的參考電壓終端，同時也是異步重置終端。在VCC供應后必須設置為“L”，在DVI設置為“L”期間，內部狀態設置為電源掉電模式。ADDR端口是用來緩沖內部測試的3種狀態而設計的，SDA和SCL都是I2C接口，VCC是3.3V電源接口。圖2-5BH1750FVI傳感器圖2.3系統軟件方案設計軟件設計上移植了德州儀器（TI）Zigbee協議棧，采用的射頻芯片是TI公司的CC2530單片機。Zigbee協議棧無線網絡的開發語言為C語言，以IAREmbeddedWorkbench7.51A作為開發平臺。本系統各傳感器節點間的組網方式采用ZigBee網絡中的星型網絡。這樣設計不僅可以組建出穩定的網狀網絡，并且數據傳輸穩定，功耗低，還可以與TI公司支持的其他方案混合組網，以實現網絡的最優化。本設計節點軟件分為兩種類型：傳感器節點和網絡協調器節點。傳感器節點負責完成農業大棚環境的信息采集，并將采集到的信息傳送給無線傳輸模塊，然后通過Zigbee技術無線傳送給網絡協調器；網絡協調器節點負責接收傳感器節點的信息并將信息發送給PC機，然后進行信息處理。2.4本章小結 本章節在考慮可用性，可靠性，可實現性和成本性等基本因素的前期下，經過深入研究，分析，設計出了基于TI公司的CC2530單片機下農業大棚環境監測無線傳感器網絡節點系統。并分硬件電路和系統軟件兩方面進行了闡述。硬件方面介紹了對系統采用的主控芯片CC2530和CO2、溫度、光強度三種傳感器的選型。軟件方面給出了一個整體的設計線路。整合軟硬件的設計，更好的體現出基于低功耗原則下的整個設計方案的可靠性和真實性。

第3章節點的硬件設計傳感器節點是為無線傳感器網絡（WSN）特別設計的微型計算機系統。無線傳感器網絡（WSN）的特點決定了傳感器節點的硬件設計應著重考慮低功耗、低成本、穩定性和安全性等方面的問題。3.1最小系統設計 CC2530的最小硬件系統由電源電路、復位電路、晶振（時鐘）電路組成。其中，射頻通信部分在CC2530單片機片內自行構建，晶振部分也應用CC2530片內的晶振。電源電路部分作為系統所有模塊的基礎模塊，在本設計中單獨提出來進行闡述。單片機最小系統框架如圖3-1所示。圖3-1單片機最小系統框圖CC2530最小系統有32MHh和32.768KHz兩個外部晶振電路。其中，32MHz的晶振電路是由1個32MHz的石英諧振器和2個電容構成(管腳22和23)。32.768kHz的晶振電路是用1個32.768kHz的石英晶振器和2個電容(管腳33和32)構成。另外，在信號輸出端處設計了一個濾波網絡至天線接口，增強了信號的穩定性和抗干擾能力。并且在每個電源引腳處設計了一至兩個濾波電容，有利于系統更加穩定地工作。CC2530最小系統電路如圖3-2所示。圖3-2CC2530最小系統電路圖3.1.1CC2530射頻通信射頻通信模塊由無線射頻電路和天線組成。射頻通信收發模塊是傳感器節點中最為主要的耗能模塊，同時也是傳感器節點的設計重點。射頻收發的主要功能是對傳感器節點板塊的數據進行無線收發操作。天線是射頻通信模塊的重要器件，是信號收發所必不可少的，天線設計的優劣會直接影響射頻通信模塊的整體性能。通過對各種類型天線的分析及ZigBee整體通信系統的要求，本設計采用2.4G增益為3dB的SMA全向天線作為ZigBee射頻模塊的天線。它能在水平方向圖上表現為360°的均勻輻射，適合本設計的農業大棚環境監測這樣的范圍小距離使用，精度較高，且成本較低。天線傳輸單元有4種工作狀態：發送、接收、空閑、休眠。考慮到空閑態仍然具有比較高的功耗，在本設計中選用動態定時與應答機制，在傳輸能正常進行的前提下，讓無線傳輸單元處于休眠態，以配合系統低功耗的設計原則。本設計所應用的射頻收發模塊電路如圖3-3所示。圖3-3射頻收發模塊電路圖3.1.2復位電路設計 在單片機系統中，復位電路是十分關鍵的。當程序運行不正常或停止運行時，就需要進行復位。本設計采用按鍵方式用于系統的復位。當按鍵閉合時，為低電平，CC2530處于復位狀態；當按鍵開啟時，為高電平，CC2530處于正常工作狀態。為了保證系統的穩定性和可靠性，在按鍵的輸出端接上拉電阻R2。復位電路如圖3-4所示。圖3-4CC2530復位電路圖3.1.3CC2530晶振模塊設計晶振模塊是一個電路系統正常工作的基本架構之一，大部分的電路均是以晶振產生的時鐘信號來驅動的。晶振可用做時鐘信號發生器，為系統提供基本的時鐘信號。通常一個系統共用一個晶振，便于各部分保持同步。本設計晶振模塊部分采用的是CC2530單片機的片內晶振。CC2530內部有四個晶振：兩個內部（16MRC晶振，32KRC晶振），兩個外部（32.768K的石英晶振，32M的石英晶振）。一般，石英晶振的精度高、啟動慢、耗電大；RC晶振精度稍低，但是啟動快、耗電小。在上電時，默認的是使用內部的這兩個晶振。外部晶振是由管腳33和32構成的32.768kHz晶振電路，管腳22和23構成32MHz的晶振電路。同時需要注意的是，兩個低頻晶振不能同時上電，即不可以同時起振。晶振在重新使用之前必須處于掉電狀態一段時間，以保護晶振不受損壞。晶振電路如圖3-5所示。圖3-5晶振電路圖3.2數據采集模塊 3.2.1溫度傳感器模塊溫度傳感器模塊主要功能是實時、準確地采集農業大棚環境中的溫度參數，及時將數據信息傳輸到微處理器中。DSI8B20單總線數字式溫度傳感器集溫度測量和A/D轉換與一體，整體硬件電路設計簡單，運用上拉電阻R7提高輸出能力。溫度傳感器電路設計如圖3-6所示。如圖所示，DQ是數據線，用于和CPU的P0.5接口連接傳送串行數據，不需要外部件和備份電源，可直接用數據線供電。GND是地線接口，VCC是3.3V電源接口。圖3-6溫度傳感器模塊圖3.2.2CO2傳感器模塊CO2傳感器模塊主要功能是實時、準確地監測農業大棚環境中CO2濃度參數，及時地將數據信息傳送給微處理器。CO2傳感器電路設計如圖3-7所示。如圖所示，由于MG811工作電壓在6V，輸出電壓在40mA左右，單片機不能直接采集，所以增加了一個高輸入阻抗、低偏置電流的運放CA3140來放大信號至1.2V左右，能夠簡單提高CO2濃度的分辨率，使單片機可以直接采集。后接一個LM393雙電壓比較器集成電路，將模擬信號轉換為數字信號，利于單片機用不同方式來處理信號。通過正負端輸入電壓大小比較的變化直觀顯示在指示燈D5上。比較器反相輸入端有固定電壓輸入，當同相端的傳感器信號減小至小于反相輸入端電壓時，指示燈熄滅。CO2濃度越高，輸出電壓越低。當CO2濃度由低變高時，萬用變顯示電壓降低，D5指示燈會由亮變滅。圖3-7CO2傳感器模塊圖3.2.3光強度傳感器塊光強度傳感器模塊主要功能是實時、準確地采集農業大棚環境中光強度參數，及時地將數據信息傳送給微處理器。光強度傳感器電路設計如圖3-8所示。如圖所示，光強度傳感器模塊用3.3V電源供電。ADDR和DVI均采用低電平電壓輸入，利用SDA和SCL串口進行I2C通信，可在LCD1602上直接讀出光強度數據測量結果。BH1750只需占用主控器的3個I/O端口（P0.1，P0.2，P0.3）就可以正常工作。圖3-8光強度傳感器模塊圖3.3電源模塊設計電源模塊是所有電子系統必需的基礎模塊。針對傳感器節點來講，電源模塊直接關系到傳感器節點的成本、效率、壽命等問題。因此，合理選擇電源種類是電源設計模塊中首選思考的問題。本設計核心系統板采用外接5V電池供電，原電池能量密度高、低廉、容易購買等特點使得整個系統能穩定工作。但基于節點所需要的電壓不止一種，為確保單片機和傳感器節點正常工作，根據CC2530對電源的要求，系統需要提供3.3V和6V這兩種電壓。為讓系統整體正常運行，本設計引入了一個電壓轉換電路，使用兩塊電源芯片給系統供電。一種是EUP3412降壓電路設計后得到3.3V穩壓電壓給系統其他部分供電；另一種是利用LM2623進行升壓電路設計得到6V穩壓電壓后單獨給CO2傳感器模塊供電。3.3.13.3V電源電路設計3.3V電源對除CO2傳感器部分以外的其他所有模塊供電。采用的電壓轉換器芯片是EUP3412降壓芯片。采取電阻降壓，電容濾波的方法提供3.3伏電壓。電源接口處接5V電源控制開關，C11、C12電容為濾波電容，引腳均接地，主要濾掉高頻紋波，防止自激振蕩;通過EUP3412，3.3V電壓輸出以后，分別送到CC2530的VCC引腳和溫度、光強度傳感器的VCC引腳。3.3V電源電路設計如圖3-9所示。EUP3412是電流控制模式的DC-DC電壓轉換器，輸出電壓與輸出端的兩個電阻比值有關，輸出電壓計算公式為Vout=0.5V*(1+R12/R13)，通過選值，可得本設計的電壓輸出為3.3V。圖3-9EUP3412電源電路3.3.26V電源電路設計根據CO2濃度傳感器正常工作的要求，需對其使用6V電源供電。采用的電壓轉換器芯片為LM2623升壓芯片。LM2623是一個高效率，通用，升壓型DC-DC切換為電池供電和低輸入電壓系統的穩壓器。6V電源電路設計如圖3-10所示。LM2623是一個高效率，通用，升壓型DC-DC電壓轉換穩壓器。輸出電壓公式為Vout=1.24*(1+R18/R19)，通過輸出端的電阻選值，可得本設計的電壓輸出為6V。圖3-10LM2623電源電路3.3.3電壓檢測電路設計本設計采用5V原電池作為大棚環境監測的系統供電方式，當它工作時，由于電池內部損耗和外部環境的影響，電池電壓會下降。為了使系統監測能夠長久穩定地進行，電源模塊中增加了一個電壓檢測的設計。電壓檢測電路如圖3-11所示。如圖所示，電壓檢測電路選用HT7033A低電壓檢測器，默認使用5V原電池供電，連接一個欠壓指示燈D5在輸出端口。當系統電壓降低至3.3V時，欠壓指示燈D5點亮，提醒要更換電池。圖3-11電壓檢測電路3.4LCD顯示在日常生活中，液晶顯示器隨處可見。液晶顯示模塊早已作為諸多電子產品的顯示器件，顯示的主要為數字、專用符號和圖形。液晶顯示器為一般的單片機的人機交流界面基本輸出方式之一。其在各個方面有著廣泛的應用。液晶顯示的原理比較簡單，它是利用液晶獨特的物理特性，通過電壓控制其顯示區域，通電即能顯示的原理，來控制顯示的圖形。液晶顯示器具有厚度薄、顯示質量高、價格低廉、適用于大規模集成電路直接驅動、體積小、重量輕、功耗低等特點，目前已得到大眾的青睞，廣泛涉及在眾多領域。在本設計的農業大棚環境監測中，采用的是LCD1602液晶顯示。以下是對LCD1602的基本介紹。LCD尺寸如圖3-12所示。圖3-121602-LCD尺寸圖1、關于LCD1602的電氣參數說明：一般來說，大部分LCD1602使用的驅動器為HD44780S。HD44780S的供電電壓為5V±10%。經測試發現，LCD1602的供電電壓雖然規定必須為5V，但是其控制總線和數據總線可用3.3V電平（TTL電平來說，大于2.5V的可以算高電平）。不過，在3.3V的電平下，數據的通信速度可能會降低。2、關于LCD1602的硬件連接說明：LCD1602的通信模式可分為4bit或8bit兩種，通信方式也可分為雙向和單向兩種。由于LCD1602不支持點陣繪圖功能，所以本設計使用的都是單向通信。LCD1602可以和單片機直接接口，硬件連接比較簡單。3.3V的背光電壓，有三根控制線，以及八根數據線。在實驗前應將顯示切換開關切換到LCD工作狀態。LCD1602硬件連接如圖3-13所示。圖3-13LCD硬件連接3.5本章小結 本章完成了農業大棚環境監測無線傳感器網絡節點通信對硬件電路的設計。包括CC2530最小系統的設計和數據采集模塊、電源模塊、LCD顯示電路的設計。其中CC2530最小系統設計包括了晶振電路、電源電路和復位電路三部分。晶振部分采用CC2530內部晶振，射頻通信部分也是作為CC2530內部成分進行闡述的。數據采集模塊的電路設計包括溫度傳感器電路、CO2傳感器電路、光強度傳感器電路三個部分的設計。電源模塊作為系統整體最基礎的部分，分為兩個電路設計進行闡述。本地顯示電路采用LCD1602顯示。目前，無線傳感器網絡（WSN）的硬件開發技術已經取得了比較好的進步，但仍舊面臨多方面的挑戰，比如硬件系統的可擴展性設計、高能量密度電池與能量收集技術以及多種應用需求方面的矛盾和權衡等還需要做出進一步的改善。第4章傳感器節點的軟件設計傳感器節點是由CC2530單片機，溫度、光強、二氧化碳三種傳感器，電源及LCD1602構成。每個傳感器節點被初始化為無線傳感器網絡（WSN）中的終端設備。CC2530作為整個Zigbee節點的核心模塊，主要負責管理節點外圍設備、存儲傳感器采集的數據信息，并對采集的數據進行無線收發操作。電源則負責為整個Zigbee節點供電，LCD負責顯示傳感器采集到的數據信息。4.1溫度傳感器程序設計溫度傳感器程序設計中采用了一種閾值監測溫度報警設計，它通過預先設置在CC2530中的溫度值來對采集到的溫度進行判斷，在設定溫度范圍之外的值則視為非常值。溫度測量每10min進行一次，并不斷進行刷新操作，從而達到實時監測農業大棚溫度的目的。LCD1602負責顯示DS18B20采集的當前溫度值。其程序流程如圖4-1所示。圖4-1溫度傳感器程序流程圖4.2二氧化碳與光強傳感器程序設計二氧化碳與光強傳感器程序設計比溫度傳感器程序設計增加了一個A/D轉換。系統主程序首先對各個部分進行初始化，設定正常值范圍，完成后開始接收用戶的命令，讀取并計算傳感器采集到的數據值，經A/D轉換后在LCD1602上顯示出來。若LCD顯示出傳感器采集到的數據不在正常值范圍內則報警。程序不斷地循環執行，達到實時監測農業大棚里二氧化碳濃度與光強度的目的。系統的程序流程如圖4-2所示。圖4-2二氧化碳與光強傳感器程序流程圖4.3Zigbee無線通信程序設計大棚環境監測WSN網絡采用基于IEEE802.15.4通信協議的Zigbee無線傳輸技術。Zigbee無線傳輸技術工作在開放式的、無需注冊的2.4GHz工業、科學以及醫療（IndustrialScientificMedical，ISM）頻段，傳輸距離大概范圍在10m~75m，若使用增益天線，傳輸距離可增加到1500m。此外，傳輸速率可達250kbit/s~10Mbit/s。IEEE802.15.4/ZigBee技術僅分為4層，ZigBee協議棧是建立在IEEE802.15.4的PHY層和MAC子層規范之上的。它實現了網絡層(networklayer，NWK)和應用層(applicationlayer，APL)的功能。在應用層內提供了應用支持子層(applicationsupportsub—layer，APS)和ZigBee設備對象(ZigBeeDeviceObject，ZDO)。Zigbee協議架構如圖4-3所示。圖4-3Zigbee協議棧架構圖從網絡結構上看，zigbee網絡有星形、網狀和樹狀3種模式，按照網絡節點功能劃分可分為終端節點、協調器節點(cp)、路由器節點3種。其網絡拓撲結構分別如圖4-4ABC所示。圖4-4網絡拓撲結構圖Zigbee網絡節點硬件設計的的核心是微處理器芯片。微處理器模塊在無線收發模塊的協作下完成Zigbee網絡的建立與維護，數據采集與處理，無線數據收發以及zigbee協議棧的正常運行。其網絡層數據通信實現過程為：當有數據要發送時，高層通過數據原語NLDE-DATA.request請求網絡層發送數據幀；收到數據請求原語之后，網絡層利用路由機制發送網絡層數據幀：當網絡層數據幀發送出去之后，網絡層通過NLDE-DATA.confirm原語告訴高層數據發送的結果。包括狀態、網絡層凈荷句柄和發送時間等參數。主程序流程如圖4-5所示。圖4-5主程序流程圖4.4本章小結 本章將基于無線傳感器網絡（WSN）的大棚環境監測系統中的傳感器節點軟件進行了闡述并畫出了流程圖。整體可劃分為三個功能模塊：溫度傳感器程序設計、二氧化碳與光強度傳感器程序設計和Zigbee無線通信程序設計。采用模塊化的設計方式設計的軟件靈活性較強，易于實現系統的擴展功能。若系統規模需要擴大，或者增加測量對象時，只需增加調用次數即可實現系統擴展，不用需重新設計電路。這也是基于無線傳感器網絡（WSN）的農業大棚環境監測系統比傳統大棚監控系統更有優勢的地方。第5章系統測試5.1系統的硬件介紹 本文根據無線傳感器網絡節點的設計要求，結合農業大棚環境監測的實際情況，設計出了一款農業大棚環境監測無線傳感器網絡節點的硬件設計方案。選用CC2530單片機作為系統的微處理器，配以DS18B20溫度傳感器、BH1750FVI光強度傳感器以及MG811CO2傳感器，選取5V原電池作為系統供電電源，LCD1602的顯示方式，在ZigBee協議作為WSN的傳輸協議下，實現了一種簡易、低功耗的無線傳感器網絡節點硬件平臺。完成系統硬件設計后，利用AltiumDesignerWinter09設計電路圖，并制作PCB板，完成硬件電路的焊接，下圖為焊接之后的PCB板硬件實物圖。圖5-1PCB板硬件實物圖5.2傳感器模塊調試本設計開發了一個農業大棚環境無線監測網絡，硬件搭接和軟件燒錄完畢之后，在實驗室進行了調試，先對系統分模塊進行了初步的測試，然后對系統整體做出了調試。以下是對三個傳感器模塊調試情況作出的介紹。5.2.1DSI8B20模塊調試調試DS18B20溫度傳感器模塊，可以通過在LCD1602模塊上顯示出由溫度傳感器DS18B20采集的溫度數據。用溫度計測量的當前室溫為18.5度，溫度傳感器采集到的溫度為18度。通過計算，得出測量誤差為2.8%，該值在誤差允許范圍內，滿足設計要求，適用于農業大棚溫度的監測。溫度顯示結果如圖5-2所示。圖5-2溫度顯示5.2.2MG811模塊調試 調試MG811CO2傳感器模塊，在室溫無處理情況下，CO2濃度值為1.07V，但大于電壓比較器的反相輸入端固定電壓，所以指示燈常亮。CO2濃度值顯示如下圖所示。圖5-3CO2濃度顯示（燈亮）當對著CO2傳感器吹氣時，周圍CO2濃度增加，導致傳感器輸出信號減小，CO2濃度值為0.96V。比較器反相輸入端有固定電壓輸入，當同