基于Zigbee组网技术的智能温室自控系统设计

毕业论文（设计）基于ZigBee组网技术的智能温室自控系统设计学生姓名：张洪林指导教师：崔新忠、讲师合作指导教师：专业名称：自动化所在学院：信息工程学院2014年6月大连海洋大学本科毕业论文（设计）摘要I摘要本文以ZigBee技术为核心，采用通用性思想和模块化设计的思路，用无线传感网络技术解决温室大棚内的农作物生长的智能自动控制系统。设计了基于ZigBee组网技术的数据采集节点，对温室内湿度、温度和CO2浓度等环境因子的数据采集，搭建了基于ZigBee的星型网络，实现了采集数据与控制数据的无线传输。利用PLC作为控制机构，根据已经设置的环境阈值对相应的执行机构进行控制，启动相应调控设备，从而使温室环境符合生物的生长规律。很好的解决了实时数据监测的问题，改变了过去只靠操作人员通过观察作物生长状态而进行测报的相对落后状态，对生产作物进行即时的自动监测，促进生产资源集约高效利用，从而能够大幅度提高的农业生产力。关键字：ZigBee组网，温室，环境因子监控，无线传感器网络，自动控制大连海洋大学本科毕业论文（设计）AbstractIIAbstractThisarticleisforaintelligentautomaticcontrolsystemwhichisforZigBeetechnologyasthecoretechnologyofwirelesssensornetworkstosolvethecropsgrowningreenhouse,designofthedataacquisitionnodethatisbasedontheZigBeenetworkingtechnology,collectiontheenvironmentalfactorsdataongreenhouse(humidity,temperatureandcarbondioxideconcentration),buildastarnetworkbasedonZigBee,ithasbeenachievedthatthedataofacquisitionandcontrolbasedonwirelessnettransmission.UsingPLCasacontrolmechanism,accordingtotheenvironmentofalreadysetthresholdvaluetocontrolthecorrespondingactuator,startthecorrespondingcontroldevice,whichaccordswiththegrowthlawofbiologicalgreenhouseenvironment.itisagoodsolutiontotheproblemofreal-timedatamonitoring,changedtherelativebackwardnessinthepastonlybytheoperatorbyobservingthecropgrowthstatusandconductforecasting,anditcanachievedthatthereal-timeautomaticmonitoringofcrops,promotetheefficientuseofresource-intensiveproduction,thusthemostsubstantialincreaseinagriculturalproductivity.Keyworks:ZigBeenetwork,greenhouse,monitoringofenvironmentalfactors,wirelesssensornetworks,automaticcontrol大连海洋大学本科毕业论文（设计）目录III目录摘要.........................................................IAbstract....................................................II第一章前言.................................................11.1研究目的和意义..................................................11.2研究背景以及国内外研究现状......................................11.3目前研究存在的问题..............................................2第二章系统总体方案的设计...................................32.1总体方案的设计..................................................32.2系统子节点的设计................................................42.3本次毕设中主要要解决的问题和实现功能的方案......................4第三章ZigBee无线网络模块设计..............................63.1ZigBee技术及其组网选择........................................63.2ZigBee无线网络传输模块硬件设计................................93.3数据采集模块与ZigBee模块硬件连接.............................143.4ZigBee无线传输模块软件设计...................................14第四章控制数据采集模块设计................................174.1传感器的选择..................................................174.2数据采集模块的硬件设计.........................................174.3数据采集模块的软件设计........................................20第五章PLC控制系统的设计..................................225.1温室自动控制系统的分析与设计...................................225.2PLC控制系统硬件电路设计......................................245.3PLC控制系统软件程序设计......................................245.4基于RS-485网络的PLC控制系统设计..............................24第六章基于ZigBee的温室智能自动监控系统性能调试...........276.1传感器数据采集系统的调试.......................................276.2ZigBee无线数据传输系统调试....................................276.3PLC自动控制系统的调试.........................................276.4系统整机综合调试...............................................27大连海洋大学本科毕业论文（设计）目录IV第七章总结与展望..........................................297.1总结...........................................................297.2展望...........................................................29致谢........................................................30参考文献....................................................31大连海洋大学本科毕业论文（设计）第一章前言1第一章前言1.1研究目的和意义伴随着新兴技术的快速发展，信息科学日新月异的技术发展，无线传播技术已经开始渗透于人类生活中的各个领域。温室大棚作为新型的农业种植技术，很大程度上改变了农民的生活生产质量。ZigBee是一种最近刚刚兴起的一种短距离，低速率，投入低廉，通信可靠的无线网络技术，它具备采集信息，传输信息以及智能处理于一体的优势，通过温室环境因子传感器监测空气中的温湿度，光照强度以及二氧化碳浓度等多点环境因子参数，通过ZigBee无线传感器网络将数据实时的传输到上位机，在依据预设阀值来控制以及指导生产，因此这种基于ZigBee无线技术的网络可以满足温室大棚对各项环境参数的控制要求，很大程度的避免了因参数监测失误造成的损失，提高农民的收入。1.2研究背景以及国内外研究现状在我国的经济产业构成中农业占了很大的比例。温室大棚种植技术这种创新型农业作物种植技术已经在祖国大地全面推广种植，它的出现使农业种植冲破了老式农作物种植受地域、自然环境和气候影响等环境因素的局限，温室大棚种植技术可以很大程度的避免季节变化和其他一些因素的影响，为植物提供一个有利的保护场所，它的出现很好的促进了农业的生产增收。随着现代科学和信息技术的发展，现代农业的种植正朝着机械化、数字化和精确控制的方向发展，温室自动监控系统通过收集和分析温室的温室环境因子数据，对农作物进行即时的自动监控，改善农作物的生长环境，是资源高效利用，就可以很大幅度提高农业生产力，利用温室自控系统可以使每个温室大棚的经济效益增长显著[1]。在基于ZigBee组网技术的控制应用上，Chin-FengLai等人为了缓解远程控制器过多的问题,我们构建了一个多模型情景识别控制器远程电子设备来优化用户体验在2010年开发了一个多样化的远程网络控制系统[2]。SofianeOuni等人在2013年设计了在IEEE802.15.4/ZigBee内部路径优化的系统，这种方法可以节省每个节点的能源消耗,以延长网络的生命周期[3]。其实在我国，温室大棚的自控系统的设计方面起步就晚，张骞教授等人（2007）在丽水的现代温室农业科学院设计了基于ZigBee技术无线温室监控系统。自由组织、自由配置，自我修复的强大功能为系统配置提供了几乎无限的灵活性[4]。江朝晖等人在2010年依据农业监测的特性，采用基于ZigBee无线技术建立了通信网络，设计了一个温室无线监测系统[5]，该系统通用化和模块化的设计理念，将每个模块单独设计，使其应用范围广且易移植。但总体来说，我国的ZigBee与ZigBee组网技术仍处于初期开发阶段，在国内的应用还是比较少。所以此次设计采用星型拓扑结构组网，将低能耗，低成本，寿命长的ZigBee技术与温室技术相结合，对温室的二氧化碳，湿度，温度等对象进行监控，希望可以开发出一个节约高效的温室自控系统。大连海洋大学本科毕业论文（设计）第一章前言21.3目前研究存在的问题(1)现在温室农业还是主要依靠具体操作人员的对农作物的种植经验来对温室内的农作物管理种植，这个种植方法较之国外有较大滞后。(2)目前为了实现对温室环境因子数据的监测，我们的建设者们倾向于构建由大量电子检测设备组成的监测与控制系统，由此产生的温室设施投资成本高，维护困难。（3）环境监控技术方面的环境控制能力低、自动化程度相对落后。目前国内研发的系统可以对目标进行简单的监测和控制，但是对温室内环境的调节能力有限，价格偏贵，使用这些系统与否，不能明显的提升经济效益，可能还会因为设备投资过大，引起一些