基于无线传感器网络的温室控制系统设计

目录摘要...........................................................ⅠAbstract.......................................................Ⅱ第一章前言.....................................................11.1研究目的和意义..........................................11.2国内外研究现状..........................................21.3研究内容................................................2第二章系统相关技术.............................................42.1无线传感器网络..........................................42.2ZigBee无线通信技术.....................................42.3GPRS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微处理器模块............................................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...........................................165.2ZigBee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执行结构模块设计.......................................20第六章结论...................................................21致谢...........................................................22参考文献.......................................................23摘要I摘要我国的农业正在向现代化、规模化、智能化发展。温室大棚作为现代农业生产中不可缺少的部分，对温室环境的有效管理能提高温室作物生产效率和农民经济效益。温室环境的湿度、温度、光照强度等因数对温室作物的生长有很大的影响。针对温室控制的需要，设计了一个基于无线传感器网络的温室控制系统。该系统通过分布在温室区域内的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，同时汇聚节点能接收远程服务中心发出的控制命令，控制部署在温室的控制节点，进而调节温室各参数达到合适要求。关键词：无线传感器网络，温室，ZigBee技术AbstractIIAbstractChina'sagricultureistomodern,large-scale,intelligentdevelopment.Greenhouseanindispensablepartofmodernagriculturalproduction,theeffectivemanagementofthegreenhouseenvironmentcanimprovetheefficiencyofgreenhousecropproductionandfarmers'economicbenefits.Greenhouseenvironment,humidity,temperature,lightintensityandotherfactorsonthegrowthofgreenhousecropshaveagreatimpact.Agreenhousecontrolsystembasedonwirelesssensornetworkisdesignedfortheneedsofgreenhousecontrol.Thesystemcollectsinformationthroughthesensornodesdistributedinthegreenhousearea,andthedataissenttothesinknodeinZigBeewirelesstransmissionmode.TheconvergencenodecommunicateswiththeremoteservicecenterthroughtheGPRSnetwork,andthecollectionnodecanreceivethecontrolcommandsissuedbytheremoteservicecentertocontrolthecontrolnodesdeployedinthegreenhouse,andthenadjustthegreenhouseparameterstomeettherequirements.Thesystemhastheadvantagesoflowcostandconvenientdeployment.Keywords:WirelessSensorNetwork，Greenhouse，ZigBeeTechnology第一章前言1第一章前言1.1研究目的和意义目前很多温室控制系统采用的是有线传输方式，有线传输需要铺设大量的信号传输线，由于天气和其他原因设备之间的连接线很容易坏，提高了检修和维护的难度。将无线传感器网络应用在温室控制系统中，除去了设备之间的信号传输线，不仅提高了系统的准确性，系统的扩展性也得到提高，也方便了系统的检修和维护。基于无线传感器网络的温室控制系统，能准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的产量和品质。1.2国内外研究现状20世纪，基于总线技术包括以太网技术的温室控制系统得到了快速发展。葡萄牙的Metrolho,J.C.等人在1999建立了基于CAN总线以及PC机等组建的典型温室控制系统[1]。美国兴起了划时代意义的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组成，以多跳的形式自组织成网络系统，各传感器采集和分析网络覆盖区域中监测对象的信息，并发送给观察者的技术引起了人们的关注[2-3]。在无线传感器的技术这个方面，我国的温室无线控制技术仍处于起步阶段。目前，星型网络拓扑结构在温室控制系统中是运用最多的无线数据传输。系统中，主机直接与温室大棚中的传感器节点相连。拓扑结构相对简单，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，实现温室环境的自动化、规模化控制是未来的发展方向[4-5]。1.3研究内容本文根据温室环境参数和无线传感器网络的特点，提出温室控制系统的设计方案。设计了一个基于无线传感器网络的温室控制系统。该系统通过分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聚节点。汇聚节点通过GPRS技术传输到远程服务中心，同时汇聚节点能接收远程服务中心发出的控制命令，控制部署在温室的控制节点，进而调节温室环境参数达到合适要求。本系统具有成本不高，部署便利等优点。第二章系统相关技术2第二章系统相关技术2.1无线传感器网络无线传感器网络（WirelessSensorNetworks,WSN）是由部署在监测区域内大量的低成本、低功耗微型传感器节点组成，节点之间通过无线通信形成的一个多跳自组织网络系统[6]。WSN由无线传感器节点、汇聚节点、传输网络和远程控制中心组成，其基本组成结构如图1。图1无线传感器网络的基本组成部分部署在被监测区域的监测节点实时、有效、准确的对监测区域进行数据采集，对数据进行存储以无线传输的方式传输到汇聚节点。汇聚节点对数据进一步的处理、分析、存储，在显示屏上显示，便于观察者查看。通过互联网传输到远程管理中心，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。2.2ZigBee无线通信技术目前，在短距离无线传输技术大家族中，除ZigBee技术外，还有许多，如：蓝牙技术、UWB技术、Wi-Fi等。表1给出了几种常见的短距离无线传输技术[5-6]。表1几种短距离无线通信技术的比较蓝牙UWBWi-FiZigBee规范标准802.15.1未定802.11b802.15.4工作频段2.4GHz3.1-10.6GHz2.4GHz;5GHz868/915GHz；2.4GHz最大传输速率1Mb/s110Mb/s54Mb/s250kb/s最大功耗1-100mW200mW100mW1~3mW传输距离l0m10m10-100m10-75m网络容量8825665536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第二章系统相关技术3从上面的表格可以对比得到，ZigBee技术在温室控制系统中有如下优点：(1)成本低:相比于其他几种短距离无线通信技术，ZigBee技术的协议栈设计相对简单，ZigBee不收任何协议专利费。因此ZigBee通信模块的成本低，很适合用在无线传感器网络中。(2)容量大:ZigBee有星型、树型、网状结构。一个主节点管理若干个子节点，一个主节点可以管理254个子节点，主节点可以由上层网络管理可以组成65535个节点。(3)低速率:从上表中可以看出ZigBee技术传输速率是最低的，最大为250kb/s，在温室控制系统中，温室采集数据的周期大且数据量大，传输速率低有利于节能，适合温室应用。(4)功耗低:相比其他技术的功耗，ZigBee是最低的，而且ZigBee技术允许设备空闲时转入睡眠功能，这有利于节点节能，减少了更换电池的次数，增加电池使用寿命。ZigBee网络层支持星型拓扑结构、树型和网状拓扑结构，如图2所示。图2ZigBee技术的网络拓扑机构图星型拓扑结构由一个协调器控制，协调器可以直接与远程控制中心进行数据通信，当一个节点发生故障时不会影响其他节点工作。在温室控制系统中部署在监测区域的传感器自组织成网络，以多跳传输数据。树型拓扑结构包括一个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。网状拓扑结构和树型拓扑结构组成大致相同，由协调器、路由器、终端节点组成，不同的是网状拓扑结构任意节点间可以通信，并且是自动寻找一条信息传输的最优路径。ZigBee技术可在868MHz、915MHz、2.4GHz三个频段上工作，这三个频段分别适用于全球、欧洲、美国，三个频段的传输速率为20kbit/s、40kbit/s、250kbit/s。通信延迟时间在15ms-30ms之间，它的传输