物联网综合应用课程设计报告-基于Zigbee技术的智能温室自控系统设计.docx

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1、MX5ANYANGINSTITUTEOFTECHNO1OGY物联网综合应用课程设计报告设计题目：基于Ziqbee技术的智能技室自控系统设计学院：计算机科学与信息工程学院学生姓名：XXXXXX学号：XXXXXXXXXX专业班级：物联网工程13-2指导教师：XX2016年12月20日课程设计任务书设计题目基于Zigbee技术的智能温室自控系统设计学生姓名所在院部肾盟广信专业、班级物联网工程2班设计要求：1 .运用ZigBee技术写出设计方案，及其重要的实现步骤2 .查询资料，写出基本的思路3 .根据计划，在相应的时间中完成设计4 .进行功能测试，统计结果5 .进行反思和总结学生应完成的工作：1小组

2、成员分工明确，各自独立完成2 .多进行交流，经验互相分享3 .在规定的时间内完成整个项目4 .进行功能测试，统计出运行结果参考文献：物联网导论，无线传感网络，ZigBee技术工作计划：1.12月12日到15日完成小组之间分工2.12月15日以后每个人独立完成自己所负责的功能任务下达日期：2016年12月12日任务完成日期：2016年12月23日指导教师（签名）：学生（签名）：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C02浓度等环境因子的

3、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P1C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，自动控制目录摘要：3关键字3第一章前言61.1 研究目的和意义61.2 研究背景以及国内外研究现状61.3 目前研究存在的问题7第二章系统总体方案

4、的设计72.1 总体方案的设计72.2 系统子节点的设计92.3 本次设计中主要要解决的问题和实现功能的方案9第三章ZigBee无线网络模块设计103.1ZigBee技术及其组网选择103.1.1ZigBee技术概述103.1.2ZigBee技术的体系结构113.1.3基于ZigBee技术的组网介绍与选择123.2ZigBee无线网络传输模块硬件设计143.2.1CC2430控制芯片简介143.2.2CC2430芯片引脚的配置说明153.2.3CC2430射频模块电路的设计163.2.4CC2430芯片外围电路的实现173.3数据采集模块与ZigBee模块硬件连接193.4ZigBee无线传输

5、模块软件设计193.4.1ZigBee技术的软件开发环境的介绍193.4.2ZigBee星型网络拓扑结构的搭建193.4.3ZigBee无线传输的软件设计21第四章控制数据采集模块设计224.1传感器的选择224.2数据采集模块的硬件设计234.2.1单片机的选型234.2.2数据调理模块设计234.2.3模数转换模块的设计254.3数据采集模块的软件设计264.3.1采集模块主程序设计264.3.2转换模块程序设计27第五章P1C控制系统的设计285.1温室自动控制系统的分析与设计285.1.2系统的输入量与输出量的分析295.2P1C控制系统硬件电路设计305.3P1C控制系统软件程序设计

6、305. 4基于RS-485网络的P1C控制系统设计316. 4.1构建基于1:N的P1C网络控制系统32第六章监控系统的调试流程336.1 传感器数据采集系统的调试337. 2ZigBee无线数据传输系统调试338. 3P1C自动控制系统的调试346.4系统整机综合调试34第七章总结与展望359. 1总结357.2展望36致谢36参考文献37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，

7、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

8、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。在基于ZigBee组网技术的控制应用上，Chin-Feng1ai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

9、体验在2010年开发了一个多样化的远程网络控制系统2oSofianeOuni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

10、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。1.3 目前研究存在的问题(D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。(

11、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，引起一些相对的负增长。所以我国的温室大棚在基于无线网络技术的温室自动控制系统还有待完善。第二章系统总体方案的设计2.1 总体方案的设计为了在温室大棚智能监控系统领域满足不同控制需求温室内控制要求，这次设计的系统预设了上位机和下位机两个大模块。其中，对于上位机选择就是选用微机,这个毋庸置疑，下位控制器则依据系统的控制要求分成两个模块，分别采用单片机和P1C控制器。下位机控制器应该要

12、完成的工作是在脱离监控PC机后能独立地进行数据因子的采集与控制，可以通过已经预设好的各项数据的阀值来实现P1C对执行机构的控制，而且具备手动处理系统。下位机控制器是以CC2430单片机和P1C控制器为核心的，整个下位机系统包括两个下级模块，分别是ZigBee无线主模块和P1C自动控制模块。其中设计的ZigBee无线传输网络模块应该包括以下五大模块，他们分别是数据采集模块、模数转换模块、无线网络传输模块以及通信模块等，P1C自动控制模块包括数据模块和执行机构控制模块。数据采集模块可以完成对温室大棚内的湿度、温度和二氧化碳浓度等环境因子的模拟量或者数字量的收集和预处理，并将结果送至数据存储器和送至

13、监控服务器存储和管理。P1C输出控制模块的主要工作是通过比较实时监控的环境因子参数和预设阀值来实现对温室大棚内的各个执行机构的自动控制；通信模块是基于RS-232/RS-485串口总线网络，主要功能就是程序的烧写和数据的传输，是实现上位机与ZigBee网络和P1C控制器间通信的必须通道。本次设计的系统主要由基于ZigBee的环境监测系统和P1C控制系统，这两个部分组成的温室自动控制系统。原理图如下：上位机URS-232/RS-485总线图1总体方案结构图(1)环境因子的监测系统：由于课题的设计要求，所以系统主要检测温室内的二氧化碳浓度、温度和湿度这三个数据，当传感器收集到环境因子的数据后传到Z

14、igBee子节点，再通过无线网络传到ZigBee网络总节点，最后经过RS-232串行口总线将数据传到上位PC机上并存储。(2)P1C控制系统:ZigBee总节点接收数据通过网络通信层将数据传递给P1C,由P1C控制器来自动控制每个温室执行机构的启动与关闭。通过在上位机上的程序设计，将需要控制的环境因子的阀值存储在中间存储器中，再将实际的测量值存在数据存储器中比较两者的值的大小，依据实时数据的大小来控制温室内的升降温度的设施、湿度调节的设施、通风设施等控制温室环境参数的设备的启停。2.2 系统子节点的设计依据设计的要求，在设计的这个温室大棚内会存在三种不同的传感器，分别测量温室大棚内的湿度的湿度

15、传感器、测量温度的温度传感器以及检测二氧化碳浓度的C02传感器。ZigBee网络会按照一个稳定的周期收集由传感器采集出来的数据，如下图所示，由于系统选用的温度传感器、二氧化碳浓度传感器这两种传感器是模拟传感器，所以需要先通过模数转换器转将其换为数字信号，然后再将数据送至单片机中，最后送达CC2430机芯片完成对数据的收集；而系统选用的湿度传感器直接就是数字式的，不用A/D转换就可以完成数据传递，传感器采集的数据在单片机内经过预处理后，将三种数据按照先后顺序送到ZigBee无线网络中的子节点2.32.4 本次设计中主要要解决的问题和实现功能的方案(1)数据检测模块的设计对各个被监控的环境因子的数据收集是实现实时数据分析是保证整个控制系统正常运转的基础。所以在设计中，要使用单片机来对数据进行预处理以确保传感器收集的数据的实时性。而且要根据实际和控制要求选择三种监测目标传感器。通过软硬件结合，利用适合的开发环境完成数据的检测与传输。(2) ZigBee无线网络的搭建依据控制要求和温室大棚的自身特点，选用适合ZigBee无线技术的处理芯片,