基于的温湿度上位机监测专业系统设计毕业设计方案.doc

基于ZigBee技术温湿度远程监测系统设计 学生：陈园（指引教师：吴琰）（淮南师范学院电子工程学院）摘 要：针对当前温室大棚农作物大面积种植，迫切需要科学办法进行智能远程监测研究现状，设计出一套温湿度远程监测系统。该系统是有各种采集终端和一种协调控制器构成。各种终端分别放置不同大棚内进行实时采集数据，协调控制器作用就是将各种采集终端通过无线传播过来数据进行分析并和PC机连接。PC机上运营上位机软件实时监测各大棚温湿度信息。各种终端和协调控制器均采用TI公司新一代CC2530芯片；温湿度传感器采用市场上比较流行DHT11；无线传播采用ZigBee合同；上位机软件采用labVIEW编写，并通过RS-232与协调控制器连接通信。通过实物测试了ZigBee无线传播稳定可靠性，丢包率在误差范畴内。温湿度采集有0.5s延时时间，满足实时性规定。核心词：终端；协调控制器；DHT11；CC2530；ZigBee；上位机 Design of Remote Monitoring System for Temperature and Humidity based on ZigBee TechnologyStudent：Chen Yuan(Faculty Adviser：Wu Yan)(college of electronic engineering，Huainan Normal University)Abstract：According to the current situation of the research on the intelligent remote monitoring of greenhouse crops，the research status of intelligent remote monitoring is urgently needed，and a set of remote monitoring system for temperature and humidity is designed. The system is composed of a plurality of acquisition terminals and a coordinated controller. Multiple terminals are placed in different greenhouses for real-time collection of data，the role of the coordination controller is to collect more than one collection terminal through wireless data transmission over the data analysis and PC machine connection. Temperature and humidity information operation software of PC real-time monitoring of the greenhouse on PC. A plurality of terminals and a coordinated controller are used in a new generation of CC2530 chip of TI company；temperature and humidity sensor used on the market more popular DHT11；wireless transmission based on ZigBee protocol；PC software using LabVIEW，and connected with the communication through the RS-232 and coordination controller. The reliability of ZigBee wireless transmission stability test through the physical，the packet loss rate is in the range of error. Temperature and humidity acquisition 0.5s time delay，meet the real-time requirements.Keywords：Terminal；coordination controller；DHT11;CC2530；ZigBee；host computer1. 绪论1.1 设计背景和研究意义现如今国内已经成为世界第一粮食生产大国，据关于记录阐明，国内农作物设施栽培面积已经超过210万hm2。提高农作物生产效率已经成为提高中华人民共和国在国际社会中发展速度重要因素之一。结合国内气候环境来说，普通老式式耕作方式受到了限制，在某个季节只能收获特定农作物，并且外界因素干扰性较大，突然降温或者长时间干旱都是影响收成核心因素。温室大棚浮现较好解决了这一问题，使消费者在任何时候，任何季节都可以吃到新鲜果蔬。温室大棚流行，不但仅给消费人群带来了便利，也为生产者带来了经济利益。但大面积种植，如何提高生产效率和更好监管大棚内作物生长成了核心问题。温室作物生长核心问题就是如何控制好温室内环境温湿度。只有在适当生长环境下，农作物才干以最佳状态生长，才干提高作物产率。因此，设计出如何较好控制和监测大棚内温湿度环境成为了核心因素。1.2 国内外发呈现状如今快节奏生活方式，使各个大都市生鲜超市果蔬成为了热销品，而价格却居高不下。这些因素追根溯源都归结与温室大棚生产效率问题。如何提高温室大棚生产效率问题，已经成为国内外迫切需要解决问题。随着市场千变万化，物联网技术飞速发展，温室种植规模不断扩大，对温室生产过程监测，调控技术需求量日益增长，不但要管理好作物生产品种、面积。还要时刻关注市场，使得生产、消费处在良性状态循环下。过去“十一五”期间，国内不少研究机构和农业有关单位也研究出了一系列温室监控系统。但是，这些产品过于单一化。只能适应于小范畴。局域性温室环境。而不能满足于大面积大棚监控。各个环境间缺少信息互换。而国内温室大棚恰恰是由温室群为主。不是很完美解决当前问题。20世纪70年代，国外温室大棚生产技术以飞迅速度发展。但由于需求和生产面积限制，温室监控系统也只是合用于小规模温室，但在那样环境下，小规模温室农作物栽培已经能满足于市场需求，因而局域性温湿度监测系统已经达到规定，而考虑到国内现状，大规模温室群已经成为主流，开发出大规模温室群温湿度监测系统已经是大势所趋。1.3 论文设计重要内容基于ZigBee技术远程温湿度监测系统设计重要是针对于国内当前大棚产业现状而设计，设计特点是运用ZigBee技术，运用其独特组建局域网模式，实现将各个大棚数据汇总到一起，实时动态监测每个大棚状态，可以减少生产人员工作量，在没有异常状况下，人员可以节约时间，提高工作效率。从而达到以最小付出收获最大利益，这也是科技是第毕生产力最后目。论文第一某些为绪论某些，详细讲述了设计该系统背景和目，分别简介了国内当前温室大棚技术现状和国外发展状况，因此设计出一种适应于国内温室大棚远程监测系统是迫在眉睫。第二某些是系统设计有关理论知识简介，分别简介了ZigBee技术特点和优势，以及IAR开发环境、labVIEW软件简介2 系统设计有关知识简介2.1 ZigBee技术ZigBee是近几年新兴一种短距离、低速率、稳定可靠无线网络技术，是无线传感网络(WSN，wireless sensor network)核心技术之一。是基于IEEE.802.15.4无线原则研发，关于组网、应用软件和安全技术原则。ZigBee特点就是可靠性高、无人工自组网和断网自恢复能力强、多工作频段工作和开发难度相对简朴1。ZigBee来源却很故意思，它命名重要是人们对蜜蜂采蜜观测，蜜蜂在采蜜过程中，会跳着优美舞蹈并发出“嗡嗡”声音，其舞蹈轨迹很像“Z”字形状；蜜蜂个体比较小，但是群体多，单个个体能量小，能携带花粉。因而，咱们用ZigBee技术来表达低成本，低功耗，能量小，传播速率低无线通信技术。在中文翻译中，通惯用字面翻译来解释“紫蜂”。在ZigBee技术中，咱们学习和开发时，普通都要从层角度去理解。固然它也是和咱们熟知TCP/IP合同层构造类似，但由于其自身是简朴，低功耗，低速率无线传播合同，因此层构造相对TCP/IP来说要简朴多。2.1.1 合同层蓝牙、WIFI等其她网络合同普通有7个层，分别为物理层、数据链路层、网络层、传播层、会话层、表达层、应用层。而ZigBee合同层相对简朴，仅为3层，分别为PHY层、MAC层以及应用层。PHY提供两种两种类型服务：即通过实体接口(PLMN)对PHY层数据和管理提供服务，PHY层数据服务可通过无线物理信道接受和发送物理层合同数据单元(PPDU)来实现2。PHY层重要作用是负责无线数据收发、数据能量检测、信道选取、清除信道选取(CCA)、及通过物理媒体对数据包进行收发2。MAC重要作用就是信道管理、信道接入、时隙管理、发送确认帧、发送状态连接和断开状态祈求。还提供某些适当安全机制2。MAC层应用框架层物理PHY层网络安全层IEEE 802.15.4ZigBee合同图1 ZigBee合同层示意图2.1.2 网络拓扑构造ZigBee技术依照有关应用有三种拓扑构造分别为：星形拓扑构造、树形和网状拓扑构造。如图2所示。路由器协调器终端星形构造网状构造树状构造图2 ZigBee网络拓扑构造图星形构造是由一种协调器、各种路由器和终端构成，协调器能同步和路由器和终端构成网络通信。其中路由器和终端不能直接通信，必要通过协调器进行转换操作，才干实现数据互换。网状构造与星形构造不同是，它各路由器之间也能互相通信，各路由器又能和协调器进行数据互换，路由器分别把终端采集数据通过路由器转换、通信反馈给协调器。树状构造特点更明确，类似于级别似数据互换，一种路由器只负责自己旗下几种终端节点，不与其她路由器通信，只与协调器进行数据互换。然后协调器要控制终端也必要通过她们各自所归属路由器。2.2 硬件芯片简介2.2.1 CC2530芯片CC2530是德州仪器（ TI ）公司专为适应物联网大潮而设计一款专用于IEEE 802.15.4无线局域网合同专用片上系统芯片(SOC)。能以非常低功耗和成本建立强大无线个人局域网节点。与其她众多嵌入式芯片不同是，它集成了业界领先RF收发器，当开发者使用就无需再进行额外无线模块外围电路设计。大大减小了硬件开发者难度开发者。CC2530采用工业增强型8051内核，内部系统带有可编程FLASH存储器，8KRAM和其她MCU资源。CC2530有四种不同型号：CC2530F32/64/128/256，重要是依照Flash大社区别：32/64/128/256KBFlash存储器。当前广泛应用于物联网、智能家居行业。图3 CC2530芯片引脚图2.2.2 DHT11温湿度传感器DHT11是一款价格低廉、内部具有已校准数字信号输出温湿度传感器，是市场上非经常用复合数字传感器。由于其价格低廉，开发使用以便，因而广泛使用于汽车、测试及检测装备、除湿器、温湿度调节器等场合。其内部尚有电阻式感湿元件、NTC测阻元件、OPT以及MCU控制电路模块；将这些部件封装在一起，实现温湿度数据采集解决；通过单总线方式输出。湿度测量范畴：20%90% 湿度精度：5%RH 温度精度：2 辨别率：1 封装：4针单列直插图4 DHT11实物图表1 DHT11引脚功能阐明PIN名称注释1VCC供电3-5.5DC2DATA单总线，串行数据3NC空脚，请悬空4GND接地，电源负极2.3 开发环境简介2.3.1 IAR开发环境IAR是当前嵌入式开发工具中非常流行一款开发软件，它集成C/C+编译器、调试器于一体优势获得了众多嵌入式开发工程师青睐。它是全球领先嵌入式开发工具和服务供应商IAR Systems所提供，支持当前全球众多知名半导体公司微解决器。全球众多知名半导体公司也在使用IAR公司产品。开发嵌入式产品重要应用于消费电子、航空航天、工业控制、汽车电子、医疗电子等众多领域。IAR公司依照市场上不同微解决器芯片内核，提供了不同版本。咱们这里用到是IAR Embedded workbench IDE for Intel MCS-8051 这种版本IAR开发环境重要是为8051内核微解决器。其软件界面如图5。图5 IAR开发环境界面2.3.1 labVIEW 开发环境labVIEW是美国国家仪器( NI )公司推出一款程序开发开发环境，该公司尚有一款非常典型电路仿真软件Multisim，也受到了广大电子工程师爱慕。LabVIEW也是类似于C、BASIC等程序开发环境类似，但她不同于其她计算机开发语言是它抛弃了老式文本式语言编辑，取而代之是图形化编程语言进行开发，也就是人们所说G语言，G语言最大优势就是简朴、简洁明了。这种程序开发语言对程序员语法知识规定不是很高，因此对于非计算机类专业人员，用到界面开发话，labVIEWS是最佳选取。该软件特点就是提供了非常齐全程序控件，开发者不用关怀底层是如何实现，软件自身就提供了各类接口控件，不论是是底层嵌入式开发，还是上层应用开发，labVIEW都可以满足设计者规定。labVIEW软件界面如图6所示。图6 labVIEW软件界面3 系统硬件电路设计3.1 电源电路CC2530及外围传感器工作电压为3.3V工作电压，因此在电源电路设计时候将直流输入5V电压转换成3.3V，如图7所示。图7中，电压变换采用了LM1117电压转换芯片，该芯片目就是将输入5V电压转换成微解决器需要3.3V。其中DCIN为直流5V输入接口，通过F1保险丝和开关进入LM11173号管脚，经芯片转换过后，2号引脚输出3.3V电压。其中在2号管脚和3号引脚都会有电解电容、普通瓷片电容接地；瓷片电容目是滤除高频杂波。在转换正常状况下，二极管LED批示灯会接通，并发光。图7 电源电路3.2 通信电路在本设计中，涉及到下位机和PC上位机通信过程。通信方式有USB通信、RS-232通信，这里咱们选取开发难度相对简朴RS-232通信合同，也就是串口通信。但是当前市场上笔记本电脑基本都取消了串口接口，因此需要将USB信号转换成串口信号。图8为USB转串口转换电路。图8 PL2303驱动电路3.3 传感器电路本设计采用温度、湿度两用传感器DHT11，DHT11采用单总线数据读取和写入模式，操作简朴，程序代码编写也较为容易。借鉴官方数据手册提供驱动电路，如图9所示。图9 DHT11采集电路传感器1号引脚接电源VCC端；3号引脚接GND端，为传感器提供正常工作电压，2号引脚为数据端口，其中该端口在使用时需要将其接上10K上拉电阻，目是为了能使读取和写入数据稳定性，单片机输出高电平在传播过程中会受到外界或者导线影响，到达数据口时候也许会发生变化，因此这里需要接上上拉电阻保持其信号稳定性。3.4 主控电路CC2530工作正常工作电压3.3V，由于该芯片内部自带AD转换芯片，因此这里会有模仿电压和数字电压区别，如图10所示。芯片引脚中标有DVDD均为数字电源正，标有AVDD均为模仿电源正。32、33、22、23引脚都接上了晶振，但不同是：22、23接是32M晶振，为系统提供正常工作提供基准时序。32、33引脚接上晶振为32.768K，其作用就是为系统时间提供基准时序，开发者可以采用这个时序基准开发RTC实时时钟；此外，当单片机处在休眠状态时，该晶振还可以继续提供实时时钟时序。.图10 CC2530系统电路4 系统软件设计4.1 系统整体框架依照设计规定，构思出系统整体框架。温湿度传感器采集数据；采集节点进行数据解决，并通过无线传播给协调器；协调器通过点对点通讯方式和各个节点联系，并实时接受各节点数据。协调器与PC机通信，把各节点信息发送PC端。这里由于实际状况限制，不也许采用N各种节点；因此设计采用2个节点为例。传感器传感器协调器节点2节点1PC机图11 系统构造框架4.2 下位机程序设计任何程序代码编写都要事先进行程序流程图设计，本设计下位机程序设计是依照Z-Stack合同栈规范，因此在程序设计时，与以往裸板开发不同样，在理解Z-Stack合同栈APP层同步，加入自己逻辑设计、应用程序某些。程序流程图如图12所示。报文发送开始DHT11初始化初始化成功？数据解决NY提取数据串口发送开始建立连接？接受报文NY图12 节点发送、协调器接受程序流程图在节点程序设计时，一方面要对DHT11驱动子程序编写，测试并通过；然后移植到合同栈程序代码中调试。能在合同栈中也能实现温湿度采集，并实现数据发送程序编写。在协调器程序设计时，首要问题就是报文提取。在Z-Stack合同栈中，接受到报文并不是单独数据，因此必然要将需要数据包提取出来，然后解析数据并编写合同栈环境下串口发送程序。详细程序代码见附录。4.3 上位机程序设计协调器和节点都是基于C语言开发，而上位机界面开发则是依照labVIEW软件特点，采用图形化G语言开发，程序流程图如图13所示。开始串口连接？YN点击采集按钮？YN接受数据解析数据节点1节点2退出？退出软件图13 上位机程序流程图依照设计程序流程图，在labVIEW 程序面板中编写相应代码。其代码如图14所示。图14 labVIEW程序面板程序面板中，所有执行代码都是在一种大循环下执行，要让软持续运营，大循环条件必要为真；条件为真时系统时间控件会显示当前时间延时控件也会工作。控制循环是布尔变量按键，可以选取条件真假实现程序终结。大循环内有一种VISA串口配备控件，将波特率设为115200bps、设立奇偶校验位0、终结位0。接着就是另一种内嵌小循环；在这个小循环里，串口缓存区数据在这里通过数组、字符某些操作将数据分离出来，分别相应1号节点和2号节点。解析数据将会在前面板显示出来，所此前面板设计也要合理美观，前面板如图15所示。图15 labVIEW前面板5 系统调试及成果分析5.1 程序调试、下载通过系统流程设计、代码编写、移植、修改、调试，将协调器程序代码编译后通过JTAG下载方式下载到CC2530芯片Flash中；接通电源后，此时协调器具备组建网络能力。接下来把程序切换到终端模式，对程序进行编译、下载。同上电后，终端节点会自动查找协调器，自行搜索与否有相应协调器存在；若搜索到协调器存在会积极建立网络连接。程序编写好后，点击编译按钮，如图16所示。图16 程序调试编译界面编译通过后，通过JTAG将CC2530下载口与PC机相连，协调器程序下载需在左上角工程选项复选框选取CoordinatorEB-Pro方式，点击下载；下载终端节点程序需要更改左上角工程选项复选框选取EndDeviceEB-Pro方式，点击下载。下载界面成果如图17所示。图17 JTAG程序下载界面5.2 运营成果及分析5.2.1 运营成果将程序代码编译下载到芯片内，分别给协调器和终端供电；协调器组网批示灯会闪烁，等到有终端节点加入其网络时候，批示灯就会稳定批示。终端节点网络批示灯也会始终批示网络连接状态。在终端节点设备上，DHT11温湿度传感器电源批示灯也会亮起，阐明DHT11处在正常工作状态。协调器（左下）、终端节点（左上、右上）组网状态实物设备如图18所示。图18 协调器、终端组网状态图协调器和PC连接时，检查串行端口与否连接，查看 我电脑设备管理端口与否有端口存在，若浮现无法辨认USB设备，需要安装USB转串口驱动，这里驱动芯片为PL2303。安装驱动后会浮现COM口，再打开上位机软件，选取刚才辨认COM口，并点击 开始 按钮，连接状态批示灯会由红色变为绿色，阐明连接成功。此时上位机界面上会有下位机发送数据。如图19所示，此时协调器只与一种节点组网，另一种节点未供电。此时上位机界面就浮现一种节点数据；数据会每500ms更新一次，若用手握住DHT11或对其吹口气，此时上位机界面数据会发生变化，表格温湿度波形会慢慢上升。图19 单个节点上位机界面当一种节点正常工作时候，另一种节点突然通上点，另一种节点数据界面也会及时更新，在更新同步不会影响此外一种节点，两个节点工作状态是互相独立，也不会互相影响。如图20所示，界面上半某些实时显示1号节点温湿度信息，下半某些显示2号节点信息。在波形表格左侧是一种温度批示计，它左上角有个数字显示框；直观反映动态变化同步，又能时刻显示其数字大小变化。右边蓝色液压界面是湿度批示。其右上角也有个数字框，也是为了能更清晰反映数字变化。在整个界面会实时显示当前时间。图20 两个节点上位机界面5.1.2 成果分析通过多次连接、组网、通信，数据基本都能稳定上传，上位机也能不久辨认并且稳定显示其上传成果。当将终端节点设备拿到很远地方；并且有诸多建筑物阻挡地方时，数据通信会不稳定甚至浮现断网状况。若供电不稳定或者终端节点和协调器上电过于频繁，也会浮现数据突变为0状况，但持续时间很短，为一种数据更新周期。下一种更新周期开始就会回答正常显示状态。理论上来说，依照天线发射功率，能达到2km通信距离，固然是在无障碍物前提下，解决这样问题需要增大天线发射功率，更换更好接受天线。但由于经济因素和时间状况不容许，因此这样问题在后来进行改进。此外虽然数据突变状况浮现次数很少，但是也反映出一种问题，需要解决这样问题，需要对数据进行滤波解决，这里滤波采用数字滤波，可以采用平滑滤波算法，平均值滤波算法等，但由于本人当前知识能力有限，对这些算法知识理解不够。在后来学习中会花更多时间解决这样问题。