農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

word文檔可自由復(fù)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(huán)境監(jiān)測中的研究現(xiàn)狀及趨勢 2112061.4論文的主要內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排 315605第2章系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 4121292.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 4287052.2硬件電路方案設(shè)計(jì) 420572.2.1微處理器選型 528902.2.2傳感器選型 6215802.3系統(tǒng)軟件方案設(shè)計(jì) 897032.4本章小結(jié) 931841第3章節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì) 10254813.1最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10186823.1.1CC2530射頻通信 11306793.1.2復(fù)位電路設(shè)計(jì) 12322293.1.3CC2530晶振模塊設(shè)計(jì) 12254023.2數(shù)據(jù)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(qiáng)度傳感器塊 15227163.3電源模塊設(shè)計(jì) 15204923.3.13.3V電源電路設(shè)計(jì) 15315253.3.26V電源電路設(shè)計(jì) 16176453.3.3電壓檢測電路設(shè)計(jì) 17185913.4LCD顯示 18194063.5本章小結(jié) 1931281第4章節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì) 2058594.1溫度傳感器程序設(shè)計(jì) 20216954.2二氧化碳與光強(qiáng)傳感器程序設(shè)計(jì) 21123094.3Zigbee無線通信程序設(shè)計(jì) 2197694.4本章小結(jié) 2523221第5章系統(tǒng)測試 2616105.1系統(tǒng)的硬件介紹 26220965.2傳感器模塊調(diào)試 265.2.1DSI8B20模塊調(diào)試275.2.2MG811模塊調(diào)試275.2.3BH1750模塊調(diào)試2816105.3Zigbee通信測試 2916105.4本章小結(jié) 298862第6章總結(jié)和展望 3010884參考文獻(xiàn) 319873致謝 32附錄33word文檔可自由復(fù)制編輯農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)摘要為提高農(nóng)業(yè)大棚溫室生產(chǎn)過程的自動(dòng)化，非常有必要實(shí)時(shí)獲取大棚溫室環(huán)境的光強(qiáng)度、溫度、CO2濃度等基本環(huán)境參數(shù)。針對農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測易變、多樣的考慮，本設(shè)計(jì)提出了一種基于Zigbee的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案。微處理器采用CC2530單片機(jī)；軟件上移植了德州儀器（TI）Zigbee協(xié)議棧，并在應(yīng)用層開發(fā)了通信程序。本文設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)和硬件電路，并給出了軟件流程圖。實(shí)驗(yàn)表明，該設(shè)計(jì)具有良好的穩(wěn)定性和較高的通信效率，可以滿足農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測對無線通信網(wǎng)絡(luò)的傳輸和組網(wǎng)要求，具有較高的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。關(guān)鍵字：大棚環(huán)境監(jiān)測；CC2530；Zigbee；無線傳感網(wǎng)絡(luò)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(fā)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(dǎo)致減產(chǎn)減收。陽光是作物賴以生存的必要條件，是進(jìn)行光合作用、制造有機(jī)物的能量來源，其對作物生長起著關(guān)鍵的作用。而作物的光合作用是在溫度和光照條件下進(jìn)行，不同的農(nóng)作物對于光強(qiáng)度、CO2濃度和溫度這三個(gè)基本環(huán)境參數(shù)的需求也不盡相同。因此，準(zhǔn)確掌握大棚溫室環(huán)境的光強(qiáng)度、CO2濃度和溫度等信息參數(shù)，給農(nóng)業(yè)大棚溫室內(nèi)的作物提供合理的生存條件，對于提高作物的產(chǎn)量和效益有著不可小覷的作用。以往，由于受經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件的限制，多數(shù)農(nóng)業(yè)大棚采用人工方式定時(shí)對環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。但是對于生產(chǎn)規(guī)模較大的農(nóng)業(yè)大棚來說，人工方式既不方便又浪費(fèi)人力，且不易保存光強(qiáng)度、CO2濃度和溫度的歷史數(shù)據(jù)。本設(shè)計(jì)采用的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）技術(shù)是通過傳感器節(jié)點(diǎn)無線通信方式形成的一個(gè)多跳的（multi-hops）自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。它是傳感器技術(shù)和信息通信技術(shù)的綜合體，是一種由傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，其目的是感知、采集和處理無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)被監(jiān)測的各種基本環(huán)境參量的信息，并發(fā)送給觀察者。把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測中，能夠?qū)崿F(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域（農(nóng)業(yè)大棚）的各種基本環(huán)境參量（如光強(qiáng)、溫度、CO2氣體濃度）信息的采集。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）借助于節(jié)點(diǎn)中內(nèi)置的各種類型傳感器來監(jiān)測農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境的光強(qiáng)度、CO2濃度和溫度等基本環(huán)境參量，以達(dá)到對這些信息參數(shù)準(zhǔn)確掌握的目的。WSN為大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)提供了新型的信息采集技術(shù)，具有十分廣泛的應(yīng)用前景。1.2WSN概述WSN為WirelessSensorNetwork的簡稱，也就是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是由部署在監(jiān)測環(huán)境區(qū)域內(nèi)的大量廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)，通過無線通信方式所形成的一個(gè)多跳的自組織網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，從而來實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)基本對象的信息采集、感知、量化、處理、融合以及傳輸應(yīng)用的功能。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）一般都是由一個(gè)低功耗的微控制器（MCU）、傳感器、若干個(gè)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(dòng)臂結(jié)構(gòu)以及與他們所存在的外界環(huán)境來進(jìn)行交互。如果將其大量的分布到所需監(jiān)測的農(nóng)業(yè)大棚溫室環(huán)境中，并組成一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN），然后在性能良好的軟件系統(tǒng)平臺上布施，就可以實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地完成強(qiáng)大的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測功能。隨著高集成、低功耗數(shù)字設(shè)備和微機(jī)系統(tǒng)的迅速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)小體積、低功耗、低成本的傳感器節(jié)點(diǎn)已經(jīng)不再是設(shè)想。低功耗的無線傳感器模塊，便是組成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的節(jié)點(diǎn)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）正是由大量的這些節(jié)點(diǎn)組成，它是傳感器、無線通信、信息處理等多領(lǐng)域綜合的技術(shù)。通過各種類型的無線傳感器對所需監(jiān)測的基本環(huán)境參量信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，再由嵌入式微處理器對采集到的信息進(jìn)行處理，然后由Zigbee無線通信網(wǎng)絡(luò)將處理后的信息傳送至遠(yuǎn)程客戶端。經(jīng)過采集、分析，最后實(shí)現(xiàn)對環(huán)境參量的監(jiān)測。涉及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的關(guān)鍵技術(shù)從總體上可分為無線通信技術(shù)、信號處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及應(yīng)用技術(shù)四個(gè)方面。總的來說，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是信息化獲取技術(shù)的發(fā)展結(jié)果，它的核心目標(biāo)是進(jìn)行分布式的感知，以完成對環(huán)境和物體的識別。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）具有以下四個(gè)特點(diǎn)：節(jié)點(diǎn)數(shù)量大支持自組織（ad-hoc）多跳（multi-hops）網(wǎng)絡(luò)短距離無線連接低功耗無線傳輸WSN是一種開拓了全新應(yīng)用領(lǐng)域的新型概念和新型技術(shù)。低功耗是它最重要的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則之一。傳感器節(jié)點(diǎn)、監(jiān)測對象和監(jiān)測者是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的三個(gè)基本要素。1.3WSN在環(huán)境監(jiān)測中的研究現(xiàn)狀及趨勢環(huán)境監(jiān)測是在分析環(huán)境基本參數(shù)的基礎(chǔ)上，通過對環(huán)境質(zhì)量因素的監(jiān)測，研究環(huán)境質(zhì)量的變化，并描述環(huán)境狀態(tài)、科學(xué)地預(yù)報(bào)環(huán)境質(zhì)量的變化趨勢，以達(dá)到優(yōu)化環(huán)境發(fā)展?fàn)顟B(tài)的目的。環(huán)境監(jiān)測按照監(jiān)測區(qū)域可劃分為廠區(qū)監(jiān)測和區(qū)域監(jiān)測。本設(shè)計(jì)中的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測則屬于區(qū)域監(jiān)測。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）作為21世紀(jì)最具重要性的技術(shù)之一，它的發(fā)展日漸成熟，方向也開始呈現(xiàn)出多樣化。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）自組織、環(huán)境適應(yīng)、隨機(jī)布投等特點(diǎn)，非常適用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)大棚類型的區(qū)域環(huán)境監(jiān)測，現(xiàn)階段已得到了較大范圍的推廣。目前，環(huán)境監(jiān)測已躋身于英特爾公司“基于微型傳感器網(wǎng)絡(luò)的新型計(jì)算發(fā)展規(guī)劃”中的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）經(jīng)過幾十年的發(fā)展，雖然已經(jīng)取得到了較好的技術(shù)改進(jìn)，但是仍將繼續(xù)努力朝著以下幾個(gè)方向發(fā)展：（1）低耗能、高壽命，低誤差、低成本；（2）大數(shù)據(jù)的處理和管理的模式開發(fā)；（3）嵌入式網(wǎng)關(guān)技術(shù)的應(yīng)用；（4）無線通訊的標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一化。然而，從傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)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(shí)際應(yīng)用環(huán)境來說，節(jié)點(diǎn)數(shù)目比較龐大，節(jié)點(diǎn)分布也相當(dāng)密集，而環(huán)境因素變化和節(jié)點(diǎn)故障會不可避免地造成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化等等。基于上述對傳感器節(jié)點(diǎn)本身限制和環(huán)境因素的考慮，得出節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障的機(jī)率可能大大上升。所有的這些，對WSN在環(huán)境監(jiān)測中的研究提出了新的挑戰(zhàn)。1.4論文的主要內(nèi)容和結(jié)構(gòu)安排本論文基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）技術(shù)的發(fā)展，閱讀了大量資料文獻(xiàn)，對農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測進(jìn)行了整體分析。在深入研究Zigbee無線通信協(xié)議的基礎(chǔ)上，提出了基于TI公司的CC2530單片機(jī)設(shè)計(jì)無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)總體方案，并設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的硬件和軟件方案，本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容如下：第一章，介紹了本設(shè)計(jì)的背景和意義，分析當(dāng)前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）技術(shù)的發(fā)展、傳統(tǒng)的大棚環(huán)境監(jiān)測限制性，以及把無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）技術(shù)和無線通信引入到大棚監(jiān)測中的優(yōu)勢。第二章，提出了系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)，完成各部分硬件電路選型。第三章，設(shè)計(jì)了以CC2530為核心的傳感器節(jié)點(diǎn)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求對三種傳感器電路、復(fù)位電路、電源電路和LCD顯示電路進(jìn)行設(shè)計(jì)。第四章，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)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(jié)點(diǎn)中傳感器信息獲取的程序設(shè)計(jì)和Zigbee無線通信程序設(shè)計(jì)。第五章，選取了典型場景對設(shè)計(jì)的硬件電路進(jìn)行測試，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。第六章，總結(jié)研究論文，分析了存在的不足，并指出改進(jìn)方向，提出了對于未來研究中的設(shè)想和展望。第2章系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)2.1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)WSN節(jié)點(diǎn)主要包括傳感器部分、電源電路部分、存儲器部分、A/D轉(zhuǎn)換器部分、微處理器（射頻通信）部分等。節(jié)點(diǎn)一般采用原電池供電，當(dāng)電源電能耗盡的時(shí)候，節(jié)點(diǎn)工作能力將喪失。為了提高電源的利用率，在系統(tǒng)硬件電路方案設(shè)計(jì)方面，應(yīng)盡量考慮低功耗器件。在系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案中，各層的通信協(xié)議均應(yīng)本著節(jié)能的原則。本設(shè)計(jì)提出的無線傳感網(wǎng)絡(luò)(WSN)節(jié)點(diǎn)農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測方案，不需鋪設(shè)多余電纜。在農(nóng)業(yè)大棚溫室內(nèi)放置所需的傳感器節(jié)點(diǎn)，由傳感器定時(shí)采集各節(jié)點(diǎn)處基本環(huán)境參量信息（光強(qiáng)度、CO2濃度和溫度），采集的信息結(jié)果可以顯示在LCD上。各環(huán)境參量信息經(jīng)處理后通過Zigbee傳輸并進(jìn)行節(jié)點(diǎn)間的無線通信，再由監(jiān)測終端對采集的信息統(tǒng)一進(jìn)行管理分析。對于傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)，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(xié)議。Zigbee協(xié)議充分考慮了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的應(yīng)用要求，是現(xiàn)階段業(yè)界內(nèi)統(tǒng)一看好的一種無線通信協(xié)議。在這些基本思想和考慮下，本設(shè)計(jì)選取了以CC2530單片機(jī)為核心，結(jié)合外圍光強(qiáng)度、CO2濃度和溫度三種傳感器構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）節(jié)點(diǎn)。CC2530控制傳感器采集農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境的光強(qiáng)度、CO2濃度和溫度等基本環(huán)境參量，由CC2530自身集成的Zigbee模塊將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的無線通信。從而實(shí)現(xiàn)對農(nóng)業(yè)大棚溫室環(huán)境基本參量的監(jiān)測。2.2硬件電路方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，可分為下面三個(gè)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(shè)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(qiáng)度傳感器和CO2傳感器。傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2-1所示。圖2-1傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)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(xié)議的片上系統(tǒng)解決方案，與此同時(shí)，CC2530是現(xiàn)階段諸多Zigbee設(shè)備產(chǎn)品中最具特色的微處理器之一。CC2530采用一個(gè)通用處理器核為基礎(chǔ)，該處理器核不但能夠支持一種完善的指令集，而且能達(dá)到應(yīng)用環(huán)境下的大部分要求。CC2530內(nèi)含一個(gè)Zigbee協(xié)議兼容無線收發(fā)器，射頻通信能在芯片內(nèi)部自行控制。此外，它還包括了一個(gè)微控制器（MCU）與無線設(shè)備間的接口，讓系統(tǒng)能按一定的次序工作：發(fā)出命令—讀取狀態(tài)—自動(dòng)操作—確定無線設(shè)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(shè)計(jì)趨于優(yōu)化態(tài)。CC2530采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051CPU，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8KBRAM和很多其他強(qiáng)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(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。由于其硬件設(shè)計(jì)簡單、功耗低、封裝小，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）中得到了一致認(rèn)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(shè)計(jì)采用的是MG811電化學(xué)CO2傳感器。MG811對CO2濃度有良好的靈敏度和感知，受外界環(huán)境變化影響小，穩(wěn)定性良好。相比于其他的比如TGS4160電化學(xué)CO2傳感器，MG811更適于做手持式或者便攜式CO2測量儀器。它預(yù)熱的時(shí)間比較短，5min左右即可，能夠?qū)崿F(xiàn)即時(shí)測量的目的。同時(shí)傳感器的功率也比較小，符合本設(shè)計(jì)中對于系統(tǒng)低功耗的考慮，十分適合應(yīng)用于農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境內(nèi)的CO2監(jiān)測。MG811采用固體電解質(zhì)電池原理。元件加熱電壓由外電路提供，當(dāng)其表面溫度足夠高時(shí)，元件相當(dāng)于一個(gè)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(shí)放大器的阻抗須在100—1000GΩ之間，其測試電流應(yīng)控制在1pA以下，同時(shí)，當(dāng)CO2濃度越高時(shí)，系統(tǒng)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(shè)計(jì)采用的是DSI8B20單總線數(shù)字式溫度傳感器。與傳統(tǒng)的分立式溫度傳感器相比，DSI8B20集溫度測量和A/D轉(zhuǎn)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(jù)實(shí)際應(yīng)用要求實(shí)現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式。它與單片機(jī)接口需要的外圍元件非常少，使得硬件電路結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)總線，總線本身也可以向所掛接的DS18B20供電，無需補(bǔ)充額外電源。另外，DSI8B20具有分辨率高，轉(zhuǎn)換速度快，能自動(dòng)報(bào)警等特性，可廣泛用于節(jié)點(diǎn)分布多的場合。使用DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡單，可靠性更高，十分適用于本設(shè)計(jì)中的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境內(nèi)的溫度監(jiān)測。采用DSI8B20溫度傳感器，可直接讀取被測溫度值并進(jìn)行轉(zhuǎn)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(yuǎn)，精度性高，軟硬件易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，而且單片機(jī)的接口便于系統(tǒng)的再擴(kuò)展，滿足本設(shè)計(jì)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(qiáng)傳感器本設(shè)計(jì)采用的光強(qiáng)傳感器為BH1750FVI。BH1750FVI

是一種用于兩線式串行總線接口的數(shù)字型光強(qiáng)度傳感器集成電路。利用I2C總線接口數(shù)字型的BH1750FVI光強(qiáng)度傳感器，可以盡量避免由A\D轉(zhuǎn)化系統(tǒng)帶來的不必要誤差，同時(shí)可在LCD上直接進(jìn)行數(shù)據(jù)測量。該傳感器組成的系統(tǒng)具有光強(qiáng)度采集精度高、受紅外線影響小、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，并且無需連接其他外部件，硬件電路設(shè)計(jì)較為簡單，容易實(shí)現(xiàn)與集成，它可以根據(jù)光線強(qiáng)度來進(jìn)行農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境內(nèi)的光強(qiáng)度監(jiān)測。利用它的1lx~65535lx高分辨率可以探測到農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境內(nèi)較大范圍的光強(qiáng)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(shí)也是異步重置終端。在VCC供應(yīng)后必須設(shè)置為“L”，在DVI設(shè)置為“L”期間，內(nèi)部狀態(tài)設(shè)置為電源掉電模式。ADDR端口是用來緩沖內(nèi)部測試的3種狀態(tài)而設(shè)計(jì)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(tǒng)軟件方案設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)上移植了德州儀器（TI）Zigbee協(xié)議棧，采用的射頻芯片是TI公司的CC2530單片機(jī)。Zigbee協(xié)議棧無線網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)語言為C語言，以IAREmbeddedWorkbench7.51A作為開發(fā)平臺。本系統(tǒng)各傳感器節(jié)點(diǎn)間的組網(wǎng)方式采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的星型網(wǎng)絡(luò)。這樣設(shè)計(jì)不僅可以組建出穩(wěn)定的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，并且數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定，功耗低，還可以與TI公司支持的其他方案混合組網(wǎng)，以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)化。本設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)軟件分為兩種類型：傳感器節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)完成農(nóng)業(yè)大棚環(huán)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(shù)無線傳送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器；網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)接收傳感器節(jié)點(diǎn)的信息并將信息發(fā)送給PC機(jī)，然后進(jìn)行信息處理。2.4本章小結(jié) 本章節(jié)在考慮可用性，可靠性，可實(shí)現(xiàn)性和成本性等基本因素的前期下，經(jīng)過深入研究，分析，設(shè)計(jì)出了基于TI公司的CC2530單片機(jī)下農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)。并分硬件電路和系統(tǒng)軟件兩方面進(jìn)行了闡述。硬件方面介紹了對系統(tǒng)采用的主控芯片CC2530和CO2、溫度、光強(qiáng)度三種傳感器的選型。軟件方面給出了一個(gè)整體的設(shè)計(jì)線路。整合軟硬件的設(shè)計(jì)，更好的體現(xiàn)出基于低功耗原則下的整個(gè)設(shè)計(jì)方案的可靠性和真實(shí)性。

第3章節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)是為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）特別設(shè)計(jì)的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的特點(diǎn)決定了傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)應(yīng)著重考慮低功耗、低成本、穩(wěn)定性和安全性等方面的問題。3.1最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) CC2530的最小硬件系統(tǒng)由電源電路、復(fù)位電路、晶振（時(shí)鐘）電路組成。其中，射頻通信部分在CC2530單片機(jī)片內(nèi)自行構(gòu)建，晶振部分也應(yīng)用CC2530片內(nèi)的晶振。電源電路部分作為系統(tǒng)所有模塊的基礎(chǔ)模塊，在本設(shè)計(jì)中單獨(dú)提出來進(jìn)行闡述。單片機(jī)最小系統(tǒng)框架如圖3-1所示。圖3-1單片機(jī)最小系統(tǒng)框圖CC2530最小系統(tǒng)有32MHh和32.768KHz兩個(gè)外部晶振電路。其中，32MHz的晶振電路是由1個(gè)32MHz的石英諧振器和2個(gè)電容構(gòu)成(管腳22和23)。32.768kHz的晶振電路是用1個(gè)32.768kHz的石英晶振器和2個(gè)電容(管腳33和32)構(gòu)成。另外，在信號輸出端處設(shè)計(jì)了一個(gè)濾波網(wǎng)絡(luò)至天線接口，增強(qiáng)了信號的穩(wěn)定性和抗干擾能力。并且在每個(gè)電源引腳處設(shè)計(jì)了一至兩個(gè)濾波電容，有利于系統(tǒng)更加穩(wěn)定地工作。CC2530最小系統(tǒng)電路如圖3-2所示。圖3-2CC2530最小系統(tǒng)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(fā)模塊是傳感器節(jié)點(diǎn)中最為主要的耗能模塊，同時(shí)也是傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)。射頻收發(fā)的主要功能是對傳感器節(jié)點(diǎn)板塊的數(shù)據(jù)進(jìn)行無線收發(fā)操作。天線是射頻通信模塊的重要器件，是信號收發(fā)所必不可少的，天線設(shè)計(jì)的優(yōu)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(tǒng)的要求，本設(shè)計(jì)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(xiàn)為360°的均勻輻射，適合本設(shè)計(jì)的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)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(tài)：發(fā)送、接收、空閑、休眠?？紤]到空閑態(tài)仍然具有比較高的功耗，在本設(shè)計(jì)中選用動(dòng)態(tài)定時(shí)與應(yīng)答機(jī)制，在傳輸能正常進(jìn)行的前提下，讓無線傳輸單元處于休眠態(tài)，以配合系統(tǒng)低功耗的設(shè)計(jì)原則。本設(shè)計(jì)所應(yīng)用的射頻收發(fā)模塊電路如圖3-3所示。圖3-3射頻收發(fā)模塊電路圖3.1.2復(fù)位電路設(shè)計(jì) 在單片機(jī)系統(tǒng)中，復(fù)位電路是十分關(guān)鍵的。當(dāng)程序運(yùn)行不正?；蛲Ｖ惯\(yùn)行時(shí)，就需要進(jìn)行復(fù)位。本設(shè)計(jì)采用按鍵方式用于系統(tǒng)的復(fù)位。當(dāng)按鍵閉合時(shí)，為低電平，CC2530處于復(fù)位狀態(tài)；當(dāng)按鍵開啟時(shí)，為高電平，CC2530處于正常工作狀態(tài)。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，在按鍵的輸出端接上拉電阻R2。復(fù)位電路如圖3-4所示。圖3-4CC2530復(fù)位電路圖3.1.3CC2530晶振模塊設(shè)計(jì)晶振模塊是一個(gè)電路系統(tǒng)正常工作的基本架構(gòu)之一，大部分的電路均是以晶振產(chǎn)生的時(shí)鐘信號來驅(qū)動(dòng)的。晶振可用做時(shí)鐘信號發(fā)生器，為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號。通常一個(gè)系統(tǒng)共用一個(gè)晶振，便于各部分保持同步。本設(shè)計(jì)晶振模塊部分采用的是CC2530單片機(jī)的片內(nèi)晶振。CC2530內(nèi)部有四個(gè)晶振：兩個(gè)內(nèi)部（16MRC晶振，32KRC晶振），兩個(gè)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(dòng)慢、耗電大；RC晶振精度稍低，但是啟動(dòng)快、耗電小。在上電時(shí)，默認(rèn)的是使用內(nèi)部的這兩個(gè)晶振。外部晶振是由管腳33和32構(gòu)成的32.768kHz晶振電路，管腳22和23構(gòu)成32MHz的晶振電路。同時(shí)需要注意的是，兩個(gè)低頻晶振不能同時(shí)上電，即不可以同時(shí)起振。晶振在重新使用之前必須處于掉電狀態(tài)一段時(shí)間，以保護(hù)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(shù)據(jù)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(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地采集農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境中的溫度參數(shù)，及時(shí)將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)轿⑻幚砥髦?。DSI8B20單總線數(shù)字式溫度傳感器集溫度測量和A/D轉(zhuǎn)換與一體，整體硬件電路設(shè)計(jì)簡單，運(yùn)用上拉電阻R7提高輸出能力。溫度傳感器電路設(shè)計(jì)如圖3-6所示。如圖所示，DQ是數(shù)據(jù)線，用于和CPU的P0.5接口連接傳送串行數(shù)據(jù)，不需要外部件和備份電源，可直接用數(shù)據(jù)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(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地監(jiān)測農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境中CO2濃度參數(shù)，及時(shí)地將數(shù)據(jù)信息傳送給微處理器。CO2傳感器電路設(shè)計(jì)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(jī)不能直接采集，所以增加了一個(gè)高輸入阻抗、低偏置電流的運(yùn)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(jī)可以直接采集。后接一個(gè)LM393雙電壓比較器集成電路，將模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，利于單片機(jī)用不同方式來處理信號。通過正負(fù)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(dāng)同相端的傳感器信號減小至小于反相輸入端電壓時(shí)，指示燈熄滅。CO2濃度越高，輸出電壓越低。當(dāng)CO2濃度由低變高時(shí)，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(qiáng)度傳感器塊光強(qiáng)度傳感器模塊主要功能是實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地采集農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境中光強(qiáng)度參數(shù)，及時(shí)地將數(shù)據(jù)信息傳送給微處理器。光強(qiáng)度傳感器電路設(shè)計(jì)如圖3-8所示。如圖所示，光強(qiáng)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(jìn)行I2C通信，可在LCD1602上直接讀出光強(qiáng)度數(shù)據(jù)測量結(jié)果。BH1750只需占用主控器的3個(gè)I/O端口（P0.1，P0.2，P0.3）就可以正常工作。圖3-8光強(qiáng)度傳感器模塊圖3.3電源模塊設(shè)計(jì)電源模塊是所有電子系統(tǒng)必需的基礎(chǔ)模塊。針對傳感器節(jié)點(diǎn)來講，電源模塊直接關(guān)系到傳感器節(jié)點(diǎn)的成本、效率、壽命等問題。因此，合理選擇電源種類是電源設(shè)計(jì)模塊中首選思考的問題。本設(shè)計(jì)核心系統(tǒng)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(diǎn)使得整個(gè)系統(tǒng)能穩(wěn)定工作。但基于節(jié)點(diǎn)所需要的電壓不止一種，為確保單片機(jī)和傳感器節(jié)點(diǎn)正常工作，根據(jù)CC2530對電源的要求，系統(tǒng)需要提供3.3V和6V這兩種電壓。為讓系統(tǒng)整體正常運(yùn)行，本設(shè)計(jì)引入了一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換電路，使用兩塊電源芯片給系統(tǒng)供電。一種是EUP3412降壓電路設(shè)計(jì)后得到3.3V穩(wěn)壓電壓給系統(tǒng)其他部分供電；另一種是利用LM2623進(jìn)行升壓電路設(shè)計(jì)得到6V穩(wěn)壓電壓后單獨(dú)給CO2傳感器模塊供電。3.3.13.3V電源電路設(shè)計(jì)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(zhuǎn)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(guān)，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(qiáng)度傳感器的VCC引腳。3.3V電源電路設(shè)計(jì)如圖3-9所示。EUP3412是電流控制模式的DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器，輸出電壓與輸出端的兩個(gè)電阻比值有關(guān)，輸出電壓計(jì)算公式為Vout=0.5V*(1+R12/R13)，通過選值，可得本設(shè)計(jì)的電壓輸出為3.3V。圖3-9EUP3412電源電路3.3.26V電源電路設(shè)計(jì)根據(jù)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(zhuǎn)換器芯片為LM2623升壓芯片。LM2623是一個(gè)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(tǒng)的穩(wěn)壓器。6V電源電路設(shè)計(jì)如圖3-10所示。LM2623是一個(gè)高效率，通用，升壓型DC-DC電壓轉(zhuǎn)換穩(wěn)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(shè)計(jì)的電壓輸出為6V。圖3-10LM2623電源電路3.3.3電壓檢測電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用5V原電池作為大棚環(huán)境監(jiān)測的系統(tǒng)供電方式，當(dāng)它工作時(shí)，由于電池內(nèi)部損耗和外部環(huán)境的影響，電池電壓會下降。為了使系統(tǒng)監(jiān)測能夠長久穩(wěn)定地進(jìn)行，電源模塊中增加了一個(gè)電壓檢測的設(shè)計(jì)。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(rèn)使用5V原電池供電，連接一個(gè)欠壓指示燈D5在輸出端口。當(dāng)系統(tǒng)電壓降低至3.3V時(shí)，欠壓指示燈D5點(diǎn)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(chǎn)品的顯示器件，顯示的主要為數(shù)字、專用符號和圖形。液晶顯示器為一般的單片機(jī)的人機(jī)交流界面基本輸出方式之一。其在各個(gè)方面有著廣泛的應(yīng)用。液晶顯示的原理比較簡單，它是利用液晶獨(dú)特的物理特性，通過電壓控制其顯示區(qū)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(zhì)量高、價(jià)格低廉、適用于大規(guī)模集成電路直接驅(qū)動(dòng)、體積小、重量輕、功耗低等特點(diǎn)，目前已得到大眾的青睞，廣泛涉及在眾多領(lǐng)域。在本設(shè)計(jì)的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)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(guān)于LCD1602的電氣參數(shù)說明：一般來說，大部分LCD1602使用的驅(qū)動(dòng)器為HD44780S。HD44780S的供電電壓為5V±10%。經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)，LCD1602的供電電壓雖然規(guī)定必須為5V，但是其控制總線和數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)的通信速度可能會降低。2、關(guān)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(diǎn)陣?yán)L圖功能，所以本設(shè)計(jì)使用的都是單向通信。LCD1602可以和單片機(jī)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(shù)據(jù)線。在實(shí)驗(yàn)前應(yīng)將顯示切換開關(guān)切換到LCD工作狀態(tài)。LCD1602硬件連接如圖3-13所示。圖3-13LCD硬件連接3.5本章小結(jié) 本章完成了農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信對硬件電路的設(shè)計(jì)。包括CC2530最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)采集模塊、電源模塊、LCD顯示電路的設(shè)計(jì)。其中CC2530最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括了晶振電路、電源電路和復(fù)位電路三部分。晶振部分采用CC2530內(nèi)部晶振，射頻通信部分也是作為CC2530內(nèi)部成分進(jìn)行闡述的。數(shù)據(jù)采集模塊的電路設(shè)計(jì)包括溫度傳感器電路、CO2傳感器電路、光強(qiáng)度傳感器電路三個(gè)部分的設(shè)計(jì)。電源模塊作為系統(tǒng)整體最基礎(chǔ)的部分，分為兩個(gè)電路設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述。本地顯示電路采用LCD1602顯示。目前，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的硬件開發(fā)技術(shù)已經(jīng)取得了比較好的進(jìn)步，但仍舊面臨多方面的挑戰(zhàn)，比如硬件系統(tǒng)的可擴(kuò)展性設(shè)計(jì)、高能量密度電池與能量收集技術(shù)以及多種應(yīng)用需求方面的矛盾和權(quán)衡等還需要做出進(jìn)一步的改善。第4章傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)傳感器節(jié)點(diǎn)是由CC2530單片機(jī)，溫度、光強(qiáng)、二氧化碳三種傳感器，電源及LCD1602構(gòu)成。每個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)被初始化為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）中的終端設(shè)備。CC2530作為整個(gè)Zigbee節(jié)點(diǎn)的核心模塊，主要負(fù)責(zé)管理節(jié)點(diǎn)外圍設(shè)備、存儲傳感器采集的數(shù)據(jù)信息，并對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行無線收發(fā)操作。電源則負(fù)責(zé)為整個(gè)Zigbee節(jié)點(diǎn)供電，LCD負(fù)責(zé)顯示傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息。4.1溫度傳感器程序設(shè)計(jì)溫度傳感器程序設(shè)計(jì)中采用了一種閾值監(jiān)測溫度報(bào)警設(shè)計(jì)，它通過預(yù)先設(shè)置在CC2530中的溫度值來對采集到的溫度進(jìn)行判斷，在設(shè)定溫度范圍之外的值則視為非常值。溫度測量每10min進(jìn)行一次，并不斷進(jìn)行刷新操作，從而達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測農(nóng)業(yè)大棚溫度的目的。LCD1602負(fù)責(zé)顯示DS18B20采集的當(dāng)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(qiáng)傳感器程序設(shè)計(jì)二氧化碳與光強(qiáng)傳感器程序設(shè)計(jì)比溫度傳感器程序設(shè)計(jì)增加了一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)主程序首先對各個(gè)部分進(jìn)行初始化，設(shè)定正常值范圍，完成后開始接收用戶的命令，讀取并計(jì)算傳感器采集到的數(shù)據(jù)值，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后在LCD1602上顯示出來。若LCD顯示出傳感器采集到的數(shù)據(jù)不在正常值范圍內(nèi)則報(bào)警。程序不斷地循環(huán)執(zhí)行，達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測農(nóng)業(yè)大棚里二氧化碳濃度與光強(qiáng)度的目的。系統(tǒng)的程序流程如圖4-2所示。圖4-2二氧化碳與光強(qiáng)傳感器程序流程圖4.3Zigbee無線通信程序設(shè)計(jì)大棚環(huán)境監(jiān)測WSN網(wǎng)絡(luò)采用基于IEEE802.15.4通信協(xié)議的Zigbee無線傳輸技術(shù)。Zigbee無線傳輸技術(shù)工作在開放式的、無需注冊的2.4GHz工業(yè)、科學(xué)以及醫(yī)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(dá)250kbit/s~10Mbit/s。IEEE802.15.4/ZigBee技術(shù)僅分為4層，ZigBee協(xié)議棧是建立在IEEE802.15.4的PHY層和MAC子層規(guī)范之上的。它實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)層(networklayer，NWK)和應(yīng)用層(applicationlayer，APL)的功能。在應(yīng)用層內(nèi)提供了應(yīng)用支持子層(applicationsupportsub—layer，APS)和ZigBee設(shè)備對象(ZigBeeDeviceObject，ZDO)。Zigbee協(xié)議架構(gòu)如圖4-3所示。圖4-3Zigbee協(xié)議棧架構(gòu)圖從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上看，zigbee網(wǎng)絡(luò)有星形、網(wǎng)狀和樹狀3種模式，按照網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功能劃分可分為終端節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)(cp)、路由器節(jié)點(diǎn)3種。其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分別如圖4-4ABC所示。圖4-4網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)的的核心是微處理器芯片。微處理器模塊在無線收發(fā)模塊的協(xié)作下完成Zigbee網(wǎng)絡(luò)的建立與維護(hù)，數(shù)據(jù)采集與處理，無線數(shù)據(jù)收發(fā)以及zigbee協(xié)議棧的正常運(yùn)行。其網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)過程為：當(dāng)有數(shù)據(jù)要發(fā)送時(shí)，高層通過數(shù)據(jù)原語NLDE-DATA.request請求網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送數(shù)據(jù)幀；收到數(shù)據(jù)請求原語之后，網(wǎng)絡(luò)層利用路由機(jī)制發(fā)送網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)幀：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)幀發(fā)送出去之后，網(wǎng)絡(luò)層通過NLDE-DATA.confirm原語告訴高層數(shù)據(jù)發(fā)送的結(jié)果。包括狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)層凈荷句柄和發(fā)送時(shí)間等參數(shù)。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(jié) 本章將基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的傳感器節(jié)點(diǎn)軟件進(jìn)行了闡述并畫出了流程圖。整體可劃分為三個(gè)功能模塊：溫度傳感器程序設(shè)計(jì)、二氧化碳與光強(qiáng)度傳感器程序設(shè)計(jì)和Zigbee無線通信程序設(shè)計(jì)。采用模塊化的設(shè)計(jì)方式設(shè)計(jì)的軟件靈活性較強(qiáng)，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的擴(kuò)展功能。若系統(tǒng)規(guī)模需要擴(kuò)大，或者增加測量對象時(shí)，只需增加調(diào)用次數(shù)即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展，不用需重新設(shè)計(jì)電路。這也是基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)比傳統(tǒng)大棚監(jiān)控系統(tǒng)更有優(yōu)勢的地方。第5章系統(tǒng)測試5.1系統(tǒng)的硬件介紹 本文根據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)要求，結(jié)合農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測的實(shí)際情況，設(shè)計(jì)出了一款農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)方案。選用CC2530單片機(jī)作為系統(tǒng)的微處理器，配以DS18B20溫度傳感器、BH1750FVI光強(qiáng)度傳感器以及MG811CO2傳感器，選取5V原電池作為系統(tǒng)供電電源，LCD1602的顯示方式，在ZigBee協(xié)議作為WSN的傳輸協(xié)議下，實(shí)現(xiàn)了一種簡易、低功耗的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件平臺。完成系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)后，利用AltiumDesignerWinter09設(shè)計(jì)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(shí)物圖。圖5-1PCB板硬件實(shí)物圖5.2傳感器模塊調(diào)試本設(shè)計(jì)開發(fā)了一個(gè)農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，硬件搭接和軟件燒錄完畢之后，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了調(diào)試，先對系統(tǒng)分模塊進(jìn)行了初步的測試，然后對系統(tǒng)整體做出了調(diào)試。以下是對三個(gè)傳感器模塊調(diào)試情況作出的介紹。5.2.1DSI8B20模塊調(diào)試調(diào)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(shù)據(jù)。用溫度計(jì)測量的當(dāng)前室溫為18.5度，溫度傳感器采集到的溫度為18度。通過計(jì)算，得出測量誤差為2.8%，該值在誤差允許范圍內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求，適用于農(nóng)業(yè)大棚溫度的監(jiān)測。溫度顯示結(jié)果如圖5-2所示。圖5-2溫度顯示5.2.2MG811模塊調(diào)試 調(diào)試MG811CO2傳感器模塊，在室溫?zé)o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(dāng)對著CO2傳感器吹氣時(shí)，周圍CO2濃度增加，導(dǎo)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(dāng)同