計算機科學與技術-基于cc2530和80c52的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)

基于cc2530和80c52的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)摘要：我們現(xiàn)在已經(jīng)生活在一個相當數(shù)字化的時代中，計算機技術正極大地影響著整個人類社會。雖然現(xiàn)在很多工業(yè)生產(chǎn)都是自動化的了，但是目前國內(nèi)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的低成本自動化卻少有進展。智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)就是可以自動收集土壤濕度，環(huán)境溫度并運行相應的程序進行自動澆灌農(nóng)作物，不需要人們在旁邊蹲守著，這樣可以把人們之前所必須的時間節(jié)省下來。在單片機技術高度完善的今天，為實現(xiàn)農(nóng)作物自動灌溉成為了可能。采用CC2530和MSC-52系列單片機中的80C52的低成本智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)。針對傳統(tǒng)的人工控制的噴灌或者滴灌模式，深度分析了農(nóng)業(yè)的澆灌步驟，采用單片機技術及各種傳感器開發(fā)一個智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)具有非常重要的意義，解決了傳統(tǒng)的人工控制的噴灌或者滴灌模式帶來的時間用率低，人工浪費等問題。實現(xiàn)了不需要人工的蹲守，提高了農(nóng)民的時間利用及人工的節(jié)省。單片機技術將作為基于CC2530和80C52的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的核心，采用C語言作為系統(tǒng)軟件的開發(fā)語言，KeiluVision5和IAREmbeddedWorkbench將代碼編寫及調(diào)試工具。使用在學校學過的CC2530和80C52單片機技術進行開發(fā)?；贑C2530和80C52的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的實現(xiàn)將會是從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的人們必不可少的選擇。對他們來說可以更高效率地利用自己地時間，并且不會讓自己那么的勞累。為每一個從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的傳統(tǒng)工作模式帶來巨大的影響，未來將會讓農(nóng)業(yè)更加的高效率，帶來更大的經(jīng)濟效益。關鍵詞：單片機，農(nóng)業(yè)，灌溉。

Designandimplementationofintelligentagriculturalirrigationsystembasedoncc2530andAbstract：Wearenowlivinginaratherdigitalage,wherecomputertechnologyishavinganenormousimpactonthewholeofhumansociety.Althoughmuchindustrialproductionisnowautomated,therehasbeenlittleprogressinlow-costautomationofdomesticagriculturalproduction.Intelligentagriculturalirrigationsystemisabletoautomaticallycollectsoilmoisture,ambienttemperatureandrunthecorrespondingprogramtoautomaticallyirrigatecrops,donotneedpeopletohunkerdownbeside,sothatpeoplebeforethenecessarytimetosave.IntheSCMtechnologyishighlyperfecttoday,itispossibletorealizeautomaticcropirrigation.Usingcc2530andmsc-52seriesMCUlowcostintelligentagriculturalirrigationsystem.Inviewofthetraditionalmanualcontrolmodeofsprinklerirrigationanddripirrigation,in-depthanalysisoftheagriculturalwatersteps,usingsingle-chipmicrocomputertechnologyandvarioussensorstodevelopaintelligentagriculturalirrigationsystemhasveryimportantmeaning,tosolvethetraditionalmanualcontrolmodeofsprinklerirrigationanddripirrigationtimepowerusageeffectivenesslow,humanwasteandotherissues.Achievedtheneednotartificialsquat,improvetheuseoffarmers'timeandartificialsavings.SCMtechnologywillbethecoreoftheintelligentagriculturalirrigationsystembasedoncc2530and.Clanguagewillbeusedasthedevelopmentlanguageofthesystemsoftware.KeiluVision5andIAREmbeddedWorkbenchwillcodewritinganddebuggingtools.Thecc2530andmicrocontrollertechnologieslearnedinschoolwereusedfordevelopment.Therealizationofintelligentagriculturalirrigationsystembasedoncc2530andwillbeanindispensablechoiceforpeopleengagedinagriculturalproduction.Forthem,theycanusetheirtimemoreefficientlyandwon'tmakethemselvessotired.Foreachengagedinagriculturalproductionofthetraditionalmodeofworktobringgreatimpact,thefuturewillmakeagriculturemoreefficient,bringgreatereconomicbenefits.Keywords:Singlechipmicrocomputer，agricultural，irrigation.

目錄第1章緒論 第1章緒論1.1系統(tǒng)的開發(fā)背景及意義近10年來計算機科技的高速發(fā)展,計算機已經(jīng)成為推動人類文明發(fā)展的一個重要工具,我毫不夸張的說當今社會的發(fā)展已經(jīng)離不開計算機了。而單片機是計算機發(fā)展的一個重要分支領域,它具備高集成度,體積小,高可靠性,低電壓,低功耗,便于生產(chǎn)便攜式產(chǎn)品的特點?，F(xiàn)如今生活中的各個領域基本上都有單片機的應用。如手機、汽車上的智能儀表、車間里的實時工控、遠程的通訊設備、導航系統(tǒng)、家里的常用電器等馬浩凱.基于單片機的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)[J].電子世界,2019(03):151-152.。在社會發(fā)展飛速的今天，控制智能化，設備小型化，低功耗，低成本的嵌入式產(chǎn)品得到廣泛的關注劉彥文.嵌入式系統(tǒng)原理及接口技術[M].北京：清華大學出版社，2011。。在這些領域中，單片機有著舉足輕重的作用，單片機的應用也充斥著人們的生活，但是在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，單片機的存在屈指可數(shù)。該系統(tǒng)主要是運用單片機技術為了更大程度的利用農(nóng)業(yè)生產(chǎn)所需要的時間，在社會發(fā)展飛速的今天，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面碎片化的時間太多了，還有人們所必須的休息時間，特別是農(nóng)村從事個體農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的農(nóng)民，如果按照傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式，這些時間都會被極大程度的浪費掉，時間就是金錢，如何才能夠用一些低成本、易操作的機器去把人們這些“被浪費”的時間利用起來，就成了該系統(tǒng)的一個重要問題。誠然，如果設備的價格昂貴，絕大部分用戶都無法購買將會變得毫無意義。馬浩凱.基于單片機的溫濕度監(jiān)測系統(tǒng)[J].電子世界,2019(03):151-152.劉彥文.嵌入式系統(tǒng)原理及接口技術[M].北京：清華大學出版社，2011。因此智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的低成本是非常有必要，尤其是對于從事個體農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的人們，這樣傳統(tǒng)灌溉模式在成的人工浪費的問題將會很大程度得到解決。我們現(xiàn)在已經(jīng)生活在一個相當數(shù)字化的時代中，計算機技術正極大地影響著整個人類社會。基于CC2530和80C52的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的實現(xiàn)將會提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益，改變傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式的方式。實現(xiàn)低成本自動化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀國外的灌溉技術比國內(nèi)發(fā)展的更早，并且技術更加成熟，應用的也比較廣泛。據(jù)我了解，國外的灌溉設備適用環(huán)境都是大片的平原或者廣闊的農(nóng)場，相對于中國，平原少，耕地分布散亂，地形復雜。雖然國外的設備高級、技術發(fā)達，但是由于價格昂貴，設備環(huán)境適應性差，因此國外的灌溉設備因此并不適配國內(nèi)的大部分環(huán)境。并且國外很多國家都是機械化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，設備價格大多都是十幾萬乃至幾十萬，對于國內(nèi)人均耕地稀少的情況下，斥巨資購買大型設備對付稀少的耕地是不可能的。我國的農(nóng)業(yè)已經(jīng)進入機械化時代很久了，但是我國灌溉大多還是處于傳統(tǒng)灌溉模式：需要人手動去控制機械澆灌為主，并且澆灌的時間依賴人為的判斷作物是否需要澆灌、缺乏實時性，隨意性大，并且高概率被緊急事件所打斷，人們需到農(nóng)作物所在地蹲守查看澆灌情況，這樣導致人力投入大、浪費時間、且不能及時給作物提供需求。因人均耕地較少，并且自動化灌溉設備的價格高昂，人們不得不如此。1.3系統(tǒng)的主要研究內(nèi)容基于CC2530和80C52的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)以CC2530和80C52為主要核心，其硬件電路有時鐘電路、按鍵輸入電路、單片機、存儲電路等，輔以DS18B20溫度傳感器、DHT11溫濕度傳感器、繼電器、電磁閥。主要工作方式是：收集環(huán)境信息如：環(huán)境溫度、空氣濕度、土壤濕度等經(jīng)過計算然后判斷是否需要啟動澆水，如果需要則啟動80C52以啟動水泵、澆水管道的開啟進行澆灌農(nóng)作物。整個過程無需人工手動控制。1.4系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境與開發(fā)工具8GB的win10x64操作系統(tǒng)，80C52開發(fā)板1塊，CC2530開發(fā)板4塊,并使用在嵌入式廣泛應用的C語言編寫，因為C語言簡潔、緊湊，使用方便、靈活譚浩強.c程序設計[M].北京：清華大學出版社，2010。，以上環(huán)境將作為系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境。KeiluVision5被作為80C52端的主要開發(fā)工具，IAREmbeddedWorkbenchfor805110.20.1則作為CC2530端的主要開發(fā)工具，CC2530使用協(xié)議棧版本為ZStack-2.5.1a，以上工具將作為本次設計的開發(fā)工具。譚浩強.c程序設計[M].北京：清華大學出版社，2010。

第2章智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)需求分析2.1智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)可行性分析2.1.1智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的經(jīng)濟可行性基于CC2530和80C52的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)是我在大二時候自主設計的一套方案，并著手準備了較長時間，因此我將它作為我的畢業(yè)設計。從整個系統(tǒng)的設計到開發(fā)都由本人自己完成，在開發(fā)的過程中需購買相關硬件設備，進行軟件的調(diào)試，都是精心挑選的低成本嵌入式開發(fā)板及傳感器。實現(xiàn)低成本的自動化農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)。作為低成本自動化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的建設做出成功的表率，實現(xiàn)低成本自動化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的開端，以推動國內(nèi)對低成本自動化農(nóng)業(yè)設備的研究。2.1.2智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的技術可行性該系統(tǒng)作為本人的畢業(yè)設計，而本人已修完所有在校課程，已經(jīng)具備開發(fā)CC2530和80C52單片機的技術。KeiluVision5被作為80C52端的程序開發(fā)調(diào)試軟件，程序使用C語言來開發(fā)；IAREmbeddedWorkbenchfor805110.20.1CC2530ZigBeeDevelopmentKitUser’sGuide[M].USA：TEXASINSTRUMENT，2009。則作為CC2530端的程序開發(fā)調(diào)試軟件，CC2530使用協(xié)議棧（Stack?Software）版本為ZStack-2.5.1aCC253xSystem-on-ChipSolutionfor2.4GHzIEEE802.15.4andZigBee?Applications[M].USA：TEXASINSTRUMENT，2009。，CC2530ZigBeeDevelopmentKitUser’sGuide[M].USA：TEXASINSTRUMENT，2009。CC253xSystem-on-ChipSolutionfor2.4GHzIEEE802.15.4andZigBee?Applications[M].USA：TEXASINSTRUMENT，2009。2.1.3智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的操作可行性基于CC2530和80C52的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)是趨向于全自動的，用戶僅安裝設備于耕地，連接電源即可啟動設備，基于CC2530和80C52的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)具有全自動，無需人工手動控制便能自動執(zhí)行的優(yōu)點。只要用戶將電源連接設備，將設備的開關信號線連接電磁閥開關，水泵開關控制線連接水泵即可。由此可見，操作方式和安裝過程不會限制基于CC2530和80C52的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)。2.2智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的總體需求基于CC2530和80C52的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)需要CC2530模塊和80C52兩種模塊。CC2530模塊可以收集分析各傳感器的數(shù)據(jù)并且控制是否開啟80C52模塊，80C52模塊則作為灌溉的水泵及澆灌管道的開啟及關閉。主要實現(xiàn)對傳感器數(shù)據(jù)的收集分析及水泵和管道的開啟及關閉。從而使整個系統(tǒng)運轉(zhuǎn)工作，自動對農(nóng)作物的灌溉。2.3智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)業(yè)務需求以下是對基于CC2530和80C52的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的業(yè)務需求分析。圖2-1基于CC2530和80C52的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)業(yè)務流程圖2.3.1基于CC2530和80C52的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)CC2530端系統(tǒng)上電開機后將會同時啟動協(xié)調(diào)器和終端，終端不斷獲取土壤濕度、DHT11、DS18B20等傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器，讓協(xié)調(diào)器進行數(shù)據(jù)分析和處理決定是否啟動80C52進行澆灌，業(yè)務流程圖如圖2-1的上半部分。2.3.2基于CC2530和80C52的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)80C52端CC2530模塊決定以什么模式啟動80C52后，將由80C52啟動繼電器、電磁閥、水泵進行澆灌，澆灌過程中進行倒計時，如果倒計時結束則關閉水泵、電磁閥。業(yè)務流程圖如圖2-1的下半部分。2.3.3系統(tǒng)功能需求基于CC2530和80C52的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)主要分為CC2530子系統(tǒng)和80C52子系統(tǒng)：在CC2530子系統(tǒng)中主要包括：終端獲取DHT11溫濕度傳感器數(shù)據(jù)、終端獲取DS18B20溫度傳感器數(shù)據(jù)、終端獲取土壤濕度傳感器數(shù)據(jù)、終端把傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器、協(xié)調(diào)器接收從終端發(fā)送的傳感器數(shù)據(jù)和協(xié)調(diào)器進行傳感器數(shù)據(jù)分析處理；而在80C52子系統(tǒng)中主要包括：電磁閥啟停、水泵啟停、定時器設置和數(shù)碼管顯示?；贑C2530和80C52的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)功能模塊圖如圖2-2:圖2-2基于CC2530和80C52的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)功能模塊圖CC2530協(xié)調(diào)器模塊功能需求(1)協(xié)調(diào)器接收終端發(fā)送的傳感器數(shù)據(jù)：協(xié)調(diào)器接收到終端發(fā)送過來的傳感器數(shù)據(jù)后才能進行數(shù)據(jù)處理分析，決定是否執(zhí)行下一步操作。(2)傳感器數(shù)據(jù)處理分析：協(xié)調(diào)器把從終端接收到的傳感器數(shù)據(jù)進行分析，前提是終端有正確的數(shù)據(jù)發(fā)送過來。(3)80C52啟停：協(xié)調(diào)器通過處理終端發(fā)來的數(shù)據(jù)選擇循環(huán)啟動80C52的次數(shù)來控制澆水的程度。(4)OLED屏幕顯示：協(xié)調(diào)器把從終端接收的并且經(jīng)過處理的傳感器信息輸出到屏幕上面，給用戶提供一個可視化界面80C52模塊功能需求(1)電磁閥開關：控制電磁閥的打開和關閉。(2)水泵啟停：控制水泵的啟停，水泵啟動的前提是電磁閥開啟。(3)定時器計時：水泵開啟后進行計時，計時結束則關閉水泵然后再關閉電磁閥。(4)數(shù)碼管顯示：數(shù)碼管顯示定時器的時間倒計時，提供一個可視化界面給用戶。(5)按鍵：可以讓用戶在特殊時期手動控制澆灌CC2530終端模塊功能需求(1)DHT11溫濕度傳感器：收集所在農(nóng)作物的空氣中的溫度數(shù)據(jù)和濕度數(shù)據(jù)。(2)DS18B20溫度傳感器：收集土壤中的溫度數(shù)據(jù)。(3)土壤濕度傳感器：收集農(nóng)作物土壤中的濕度數(shù)據(jù)。(4)發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)：終端把收集到的傳感器數(shù)據(jù)整合到存儲到數(shù)組中發(fā)送給協(xié)調(diào)器。2.4流程圖1.DHT11溫濕度傳感器子程序流程圖DHT11通電后需要先把單片機DATA拉到低電平，延遲19ms，然后把DATA線拉到高電平，設置為輸入狀態(tài)，才能讀取到數(shù)據(jù)，最后將結果保存到2個全局變量中以便CC2530終端讀取。DHT11溫濕度傳感器子程序流程圖如圖2-3所示：圖2-3DHT11溫濕度傳感器子程序流程圖2.DS18B20溫度傳感器子程序流程圖DS18B20通電后需要先初始化傳感器IO口，把傳感器DATA線拉到高電平，設置DATA線為輸入，等待DS18B20響應。讀取溫度數(shù)據(jù)，將讀取到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字，保存溫度數(shù)據(jù)到變量里面，返回溫度數(shù)據(jù)給CC2530終端。DS18B20溫度傳感器子程序流程圖如圖2-4所示：圖2-4DS18B20溫度傳感器子程序流程圖3.土壤濕度傳感器子程序流程圖土壤濕度傳感器采樣需要啟動ADC進行采樣，首先初始化傳感器IO口，設置ADC采樣通道，采樣分辨率，然后采樣，將采樣值轉(zhuǎn)化為數(shù)字，返回采樣值。土壤濕度傳感器子程序流程圖如圖2-5所示：圖2-5土壤濕度傳感器子程序流程圖4.發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)子程序流程圖終端向協(xié)調(diào)器發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)，因為發(fā)送事件是持續(xù)的，所以需要添加一個循環(huán)發(fā)送事件，設置循環(huán)事件的時間，再將數(shù)據(jù)分別存入數(shù)組的不同位置，然后在數(shù)組的頭部添加校驗位，設置發(fā)送數(shù)據(jù)的長度，設置要發(fā)送的數(shù)據(jù)的指針凌明.嵌入式系統(tǒng)高級C語言編程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2014。，就可以發(fā)送數(shù)據(jù)了。發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)字程序流程圖如圖2-6所示：凌明.嵌入式系統(tǒng)高級C語言編程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2014。圖2-6發(fā)送傳感器數(shù)據(jù)子程序流程圖5.接收傳感器數(shù)據(jù)子程序流程圖協(xié)調(diào)器接收從終端發(fā)過來的傳感器數(shù)據(jù)，因為接收事件也是持續(xù)的，所以需要添加一個循環(huán)接收事件，設置循環(huán)事件的時間，接收數(shù)據(jù)，檢驗校驗位是否正確，將正確的數(shù)據(jù)保存到其類型的變量里面。接收傳感器數(shù)據(jù)字程序流程圖如圖2-7所示：圖2-7接收傳感器數(shù)據(jù)子程序流程圖6.OLED顯示子程序流程圖OLED顯示中文需要先或許字模，然后把每一行的數(shù)據(jù)都連接起來放到一個數(shù)組里，調(diào)用協(xié)議棧的顯示接口就可以顯示出來了，OLED顯示子程序流程圖如圖2-8所示：圖2-8OLED顯示子程序流程圖7.80C52程序流程圖80C52程序包括繼電器、LED燈顯示、按鍵輸入、中斷、數(shù)碼管顯示、電磁閥控制，水泵控制等功能，設計了2種運行模式，（1）開機直接運行自動澆灌模式（2）按鍵中斷控制的輸入自定義時間的澆灌模式。自動澆灌模式子程序流程圖如圖2-9所示，按鍵中斷控制的輸入自定義時間的澆灌模式流程圖如圖2-10所示：圖2-9自動澆灌模式子程序流程圖圖2-10按鍵中斷控制的輸入自定義時間的澆灌模式子程序流程圖2.5本章小結本章首先主要總體分析出基于CC2530和80C52的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)有CC2530端和80C52端；然后對兩個端的業(yè)務需求進行分析并且用業(yè)務流程圖分別展示了CC2530端和80C52端的業(yè)務流程，通過功能模塊圖展示了CC5230端和80C52端的功能需求，接下來對基于CC2530和80C52的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)各方面的可行性進行了分析；最后，為了更加直截了當向用戶展示基于CC2530和80C52的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的功能，基于CC2530和80C52的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)給出了用例圖并對各個用例用表格進行簡單明了的說明。

第3章系統(tǒng)硬件設計3.1系統(tǒng)硬件概述此次畢業(yè)設計主要由以下模塊組成CC2530和80C52為主要核心，AZigBeewirelessnetworkcontainsthreedifferenttypesofnodes,thecoordinator,routerandendequipmentJiangDengying,YuLing,WangFei,XieXiaoxia,YuYongsheng.DesignofthesmarthomesystembasedontheoptimalroutingalgorithmandZigBeenetwork.[J].PloSone,2017,12(11)..由于時間原因本次設計只涉及到終端和協(xié)調(diào)器，并未對路由器的代碼進行開發(fā)，其硬件電路有時鐘電路、按鍵輸入電路、單片機、存儲電路等葛廣英，葛菁，趙云龍.ZigBee原理、實踐及應用[M].北京：清華大學出版社，2015，輔以DS18B20溫度傳感器、DHT11溫濕度傳感器、繼電器、電磁閥。主要工作方式是：收集環(huán)境信息如：環(huán)境溫度、空氣濕度、土壤濕度等經(jīng)過計算然后判斷是否需要啟動澆水，如果需要則啟動JiangDengying,YuLing,WangFei,XieXiaoxia,YuYongsheng.DesignofthesmarthomesystembasedontheoptimalroutingalgorithmandZigBeenetwork.[J].PloSone,2017,12(11).葛廣英，葛菁，趙云龍.ZigBee原理、實踐及應用[M].北京：清華大學出版社，20153.2單片機的選擇1. CC2530和80C52都是學校里面學過的單片機，所以我對這兩個都比較熟悉，操作起來比較方便，并且ZigBee/IEEE802.5.4isaLow-PowerstandardforwirelesssensornetworkthatusesaclassicalZigBeeTreeRoutingalgorithmforpacketroutingBongisizweEButhelezi,MarediMphahlele,DeonDuPlessis,SollyMaswikaneng,TopsideMathonsi.ZigBeeHealthcareMonitoringSystemforAmbientAssistedLivingEnvironments[J].InternationalJournalofCommunicationNetworksandInformationSecurity,2019,11(1).,BongisizweEButhelezi,MarediMphahlele,DeonDuPlessis,SollyMaswikaneng,TopsideMathonsi.ZigBeeHealthcareMonitoringSystemforAmbientAssistedLivingEnvironments[J].InternationalJournalofCommunicationNetworksandInformationSecurity,2019,11(1).2. 單片機有著低功耗，集成度高，穩(wěn)定性強，擴展性強，有著很好的性價比。CC2530模塊:是用于ZigBee應用的，并且能組網(wǎng)，有一個IEEE802.15.4兼容無線收發(fā)器，它提供了MCU和無線設備之間的一個接口，這使得可以發(fā)出命令，讀取狀態(tài)，自動操作和確定無線設備事件的順序。QST青軟實訓.ZigBee技術開發(fā)Z-Stack協(xié)議棧原理及應用[M].北京：清華大學出版社，2016 圖3-1CC2530核心板原理圖圖3-2CC2530底板原理圖圖3-3CC2530ZigBee實物圖80C52模塊：80C52屬于MCS-51系列單片機，有著標準的MCS-51單片機體系結構和指令系統(tǒng)。STC89C51RC-STC89C52RCSTC89C51RC-STC89C52RC數(shù)據(jù)手冊[M].深圳：深圳宏晶科技有限公司，2006。陳朝大，李杏彩.單片機原理與應用:基于KEILC和虛擬仿真技術[M].北京：化學工業(yè)出版社，2013。圖3-480C52單片機原理圖圖3-580C52單片機實物圖3.3DHT11傳感器DHT11數(shù)字溫濕度傳感器可以同時采集溫度和濕度的傳感器并且在生產(chǎn)的時候在標準的溫濕度實驗室中進行校準了輸出的數(shù)字信號的，采用的是數(shù)字傳感采集技術，可靠性可以算是很高的。為了確保溫濕度采集具有可靠性和長期工作穩(wěn)定性，DHT11溫濕度傳感器由一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件組成，因此使得傳感器具有響應快、抗干擾強、并且價格低廉等優(yōu)點，且都是在精確的溫濕度校驗室中進行校準進行量產(chǎn)的，而校準系數(shù)以程序的形式儲存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調(diào)用這些校準系數(shù)dht11-v1_3說明書（詳細版）[M].廣州：廣州奧松電子有限公司，2017。。單線條數(shù)據(jù)傳輸線，不僅提高了系統(tǒng)的集成度，還為其他外圍設備節(jié)省出了更多的數(shù)據(jù)接口。因體積小，能耗低，操作方便，是本次畢業(yè)設計中收集環(huán)境濕度和環(huán)境溫度的最佳選擇。dht11-v1_3說明書（詳細版）[M].廣州：廣州奧松電子有限公司，2017。圖3-6DHT11引腳圖圖3-7DHT11實物圖（1）引腳介紹：從左至右Pin1：(VDD)，接電源正極針腳，供電電壓可在3-5.5V之間。Pin2：（DATA），數(shù)據(jù)線。Pin3（VDD），接地針腳，接在電源的負極。（2）接口說明：由于供電電流的原因當連接線的長度在20米以內(nèi)的時候只需要連接5K歐姆的上拉電阻,由于我是直接插在開發(fā)板上面，開發(fā)板已經(jīng)集成了現(xiàn)成的接口，所以無需再接上拉電阻。圖3-8DHT11典型應用電路（3）DHT11的數(shù)據(jù)幀：DHT11傳感器的DATA線用于MCU與傳感器之間的同步通訊,采用單總線數(shù)據(jù)格式,每次通訊的時間大概需要4毫秒,數(shù)據(jù)被分小數(shù)和整數(shù)2個部分,當前小數(shù)部分對本系統(tǒng)的影響較小，所以我并沒有對小數(shù)部分數(shù)據(jù)進行操作，DHT11溫濕度傳感器一次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為40bit（分別為：溫度高8位、溫度低8位、濕度高8位、濕度低8位、8位校驗數(shù)據(jù)）。具體數(shù)據(jù)操作流程如下：1.讀取濕度的高8位。2.讀取濕度的低8位。3.讀取溫度的高8位。4.讀取溫度的低8位。5.校驗溫濕度數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)正確時獲取到的8位校驗數(shù)據(jù)等于（溫度高8位+溫度低8位+濕度高8位+濕度低8位）的和）6.將溫濕度數(shù)據(jù)存儲到不同的全局變量中。7.數(shù)據(jù)傳送正確時校驗和數(shù)據(jù)等于“8bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8bi溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)”所得結果的末8位。3.4DS18B20溫度傳感器（1）DS18B20溫度傳感器是一種改進型智能溫度傳感器，它有著多種封裝，并且它的數(shù)據(jù)讀取方便，能夠直接讀出采集到的溫度數(shù)據(jù)，只需要簡單的編程就能實現(xiàn)9-12位的數(shù)字值讀取。它的供電比DHT11溫濕度傳感器供電幅度更加的寬達到3.0-5.5V。它也僅有一個數(shù)據(jù)線進行數(shù)據(jù)傳輸，但是這并不影響數(shù)據(jù)的準確性。但是有一個小小的缺點就是它實在是有點小，一不小心就會正負極接反，雖然不會因此而燒掉傳感器，但是是真的燙手。圖3-9DS18B20的外形及引腳。DS18B20ProgrammableResolution1-WireDigitalThermometer[M].USA:MaximIntegratedProductsDS18B20ProgrammableResolution1-WireDigitalThermometer[M].USA:MaximIntegratedProducts，2008。：1

表3.1DS18B20詳細引腳功能描述表DS18B20ProgrammableResolution1-WireDigitalThermometer[M].USA:MaximIntegratedProductsDS18B20ProgrammableResolution1-WireDigitalThermometer[M].USA:MaximIntegratedProducts，2008。：2（2）DS18B20是常用的數(shù)字溫度傳感器，其輸出的是數(shù)字信號，3.0-5.5寬幅供電，只需要一根數(shù)據(jù)線，就能完成數(shù)據(jù)傳輸，大大的節(jié)省了模塊引腳。因為需要采集土壤下面的溫度所以需要防水，并且需要達到一定的深度，需要較長的延長線，這個原因使我選用不銹鋼防水封裝加1米延長線的的DS18B20溫度傳感器。圖3-10不銹鋼封裝防水型DS18B20實物圖。3.50.96寸OLED顯示屏Oled顯示屏具有亮度高，功耗低，不偏色，就算在太陽下依然有著很清晰的可見度，本系統(tǒng)需要在露天的條件下使用，所以陽光下的可見度顯得特別重要，這也是我選擇它的原因之一。供電可以是3.3-5.0V寬幅，供電方面就顯得更加方便，畢竟現(xiàn)在很多智能產(chǎn)品都是鋰電池供電，而鋰電池的電壓輸出正好是4.2-5.0V，，這樣就不用改變模塊的供電電路，并且能夠長時間穩(wěn)定工作。由此oled顯示屏在各類電子科技產(chǎn)品的上的有著非常廣泛的應用。3.5.1OLED技術特點（1）器件核心層厚度較其他如TFT、LCD的薄，厚度甚至可達1mm，為液晶的1/3.（2）環(huán)境適應性強，模塊為全固態(tài)結構，液體物質(zhì)，抗震性能非常好。（3）OLED視角幾乎沒有限制可達170度，只要因為其主動發(fā)光的特性，側面觀看也不會失真。（4）顯示響應時間快圖3-11

0.96寸OLED顯示屏接線圖理圖3-12

0.96寸OLED顯示屏實物圖3.6繼電器模塊電磁繼電器是由線圈、觸點簧片、彈簧、鐵心、銜鐵組成。工作原理是電磁感應，即對線圈接通電源，線圈中有電流，產(chǎn)生磁力將鐵心拉向觸點簧片，從而使整個電路通電；當斷電后彈簧將鐵心拉離觸電，使得電路斷電，這樣可以控制電路的通電斷電，達到控制電路的目的。圖3-13

繼電器模塊實物圖3.78段共陰極數(shù)碼管數(shù)碼管是一種只能顯示數(shù)字和點的電子設備，有共陽極數(shù)碼管和共陰極數(shù)碼管，有著位選及段選信號顯示不同的信息。本次選擇的是8位共陰極數(shù)碼管，由于它的價格便宜，編程代碼復雜度低，在電器特別是家電領域應用極為廣泛，比如計算器、空調(diào)、熱水器、冰箱、電梯等等。由于這些原因，該系統(tǒng)也運用了此模塊。圖3-14

8位共陰極數(shù)碼管模塊實物圖3.8土壤濕度傳感器 土壤濕度傳感器是通過檢測探頭接觸到的土壤水分導致探頭短路電流來識別土壤水分。當探頭電流超過預設值的時候傳感器輸出一個高電平，反之輸出一個低電平給單片機。圖3-15

土壤濕度傳感器模塊實物圖3.9本章小結本章對該系統(tǒng)的硬件需求的模塊進行了詳細的分析，并顯示出模塊的原理圖和實物圖，對其功能也進行了詳細的分析。

第4章系統(tǒng)實現(xiàn)4.1軟件功能實現(xiàn)4.1.1CC2530模塊硬件圖1.如圖4-1：作為終端的模塊攜帶了DHT11溫濕度傳感器（藍色居右）、DS18B20溫度傳感器（圓柱形鐵條）、土壤濕度傳感器（居左，探頭插在綠色盒子里）。圖4-1CC25530終端模塊及攜帶的傳感器圖2.如圖4-2：作為協(xié)調(diào)器的模塊僅攜帶0.96寸OLED屏幕一塊分辨率為128x64圖4-2CC25530協(xié)調(diào)器模塊及攜帶的屏幕圖4.1.2傳感器數(shù)據(jù)1.DHT11溫濕度傳感器：系統(tǒng)開啟后，將P0_7設置為數(shù)據(jù)線的連接線，DHT11啟動需要延遲超過18ms之后MCU才能發(fā)送采集命令，由于小數(shù)部分對數(shù)據(jù)處理影響不大，所以并沒有對小數(shù)部分進行讀取，僅讀取溫濕度的十位和個位分別存儲在不同的全局變量中，存儲在全局變量是方便數(shù)據(jù)讀取和處理，如果沒有成功讀取則返回0。終端調(diào)用DHT11()函數(shù)后可以分別讀取到溫濕度的個位和十位，一共4個數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)連接成十進制的數(shù)字存儲裝到待發(fā)送協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)的數(shù)組中，然后發(fā)送到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器接收終端發(fā)送的DHT11數(shù)據(jù)并顯示輸出到OLED屏幕上。如果獲取到的值都為0，則屏幕顯示為：DHT11:ERROR。圖4-3DHT11正常讀取圖4-4DHT11錯誤讀取2.DS18B20溫度傳感器：系統(tǒng)開啟后，將P0_4設置為DS18B20的數(shù)據(jù)連接線，需要線初始化DS18B20傳感器，初始化成功返回0x00,失敗則返回0x01，溫度采集函數(shù)的返回值就是溫度值，所以終端調(diào)用溫度采集函數(shù)時需要用一個變量存儲即可，終端獲取到溫度數(shù)值后裝到待發(fā)送協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)的數(shù)組中，然后發(fā)送到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器接收終端發(fā)送的DS18B20數(shù)據(jù)并顯示輸出到OLED屏幕上。如果獲取到的值不在現(xiàn)實范圍內(nèi)，則屏幕顯示為：DS18B20:ERROR。圖4-5DS18B20異常讀取圖4-6DS18B20正常讀取3.土壤濕度傳感器：系統(tǒng)開啟后，定義土壤濕度數(shù)據(jù)連接線為P1_5，因為土壤濕度采集需要用到ADC采樣，所以需要設置ADC的采樣通道，用的是片上3.3V參考電壓，12位，6通道，10位分辨率進行采樣，采樣完成判斷數(shù)組是否在分辨率的數(shù)值范圍內(nèi)，如果不在則需要重新采樣，然后函數(shù)返回值則直接返回采樣值。土壤濕度采集函數(shù)的返回值就是溫度值，所以終端調(diào)用土壤濕度采集函數(shù)時需要用一個變量存儲，終端獲取到土壤濕度數(shù)值后裝到待發(fā)送協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)的數(shù)組中，然后發(fā)送到協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器接收終端發(fā)送的土壤濕度數(shù)據(jù)并顯示輸出到OLED屏幕上。如果獲取到的值不在現(xiàn)實范圍內(nèi)，則屏幕顯示為：SoilWater:ERROR。圖4-7土壤濕度數(shù)據(jù)異常 圖4-8土壤濕度數(shù)據(jù)正常4.如圖4-7和圖4-8第一行的mode，mode有0，1，2，3，4一共4個值，決定了開啟灌溉的時間。mode為0的時候則不需要澆灌。5.80C52模塊：80C52通過CC2530控制后上電開啟，并進入自動澆灌模式，自動啟動繼電器打開電磁閥、水泵，數(shù)碼管同時進行時間倒計時。自定義澆灌模式則需要通過矩陣按鍵（圖4-9左下）輸入事件并按K1開始執(zhí)行澆灌。圖4-980C52自動澆灌模式效果圖圖4-1080C52自定義澆灌模式效果圖 圖4-11項目成品運行效果圖4.2本章小結本章主要是對基于CC2530和80C52的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的設計進行實現(xiàn)，給出各個功能顯示界面的效果圖以展現(xiàn)系統(tǒng)實現(xiàn)的效果。

第5章系統(tǒng)測試5.1系統(tǒng)測試的目的系統(tǒng)測試的目的是為了找出軟件中的BUG，系統(tǒng)的BUG可能存在于功能，數(shù)據(jù)，信號傳輸過程中，這個時候需要進行系統(tǒng)測試以找到BUG并修復，以免給用戶帶來不好的體驗。系統(tǒng)測試是軟件開中不可缺少的環(huán)節(jié)，包括了功能測試，性能測試等劉佳,王麗,楊俊葉.計算機軟件測試方法及應用分析[J].科技風,2020(09)。。由于本次設計功耗較低，整體系統(tǒng)幾乎沒有產(chǎn)生人體所能察覺的熱量，所以此次僅對系統(tǒng)功能進行測試。劉佳,王麗,楊俊葉.計算機軟件測試方法及應用分析[J].科技風,2020(09)。5.2系統(tǒng)測試的意義在這個飛速發(fā)展的時代里，各式軟件鋪天蓋地，東西多了，難免良莠不齊，因此很多廠商為了保證產(chǎn)品的質(zhì)量，系統(tǒng)測試顯得更加重要了。系統(tǒng)測試已經(jīng)是各大科技公司軟件開發(fā)的不可或缺的環(huán)節(jié)。因為世界上沒有完美的軟件，只要是軟件一定有BUG，當然BUG也分為有影響的正常使用的和不影響正常使用的。而系統(tǒng)測試的目的是為了找出開發(fā)過程中難以發(fā)現(xiàn)的影響正常使用的BUG，提高基于CC2530和80C52的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的軟件質(zhì)量，以提高用戶的體驗。5.3測試用例及結果基于CC2530和80C52的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)整體功能測試，系統(tǒng)整體功能測試的測試用例、測試環(huán)境、測試方法以及測試結果如表5-1所示：

表5-1基于CC2530和80C52的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)整體功能測試用例及結果用例編號用例名稱測試目的測試環(huán)境測試方法預期結果測試結果是否達成預期1DS18B20溫度傳感器是否可用檢查DS18B20溫度傳感器是否可用實驗臺用手抓住DS18B20探頭屏幕顯示DS18B20數(shù)值有增加溫度從17上升到30是2DHT11溫濕度傳感器是否可用檢查DHT11溫濕度傳感器是否可用實驗臺向DHT11傳感器哈氣屏幕顯示DHT11溫度數(shù)值及濕度值有上升溫度從17上升到24，濕度從22%增加到53%是3土壤濕度傳感器是否可用檢查土壤濕度傳感器是否可用實驗臺用濕紙巾包裹傳感器探頭屏幕顯示土壤濕度百分比增加土壤濕度濕度從0%上升到100%是4澆水模式標志測試檢測傳感器預設值是否能正常檢測實驗臺用濕紙巾包裹傳感器探頭，DS18B20探頭置入冷水中，DHT11放置在空氣加濕器旁邊，然后逐一撤離條件，并用打火機燒DS18B20使溫度增加到50，在DHT11旁邊用打火機烘烤20秒屏幕顯示mode數(shù)值從0變?yōu)?再變?yōu)?，最后變成3屏幕顯示mode數(shù)值從0變?yōu)?再變?yōu)?，最后變成3是5CC2530組網(wǎng)CC2530是否可以組網(wǎng)實驗臺同時開啟CC2530終端和協(xié)調(diào)器，看看兩端LED1是否能亮起協(xié)調(diào)器LED1亮，終端LED1亮5秒后終端LED1亮是6CC2530信號傳輸距離測試CC2530信號傳輸距離1.空曠地2.小樹林協(xié)調(diào)器和終端都接上天線，固定協(xié)調(diào)器，拿著終端走離協(xié)調(diào)器，看看距離多遠LED1會滅（LED1亮代表組網(wǎng)成功）空曠地達到50米之后終端LED1滅，小樹林距離達到30米后終端LED1滅空曠地達到73步之后終端LED1滅，小樹林距離達到56步后終端LED1滅是

（續(xù)表5-1）780C52啟動測試測試80C52是否CC5230控制實驗臺打火機烘烤終端的DS18B20傳感器讓溫度超過50，進入mode1澆水模式80C52通電亮起80C52被開啟是8自動澆水模式測試是否能夠自動啟動自動澆水模式實驗臺打火機烘烤終端的DS18B20傳感器讓溫度超過50，進入mode1澆水模式繼電器連接的點擊先開始轉(zhuǎn)動，10秒后水泵的點擊開始轉(zhuǎn)動繼電器連接的電機先啟動而后水泵電機啟動是980C52關閉測試是否能夠自動關閉80C52實驗臺令80C52進入澆水模式，等待時間結束先關閉水泵繼電器，再關閉電磁閥繼電器，然后斷電代表水泵的電機停止10秒后代表的電磁閥的電機停止是10手動澆水模式測試是否能由用戶自定義時間澆水實驗臺手動開啟80C52，按鍵輸入澆水時間（顯示到數(shù)碼管上面），按下K1啟動澆水數(shù)碼管顯示輸入的時間（單位分鐘），用戶按下K1后數(shù)碼管顯示時間倒計時一切如同預期是5.4本章小結本章首先闡述了系統(tǒng)測試的目的以及意義，給出了詳細的基于CC2530和80C52的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)整體功能測試的測試用例，證明了基于CC2530和80C52的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)整體功能測試的整體功能是沒有問題的。

第6章結束語6.1全文總結經(jīng)過這幾個月的學習和努力，基于CC2530和80C52的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)到這里基本結束了?；贑C2530和80C52的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)在硬件上使用CC2530ZIGBEE模塊及80C52模塊及各式各樣的外圍模塊，給用戶呈現(xiàn)了一個低成本，低復雜度的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)；C語言作為開發(fā)語言，同時使用了CC2530提供的協(xié)議棧優(yōu)化開發(fā)流程，CC2530的協(xié)議棧及其無線自組網(wǎng)功能是我選擇的主要因素，經(jīng)過我對各種單片機的綜合分析之后，80C52作為從機，不僅價格低廉且易于開發(fā)，對于以上的選擇，最主要的是在學習課程上面有系統(tǒng)學習過，這為我提供了極大的幫助。目前，基于CC2530和80C52的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)已經(jīng)可以正常使用。6.2課題展望由于沒有學習過PCB板設計以及模具圖繪畫及制作，所以基于CC2530和80C52的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的CC2530部分和80C52部分是分開的，由導線連接；并且沒有外殼防水，畢竟該產(chǎn)品的最終還是要在露天場景下使用，所以一個防水