农业大棚环境监测无线传感器网络节点的设计与实现.doc

《农业大棚环境监测无线传感器网络节点的设计与实现.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《农业大棚环境监测无线传感器网络节点的设计与实现.doc（34页珍藏版）》请在沃文网上搜索。

1、目 录摘要IAbstract.II第1章 引言11.1论文的研究背景和意义11.2 WSN概述11.3WSN在环境监测中的研究现状及趋势21.4论文的主要内容和结构安排3第2章 系统总体方案设计42.1系统总体方案设计42.2硬件电路方案设计42.2.1微处理器选型52.2.2传感器选型62.3系统软件方案设计82.4本章小结9第3章 节点的硬件设计103.1最小系统设计103.1.1 CC2530射频通信113.1.2复位电路设计123.1.3 CC2530晶振模块设计123.2 数据采集模块133.2.1 温度传感器模块133.2.2 CO2传感器模块143.2.3 光强度传感器块153.

2、3 电源模块设计153.3.1 3.3V电源电路设计153.3.2 6V电源电路设计163.3.3 电压检测电路设计173.4 LCD显示183.5本章小结19第4章 节点的软件设计204.1 温度传感器程序设计204.2 二氧化碳与光强传感器程序设计214.3 Zigbee无线通信程序设计214.4 本章小结25第5章 系统测试265.1 系统的硬件介绍.265.2 传感器模块调试.265.2.1 DSI8B20模块调试.275.2.2 MG811模块调试.275.2.3 BH1750模块调试.285.3 Zigbee通信测试.295.4 本章小结.29第6章 总结和展望30参考文献31致谢

3、32附录.33 word文档 可自由复制编辑农业大棚环境监测无线传感器网络节点的设计与实现摘要 为提高农业大棚温室生产过程的自动化，非常有必要实时获取大棚温室环境的光强度、温度、CO2浓度等基本环境参数。针对农业大棚环境监测易变、多样的考虑，本设计提出了一种基于Zigbee的农业大棚环境监测无线传感器网络节点设计方案。微处理器采用CC2530单片机；软件上移植了德州仪器（TI）Zigbee协议栈，并在应用层开发了通信程序。本文设计了系统的整体结构和硬件电路，并给出了软件流程图。实验表明，该设计具有良好的稳定性和较高的通信效率，可以满足农业大棚环境监测对无线通信网络的传输和组网要求，具有较高的推

4、广价值和应用前景。关键字：大棚环境监测；CC2530；Zigbee；无线传感网络The design of greenhouse environment monitoring based on wireless sensor network nodesAbstract To improve the agriculture greenhouse greenhouse production process automation，It is a necessary to obtain the light intensity,temperature,and CO2 concentration.For

5、volatile agricultural greenhouse environment monitoring, diverse considerations,This design is put forward a kind of agricultural greenhouse environment monitoring based on Zigbee wireless sensor network node design.The design of the core CC2530 single-chip microprocessors ; software transplanted Te

6、xas Instruments (TI) Zigbee protocol stack and application layer developed a communications program. According to the technical requirements of the greenhouse environment monitoring system , system architecture and hardware design of the circuit , it gives the software process . Through testing expe

7、riment, it shows that the design has good stability and high communication efficiency to meet the greenhouse environmental monitoring requirements for network transmission and wireless communication networks , the promotion of high value and application prospect.Key words :greenhouse environment mon

8、itoring ；CC2530 ；Zigbee ；Wireless sensor network word文档 可自由复制编辑第1章 引言1.1论文的研究背景和意义众所周知，CO2是作物光合作用的重要元素，它对作物的生长发育起着与水肥同等的作用，CO2若供给不足会直接影响作物正常的光合作用，从而导致减产减收。阳光是作物赖以生存的必要条件，是进行光合作用、制造有机物的能量来源，其对作物生长起着关键的作用。而作物的光合作用是在温度和光照条件下进行，不同的农作物对于光强度、CO2浓度和温度这三个基本环境参数的需求也不尽相同。因此，准确掌握大棚温室环境的光强度、CO2浓度和温度等信息参数，给农业大棚温

9、室内的作物提供合理的生存条件，对于提高作物的产量和效益有着不可小觑的作用。以往，由于受经济和技术条件的限制，多数农业大棚采用人工方式定时对环境参数进行监测。但是对于生产规模较大的农业大棚来说，人工方式既不方便又浪费人力，且不易保存光强度、CO2浓度和温度的历史数据。本设计采用的无线传感器网络（WSN）技术是通过传感器节点无线通信方式形成的一个多跳的（multi-hops）自组织网络系统。它是传感器技术和信息通信技术的综合体，是一种由传感器节点构成的网络，其目的是感知、采集和处理无线网络覆盖区域内被监测的各种基本环境参量的信息，并发送给观察者。把无线传感器网络（WSN）技术应用于农业大棚环境监测

10、中，能够实现对网络覆盖区域（农业大棚）的各种基本环境参量（如光强、温度、CO2气体浓度）信息的采集。无线传感器网络（WSN）借助于节点中内置的各种类型传感器来监测农业大棚环境的光强度、CO2浓度和温度等基本环境参量，以达到对这些信息参数准确掌握的目的。WSN为大棚环境监测系统提供了新型的信息采集技术，具有十分广泛的应用前景。1.2 WSN概述WSN为Wireless Sensor Network的简称，也就是无线传感器网络。无线传感器网络（WSN）是由部署在监测环境区域内的大量廉价微型传感器节点，通过无线通信方式所形成的一个多跳的自组织网络系统，从而来实现对网络覆盖区域内基本对象的信息采集、感

11、知、量化、处理、融合以及传输应用的功能。无线传感器网络（WSN）一般都是由一个低功耗的微控制器（MCU）、传感器、若干个存储器和无线电/光通信装置等器件集成，通过传感器、通信装置、动臂结构以及与他们所存在的外界环境来进行交互。如果将其大量的分布到所需监测的农业大棚温室环境中，并组成一个无线传感器网络（WSN），然后在性能良好的软件系统平台上布施，就可以实时准确地完成强大的农业大棚环境监测功能。随着高集成、低功耗数字设备和微机系统的迅速发展，实现小体积、低功耗、低成本的传感器节点已经不再是设想。低功耗的无线传感器模块，便是组成无线传感器网络（WSN）的节点。无线传感器网络（WSN）正是由大量的这

12、些节点组成，它是传感器、无线通信、信息处理等多领域综合的技术。通过各种类型的无线传感器对所需监测的基本环境参量信息进行实时采集，再由嵌入式微处理器对采集到的信息进行处理，然后由Zigbee无线通信网络将处理后的信息传送至远程客户端。经过采集、分析，最后实现对环境参量的监测。涉及无线传感器网络（WSN）的关键技术从总体上可分为无线通信技术、信号处理技术、网络技术及应用技术四个方面。总的来说，无线传感器网络（WSN）是信息化获取技术的发展结果，它的核心目标是进行分布式的感知，以完成对环境和物体的识别。无线传感器网络（WSN）具有以下四个特点：1. 节点数量大2. 支持自组织（ad-hoc）多跳（m

13、ulti-hops）网络3. 短距离无线连接4. 低功耗无线传输WSN是一种开拓了全新应用领域的新型概念和新型技术。低功耗是它最重要的设计准则之一。传感器节点、监测对象和监测者是无线传感器网络（WSN）的三个基本要素。1.3WSN在环境监测中的研究现状及趋势环境监测是在分析环境基本参数的基础上，通过对环境质量因素的监测，研究环境质量的变化，并描述环境状态、科学地预报环境质量的变化趋势，以达到优化环境发展状态的目的。环境监测按照监测区域可划分为厂区监测和区域监测。本设计中的农业大棚环境监测则属于区域监测。无线传感器网络（WSN）作为21世纪最具重要性的技术之一，它的发展日渐成熟，方向也开始呈现出

14、多样化。无线传感器网络（WSN）自组织、环境适应、随机布投等特点，非常适用于现代农业大棚类型的区域环境监测，现阶段已得到了较大范围的推广。目前，环境监测已跻身于英特尔公司“基于微型传感器网络的新型计算发展规划”中的重要应用领域之一。无线传感器网络（WSN）经过几十年的发展，虽然已经取得到了较好的技术改进，但是仍将继续努力朝着以下几个方向发展：（1）低耗能、高寿命，低误差、低成本；（2）大数据的处理和管理的模式开发；（3）嵌入式网关技术的应用；（4）无线通讯的标准统一化。然而，从传感器网络节点本身来说，它所具有的存储能力、处理能力、通信能力和能量等方面都存在一定程度的限制；从实际应用环境来说，节

15、点数目比较庞大，节点分布也相当密集，而环境因素变化和节点故障会不可避免地造成网络拓扑结构的变化等等。基于上述对传感器节点本身限制和环境因素的考虑，得出节点出现故障的机率可能大大上升。所有的这些，对WSN在环境监测中的研究提出了新的挑战。1.4论文的主要内容和结构安排本论文基于无线传感网络（WSN）技术的发展，阅读了大量资料文献，对农业大棚环境监测进行了整体分析。在深入研究Zigbee无线通信协议的基础上，提出了基于TI公司的CC2530单片机设计无线传感网络节点的系统总体方案，并设计了系统的硬件和软件方案，本设计的主要内容如下：第一章，介绍了本设计的背景和意义，分析当前无线传感器网络（WSN）

16、技术的发展、传统的大棚环境监测限制性，以及把无线传感器网络（WSN）技术和无线通信引入到大棚监测中的优势。第二章，提出了系统总体方案设计，完成各部分硬件电路选型。第三章，设计了以CC2530为核心的传感器节点。根据设计要求对三种传感器电路、复位电路、电源电路和LCD显示电路进行设计。第四章，设计了系统软件方案，以模块化的思想，给出各部分程序流程图。主要包含对节点中传感器信息获取的程序设计和Zigbee无线通信程序设计。第五章，选取了典型场景对设计的硬件电路进行测试，并对实验结果进行了分析。第六章，总结研究论文，分析了存在的不足，并指出改进方向，提出了对于未来研究中的设想和展望。第2章 系统总体

17、方案设计2.1系统总体方案设计WSN节点主要包括传感器部分、电源电路部分、存储器部分、A/D转换器部分、微处理器（射频通信）部分等。节点一般采用原电池供电，当电源电能耗尽的时候，节点工作能力将丧失。为了提高电源的利用率，在系统硬件电路方案设计方面，应尽量考虑低功耗器件。在系统软件设计方案中，各层的通信协议均应本着节能的原则。本设计提出的无线传感网络(WSN)节点农业大棚环境监测方案，不需铺设多余电缆。在农业大棚温室内放置所需的传感器节点，由传感器定时采集各节点处基本环境参量信息（光强度、CO2浓度和温度），采集的信息结果可以显示在LCD上。各环境参量信息经处理后通过Zigbee传输并进行节点间

18、的无线通信，再由监测终端对采集的信息统一进行管理分析。对于传感器节点的设计，硬件方面，必须考虑低功耗型，选取无线传输方式；软件方面，必须能支持多跳（multi-hops）路由协议。Zigbee协议充分考虑了无线传感器网络（WSN）的应用要求，是现阶段业界内统一看好的一种无线通信协议。在这些基本思想和考虑下，本设计选取了以CC2530单片机为核心，结合外围光强度、CO2浓度和温度三种传感器构建无线传感器网络（WSN）节点。CC2530控制传感器采集农业大棚环境的光强度、CO2浓度和温度等基本环境参量，由CC2530自身集成的Zigbee模块将采集的数据发送给节点，实现节点间的无线通信。从而实现对

19、农业大棚温室环境基本参量的监测。2.2硬件电路方案设计系统的硬件电路设计采用模块化设计思想，可分为下面三个模块：微处理器模块、传感器模块和电源模块。其中，选用的CC2530微处理器本身具有信号处理和射频通信的双重功能，故不需再外设射频通信模块，从微处理器模块外接天线即可。传感器模块包含了温度传感器、光强度传感器和CO2传感器。传感器节点的硬件结构如图2-1所示。图2-1 传感器节点的硬件结构图2.2.1微处理器选型微处理器选择的是CC2530芯片。它工作在2.4GHz ISM频带，是真正意义上最新的符合ZigBee协议的片上系统解决方案，与此同时，CC2530是现阶段诸多Zigbee设备产品中

20、最具特色的微处理器之一。CC2530采用一个通用处理器核为基础，该处理器核不但能够支持一种完善的指令集，而且能达到应用环境下的大部分要求。CC2530内含一个Zigbee协议兼容无线收发器，射频通信能在芯片内部自行控制。此外，它还包括了一个微控制器（MCU）与无线设备间的接口，让系统能按一定的次序工作：发出命令读取状态自动操作确定无线设备事件。这些都使得采用CC2530操作只需要连接极少的外部元件，整体硬件电路设计趋于优化态。CC2530采用业界标准的增强型8051CPU，实现系统内可编程闪存，8KB RAM 和很多其他强大的功能。另外，它可以以十分低的总材料成本建立起十分强大的网络节点。由于

21、其硬件设计简单、功耗低、封装小，在无线传感器网络（WSN）中得到了一致认可。CC2530引脚如图2-2所示。图2-2 CC2530引脚图2.2.2传感器选型1. CO2传感器本设计采用的是MG811电化学CO2传感器。MG811对CO2浓度有良好的灵敏度和感知，受外界环境变化影响小，稳定性良好。相比于其他的比如TGS4160电化学CO2传感器，MG811更适于做手持式或者便携式CO2测量仪器。它预热的时间比较短，5min左右即可，能够实现即时测量的目的。同时传感器的功率也比较小，符合本设计中对于系统低功耗的考虑，十分适合应用于农业大棚环境内的CO2监测。MG811采用固体电解质电池原理。元件加

22、热电压由外电路提供，当其表面温度足够高时，元件相当于一个电池，其两端会输出电压信号，信号值比较符合能斯特方程。元件测量时放大器的阻抗须在1001000G之间，其测试电流应控制在1pA以下，同时，当CO2浓度越高时，系统输出电压则越低。MG811传感器如图2-3所示。 图2-3 MG811传感器图2. 温度传感器本设计采用的是DSI8B20单总线数字式温度传感器。与传统的分立式温度传感器相比，DSI8B20集温度测量和A/D转换于一体，能够直接在LCD上读出显示出被测温度值，并且可根据实际应用要求实现912位的数字值读数方式。它与单片机接口需要的外围元件非常少，使得硬件电路结构简单。从DS18B

23、20读/写信息只需要一根口线（单线接口），温度变换功率来源于数据总线，总线本身也可以向所挂接的DS18B20供电，无需补充额外电源。另外，DSI8B20具有分辨率高，转换速度快，能自动报警等特性，可广泛用于节点分布多的场合。使用DS18B20可使系统结构更趋简单，可靠性更高，十分适用于本设计中的农业大棚环境内的温度监测。采用DSI8B20温度传感器，可直接读取被测温度值并进行转换。测温范围是-55+125，固有测温分辨率为0.5。具有传输距离远，精度性高，软硬件易于实现的优点，而且单片机的接口便于系统的再扩展，满足本设计要求。DSI8B20传感器如图2-4所示。从左至右引脚分别为：DQ GND

24、 VDD。 图2-4 DSI8B20传感器图3. 光强传感器本设计采用的光强传感器为BH1750FVI。BH1750FVI是一种用于两线式串行总线接口的数字型光强度传感器集成电路。利用I2C总线接口数字型的BH1750FVI光强度传感器，可以尽量避免由AD转化系统带来的不必要误差，同时可在LCD上直接进行数据测量。该传感器组成的系统具有光强度采集精度高、受红外线影响小、实时性强等优点，并且无需连接其他外部件，硬件电路设计较为简单，容易实现与集成，它可以根据光线强度来进行农业大棚环境内的光强度监测。利用它的1lx65535lx高分辨率可以探测到农业大棚环境内较大范围的光强度变化。BH1750FV

25、I传感器如图2-5所示。DVI是I2C总线的参考电压终端，同时也是异步重置终端。在VCC供应后必须设置为“L”，在DVI设置为“L”期间，内部状态设置为电源掉电模式。ADDR端口是用来缓冲内部测试的3种状态而设计的，SDA和SCL都是I2C接口，VCC是3.3V电源接口。图2-5 BH1750FVI传感器图2.3系统软件方案设计软件设计上移植了德州仪器（TI）Zigbee协议栈，采用的射频芯片是TI 公司的CC2530单片机。Zigbee 协议栈无线网络的开发语言为C语言，以IAR Embedded Workbench 7.51A作为开发平台。本系统各传感器节点间的组网方式采用ZigBee 网

26、络中的星型网络。这样设计不仅可以组建出稳定的网状网络，并且数据传输稳定，功耗低，还可以与TI公司支持的其他方案混合组网，以实现网络的最优化。本设计节点软件分为两种类型：传感器节点和网络协调器节点。传感器节点负责完成农业大棚环境的信息采集，并将采集到的信息传送给无线传输模块，然后通过Zigbee 技术无线传送给网络协调器；网络协调器节点负责接收传感器节点的信息并将信息发送给PC机，然后进行信息处理。 2.4本章小结本章节在考虑可用性，可靠性，可实现性和成本性等基本因素的前期下，经过深入研究，分析，设计出了基于TI公司的CC2530单片机下农业大棚环境监测无线传感器网络节点系统。并分硬件电路和系统

27、软件两方面进行了阐述。硬件方面介绍了对系统采用的主控芯片CC2530和CO2、温度、光强度三种传感器的选型。软件方面给出了一个整体的设计线路。整合软硬件的设计，更好的体现出基于低功耗原则下的整个设计方案的可靠性和真实性。第3章 节点的硬件设计传感器节点是为无线传感器网络（WSN）特别设计的微型计算机系统。无线传感器网络（WSN）的特点决定了传感器节点的硬件设计应着重考虑低功耗、低成本、稳定性和安全性等方面的问题。3.1最小系统设计CC2530的最小硬件系统由电源电路、复位电路、晶振（时钟）电路组成。其中，射频通信部分在CC2530单片机片内自行构建，晶振部分也应用CC2530片内的晶振。电源电

28、路部分作为系统所有模块的基础模块，在本设计中单独提出来进行阐述。单片机最小系统框架如图3-1所示。 图3-1 单片机最小系统框图CC2530最小系统有32MHh和32.768KHz两个外部晶振电路。其中，32MHz的晶振电路是由1个32MHz的石英谐振器和2个电容构成(管脚22和23)。32.768 kHz的晶振电路是用1个32.768 kHz的石英晶振器和2个电容(管脚33和32)构成。另外，在信号输出端处设计了一个滤波网络至天线接口，增强了信号的稳定性和抗干扰能力。并且在每个电源引脚处设计了一至两个滤波电容，有利于系统更加稳定地工作。CC2530最小系统电路如图3-2所示。图3-2 CC2

29、530最小系统电路图3.1.1 CC2530射频通信射频通信模块由无线射频电路和天线组成。射频通信收发模块是传感器节点中最为主要的耗能模块，同时也是传感器节点的设计重点。射频收发的主要功能是对传感器节点板块的数据进行无线收发操作。天线是射频通信模块的重要器件，是信号收发所必不可少的，天线设计的优劣会直接影响射频通信模块的整体性能。通过对各种类型天线的分析及ZigBee 整体通信系统的要求，本设计采用2.4G 增益为3dB的SMA全向天线作为ZigBee 射频模块的天线。它能在水平方向图上表现为360的均匀辐射，适合本设计的农业大棚环境监测这样的范围小距离使用，精度较高，且成本较低。天线传输单元

30、有4种工作状态：发送、接收、空闲、休眠。考虑到空闲态仍然具有比较高的功耗，在本设计中选用动态定时与应答机制，在传输能正常进行的前提下，让无线传输单元处于休眠态，以配合系统低功耗的设计原则。本设计所应用的射频收发模块电路如图3-3所示。图3-3 射频收发模块电路图3.1.2复位电路设计在单片机系统中，复位电路是十分关键的。当程序运行不正常或停止运行时，就需要进行复位。本设计采用按键方式用于系统的复位。当按键闭合时，为低电平，CC2530处于复位状态；当按键开启时，为高电平，CC2530处于正常工作状态。为了保证系统的稳定性和可靠性，在按键的输出端接上拉电阻R2。复位电路如图3-4所示。 图3-4

31、 CC2530复位电路图3.1.3 CC2530晶振模块设计晶振模块是一个电路系统正常工作的基本架构之一，大部分的电路均是以晶振产生的时钟信号来驱动的。晶振可用做时钟信号发生器，为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。本设计晶振模块部分采用的是CC2530单片机的片内晶振。CC2530内部有四个晶振：两个内部（16M RC晶振，32K RC晶振），两个外部（32.768K的石英晶振，32M的石英晶振）。一般，石英晶振的精度高、启动慢、耗电大；RC晶振精度稍低，但是启动快、耗电小。在上电时，默认的是使用内部的这两个晶振。外部晶振是由管脚33和32构成的32.768

32、 kHz晶振电路，管脚22和23构成32 MHz的晶振电路。同时需要注意的是，两个低频晶振不能同时上电，即不可以同时起振。晶振在重新使用之前必须处于掉电状态一段时间，以保护晶振不受损坏。晶振电路如图3-5所示。图3-5 晶振电路图3.2 数据采集模块3.2.1 温度传感器模块温度传感器模块主要功能是实时、准确地采集农业大棚环境中的温度参数，及时将数据信息传输到微处理器中。DSI8B20单总线数字式温度传感器集温度测量和A/D转换与一体，整体硬件电路设计简单，运用上拉电阻R7提高输出能力。温度传感器电路设计如图3-6所示。如图所示，DQ是数据线，用于和CPU的P0.5接口连接传送串行数据，不需要

33、外部件和备份电源，可直接用数据线供电。GND是地线接口，VCC是3.3V电源接口。 图3-6 温度传感器模块图3.2.2 CO2传感器模块CO2传感器模块主要功能是实时、准确地监测农业大棚环境中CO2浓度参数，及时地将数据信息传送给微处理器。CO2传感器电路设计如图3-7所示。如图所示，由于MG811工作电压在6V，输出电压在40mA左右，单片机不能直接采集，所以增加了一个高输入阻抗、低偏置电流的运放CA3140来放大信号至1.2V左右，能够简单提高CO2浓度的分辨率，使单片机可以直接采集。后接一个LM393双电压比较器集成电路，将模拟信号转换为数字信号，利于单片机用不同方式来处理信号。通过正

34、负端输入电压大小比较的变化直观显示在指示灯D5上。比较器反相输入端有固定电压输入，当同相端的传感器信号减小至小于反相输入端电压时，指示灯熄灭。CO2浓度越高，输出电压越低。当CO2浓度由低变高时，万用变显示电压降低，D5指示灯会由亮变灭。图3-7 CO2传感器模块图3.2.3 光强度传感器块光强度传感器模块主要功能是实时、准确地采集农业大棚环境中光强度参数，及时地将数据信息传送给微处理器。光强度传感器电路设计如图3-8所示。如图所示，光强度传感器模块用3.3V电源供电。ADDR和DVI均采用低电平电压输入，利用SDA和SCL串口进行I2C通信，可在LCD1602上直接读出光强度数据测量结果。B

35、H1750只需占用主控器的3个I/O端口（P0.1，P0.2，P0.3）就可以正常工作。 图3-8 光强度传感器模块图3.3 电源模块设计电源模块是所有电子系统必需的基础模块。针对传感器节点来讲，电源模块直接关系到传感器节点的成本、效率、寿命等问题。因此，合理选择电源种类是电源设计模块中首选思考的问题。本设计核心系统板采用外接5V电池供电，原电池能量密度高、低廉、容易购买等特点使得整个系统能稳定工作。但基于节点所需要的电压不止一种，为确保单片机和传感器节点正常工作，根据CC2530对电源的要求，系统需要提供3.3V和6V这两种电压。为让系统整体正常运行，本设计引入了一个电压转换电路，使用两块电

36、源芯片给系统供电。一种是EUP3412降压电路设计后得到3.3V稳压电压给系统其他部分供电；另一种是利用LM2623进行升压电路设计得到6V稳压电压后单独给CO2传感器模块供电。3.3.1 3.3V电源电路设计3.3V电源对除CO2传感器部分以外的其他所有模块供电。采用的电压转换器芯片是EUP3412降压芯片。采取电阻降压，电容滤波的方法提供3.3伏电压。电源接口处接5V电源控制开关，C11、C12电容为滤波电容，引脚均接地，主要滤掉高频纹波，防止自激振荡;通过EUP3412，3.3V电压输出以后，分别送到CC2530的VCC引脚和温度、光强度传感器的VCC引脚。3.3V电源电路设计如图3-9

37、所示。EUP3412是电流控制模式的DC-DC电压转换器，输出电压与输出端的两个电阻比值有关，输出电压计算公式为Vout=0.5V*(1+R12/R13)，通过选值，可得本设计的电压输出为3.3V。图3-9 EUP3412电源电路3.3.2 6V电源电路设计根据CO2浓度传感器正常工作的要求，需对其使用6V电源供电。采用的电压转换器芯片为LM2623升压芯片。LM2623是一个高效率，通用，升压型DC-DC切换为电池供电和低输入电压系统的稳压器。6V电源电路设计如图3-10所示。LM2623是一个高效率，通用，升压型DC-DC电压转换稳压器。输出电压公式为Vout=1.24*(1+R18/R1

38、9)，通过输出端的电阻选值，可得本设计的电压输出为6V。图3-10 LM2623电源电路3.3.3 电压检测电路设计本设计采用5V原电池作为大棚环境监测的系统供电方式，当它工作时，由于电池内部损耗和外部环境的影响，电池电压会下降。为了使系统监测能够长久稳定地进行，电源模块中增加了一个电压检测的设计。电压检测电路如图3-11所示。如图所示，电压检测电路选用HT7033A低电压检测器，默认使用5V原电池供电，连接一个欠压指示灯D5在输出端口。当系统电压降低至3.3V时，欠压指示灯D5点亮，提醒要更换电池。图3-11 电压检测电路3.4 LCD显示 在日常生活中，液晶显示器随处可见。液晶显示模块早已

39、作为诸多电子产品的显示器件，显示的主要为数字、专用符号和图形。液晶显示器为一般的单片机的人机交流界面基本输出方式之一。其在各个方面有着广泛的应用。液晶显示的原理比较简单，它是利用液晶独特的物理特性，通过电压控制其显示区域，通电即能显示的原理，来控制显示的图形。液晶显示器具有厚度薄、显示质量高、价格低廉、适用于大规模集成电路直接驱动、体积小、重量轻、功耗低等特点，目前已得到大众的青睐，广泛涉及在众多领域。在本设计的农业大棚环境监测中，采用的是LCD1602液晶显示。以下是对LCD1602的基本介绍。LCD尺寸如图3-12所示。图3-12 1602-LCD尺寸图1、关于LCD1602的电气参数说明

40、：一般来说，大部分LCD1602使用的驱动器为HD44780S。HD44780S的供电电压为5V10%。经测试发现，LCD1602的供电电压虽然规定必须为5V，但是其控制总线和数据总线可用3.3V电平（TTL电平来说，大于2.5V的可以算高电平）。不过，在3.3V的电平下，数据的通信速度可能会降低。2、关于LCD1602的硬件连接说明：LCD1602的通信模式可分为4bit或8bit两种，通信方式也可分为双向和单向两种。由于LCD1602不支持点阵绘图功能，所以本设计使用的都是单向通信。LCD1602可以和单片机直接接口，硬件连接比较简单。3.3V的背光电压，有三根控制线，以及八根数据线。在实

41、验前应将显示切换开关切换到LCD工作状态。LCD1602硬件连接如图3-13所示。图3-13 LCD硬件连接3.5本章小结本章完成了农业大棚环境监测无线传感器网络节点通信对硬件电路的设计。包括CC2530最小系统的设计和数据采集模块、电源模块、LCD显示电路的设计。其中CC2530最小系统设计包括了晶振电路、电源电路和复位电路三部分。晶振部分采用CC2530内部晶振，射频通信部分也是作为CC2530内部成分进行阐述的。数据采集模块的电路设计包括温度传感器电路、CO2传感器电路、光强度传感器电路三个部分的设计。电源模块作为系统整体最基础的部分，分为两个电路设计进行阐述。本地显示电路采用LCD16

42、02显示。目前，无线传感器网络（WSN）的硬件开发技术已经取得了比较好的进步，但仍旧面临多方面的挑战，比如硬件系统的可扩展性设计、高能量密度电池与能量收集技术以及多种应用需求方面的矛盾和权衡等还需要做出进一步的改善。第4章 传感器节点的软件设计传感器节点是由CC2530单片机，温度、光强、二氧化碳三种传感器，电源及LCD1602构成。每个传感器节点被初始化为无线传感器网络（WSN）中的终端设备。CC2530作为整个Zigbee节点的核心模块，主要负责管理节点外围设备、存储传感器采集的数据信息，并对采集的数据进行无线收发操作。电源则负责为整个Zigbee节点供电，LCD负责显示传感器采集到的数据

43、信息。4.1 温度传感器程序设计温度传感器程序设计中采用了一种阈值监测温度报警设计，它通过预先设置在CC2530中的温度值来对采集到的温度进行判断，在设定温度范围之外的值则视为非常值。温度测量每10min进行一次，并不断进行刷新操作，从而达到实时监测农业大棚温度的目的。LCD1602负责显示DS18B20采集的当前温度值。其程序流程如图4-1所示。 图4-1 温度传感器程序流程图4.2 二氧化碳与光强传感器程序设计二氧化碳与光强传感器程序设计比温度传感器程序设计增加了一个A/D转换。系统主程序首先对各个部分进行初始化，设定正常值范围，完成后开始接收用户的命令，读取并计算传感器采集到的数据值，经

44、A/D转换后在LCD1602上显示出来。若LCD显示出传感器采集到的数据不在正常值范围内则报警。程序不断地循环执行，达到实时监测农业大棚里二氧化碳浓度与光强度的目的。系统的程序流程如图4-2所示。 图4-2 二氧化碳与光强传感器程序流程图4.3 Zigbee无线通信程序设计大棚环境监测WSN网络采用基于IEEE 802.15.4通信协议的Zigbee无线传输技术。Zigbee无线传输技术工作在开放式的、无需注册的2.4GHz工业、科学以及医疗（Industrial Scientific Medical，ISM）频段，传输距离大概范围在10m75m，若使用增益天线，传输距离可增加到1500m。此

45、外，传输速率可达250kbit/s10Mbit/s。IEEE 802.15.4/ZigBee技术仅分为4层，ZigBee协议栈是建立在IEEE 802.15.4的PHY层和MAC子层规范之上的。它实现了网络层(networklayer，NWK)和应用层(applicationlayer，APL)的功能。在应用层内提供了应用支持子层(application support sublayer，APS)和ZigBee设备对象(ZigBee Device Object，ZDO)。Zigbee协议架构如图4-3所示。图4-3 Zigbee协议栈架构图从网络结构上看，zigbee网络有星形、网状和树状3种模式，按照网络节点功能划分可分为终端节点、协调器节点(cp)、路由器节点3种。其网络拓扑结构分别如图4-4ABC所示。 图4-4 网络拓扑结构图Zigbee网络节点硬件设计的的核心是微处理器芯片。微处理器模块在无线收发模块的协作下完成Zigbee网络的建立与维护，数据采集与处理，无线数据收发以及zigbee协议栈的正常运行。其网络层数据通信实现过程为：1. 当有数据要发送时，高层通过数据原语NLDE-DATA.request请求网络层发送数据帧；2. 收到数据请求原语之后，网络层利用路由机制发送网络层数据帧：3. 当网络层数