基ZigBee智慧农业监控系统设计实现
Design and implementation of intelligent agricultural monitoring system based on ZigBee
摘
众周知国农业国国域环境温湿度气候差异传统农业已满足农业生产求实现传统农业现代农业发展转变国农业发展必然趋势然ZigBee技术出现实现高效率范围数信息采集高效率数传输分析文提高农业生产效率保证农作物生长减轻工劳动量发展智化农业然设计种基ZigBee线传感器网络智慧农业监控系统采检测温度湿度光线等等传感器农业空气温度光强度土壤温湿度等等数信息采集传输处理位机屏幕时显示参数数位机设置控制参数数值范围实现农业精确性实时性性监控
关键词：ZigBee智农业传感器数传输
Abstract
From ancient times to the present it is well known that China is a big agricultural country but due to differences in the environment temperature humidity and climate of various regions in China traditional agriculture can no longer meet the current agricultural production requirements Therefore the transformation of traditional agriculture to modern agriculture has been realized It is an inevitable trend of China＇s agricultural development However the emergence of ZigBee technology has realized the collection of highefficiency and largescale data information as well as highefficiency data transmission and analysis Intelligent but designed a smart agricultural monitoring system based on ZigBee wireless sensor network using sensors that detect temperature humidity light etc to collect agricultural air temperature light intensity soil temperature and humidity etc data information Transmission and processing and can display the data of each parameter on the host computer and the screen at the same time and can also set the parameter value range of the control on the host computer so as to realize the accuracy realtime and reliability monitoring of agriculture
Key words：ZigBee Intelligent agriculture The sensor The data transfer
目 录
第章 绪1
11 研究背景目意义1
12 国外研究现状1
13 文总体结构2
第二章 系统功设计方案3
21 系统需求分析3
22 系统功分析3
23 系统方案设计3
231 ZigBee线技术4
232 ZigBee 芯片5
233 温度传感器6
234光敏电阻传感器7
235 土壤湿度传感器8
236 器件9
24 章节11
第三章 系统硬件设计12
31 硬件开发环境12
32 硬件模块原理图设计12
321电源输入电路13
322电源稳压模块13
323 CC2530模块14
324 LED指示灯14
325 接口电路15
326驱动电路17
327传感器模块18
328键模块19
第四章 系统软件设计20
41位机软件设计20
42 位机软件设计21
43 系统模块实现23
431串口组件初始化23
432 串口组件检测23
433 串口组件键实现24
434 串口组件发送函数24
435 串口接受处理函数24
436 串口计数函数25
437 串口更新函数25
438位机界面函数25
439位机命令声明26
第五章 系统测试结果分析27
第六章 总结愿29
参开文献30
致谢
第章 绪
11 研究背景目意义
众周知国农业生产直国第支柱产业截止2019年国耕面积达138万方公里占全世界880着物联网等高新技术蓬勃发展国农业初原始生态农业发展传统农业然年智时代飞速发展国传统农业正加快现代农业转型智慧农业成现代农业未发展趋势然国域环境气候差异季候渡变化农作物生长影响传统农业需消耗量劳动力提高农业生产效率保证农作物受环境气候影响正常生长减轻工劳动量文设计种基ZigBee线传感器网络智慧农业监控系统采温度湿度光线传感器等等系统实现农作物空气温度光强度土壤温湿度等等数信息采集传输处理实现农业智化监控处理
系统特点特征：
（1） 精确性：通传感器农作物空气温度光土壤湿度等等进行数信息采集数进行次测定观察测定数值变化程度数值结果精密度越高表现测定重复性现性实现农作物生产精确数处理
（2） 实时性：24时停歇农作物进行监控某时刻某时间搜集农业外部环境信息时作出检测处理
（3） 高效性：物联网技术高新技术飞速发展智慧农业监控系统更农业进行高效率监测处理农作物提高质量产量减轻农业员劳动力
12 国外研究现状
五千年中华文明源远流长国历史悠久发展国早两千年前国蔬菜花卉等等温室栽培技术20世纪30年代国冬季时某区已利日光温室生产新鲜蔬菜时种技术维持某水果蔬菜生长具局限性然20世纪80年代国技术员外国发达国家温室控制技术吸收验工气候室中掌握微机控制技术90年代末国开发种综合性极强蔬菜温室监测系统目前国智农业动化技术已发展
截止部分中国清楚国外温室环境控制技术研究否较早发展迅速早1970年代开始模拟仪表盘收集农业信息数进行记录控制然1980年代期发明分布式控制系统1990年代子环境控制系统中采模式控制等先进技术农业进行动化控制目前世界国温室控制技术发展迅速子综合控制系统断完善逐渐动化发展
13文总体结构
系统采普遍性高计算机编程C语言开发性极强C#语言基C语言结合ZigBee线传感网络技术选择常协议栈ZstackCC2530运CH340SER位机进行记录处理数减轻系统占资源实现开开发效率化
文智慧弄姑爷监控系统分6章列文中章节容概述
（1） 第章节文绪简阐述智慧农业监控系统研究目背景意义国外研究现状文概总体结构叙述
（2） 第二章节系统方案设计阐述系统采相关技术技术框架进行介绍选择
（3） 第三章节系统硬件设计通硬件PCB原理图设计分析说明硬件模块功结构设计
（4） 第四章节系统软件设计分析位机位机软件代码实现种驱动进行解释说明
（5） 第五章节系统测试分析叙述模块实现运行测试总体测试运行结果分析
（6） 第六章节系统总体概述愿景文结尾章全文进行总结展未系统优化
第二章 系统功方案设计
21 系统需求分析
针第章节智慧农业监控系统目意义发展现状做出22姐功设计功设计项目研发中起导性作项目产品标志系统功设计该系统设计必少部分项目产品终测试否达理想预期效果标准节提出线控制功水泵动控制功风扇动控制功等功
22 系统功设计
线控制功实现线控制端农作物错处环境光强度温度土壤湿度进行模式控制手动控制等等功线控制功选取ZigBeeCC2530采光敏电阻5516传感器处环境光进行采集处理中采集环境中温度时候采温度传感器DS1820实时采集处理温度高时启动风扇降温然水泵动控制功通YL69土壤湿度传感器农产品土壤湿度进行检测湿度低阈值时启动水泵土壤里注水然动控制模式外手动控制功手动开启关闭水泵风扇外通位机温度土壤湿度光阈值进行修改切换动模式手动模式通位机ZigBee协调器进行键修改切换动手动阈值数
23 系统方案设计
系统总体设计方案图21示分三部分：ZigBee终端ZigBee协调器位机图左半部分ZigBee终端部分包含光敏电阻传感器温度传感器土壤湿度传感器水泵风扇ZigBee协调器终端包括功OLED屏幕控制键然ZigBee终端ZigBee协调器间采ZigBee线通信连接
图21 系统方案图
231 ZigBee线技术
众周知着智线时代飞速发展WiFi蓝牙ZigBee等等线通信技术已融入生活中缺少部分WiFi线技术社会线局域网建立路功具高速覆盖范围广支持户时特点功耗非常WiFi软件实现难度较高系统成较高采WiFi作智慧农业监控系统线技术蓝牙技术种线数语音通信开放技术便捷移动设备计算机设备直接连接Internet线访问互联网然前蓝牙50已开发距离低功耗传输穿蓝牙手表蓝牙耳机等应蓝牙适短距离数传输智慧农业监控系统言距离少需覆盖生态园者农场中蓝牙距离受限法作智慧农业监控系统线传输技术
ZigBee技术种专门智设计线通信技术24GHz(全球流行)868MHz(欧洲流行)915 MHz(美国流行)3频段工作高传输速率250kbits20kbits40kbits传输距离1075m范围继续增加外ZigBee具线技术中具低功耗成低网络容量等等特点具CSMACA载波侦听突检测技术通技术实现MAC层数重发保证线数会突丢失特适合作控制领域线协议然ZigBee线协议实现动网络构建功ZigBee网络中存ZigBee机ZigBee协调器该设备两设备连接起ZigBee终端位机设备进行线通信通位机控制整生态园农场蔬果生长
232 ZigBee芯片
图22 CC2530芯片
ZigBee种稳定线协议目前已类型芯片该协议支持中较常见ZigBee型号CC2430＼CC2530等ZigBee集成芯片CC系列德州仪器TI公司设计生产种专门处理线方案片集成芯片系列CC2430TI公司第代zigbee协议栈集成芯片该芯片点古老仅支持64KROM程序空间1KRAM机存取空间前较完善zigbee协议栈言程序空间机存取空间需求较CC2430已法满足CC2430具备选型条件作第二代Zigbee集成芯片CC2530 结合先进射频收发器卓越性行业标准增强型8051 CPU系统编程闪存考虑智慧农业监控系统稳定性CC2530更适合ZigBee控芯片
233 温度传感器
图23 DS18B20温度传感器
温度传感器种感受温度转换输出信号传感器根功特点分模拟型温度传感器数字型温度传感器模拟型温度传感器原理通常热敏电阻作温度传感器然通电阻分压获温度致范围般适温度精确度求高应设备然数字型温度传感器通温度传感器部集成数字电路温度数处理通驱动传感器MCU获取温度信息数字型温度传感器精确度较高外农产品生长温度精度求高选数字型温度传感器作系统温度采集模块智慧农业监控系统选取型号DS12B20数字温度传感器满足般智慧农业监控系统环境温度采集处理
234 光敏电阻传感器
图24 光敏传感器
光敏传感器常见传感器种类繁例红外线传感器紫外线传感器光敏电阻等光电电池原理基外光电效应分三部分：真空光电阴极K光电阳极A真空光电电池受光通量仅适低强度检测光子初始速度分布测量红外传感器种红外处理数传感器接触情况测量温度例热图长距离测量体温度热模型灵敏度低响应速度慢必须冷量子模型波长赖性太高紫外线传感器通光伏模式光导模式紫外线信号转换测量电信号然见光盲紫外线响应屏蔽见光太阳光盲仅UVC波段紫外线响应屏蔽UVAUVB光敏电阻工作原理光电效应属半导体光敏器件具灵敏度高反应速度快特点保持极强稳定性性然光敏电阻5516Φ5系列中功耗低效率高选取光敏电阻5516作采集光光敏传感器
235 土壤湿度传感器
图25 土壤湿度传感器
土壤湿度传感器测量土壤湿度原理采FDR频域反射原理应林业防护农业灌溉通常土壤湿度传感器分三种类型：电容型电阻型离子型电容型湿度传感器感应相湿度范围结构简单形式等效生产工艺容易采梳状铝电极结构YL69土壤湿度传感器成低廉功齐全器件芯片封装起更发挥性土壤表层深层进行测量获取土壤湿度含水量精确采集处理
236 器件
2361 水泵
图26 水泵
系统选取种256V微型水泵成较低功稳定性高
2362 风扇
图27 风扇
系统选取CJY4010微型散热风扇成较低实现风速较快稳定
2363 CH340
图28 CH340
系统选取CH340USB转接芯片通安装CH340SER驱动协调器进行USB转串口进行串口操作CH340Windows操作系统串口应程序完全兼容
2364 USB数线
图29 USB数线
系统选取种安装USB数线传输稳定工艺简单连接ZigBee控板电脑连接供电
2365屏幕
图210 OLED屏幕
系统选取128*64096寸OLED显示屏33V5V供电工艺简单造价便宜焊接方便显示文字采黑底白字省电效防止CROSSTALK现象
24 章节
章节介绍智慧农业监控系统功需求分析根功进行系统实现方案根制定系统方案硬件进行选型指定
第三章 系统硬件设计
31 硬件开发环境
数硬件开始程中包括硬件电路设计电路原理图PCB 图实物元器件焊接测试等等次设计采电路绘图软件 Altium Designed 10作硬件开发环境软件 Altium Designed 10 款效率极高电路制图软件硬件开发量电路制图软件原理图通网络表相连连线干元器件连接起原理图连接绘制完选择正确元器件封装 然原理图导入PCB图中然绘制PCB 根组件连接虚线执行电路PCB布线 样完美整合原理图设计电路仿真PCB绘图编辑拓扑逻辑动布线信号完整性分析设计输出等技术提高硬件电路设计效率
32 硬件模块原理图设计
图31 系统总体电路图
硬件设计采模块化方式进行绘制中包含电源输入电路电源稳压模块CC2530系统模块LED指示灯模块CCDEBUG载口模块UART串口模块DS18B20温度传感器模块OLED屏幕模块土壤湿度传感器模块光线传感器模块键模块水泵驱动模块风扇驱动模块模块原理图进行设计介绍
321 电源输入电路
图32 电源输入电路
图32示电源输入电路然图中USB口电压5VC1电容整电源进行供电起稳定电源作D1二极1N5819通1A电流电路作防止UART接口接反导致短路保护AMS1117分支电路PWRLED电源指示灯R10电阻阻值10K欧姆起限流作USB输入时电流通电阻R10点亮
322 电源稳压模块
图33 AMS1117电源稳压
图33示系统采AMS1117种电源电压转换芯片输入范围12V42V稳定输出电压33V高输出电流1AC3C5电容电路稳压抗外界干扰然电容电源作非常重起储效果够起稳压滤波作图32知C3AMS1117输入端电源输入起稳压作然输出33V电压通C2标称值106电容进行稳压续33V电压器电路起保护作
323 CC2530模块
图34 CC2530系统
图34示CC2530F256系统P0口电阻拉3V3电源样助增强P0口低电读取增强稳定性CC2530F256部具256KBROM8KRAM样需VCC脚GND间加入28V~36V电压正常工作芯片VCC输入端接入C0标称值104电容样耦合效果起抗电源干扰作
324 LED指示灯
图35 LED指示灯
LED指示灯作部位实现作样调试程序时候LED灯发现问题例通LED频闪灭亮验证程序否正常配置否正确然图35示限流电阻LED等进行拉正极电压负极电压时LED导通发光
325 接口电路
图36 CCDEBUG载口
图37 UART串口
图38 DHT11接口
图39 OLED屏幕接口
图3639接口电路分CCDEBUG接口UART接口DHT11温度传感器接口OLED屏幕接口中DHT11接口33V电压输入5V电压输入
DEBUG 接口图 36 示通 DEBUG 口实现 CC2530 线调试仿真相关程序载载口烧写调试程序
UART 步异步串口通信技术传输资料串行通信行通信间加转换 MCU 具 UART 接口中 RX 串行接收TX 串行发送图37示通该接口通常实现机交互串口数印串口通信等CC2530 UART串口调试程序调试关重选择 UART 接口
DHT11接口图38示VCC外接33V电压GND口外接GND口实现温度传感器调试
图39OLED 屏幕采 SPI 接口通信SPI种串行外设接口具 MOSICSSCK 等 SPI 特性系统 SPI通信显示屏刷新速度远超 I2C 通信屏幕
326 驱动电路
图310 水泵驱动电路
图311 风扇驱动电路
图310311示三极作开关典型电路三极NPN三极基极施加高电集电极发射极间变会导通负载元件电源VCCGND间形成回路样导通负载元件工作基极施加低电三极工作截止区时集电极发射极间构成回路负载元件停止工作
327 传感器模块
图312 土壤湿度传感器
图313 光线传感器
图312313示输入电压33VR13R14电阻阻值10K欧姆AD集成部分压敏电阻串联起分压作检测土壤湿度时湿度（AC值）OUT输出低电相反输出高电检测光强度时检测ADC值光敏电阻分压值果光线暗光敏阻值分压样测ADC值较反测ADC值较
328 键模块
图314 拓展键
图315 复位键
图314图315拓展键复位键拓展键3键键IO口P0_1P0_4P0_7IO口具拉电阻功键般采低电效方法键端接IO口端接GND实现键键检测然次CC2530IO口默认开启拉电阻功选择低电效作键触发条件
第四章 系统软件设计
41 位机软件设计
图41 位机程序设计
位机程序两部分组成分ZiBbee发射端ZigBee接收端ZiGBeezstack线软件协议栈然发射端接收端收发体ZigBee协议中两者需线数收发保持连接网络通信
图41左半部分示ZigBee接收端设计部分首先ZigBee接收端开启时判断时手动模式动模式手动模式检测出温度土壤湿度光手动开启水泵风扇进行处理动模式ZigBee接收端驱动温度传感器获温度值土壤湿度传感器者土壤湿度值光线传感器获光值检测环境温度设定值启动风扇进行降温检测土壤湿度低时含水量较少时启动水泵土壤里注水提高土壤水分执行完操作处理完线部分数水泵风扇状态传ZigBee发射端该反馈位机ZigBee发射端ZigBee接收端状态值更新动模式外ZigBee接收端切换手动模式该模式手动修改温度土壤湿度光阈值范围手动开启风扇水泵农业进行处理
图42右半部分示发射端控制接收端传感器参数模式然传感器系统水泵风扇存位机控制方式位机通信接口采UART串口通信技术位机发送指令ZigBee发射端ZigBee发射端收位机串口命令命令转换应线数发送ZigBee接收端ZigBee发射端供电系统硬件进行初始化包含CCDEBUG接口初始化UART接口初始化OLED屏幕接口初始化zstack协议栈初始化接着判断传感器参数否触发触发发送应键值ZigBee接收端然收位机串口命令应命令转换键值发送ZigBee接收端进行线循环实现ZigBee发射端控制功位机控制功
42 位机软件设计
图42 位机程序设计
图43 位机程序界面
位机采基面流程程序设计位机作电脑端控制程序通界面然位机C#语言实现位机C语言
位机设计包括两方面分程序界面然位机界面应该设置简洁实样户提供较舒适户体验操作位机具体设计界面图43示中包括温度阈值土壤湿度阈值光线阈值三参数阈值设置键六参数填写方框查询三参数阈值键开启手泵关闭水泵开启风扇关闭风扇四切换键动模式手动模式切换设置键五显示温度湿度光线联网模式窗口通串口实时监测温度湿度光线数变化联网状态动手动模式切换情况
然位机界面设计位机软件设计程序代码部分具体程序设计实现图42示开始开位机系统窗体进行初始化作串口组件进行初始化然果收串口数判断否位机发送命令数果窗体更新应参数值然移已处理串口储存部分继续判断接部分串口数执行直命令数处理完毕外位机判断否收键发送根键值发送数进行温度湿度光线等参数设置模式切换命令保存发送位机完成位机控制数更新部分
43 系统模块实现
431 串口组件初始化
public partial class FormMain Form
{
*@startSerialBase*********************************************
private SerialPort sp new SerialPort() 声明串口类
private bool isOpen false 开串口标志位
private bool usart_closing false 否正关闭串口ApplicationDoEvents阻止次进入invoke
private bool usart_listening false 监听否执行串口invoke相关操作
private List buffer new List(4096) 默认分配1页存始终限制允许超
private long SendCount 0
private long ReceiveCount 0
串口窗体初始化
private void SerialSettingInit()
代码示开始时位机串口组件进行初始化设置默认串口参数例串口号波特率等等通系统处理位机缓存串口数4K字节
432 串口组件检测
private bool CheckPortSetting()
{
if (cboxCOMTextTrim() ) return false
if (cboxBaudRateTextTrim() ) return false
if (cboxDataBitsTextTrim() ) return false
if (cboxParityTextTrim() ) return false
if (cboxStopBitsTextTrim() ) return false
return true
}
代码示位机串口组件初始化检测函数中运布尔型常量布尔型常量包含两值分真假程序中运布尔型常量检测串口参数输入窗口根否输入参数函数中返回布尔型常量
433 串口组件键实现
private void buttonOpen_Click(object sender EventArgs e)
{
if (isOpen false)
{
if (CheckPortSetting())
{
spPortName cboxCOMTextTrim()设置串口名
spBaudRate ConvertToInt32(cboxBaudRateTextTrim())设置串口波特率
float f ConvertToSingle(cboxStopBitsTextTrim())设置停止位
代码示开启串口设置串口名波特率等等配置参数传送串口组件串口组件键实现功
434 串口组件发送函数
private void UartSend(String str)
private void UartSend(byte[] buf int len)
代码示串口组件发送数模块第函数串口发送字符串第二串口发送数组通定义UartSend()D函数发送串口组件数发送串口命令时候调函数
435 串口接收处理函数
private void sp_DataReceived(object sender SerialDataReceivedEventArgs e)
{
if (usart_closing)果串口正关闭忽略操作直接返回
{
return
}
else
{
usart_listening true 执行Invoke开始ui关闭串口
}
代码示串口组件接受数模块通定义sp_DataReceived()函数串口接受数缓存ReceivedDatabuf数组中
436 串口计数函数
private void refreshReceiveCount()
private void refreshSendCount()
private void countClear()
代码示串口组件更新计数模块第句刷新计数函数第二句刷新发送计数函数第三句计数值清零函数通定义refreshReceiveCount()函数接受发送计数数计数值清零
437 串口更新函数
private void labSendCount_TextChanged(object sender EventArgs e)
private void labReiveCount_TextChanged(object sender EventArgs e)
代码示串口计数更新模块第句发送数变化函数第二句接收数变化函数通定义labSendCount_TextChanged()更新数计数更新显示容
438位机界面函数
温度阀值
string source SystemTextEncodingDefaultGetString(bufferToArray())
string param
int dataLen getCommand(source COM_TEMPERATURE_RANGE out param)
湿度阀值
string source SystemTextEncodingDefaultGetString(bufferToArray())
string param
int dataLen getCommand(source COM_SOIL_RANGE out param)
光线阀值
string source SystemTextEncodingDefaultGetString(bufferToArray())
string param
int dataLen getCommand(source COM_LIGHT_RANGE out param)
代码示位机显示界面数更新数模块通定义GetString()函数温度湿度光参数发送位机界面显示收串口相应命令更新应数值
439位机命令声明
private const string COM_MODE mode
private const string COM_SWITCH1 switch1
private const string COM_SWITCH2 switch2
private const string COM_SWITCH3 switch3
private const string COM_LIGHT light
private const string COM_SOIL soil
private const string COM_TEMPERATURE temperature
private const string COM_LINK link
private const string COM_TEMPERATURE_RANGE t_range
private const string COM_SOIL_RANGE s_range
private const string COM_LIGHT_RANGE l_range
private const string COM_TEMPERATURE_CHECK t
private const string COM_SOIL_CHECK s
private const string COM_LIGHT_CHECK l
代码示位机命令声明模块位机位机间通信协议位机通发送命令位机位机执行命令操作
第五章 系统测试结果分析
图51 硬件整体实物图
硬件整体实物图连接图51示部分硬件功测试正常然整合起整体测试正常运行
条件：(温度 min)<温度<(温度 max)
表51 温度测试记录表
温度范围
10℃
15℃
30℃
14℃温度偏低串口记录数
温度合适串口记录数
温度偏高串口记录数
条件：(湿度 min)<湿度<(湿度 max)
表52 土壤湿度测试记录表
土壤湿度范围
5
15
50
10土壤湿度偏低串口记录数
土壤湿度合适串口记录数
土壤湿度偏高串口记录数
条件：(光线 min)<光线<(光线 max)
表53 光线强度测试记录表
光线范围
20
40
100
30光线偏弱串口记录数
光线合适串口记录数
光线偏强串口记录数
表51表52表53示智慧农业监控系统温度土壤湿度光线强度等参数测试实验测试结果进行分析记录处理
表51中温度作变量分温度阈值处稳定阈值间稳定阈值时状态检测处理记录数结果温度阈值时启动风扇进行降温手动模式时需手动开启动模式时动开启风扇温度回阈值间风扇关闭实现功预期致符合系统设计功求
表52中土壤湿度变量分湿度阈值处湿度阈值间湿度阈值时状态检测处理记录数结果湿度阈值时启动水泵土壤进行注水手动模式时需手动开启湿度回阈值间水泵关闭实现功预期致符合系统设计功求
表53光线变量分湿度阈值处湿度阈值间湿度阈值时状态检测处理记录数实现功预期致符合系统设计功求
第六章 总结愿
基ZigBee智慧农业监控系统软硬件功实现首先规划搭建整系统总体框架首先根学知识想法模块功需求进行分析设计设定功硬件电路方面设计解花时间学ZigBee单片机电路设计原理概周时间逐渐ZigBee单片机构建型号设计基础开始电路原理图绘制实物元器件焊接调试然系统软件部分位机位机程序设计系统功实现位机界面设计特意学部分C#驱动安装基部分已现代码加新增功代码调试定难度
然次智慧农业控制系统设计学中较难忘具代表性设计涉专业知识较广软硬件紧密融合硬件电路实践操作力求较高系统功软件部分实现Buff系统设计具体实现程中遇难题通查阅资料请教老师思考总结问题Buff迎刃解通次项目设计更加巩固专业时间提高实际项目中实践力受益终身继续查缺查阅智农业新技术方法项目中基础进行系统优化处理成种农业帮助国农业发展设备
参考文献
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[5]周旭初单片机线抄表终端计量设计实现[J]数字技术应 2011(11)4546
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[12]李伟段翠芳滑伟娟温室监控系统国外发展现状趋势[J]中国果菜 2010(06)810
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基ZigBee智慧农业监控系统设计实现
Design and implementation of intelligent agricultural monitoring system based on ZigBee
摘
众周知国农业国国域环境温湿度气候差异传统农业已满足农业生产求实现传统农业现代农业发展转变国农业发展必然趋势然ZigBee技术出现实现高效率范围数信息采集高效率数传输分析文提高农业生产效率保证农作物生长减轻工劳动量发展智化农业然设计种基ZigBee线传感器网络智慧农业监控系统采检测温度湿度光线等等传感器农业空气温度光强度土壤温湿度等等数信息采集传输处理位机屏幕时显示参数数位机设置控制参数数值范围实现农业精确性实时性性监控
关键词：ZigBee智农业传感器数传输
Abstract
From ancient times to the present it is well known that China is a big agricultural country but due to differences in the environment temperature humidity and climate of various regions in China traditional agriculture can no longer meet the current agricultural production requirements Therefore the transformation of traditional agriculture to modern agriculture has been realized It is an inevitable trend of China＇s agricultural development However the emergence of ZigBee technology has realized the collection of highefficiency and largescale data information as well as highefficiency data transmission and analysis Intelligent but designed a smart agricultural monitoring system based on ZigBee wireless sensor network using sensors that detect temperature humidity light etc to collect agricultural air temperature light intensity soil temperature and humidity etc data information Transmission and processing and can display the data of each parameter on the host computer and the screen at the same time and can also set the parameter value range of the control on the host computer so as to realize the accuracy realtime and reliability monitoring of agriculture
Key words：ZigBee Intelligent agriculture The sensor The data transfer
目 录
第章 绪1
11 研究背景目意义1
12 国外研究现状1
13 文总体结构2
第二章 系统功设计方案3
21 系统需求分析3
22 系统功分析3
23 系统方案设计3
231 ZigBee线技术4
232 ZigBee 芯片5
233 温度传感器6
234光敏电阻传感器7
235 土壤湿度传感器8
236 器件9
24 章节11
第三章 系统硬件设计12
31 硬件开发环境12
32 硬件模块原理图设计12
321电源输入电路13
322电源稳压模块13
323 CC2530模块14
324 LED指示灯14
325 接口电路15
326驱动电路17
327传感器模块18
328键模块19
第四章 系统软件设计20
41位机软件设计20
42 位机软件设计21
43 系统模块实现23
431串口组件初始化23
432 串口组件检测23
433 串口组件键实现24
434 串口组件发送函数24
435 串口接受处理函数24
436 串口计数函数25
437 串口更新函数25
438位机界面函数25
439位机命令声明26
第五章 系统测试结果分析27
第六章 总结愿29
参开文献30
致谢
第章 绪
11 研究背景目意义
众周知国农业生产直国第支柱产业截止2019年国耕面积达138万方公里占全世界880着物联网等高新技术蓬勃发展国农业初原始生态农业发展传统农业然年智时代飞速发展国传统农业正加快现代农业转型智慧农业成现代农业未发展趋势然国域环境气候差异季候渡变化农作物生长影响传统农业需消耗量劳动力提高农业生产效率保证农作物受环境气候影响正常生长减轻工劳动量文设计种基ZigBee线传感器网络智慧农业监控系统采温度湿度光线传感器等等系统实现农作物空气温度光强度土壤温湿度等等数信息采集传输处理实现农业智化监控处理
系统特点特征：
（1） 精确性：通传感器农作物空气温度光土壤湿度等等进行数信息采集数进行次测定观察测定数值变化程度数值结果精密度越高表现测定重复性现性实现农作物生产精确数处理
（2） 实时性：24时停歇农作物进行监控某时刻某时间搜集农业外部环境信息时作出检测处理
（3） 高效性：物联网技术高新技术飞速发展智慧农业监控系统更农业进行高效率监测处理农作物提高质量产量减轻农业员劳动力
12 国外研究现状
五千年中华文明源远流长国历史悠久发展国早两千年前国蔬菜花卉等等温室栽培技术20世纪30年代国冬季时某区已利日光温室生产新鲜蔬菜时种技术维持某水果蔬菜生长具局限性然20世纪80年代国技术员外国发达国家温室控制技术吸收验工气候室中掌握微机控制技术90年代末国开发种综合性极强蔬菜温室监测系统目前国智农业动化技术已发展
截止部分中国清楚国外温室环境控制技术研究否较早发展迅速早1970年代开始模拟仪表盘收集农业信息数进行记录控制然1980年代期发明分布式控制系统1990年代子环境控制系统中采模式控制等先进技术农业进行动化控制目前世界国温室控制技术发展迅速子综合控制系统断完善逐渐动化发展
13文总体结构
系统采普遍性高计算机编程C语言开发性极强C#语言基C语言结合ZigBee线传感网络技术选择常协议栈ZstackCC2530运CH340SER位机进行记录处理数减轻系统占资源实现开开发效率化
文智慧弄姑爷监控系统分6章列文中章节容概述
（1） 第章节文绪简阐述智慧农业监控系统研究目背景意义国外研究现状文概总体结构叙述
（2） 第二章节系统方案设计阐述系统采相关技术技术框架进行介绍选择
（3） 第三章节系统硬件设计通硬件PCB原理图设计分析说明硬件模块功结构设计
（4） 第四章节系统软件设计分析位机位机软件代码实现种驱动进行解释说明
（5） 第五章节系统测试分析叙述模块实现运行测试总体测试运行结果分析
（6） 第六章节系统总体概述愿景文结尾章全文进行总结展未系统优化
第二章 系统功方案设计
21 系统需求分析
针第章节智慧农业监控系统目意义发展现状做出22姐功设计功设计项目研发中起导性作项目产品标志系统功设计该系统设计必少部分项目产品终测试否达理想预期效果标准节提出线控制功水泵动控制功风扇动控制功等功
22 系统功设计
线控制功实现线控制端农作物错处环境光强度温度土壤湿度进行模式控制手动控制等等功线控制功选取ZigBeeCC2530采光敏电阻5516传感器处环境光进行采集处理中采集环境中温度时候采温度传感器DS1820实时采集处理温度高时启动风扇降温然水泵动控制功通YL69土壤湿度传感器农产品土壤湿度进行检测湿度低阈值时启动水泵土壤里注水然动控制模式外手动控制功手动开启关闭水泵风扇外通位机温度土壤湿度光阈值进行修改切换动模式手动模式通位机ZigBee协调器进行键修改切换动手动阈值数
23 系统方案设计
系统总体设计方案图21示分三部分：ZigBee终端ZigBee协调器位机图左半部分ZigBee终端部分包含光敏电阻传感器温度传感器土壤湿度传感器水泵风扇ZigBee协调器终端包括功OLED屏幕控制键然ZigBee终端ZigBee协调器间采ZigBee线通信连接
图21 系统方案图
231 ZigBee线技术
众周知着智线时代飞速发展WiFi蓝牙ZigBee等等线通信技术已融入生活中缺少部分WiFi线技术社会线局域网建立路功具高速覆盖范围广支持户时特点功耗非常WiFi软件实现难度较高系统成较高采WiFi作智慧农业监控系统线技术蓝牙技术种线数语音通信开放技术便捷移动设备计算机设备直接连接Internet线访问互联网然前蓝牙50已开发距离低功耗传输穿蓝牙手表蓝牙耳机等应蓝牙适短距离数传输智慧农业监控系统言距离少需覆盖生态园者农场中蓝牙距离受限法作智慧农业监控系统线传输技术
ZigBee技术种专门智设计线通信技术24GHz(全球流行)868MHz(欧洲流行)915 MHz(美国流行)3频段工作高传输速率250kbits20kbits40kbits传输距离1075m范围继续增加外ZigBee具线技术中具低功耗成低网络容量等等特点具CSMACA载波侦听突检测技术通技术实现MAC层数重发保证线数会突丢失特适合作控制领域线协议然ZigBee线协议实现动网络构建功ZigBee网络中存ZigBee机ZigBee协调器该设备两设备连接起ZigBee终端位机设备进行线通信通位机控制整生态园农场蔬果生长
232 ZigBee芯片
图22 CC2530芯片
ZigBee种稳定线协议目前已类型芯片该协议支持中较常见ZigBee型号CC2430＼CC2530等ZigBee集成芯片CC系列德州仪器TI公司设计生产种专门处理线方案片集成芯片系列CC2430TI公司第代zigbee协议栈集成芯片该芯片点古老仅支持64KROM程序空间1KRAM机存取空间前较完善zigbee协议栈言程序空间机存取空间需求较CC2430已法满足CC2430具备选型条件作第二代Zigbee集成芯片CC2530 结合先进射频收发器卓越性行业标准增强型8051 CPU系统编程闪存考虑智慧农业监控系统稳定性CC2530更适合ZigBee控芯片
233 温度传感器
图23 DS18B20温度传感器
温度传感器种感受温度转换输出信号传感器根功特点分模拟型温度传感器数字型温度传感器模拟型温度传感器原理通常热敏电阻作温度传感器然通电阻分压获温度致范围般适温度精确度求高应设备然数字型温度传感器通温度传感器部集成数字电路温度数处理通驱动传感器MCU获取温度信息数字型温度传感器精确度较高外农产品生长温度精度求高选数字型温度传感器作系统温度采集模块智慧农业监控系统选取型号DS12B20数字温度传感器满足般智慧农业监控系统环境温度采集处理
234 光敏电阻传感器
图24 光敏传感器
光敏传感器常见传感器种类繁例红外线传感器紫外线传感器光敏电阻等光电电池原理基外光电效应分三部分：真空光电阴极K光电阳极A真空光电电池受光通量仅适低强度检测光子初始速度分布测量红外传感器种红外处理数传感器接触情况测量温度例热图长距离测量体温度热模型灵敏度低响应速度慢必须冷量子模型波长赖性太高紫外线传感器通光伏模式光导模式紫外线信号转换测量电信号然见光盲紫外线响应屏蔽见光太阳光盲仅UVC波段紫外线响应屏蔽UVAUVB光敏电阻工作原理光电效应属半导体光敏器件具灵敏度高反应速度快特点保持极强稳定性性然光敏电阻5516Φ5系列中功耗低效率高选取光敏电阻5516作采集光光敏传感器
235 土壤湿度传感器
图25 土壤湿度传感器
土壤湿度传感器测量土壤湿度原理采FDR频域反射原理应林业防护农业灌溉通常土壤湿度传感器分三种类型：电容型电阻型离子型电容型湿度传感器感应相湿度范围结构简单形式等效生产工艺容易采梳状铝电极结构YL69土壤湿度传感器成低廉功齐全器件芯片封装起更发挥性土壤表层深层进行测量获取土壤湿度含水量精确采集处理
236 器件
2361 水泵
图26 水泵
系统选取种256V微型水泵成较低功稳定性高
2362 风扇
图27 风扇
系统选取CJY4010微型散热风扇成较低实现风速较快稳定
2363 CH340
图28 CH340
系统选取CH340USB转接芯片通安装CH340SER驱动协调器进行USB转串口进行串口操作CH340Windows操作系统串口应程序完全兼容
2364 USB数线
图29 USB数线
系统选取种安装USB数线传输稳定工艺简单连接ZigBee控板电脑连接供电
2365屏幕
图210 OLED屏幕
系统选取128*64096寸OLED显示屏33V5V供电工艺简单造价便宜焊接方便显示文字采黑底白字省电效防止CROSSTALK现象
24 章节
章节介绍智慧农业监控系统功需求分析根功进行系统实现方案根制定系统方案硬件进行选型指定
第三章 系统硬件设计
31 硬件开发环境
数硬件开始程中包括硬件电路设计电路原理图PCB 图实物元器件焊接测试等等次设计采电路绘图软件 Altium Designed 10作硬件开发环境软件 Altium Designed 10 款效率极高电路制图软件硬件开发量电路制图软件原理图通网络表相连连线干元器件连接起原理图连接绘制完选择正确元器件封装 然原理图导入PCB图中然绘制PCB 根组件连接虚线执行电路PCB布线 样完美整合原理图设计电路仿真PCB绘图编辑拓扑逻辑动布线信号完整性分析设计输出等技术提高硬件电路设计效率
32 硬件模块原理图设计
图31 系统总体电路图
硬件设计采模块化方式进行绘制中包含电源输入电路电源稳压模块CC2530系统模块LED指示灯模块CCDEBUG载口模块UART串口模块DS18B20温度传感器模块OLED屏幕模块土壤湿度传感器模块光线传感器模块键模块水泵驱动模块风扇驱动模块模块原理图进行设计介绍
321 电源输入电路
图32 电源输入电路
图32示电源输入电路然图中USB口电压5VC1电容整电源进行供电起稳定电源作D1二极1N5819通1A电流电路作防止UART接口接反导致短路保护AMS1117分支电路PWRLED电源指示灯R10电阻阻值10K欧姆起限流作USB输入时电流通电阻R10点亮
322 电源稳压模块
图33 AMS1117电源稳压
图33示系统采AMS1117种电源电压转换芯片输入范围12V42V稳定输出电压33V高输出电流1AC3C5电容电路稳压抗外界干扰然电容电源作非常重起储效果够起稳压滤波作图32知C3AMS1117输入端电源输入起稳压作然输出33V电压通C2标称值106电容进行稳压续33V电压器电路起保护作
323 CC2530模块
图34 CC2530系统
图34示CC2530F256系统P0口电阻拉3V3电源样助增强P0口低电读取增强稳定性CC2530F256部具256KBROM8KRAM样需VCC脚GND间加入28V~36V电压正常工作芯片VCC输入端接入C0标称值104电容样耦合效果起抗电源干扰作
324 LED指示灯
图35 LED指示灯
LED指示灯作部位实现作样调试程序时候LED灯发现问题例通LED频闪灭亮验证程序否正常配置否正确然图35示限流电阻LED等进行拉正极电压负极电压时LED导通发光
325 接口电路
图36 CCDEBUG载口
图37 UART串口
图38 DHT11接口
图39 OLED屏幕接口
图3639接口电路分CCDEBUG接口UART接口DHT11温度传感器接口OLED屏幕接口中DHT11接口33V电压输入5V电压输入
DEBUG 接口图 36 示通 DEBUG 口实现 CC2530 线调试仿真相关程序载载口烧写调试程序
UART 步异步串口通信技术传输资料串行通信行通信间加转换 MCU 具 UART 接口中 RX 串行接收TX 串行发送图37示通该接口通常实现机交互串口数印串口通信等CC2530 UART串口调试程序调试关重选择 UART 接口
DHT11接口图38示VCC外接33V电压GND口外接GND口实现温度传感器调试
图39OLED 屏幕采 SPI 接口通信SPI种串行外设接口具 MOSICSSCK 等 SPI 特性系统 SPI通信显示屏刷新速度远超 I2C 通信屏幕
326 驱动电路
图310 水泵驱动电路
图311 风扇驱动电路
图310311示三极作开关典型电路三极NPN三极基极施加高电集电极发射极间变会导通负载元件电源VCCGND间形成回路样导通负载元件工作基极施加低电三极工作截止区时集电极发射极间构成回路负载元件停止工作
327 传感器模块
图312 土壤湿度传感器
图313 光线传感器
图312313示输入电压33VR13R14电阻阻值10K欧姆AD集成部分压敏电阻串联起分压作检测土壤湿度时湿度（AC值）OUT输出低电相反输出高电检测光强度时检测ADC值光敏电阻分压值果光线暗光敏阻值分压样测ADC值较反测ADC值较
328 键模块
图314 拓展键
图315 复位键
图314图315拓展键复位键拓展键3键键IO口P0_1P0_4P0_7IO口具拉电阻功键般采低电效方法键端接IO口端接GND实现键键检测然次CC2530IO口默认开启拉电阻功选择低电效作键触发条件
第四章 系统软件设计
41 位机软件设计
图41 位机程序设计
位机程序两部分组成分ZiBbee发射端ZigBee接收端ZiGBeezstack线软件协议栈然发射端接收端收发体ZigBee协议中两者需线数收发保持连接网络通信
图41左半部分示ZigBee接收端设计部分首先ZigBee接收端开启时判断时手动模式动模式手动模式检测出温度土壤湿度光手动开启水泵风扇进行处理动模式ZigBee接收端驱动温度传感器获温度值土壤湿度传感器者土壤湿度值光线传感器获光值检测环境温度设定值启动风扇进行降温检测土壤湿度低时含水量较少时启动水泵土壤里注水提高土壤水分执行完操作处理完线部分数水泵风扇状态传ZigBee发射端该反馈位机ZigBee发射端ZigBee接收端状态值更新动模式外ZigBee接收端切换手动模式该模式手动修改温度土壤湿度光阈值范围手动开启风扇水泵农业进行处理
图42右半部分示发射端控制接收端传感器参数模式然传感器系统水泵风扇存位机控制方式位机通信接口采UART串口通信技术位机发送指令ZigBee发射端ZigBee发射端收位机串口命令命令转换应线数发送ZigBee接收端ZigBee发射端供电系统硬件进行初始化包含CCDEBUG接口初始化UART接口初始化OLED屏幕接口初始化zstack协议栈初始化接着判断传感器参数否触发触发发送应键值ZigBee接收端然收位机串口命令应命令转换键值发送ZigBee接收端进行线循环实现ZigBee发射端控制功位机控制功
42 位机软件设计
图42 位机程序设计
图43 位机程序界面
位机采基面流程程序设计位机作电脑端控制程序通界面然位机C#语言实现位机C语言
位机设计包括两方面分程序界面然位机界面应该设置简洁实样户提供较舒适户体验操作位机具体设计界面图43示中包括温度阈值土壤湿度阈值光线阈值三参数阈值设置键六参数填写方框查询三参数阈值键开启手泵关闭水泵开启风扇关闭风扇四切换键动模式手动模式切换设置键五显示温度湿度光线联网模式窗口通串口实时监测温度湿度光线数变化联网状态动手动模式切换情况
然位机界面设计位机软件设计程序代码部分具体程序设计实现图42示开始开位机系统窗体进行初始化作串口组件进行初始化然果收串口数判断否位机发送命令数果窗体更新应参数值然移已处理串口储存部分继续判断接部分串口数执行直命令数处理完毕外位机判断否收键发送根键值发送数进行温度湿度光线等参数设置模式切换命令保存发送位机完成位机控制数更新部分
43 系统模块实现
431 串口组件初始化
public partial class FormMain Form
{
*@startSerialBase*********************************************
private SerialPort sp new SerialPort() 声明串口类
private bool isOpen false 开串口标志位
private bool usart_closing false 否正关闭串口ApplicationDoEvents阻止次进入invoke
private bool usart_listening false 监听否执行串口invoke相关操作
private List
private long SendCount 0
private long ReceiveCount 0
串口窗体初始化
private void SerialSettingInit()
代码示开始时位机串口组件进行初始化设置默认串口参数例串口号波特率等等通系统处理位机缓存串口数4K字节
432 串口组件检测
private bool CheckPortSetting()
{
if (cboxCOMTextTrim() ) return false
if (cboxBaudRateTextTrim() ) return false
if (cboxDataBitsTextTrim() ) return false
if (cboxParityTextTrim() ) return false
if (cboxStopBitsTextTrim() ) return false
return true
}
代码示位机串口组件初始化检测函数中运布尔型常量布尔型常量包含两值分真假程序中运布尔型常量检测串口参数输入窗口根否输入参数函数中返回布尔型常量
433 串口组件键实现
private void buttonOpen_Click(object sender EventArgs e)
{
if (isOpen false)
{
if (CheckPortSetting())
{
spPortName cboxCOMTextTrim()设置串口名
spBaudRate ConvertToInt32(cboxBaudRateTextTrim())设置串口波特率
float f ConvertToSingle(cboxStopBitsTextTrim())设置停止位
代码示开启串口设置串口名波特率等等配置参数传送串口组件串口组件键实现功
434 串口组件发送函数
private void UartSend(String str)
private void UartSend(byte[] buf int len)
代码示串口组件发送数模块第函数串口发送字符串第二串口发送数组通定义UartSend()D函数发送串口组件数发送串口命令时候调函数
435 串口接收处理函数
private void sp_DataReceived(object sender SerialDataReceivedEventArgs e)
{
if (usart_closing)果串口正关闭忽略操作直接返回
{
return
}
else
{
usart_listening true 执行Invoke开始ui关闭串口
}
代码示串口组件接受数模块通定义sp_DataReceived()函数串口接受数缓存ReceivedDatabuf数组中
436 串口计数函数
private void refreshReceiveCount()
private void refreshSendCount()
private void countClear()
代码示串口组件更新计数模块第句刷新计数函数第二句刷新发送计数函数第三句计数值清零函数通定义refreshReceiveCount()函数接受发送计数数计数值清零
437 串口更新函数
private void labSendCount_TextChanged(object sender EventArgs e)
private void labReiveCount_TextChanged(object sender EventArgs e)
代码示串口计数更新模块第句发送数变化函数第二句接收数变化函数通定义labSendCount_TextChanged()更新数计数更新显示容
438位机界面函数
温度阀值
string source SystemTextEncodingDefaultGetString(bufferToArray())
string param
int dataLen getCommand(source COM_TEMPERATURE_RANGE out param)
湿度阀值
string source SystemTextEncodingDefaultGetString(bufferToArray())
string param
int dataLen getCommand(source COM_SOIL_RANGE out param)
光线阀值
string source SystemTextEncodingDefaultGetString(bufferToArray())
string param
int dataLen getCommand(source COM_LIGHT_RANGE out param)
代码示位机显示界面数更新数模块通定义GetString()函数温度湿度光参数发送位机界面显示收串口相应命令更新应数值
439位机命令声明
private const string COM_MODE mode
private const string COM_SWITCH1 switch1
private const string COM_SWITCH2 switch2
private const string COM_SWITCH3 switch3
private const string COM_LIGHT light
private const string COM_SOIL soil
private const string COM_TEMPERATURE temperature
private const string COM_LINK link
private const string COM_TEMPERATURE_RANGE t_range
private const string COM_SOIL_RANGE s_range
private const string COM_LIGHT_RANGE l_range
private const string COM_TEMPERATURE_CHECK t
private const string COM_SOIL_CHECK s
private const string COM_LIGHT_CHECK l
代码示位机命令声明模块位机位机间通信协议位机通发送命令位机位机执行命令操作
第五章 系统测试结果分析
图51 硬件整体实物图
硬件整体实物图连接图51示部分硬件功测试正常然整合起整体测试正常运行
条件：(温度 min)<温度<(温度 max)
表51 温度测试记录表
温度范围
10℃
15℃
30℃
14℃
温度合适串口记录数
温度偏高串口记录数
条件：(湿度 min)<湿度<(湿度 max)
表52 土壤湿度测试记录表
土壤湿度范围
5
15
50
10
土壤湿度合适串口记录数
土壤湿度偏高串口记录数
条件：(光线 min)<光线<(光线 max)
表53 光线强度测试记录表
光线范围
20
40
100
30
光线合适串口记录数
光线偏强串口记录数
表51表52表53示智慧农业监控系统温度土壤湿度光线强度等参数测试实验测试结果进行分析记录处理
表51中温度作变量分温度阈值处稳定阈值间稳定阈值时状态检测处理记录数结果温度阈值时启动风扇进行降温手动模式时需手动开启动模式时动开启风扇温度回阈值间风扇关闭实现功预期致符合系统设计功求
表52中土壤湿度变量分湿度阈值处湿度阈值间湿度阈值时状态检测处理记录数结果湿度阈值时启动水泵土壤进行注水手动模式时需手动开启湿度回阈值间水泵关闭实现功预期致符合系统设计功求
表53光线变量分湿度阈值处湿度阈值间湿度阈值时状态检测处理记录数实现功预期致符合系统设计功求
第六章 总结愿
基ZigBee智慧农业监控系统软硬件功实现首先规划搭建整系统总体框架首先根学知识想法模块功需求进行分析设计设定功硬件电路方面设计解花时间学ZigBee单片机电路设计原理概周时间逐渐ZigBee单片机构建型号设计基础开始电路原理图绘制实物元器件焊接调试然系统软件部分位机位机程序设计系统功实现位机界面设计特意学部分C#驱动安装基部分已现代码加新增功代码调试定难度
然次智慧农业控制系统设计学中较难忘具代表性设计涉专业知识较广软硬件紧密融合硬件电路实践操作力求较高系统功软件部分实现Buff系统设计具体实现程中遇难题通查阅资料请教老师思考总结问题Buff迎刃解通次项目设计更加巩固专业时间提高实际项目中实践力受益终身继续查缺查阅智农业新技术方法项目中基础进行系统优化处理成种农业帮助国农业发展设备
参考文献
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