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1、 综合课程设计报告书题目: 基于无线传感器的农业环境监测系统 前 言 我国是世界上设施栽培面积最大的国家,而且近几年国产连栋温室每年以新增100150万公顷的面积快速发展。引导温室用户根据作物的要求进行环境因子的调节以获得作物产量和品质的提高,是温室环境因子调控决策支持系统的主要目标和方向。然而,目前的温室测控系统大多采用有线布网、人工测量,导致现场安装困难,工作效率偏低,测量精度差,这不仅大大增加了电气工程施工费用,也导致施肥等工作困难；此外,系统中的每个监控点没有自组织功能和自愈能力,维护工作量大,也不利于系统升级。因此,为了实现温室农作物的优质、高产和高效,开发和研制一种新型的温室环境测
2、控系统是十分必要的。无线传感器网络技术是现代传感器技术、微电子技术、通信技术、嵌入式计算技术和分布式信息处理技术等多个学科的综合。把无线传感器刚络技术引入到温室大棚生产中来,农业将有可能逐渐地从以人力为中心,依赖于孤立的生产模式转向以信息和软件为中心的生产模式。从而实现温室信息采集自动部署、自组织传输和智能控制、大幅度提高单位面积的劳动生产率和资源产出率、改善温室等设施工作环境和工作条件、提高工作效率、保障农民身体健康、提高农民生活质量,有助于解决三农问题,对实现温室作物生产的可持续发展具有重要意义。1无线传感器系统概述1.1无线传感器技术 无线传感器网络是由部署在监测区域部或附近的大量廉价的
3、、具有通信、感测及计算能力的微型传感器节点通过自组织构成的智能测控网络。无线传感器网络在军事、农业、环境监测、医疗卫生、工业、智能交通、建筑物监测、空间探索等领域有着广阔的应用前景和巨大的应用价值,被认为是未来改变世界的十大技术之一、全球未来四大高技术产业之一。 1.2 研究背景随着无线技术的快速发展和日趋成熟,无线通信也发展到一定的阶段,其发展的技术越来越成熟,方向也越来越多,越来越重要,大量的应用方案开始采用无线技术进行数据采集和通信。 微机电系统和低功耗高集成数字设备的发展,使得低成本、低功耗、小体积的传感器节点得以实现。这样的节点配合各类型的传感器,可组成无线传感器网络WSN。无线传感
4、网络是一种开创了新的应用领域的新兴概念和技术。广泛应用于战场监视、大规模环境监测和大区域的目标追踪等领域。传感技术、传感网络已经被认定为最重要的研究之一。因为无线传感器网络节点一般采用电池供电,工作环境通常比较恶劣,而且数量大、更换非常困难,所以低功耗是无线传感器网络最重要的设计准则之一,因此,它迫切需要对传统的嵌入式应用开发进行更新和改进,需要精心设计的软硬件系统,以使其可靠而耐用。20XX,美国技术评论杂志论述未来新兴十大技术时,WSN被列为第一;美国今日防务杂志更认为WSN的应用和发展将引起一场划时代的军事技术革命和未来战争的变革。可以预测,WSN是信息感知和采集的一场革命,是21世纪最
5、重要的技术之一2。低功耗无线传感模块,便是组成无线传感网络的节点。此方面的研究由来已久,是计算机应用的扩展,采用了大规模集成电路和嵌入式技术,使用智能微处理器对采集到的信息进行处理和加工。现已广泛应用于社会建设的各个层面和人们的日常生活当中。但过去的研究有的只考虑低功耗而性能不高,有的性能高但是功耗太大。 因此,在无线传感技术应用如此广泛的今天,在保证无线传感模块性能的同时又能实现其低功耗具有一定的理论和现实意义。1.3研究目的当前对于无线传感技术的研究仍然处在一个高速发展的阶段,低功耗就是其发展方向之一,而低功耗与高性能的结合实现还不完全。因此,为了更好的实现无线传感模块的功能,增加模块的可
6、靠性和使用寿命,通过对无线传感节点的硬件功耗的分析,确定无线传感模块各单元的基本功率消耗,并进行相应比较,确定需重点降耗的单元,在此基础上结合当前对低功耗无线传感模块的研究,通过对比分析选择合适的芯片完成对低功耗无线传输模块的自主设计和制作。并辅助软件开发人员完成各子模块的驱动编写,实现低功耗无线传感模块的整体通信功能。1.4研究意义 无线传感网络是一种开创了新应用领域的新兴概念和技术。当前,传感技术、传感网络已经被认定为最重要的研究之一。无线传感器网络节点的稳定运行是整个网络可靠性的重要保障。低功耗无线传感模块研究具有极其重要的学习和研究价值,其功能的实现具有极其重要的理论和现实意义。首先,
7、现有的众多研究中,将性能和低功耗相结合的较少,有的只考虑低功耗而性能不高,有的性能高但是功耗太大。本文综合了性能和低功耗的共同需求,经过深入的分析和对芯片的数据比较,提出了低功耗无线传感模块的硬件设计思路。其次,增加无线传感模块的应用。无线传感模块应用已非常广泛,除去组成无线传感网络的应用外,无线传感技术还广泛的应用于环境监测,如车间温湿度、压力等；短距无线通信等。实现了无线传感模块的低功耗,其对电能的需求就会更小,应用的围将会进一步的扩大。2 系统分析和总体设计2.1 对无线传感器系统的要求系统由温湿度传感器SHT11、光照传感器TSL2561,AT89S52单片机,无线数据传输模块PTR2
8、000,PC和电源模块组成。传感器节点通过自组织方式构成网络,将采集到的数据沿着其他节点逐跳进行传输,传输到显示模块进行数据显示。主要技术指标1通信与组网：负责监测环境信息的传感器节点自组织搭建无线网络,并向管理和基础服务层提供服务支持；2通信频段：2.4-2.4835Hz；3采用通信协议标准：ZigBee协议标准；4借点可靠通信围：200m；5传感器精度：温度0.325时,湿度：2.0%RH2080%RH,光照强度：1lx。2.2 系统组成及工作原理2.2.1系统组成系统由电源,上位机系统和下位机系统组成。电源包括LM7805,四节5号AA电池和一个10K电阻。上位机包括无线收发模块PTR2
9、000,MAX232,PC。下位机包括无线收发芯片PTR2000,AT89S52单片机,温湿度传感器SHT11,光照强度传感器TSL2561。PTR2000AT89S52SHT11TSL2561 电源模块 图2.1 传感器节点系统框图2.2.2工作原理多个无线传感器节点通过无线通信方式形成的一个多跳自组织网络,其中的节点将采集到的数据依照最近路线逐个传递到离监测中心最近的传感器节点,再从节点发送到监测中心。由检测中心的PC中Labview8.6软件开发出的监测界面显示数据曲线图。 监测软件界面图 3 系统硬件设计3.1上位机系统图3.1 上位机系统框图Fig.3.1 Block diagram
10、 of the host system上位机采用PTR2000,PTR2000主要有以下几个特点3:该器件将接收和发射合接为一体； 工作频率为国际通用的数传频段433MHZ； 采用FSK调制/解调,可直接进入数据输入/输出,抗干扰能力强,特别适合工业控制场合； 采用DDS直接数据合成+PLL频率合成技术,因而频率稳定性极好； 灵敏度高达105bBm; 工作电压低2.7V,功耗小,接收待机状态电流仅为8A； 具有两个频道,可满足需要多信道工作的场合； 工作速率最高达20kbit/s; 超小体积,约40275mm; 可直接与MCU的串口进行连接如8031,也可以通过MAX232与计算机接口,软件编
11、程非常方便； 标准的DIR引脚间距更适合于趼、嵌入式设备； 由于采用了低发射功率、高接收灵敏的设计,因此使用时无需申请许可证,开阔地时的使用距离最远可达1000米。引脚排列及功能PTR2000模板的引脚排列如图1所示。各引脚的功能说明如下；VCC1脚；下输入端,电压围为2.75.25V； CS2脚：频道选择端。CS=0时,选择工作频道1, 即433.92MHz；CS=1时选择工作频道2,即434.33 MHz DI3脚：数据输入端DO4脚：数据输出端； PWR5脚：节能控制端。当PWR=1时,模块处于正常工作状态,PWR=0时,模块处于待机微功耗状态； TXEN6脚：发射/接收控制端。当TXE
12、N=1时,模块为发射状态；当TXEN=0时,模块被设置为接收状态。 GND7脚：电源地 PTR2000可与所有单片机如80C31、2051、68HC08、PIC、Z8等配合使用,可直接接单片机的串口或I/O口,也可与计算机串口进行通讯,此时需要在中间简单地接在一个RS232电平转换芯片,如MAX232等。 3.2下位机系统 下位机电路图3.2.1微处理器模块AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器,具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于
13、常规编程器。在单芯片上,拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash,使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。主要性能：1、 与MCS-51单片机产品兼容； 2、 8K字节在系统可编程Flash存储器； 3、 1000次擦写周期； 4、 全静态操作：0Hz-33MHz； 5、 三级加密程序存储器； 6、 32个可编程I/O口线； 7、 三个16位定时器/计数器； 8、 六个中断源； 9、 全双工UART串行通道； 10、 低功耗空闲和掉电模式； 11、 掉电后中断可唤醒； 12、 看门狗定时器； 13、 双数据指针； 14、 掉电标识符 。引脚说明AT89S52 是一种低
14、功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非 易失性存储器技术制造,与工业80C51 产品指令和引脚完 全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于 常规编程器。在单芯片上,拥有灵巧的8 位CPU 和在系统 可编程Flash,使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提 供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash,256字节RAM, 32 位I/O 口线,看门狗定时器,2 个数据指针,三个16 位 定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口, 片晶振及时钟电路。另外,A
15、T89S52 可降至0Hz 静态逻 辑操作,支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下,CPU 停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工 作。掉电保护方式下,RAM容被保存,振荡器被冻结, 单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。P0 口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口,每位能驱动8个TTL逻 辑电平。对P0端口写1时,引脚用作高阻抗输入。 当访问外部程序和数据存储器时,P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下, P0不具有部上拉电阻。 在flash编程时,P0口也用来接收指令字节；在程序校验时,输出指令字节。程序校验 时,需要外部上拉电阻。 P1
