1、湖南理工学院毕业设计(论文)学号 14092200196毕业设计(论文)题 目 : 养殖场智能监控系统的设计作 者 徐 伟 届 别 2013 届 院 别 信 息 与 通 信 工 程 学 院 专 业 电 子 信 息 工 程 指 导 教 师 陈 松 职 称 讲 师 完 成 时 间 2013 年 5 月 20 日 湖南理工学院毕业设计(论文)I 摘 要本设计构建了一套养殖场智能监控系统，通过对养殖场环境温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度及其它环境影响因素的实时监控，解决了人工管理与查巡监控难的问题。本系统由监测节点、主机、用户端三个部分组成。监测节点使用各类传感器检测养殖场环境因素，并通过无线通信网
2、络将信息发送给主机。主机接受监测节点发来的信息，依据系统设定对信息进行处理，并做出相应的操作，如智能调节、报警、短信通知用户等。用户端可以实时的接收到主机发送过来的环境信息，并可以通过短信方式对养殖场环境进行远程的监控。在本系统中，使用 TI 公司超低功耗无线芯片CC1101 构建 433Mhz 无线网络，控制器使用 ST 公司的微功耗控制器 STM32L151 和STM32F103，真彩 TFT 触摸屏实现人机交互。相比于传统的养殖场监控系统，具有监测点布置灵活、监控面积广、低功耗、低成本、更人性化等优点，同时还具备防盗报警等附加功能。经测试，本系统操作简单、界面美观、功能完善、运行稳定，达
3、到了预期设计要求，符合了现代社会人性化及智能化的特点，具有广阔的市场前景。关键词：养殖场；无线通信；传感网络；STM32F103 处理器；智能监控湖南理工学院毕业设计(论文)II AbstractThe design to build a set of farms intelligent monitoring system. Real-time monitoring of the impact of the farms ambient temperature wireless communication ;sensor networks;STM32F103 processor;intellig
4、ent monitoring湖南理工学院毕业设计(论文)1 目 录摘 要 .IAbstract .II目 录 .1第一章 绪 论 .11.1 养殖场智能监控的意义 .11.2 养殖场监控技术的发展历程 .11.3 智能监控的国内现状分析 .2第二章 系统设计要求论证 .32.1 系统设计要求 .32.2 系统方案论证 .32.2.1 核心处理器选择 .32.2.2 温湿度传感器选择方案 .32.2.3 远距离通信方案 .42.2.4 供电方案 .42.2.5 显示模块方案 .52.3 系统框图 .52.4 本章小结 .6第三章 养殖场智能监控硬件设计 .73.1 主机 MCU 设计 .73.1
5、.1 STM32F103ZET6 功能简介 .73.1.2 STM32F103ZET6 电路设计 .93.2 监测节点 MCU 设计 .93.2.1 STM32L151 功能简介 .93.2.2 STM32L151 电路设计 .113.3 无线模块设计 .113.3.1 节点的硬件结构 .113.3.2 RF 芯片 CC1101 介绍 .113.3.3 CC1101 无线模块电路设计 .123.4 传感网络电路设计 .133.4.1 温湿度传感器电路设计 .133.4.2 气体传感器电路设计 .133.4.3 光照强度电路设计 .133.4.4 热释红外传感器电路设计 .143.5 TFT 真
6、彩液晶电路 .14第四章 软件设计 .164.1 软件设计平台 .164.2 系统软件设计 .174.2.1 上位机监控系统设计 .174.2.2 主控制器 STM32L103 的程序设计 .174.2.3 CC1101 协调器程序设计 .184.2.4 CC1101 监控节点程序设计 .184.3 通信协议分析 .19湖南理工学院毕业设计(论文)2 4.3.1 握手类帧结构 .204.3.2 监测类帧结构 .204.3.3 控制类类帧结构 .204.3.4 数据传输过程 .214.3 联机调试 .21第五章 数据测试以及分析 .225.1 测试仪器 .225.2 数据测试及结果分析 .225
7、.2.1 RF 模块测试 .225.2.2 环境因子测试 .235.2.3 自动控制测量 .24总 结 .25参考文献 .26致 谢 .27附录一 程序代码 .28湖南理工学院毕业设计(论文)1 第一章 绪 论1.1 养殖场智能监控的意义针对现有养殖场存在的管理不善和资源浪费的现象，很多养殖场已经开始改革其管理方式，并得到了政府的支持。但是由于养殖者缺乏良好的管理意识和一套完善的管理方案，养殖者仍旧采用原始的管理方法管理他们饲养的家禽。其不正当的管理方案和技术的缺乏导致他们的经济收益下降，很多管理者都放弃了原本的家族企业。同时，管理的不善也导致了很多资源的浪费和家禽的无故死亡。目前，个体养殖企
8、业为了使其经济收益上升，已经开始采购和使用网上存有的监控系统，以节省其大量人力物力资源。而目前市场上存在的监控系统功能并不完善，而其监控面积狭窄、不易安装等缺点，浪费了大量成本，且效率不高。基于上述背景，本系统首次提出设计利用无线传感网络的多区域、多层次、低成本、远距离功能实现对养殖场的实时环境进行监控，采用无线传感网络和远程智能控制相结合的方式。不仅可以让管理者实时的了解养殖场的情况，如温度、湿度、光照等其他环境因素，还可以通过用户的预先设定，实现对养殖场环境的智能调节，如实现恒温、恒湿等，通过远程客户端还可以实现对养殖场环境的远程控制。1.2 养殖场监控技术的发展历程养殖场监控技术起源于西
9、方发到国家，20 世纪 50 年代，专业型的高级养殖场便开始应用于农业生，养殖设备也开始广泛的应用于水产业和畜牧业。随着智能控制理论的进步和计算机技术的发展，养殖大棚作为其中一个重要的组成部分，其自动控制和管理技术不断提高，在世界各地得到了很好的发展。随着二十世纪 70 年代电子技术的飞速发展和微型计算机的出现，使养殖场环境监控技术产生了革命性的变化。80 年代，随着微计算机技术的发展和价格的下降，同时人们对养殖场控制提出了更高的要求，以微型计算机为核心的智能养殖场环境监控系统，在西方得到了很大的发展。近来来，养殖场环境监控系统迈入了网络化和智能化的阶段，国外现代化的养殖场设备已经发展到比较完
10、备的程度，并形成了自己的体系标准。养殖场内各个环境因子都由微型计算机统一控制，检测传感器也越来越全面，如温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度等。传感器的检测已经实现对各个环境因子的自动控制，如制动通风系统、加热系统、制冷系统等。微型计算机对系统的控制不仅仅是简单的、独立的、静态的、直接的数字控制。而是基于环境模型上的监督控制，以及基于专家系统上的人工智能控制。在发达国家，智能养殖场监控系统向着无人化、全自动化方向发展。湖南理工学院毕业设计(论文)2 1.3 智能监控的国内现状分析目前，我国养殖场监控系统的技术水平和智能化程度与欧美等发达国家相比还有一定的差距。根据多方面市场调查分析，国内市面上的
11、大部分养殖场监控设备具有系统庞大、价格昂贵等特点。受技术水平和价格的限制，国内大部分养殖场采用传统的人工管理，虽然些区域装有摄像头，但节点监控的智能管理方案并没有得到实现。传统管理方式的缺陷显而易见，具有管理不便、不能实现智能调节、摄像头安装不灵活、报警不及时等缺点，无法做到对养殖场环境的智能监控和调节。而基于无线传感网络的养殖场监控系统是从大面积、多角度、智能化、人性化、低功耗等几大方面出发设计出来的，解决了目前养殖场管理存在的大部分问题，如一主多从，实现了多领域中多角度、多因素、大面积的环境因素监控。Zigbee 协议技术的运用，更稳定的保证数据信息传递的可靠性，GSM 通信技术的应用，可
12、将本系统与养殖场管理者手机结合，实现远程监护与实时交互。通过上位机实现各节点的集中管理，有利于系统的维护和升级。经多方位对比，基于无线传感网络的养殖场智能监控系统有着明显优于传统监控设施的性能。其设计充分结合了养殖场的需求，通过无线传感网络、上位机等融合一体应用于养殖场智能监控领域中，其价格低廉、性能全面的特点也符合目前中国养殖业的发展现状，有着十分广阔的发展前景。本文内容安排：第一章绪论，主要介绍养殖场智能监控的意义、养殖场监控技术的发展历程、智能监控的国内现状分析；第二章系统设计要求论证，主要根据设计要求论证了各模块不同方案的可行性，确定整个系统的结构框图；第三章主要从硬件方面分析了各个不
13、分电路设计思想；第四章主要介绍了系统的软件平台以及系统设计的软件处理思想；第五章主要是数据测试和数据分析；第六章是本系统的设计总结。湖南理工学院毕业设计(论文)3 第二章 系统设计要求论证2.1 系统设计要求（1）系统由检测节点、主机和用户端三个部分组成；（2）构建传感网络，检测养殖场环境温湿度、光照强度、二氧化碳浓度等；（3）构建无线通信网络，检测节点和主机之间通过无线网络传输数据；（4）具备监测养殖场环境因子的功能；（5）设定自动模式，实现对养殖场环境的自动调节；（6）设定手动模式，实现对养殖场环境的手动控制；（7）具备短信远程控制功能；（8）设定防盗报警功能；（9）功耗低、使用灵活、操作
14、简单，运行稳定，电源自制。2.2 系统方案论证2.2.1 核心处理器选择方案一：采用 C8051 或 AT89S52 单片机作系统的处理器来与无线传感器模块通信，实现数据接收与发送。同时用 MCU 做数据存储及处理、人机交互等功能。方案二：采用 ST 公司推出的 STM32F103 位处理器来与无线传感器模块通信，实现数据接收与发送。同时用 MCU 做数据存储及处理、人机交互等功能。方案比较：方案一最大特点是系统体积小、成本低；但是系统处理速度过慢，内部存储空间较小。同时，方案拟采用 320*240 的 TFT 液晶作为监控显示界面，而 C8051 是 8 位的51 单片机核，其驱动高分辨率的
15、 TFT 液晶显得比较吃力。采用 AT89S52 做内核进行控制比较简单，但是其 I/O 资源有限，不能满足电路设计需求，需要外接芯片进行 I/O扩展。由于需要与外部无线模块节点通信，电路设计相对比较复杂。方案二采用意法半导体公司的 STM32F103 处理器，它基于 ARM 公司最新的 Cortex-M3 内核，具有丰富的片上资源，同时具有多种工作模式，有利于减小系统的功耗，同时其较大的内部存储器有利于存储相关信息。抗干能力强，在与外部 CC1101 模块通信时能保证信号的完整；综上所述本系统选用 STM32F103 做为核心控制器。2.2.2 温湿度传感器选择方案方案一：采用常用的单总线
16、DS18B20 测温，再选一款湿度测量传感器搭配使用，从而实现温湿度的测量。本方案将温湿度分开测量，所用元件价格便宜。但是测量精度低、外围电路复杂。湖南理工学院毕业设计(论文)4 方案二：SHT10 工业级数字温湿度传感器，具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比高、外接电路少等优点，同时还兼有露点测量。结合本系统设计要求测量精度高、电路简单、体积小、抗干扰能力强等特点，选择使用 SHT10 工业级数字温湿度传感器。2.2.3 远距离通信方案方案一：433M 无线技术433MHz 是我们国家的免申请段发射接收频率，可直接使用不需要管理，433 频段抗干扰强，并支持各种点对点，一点对多点的无
17、线数据通讯方式，具有收发一体、安全隔离、安装隔离、使用简单、性价比高、稳定可靠等特点。可广泛的应用于消费类电子产品、工业监控、无线报警安防系统、门禁系统、自动抄表、无钥门禁系统、有源 RFID 标签识别、POS 系统、 PDA 等无线智能终端、医疗仪器、电子站牌、智能交通调度系统等领域。常用的 433M 无线射频芯片有 TI 公司的CC1100/CC1101、NODIC 公司的 NRF905/NRF9E5 等。方案二：2.4G 无线技术所谓的 2.4G 无线技术，其频段处于 2.405GHz-2.485GHz（科学、医药、农业）之间，所以简称为 2.4G 无线技术。这个频段里是国际规定的免费频
18、段，不需要向国际相关组织缴纳任何费用。2.4GHz 频段为各国共同的 ISM 频段，具有通信速率快、全双工通信、抗干扰能力强等优点。广泛的应用于 WIFI、蓝牙 、ZigBee 、无线鼠标、遥控模型、安防等领域。常见的 2.4G 无线芯片有 TI 公司的 CC2500、NODIC 公司的NRF24L01 等。方案比较：433M 频段和 2.4G 频段都为我过免费的频段，但是各具特点，应用领域也各不相同。433M 频段相对于 2.4G 频段信号更强，传输距离强，穿透、绕射能力强，传输过程衰减小，但是传输速率相对较低。在本设计中，我们要求无线网络具有较强的传输距离和穿透力，且具有功耗小、使用灵活的
19、特点，因此我们选择方案一，使用 TI 公司超低功耗 RF 芯片 CC1101。2.2.4 供电方案本系统要求无线收发节点能够长时间的正常工作，因此设计所需的无线收发模块都具有低功耗的特点，且能够采用电池供电。为了保证系统的工作正常，正确可行的电源模块系统设计的重点。方案一：采用全桥整流电路整流稳压出系统所需的电源该电源采用全桥整流电路和电容滤波电路，将通过变压器的低压交流电变为具有正负对称输出的直流电，实际输出电压为正负 20V 左右。采用 100nF、10uF 电容滤除电源中的高频交流成分，再通过 7805 或其它稳压芯片来提供稳定的直流稳压电源。这种电路多见于要求不高的直流电源中，其驱动能
20、力和后级的滤波电容有关。湖南理工学院毕业设计(论文)5 方案二：采用集成稳压电源模块该方案可以采用专用集成电源稳压模块实现，如交流 220V 转直流 5V；或者在网上购买直流稳压模块，可选择 DC9-18V 输入，DC5V 输出模块。方案三：采用电池供电该方案采用 5V 电池供电，或者用两节电池供电。便于系统的安装与携带，同时可以多点安置，且安置简易，维修方便。方案比较：在本系统中，要求各个节点具有体积小、重量轻、安放放点的特点，同时考虑到本系统中各个模块都是使用低功耗器件，故选择方案三，采用电池供电，更加符合本设计要求。2.2.5 显示模块方案方案一：采用 LCD 液晶显示器显示采用 DM1
21、286M 液晶显示，其为 点阵 LCD 液晶显示，其可视面尚可，画64128面效果良好，而且其内置中文汉字和字符信息，具有多种软件功能，使用方便简单。但起分辨率较低，且为黑白屏。方案二：采用全触屏 TFT 彩屏液晶显示TFT 真彩液晶屏每个像素点都有一个半导体开关，每个像素点都能够通过点脉冲直接去控制，每个节点都是相对独立的，可以连续控制，这不仅可以提高显示屏反应速度，还可以精确的控制显示色阶，故 TFT 真彩液晶屏色彩更真。 TFT 液晶显示屏具有对比度高、亮度好、颜色鲜艳、层次感强，同时具备触摸功能 1。方案比较：在本设计中，为了更加清晰、鲜明的显示出各个环境因子，使整个界面更加人性化。同
22、时，也为后期的视频监控提供可能。故选择方案二，采用全触屏TFT 彩屏液晶显示。2.3 系统框图本系统由检测节点、主机、用户端三个部分组成。监测节点部分使用超低功耗微控制器 STM32L151 作为 CPU，外界温湿度、光照强度、二氧化碳浓度等传感器组成传感网络。由 CC1101 组建的 443M 无线通信网络，能够方便、实时将数据传给主机。主机使用 ARM 系列 32 位微处理器 STM32F103 作为中央处理器，外接 TFT 真彩液晶屏和 7279 键盘，实现人机交互，外接的 GPRS 模块可以方便的将主机接入要无线Internet。强大的 32 位中央处理器，保证了主机处理数据的能力，直观、简洁的操作界面提供了更加优质的用户体验。用户端主要有用户的网络设备组成，如计算机、手机等。通过 Internet 用户可以远程监控养殖场内湿度、光照等因素，以达到最智能、最方便、最简洁的养殖场环境监控。系统框图如下图 2.1 所示。
