1、题目：基于 ZigBee 的土壤含水率检测系统设计中文摘要0【摘要】在农业、生态环境科学等领域的研究中，常常需要测量土壤的湿度。土壤湿度测量具有被测土地面积大、测量点多、需要观测时间长等特点。传统的测试方法是将传感器插入土层，然后进行读数记录，不仅花费大量的时间和人力，而且由于人为等因素还会造成数据测试不准等问题。本文采用CC2530 作为核心控制器件，利用埋入地下的土壤湿度传感器检测土壤的湿度，采用基于 ZigBee 和 WSN 的自组网通信技术实现远程数据采集，克服了传统土壤湿度检测的缺点，讨论了系统的硬件电路设计、软件编程和系统调试。该系统综合了 Zigbee 无线网络自组网、自行愈合和
2、超低功耗的优点，能实时监测土壤信息，为进一步简化农业和生态环境的研究操作。最终经过测试结果表明，该系统运行稳定，丢包率低，能及时准确的监控土壤信息，并将土壤含水率维持在适合植物生长的最佳含水量的范围之内。【关键词】CC2530 ZigBee WSN 技术 低功耗 自组网英文摘要1【Abstract】Research in the field of agriculture, ecology and environmental science, and often need to measure soil moisture. Soil moisture measurement has a of m
3、easured land area measurement points, need a long observation time. Traditional testing methods is the sensor into the soil, and then reading the record, not only spend a lot of time and effort, but also due to man-made and other factors can also cause data test allowed and so on. In this paper, CC2
4、530 as the core control device buried in the ground soil moisture sensor detects the moisture content of the soil, the use of remote data acquisition based on ZigBee WSN group network communication technology, to overcome the traditional soil moisture detection disadvantage of the system is discusse
5、d in the hardware circuit design, software programming and system debugging. The system combines the ZigBee wireless network from the network self-healing and ultra-low power consumption advantages, real-time monitoring of soil information to further simplify the research operation of agricultural a
6、nd ecological environment. After the final test results show that the system is stable, low packet loss rate, timely and accurate monitoring soil, and the soil moisture content is maintained within the scope of the optimum moisture content suitable for plant growth.【Keyword】 CC2530 ZigBee WSN Low po
7、wer consumptionAuto Add Network目录2目录一、 绪论 .11.1 课题背景 .21.2 研究的目的和意义 .21.3 国内外的发展现状 .2二、ZigBee 简介 .22.1 Zigbee 的概念及特点 .22.2 Zigbee 与几种无线通信技术的比较 .32.2.1 ZigBee 技术 .32.2.2 蓝牙技术 .32.2.3 Wi-Fi 技术的比较 .42.2.4 红外技术 .42.3 zigbee 网络基础 .52.3.1 ZigBee 节点的类型 .62.3.2 ZigBee 网络的拓扑结构 .62.3.3 ZigBee 无线网络的组建 .72.3.4
8、星型网络的组建与通信的实现 .9三、系统硬件设计 .123.1 系统总体电路图 .123.1.1 土壤含水率数据采集电路图 .123.1.2 ZigBee 网络节点电路图 .123.2 土壤含水率采集电路与原理 .123.2.1 土壤含水量传感器采集原理 .123.2.2 土壤含水量传感器电路图 .123.3 ZigBee 节点基本电路与原理 .123.3.1 时钟频率电路 .123.3.2 复位电路 .133.4 显示电路 .143.4.1 诺基亚 5110 液晶显示原理 .143.4.2 诺基亚 5110 液晶显示电路图 .14四、系统软件设计 .164.1 系统主函数程序 .16目录34
9、.2 土壤传感器采集程序 .204.3 ZigBee 终端节点程序 .224.4 ZigBee 路由器节点程序 .274.5 ZigBee 协调器节点程序 .344.6 NOKIA5110 显示程序 .40五、系统调试 .40参考文献 .40附录 1 .41附录 2 .42附录 3 .59附录 4 .44附录 5 .47第一章 绪论0一、 绪论1.1 课题背景随着精准农业的发展和人们对农产品安全的重视，农田土壤信息( 如含水率) 的实时获取变得越来越重要。土壤含水率是地表和大气之间通过蒸发的方式进行能量和水分交换的主要控制因子，很大程度上影响农作物的健康状况。现有的监测系统大多采用有线数据采集
10、及传输，其缺点是安装和布线繁琐且工作量大，组网复杂，设备移动性差以及成本偏高，无法实施精确有效的监测，甚至在有些场合难以实现。无线传感网络是一种集信息采集、处理和无线传输于一体的先进监测技术，在诸多领域( 如国防军事、环境监测、工程安全、农业温室、畜禽养殖场和食品加工等领域“一刊得到了一定的应用。已经有国内外科研人员将其应用于不同农业环境监测领域，但从国外进口的同类设备及控制系统价格昂贵，运行成本高，不利于在国内推广。1.2 研究的目的和意义针对上述实际情况，研究开发一种智能农田土壤含水率信息监测系统十分必要。根据农田土壤环境及含水率监测的具体特点，应用无线传感器网络技术，设计了切实可行的土壤
11、水分无线传感网络自动监测系统。它主要由低功耗无线传感器网络终端节点，通过 ZigBee 自组网方式构成，进行环境数据的采集和无线传输，通过 ZigBee 网络技术实现终端节点与网关节点的无线通信，监测中心人员可以通过监测中心对系统进行管理和配置、发布监测任务以及对数据进行分析。将该系统应用于现场数据监测，通过测试检验其性能。1.3 国内外的发展现状ZigBee 从 2002 年 ZigBee Alliance 成立到 2006 年联盟推出比较成熟的 ZigBee 2006 标准协议，至今已走过了多个春秋，当 Zigbee 几年前刚出现时，它的支持者曾设想这种基于 IEEE 802.15.4 规
12、范的无线技术拥有潜在的巨大市场。在低吞吐量、短距离通信应用中，成本是第一王牌，而类似蓝牙、802.11x 和 802.15.3等规范的性能过于强大。但对于一些 Zigbee 支持者来说，当初的设想并没有成第一章 绪论1为现实。任何一项通信协议标准都离不开上游芯片厂商的支持和推动，ZigBee作为一项低功耗、低速率无线短距离传输应用的标准，自然也离不开芯片厂商的支持。从整个 ZigBee 产业联盟来看，主要的上游芯片供应商有五家，分别为Jennic、Ti (Chipcon)、Frescale、Ember、Ateml。 “芯片”实际上只是一个符合物理层标准的芯片，它只负责调制解调无线通讯信号，所以
13、必须结合单片机才能完成对数据的接收发送和协议的实现。为了进一步减少 OEM 厂商的成本，部分上游芯片厂商推出了在单颗芯片上同时集成了物理层的收发和单片机功能的单Soc 解决方案，单 Soc 把射频部分和单片机部分集成在了一起，不需要额外的一个单片机，它的好处是节约成本，简化设计电路。而且基本上每家芯片公司都免费提供了基于自家芯片的 ZigBee 协议栈，大大地加速了 ZigBee 的应用和普及。随着 ZigBee 协议标准的逐步完善和物联网大环境的带动，整个 ZigBee产业可以说是朝着越来越繁盛的趋势发展，在 5 大上游芯片厂商和 ZigBee 联盟的不断努力推动下，基于 ZigBee 应用
14、层出不穷，并和我们的实际生活接轨，让人们的生活更加智能美好。ZigBee 芯片全球销售收入逐年递增。ZigBee 技术的应用十分广泛，现阶段以商业大楼自动化，家庭自动化控制(新建安装)与仪表控制为重点。商业大楼可以利用 ZigBee 完成自动控制，管理员可以有效地管理空调，灯光，火灾感应系统等各项开关控制系统，可以达到减少能源费用，降低管理人力等节约目的。对消费者来说，若家中具有 ZigBee系统，可方便的监控家中的整体运作，有效掌握电力，自来水，瓦斯的使用状况之外，亦可以具有安全功能，例如可以在家中安装无线传感器来监控各种不同情况，一旦侦查到异状即可自动发出警告。ZigBee 在仪表控制市场
15、随着国际仪表巨头中国华立仪表集团;韩国 NURI Telecom 等纷纷开始引进 ZigBee 技术之仪表控制系统之后，这个市场开始受到重视。ZigBee 仪表控制系统相当适合人工高昂，幅员辽阔，或是抄表员素质不良，抄表准确度不高，又或抄表员不易进入水，电，瓦斯仪表所在地的地方。具有这样背景的地方促使 ZigBee 仪表控制市场具有一定的需求。第二章 ZigBee 简介0二、ZigBee 简介2.1 Zigbee 的概念及特点ZigBee 一词来源于蜜蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式，蜜蜂通过调ZigBee 形状的舞蹈来传递新发现的食物的位置，距离和方向等信息。ZigBee 是一种基于 IE
16、EE802.15.4 无线标准研制开发的，集组网、安全和应用技术为一体的无线网络技术，ZigBee 技术的应用不仅解决了传统灯光控制相对分散、能源浪费、不能实现有效管理的问题，还具备了传统控制方式没有的功能，比如场景设置以及与建筑物内其他灯光系统的关联调节等。由于 IEEE802.15.4 仅能处理低层协议：MAC 层和物理层协议。 ZigBee 联盟对其网络层协议和 API 进行了标准化。ZigBee 是一种新兴的短距离、低功耗、低数据传输速率（10250 KB / S） 、低成本、低复杂度、可靠性高的无线网络技术。其网络容量较大，可以容纳65000 个设备。提供了数据完整性检查和检测功能，
17、采用 AES-128 加密算法。使用频段为 2.4 GHZ，868 MHZ（欧洲）和 915 MHZ（美国） ，均为免费频段。ZigBee 的网络拓扑结构主要有星型网络拓扑和对等网络拓扑。星状拓扑结构中有一个协调者和其它的设备所组成，其它的装置都只能与协调者连接，完全有协调者处理所需要处理的事情，这种拓扑结构基本上使用 64 位（8 个字节）的扩展地址，此外，协调者给加入网络的设备分配 16 为的地址以节省频宽。在这种网络中，网络协调器一般使用持续电力系统供电，而其他设备采用电池供电。星型网络适合家庭自动化、个人计算机的外设以及个人健康护理等小范围的室内应用。点对点的拓扑结构也有一个协调者，用
18、来点对点网络中也需要网络协调器，负责实现管理链路状态信息，认证设备身份等功能，但是其他非协调者的 FFD 除了与协调者连接外，也可、以对在其一定范围内的其他的设备进行通信，不过终端设备只能与 FFD 连接，而点对点在实际的应用中主要是以更复杂的方式运作，点对点网络模式可以支持 ad-hoc 网络允许通过多跳路由的方式在网络中传输数据 ZigBee 网络中主要包括三种类型的设备，包括网络协调器、全功能设备（FFD） 、精简功能设备（RFD） 。只有网络协调者才能形成网络与其他的全功能设备或者是精简功能设备的连接。全功能设备同时具有路由的功能，可提供信息的双向传输。精简功能设备只能传送信息给全功能
19、设备或者从全功能设备接收信息。第二章 ZigBee 简介12.2 Zigbee 与几种无线通信技术的比较当今无线通讯领域由于其应用范围和要求不同，存在着许多种无线通讯技术，各种无线连接技术都有着各自的优势和不足，应用在不同的领域之中。目前应用的最为广泛的无线通讯技术有以下几种。2.2.1 ZigBee 技术Zigbee 技术主要用于近距离无线连接和家庭局域网络方面，其基础是IEEE802.15.4 协议，该协议规定了物理层和低层次的 MAC 层协议，网络层以上的协议和 API 的制定由 Zigbee 联盟负责进行标准化。工作频带为 868/915MHz与 2.4GHz,2.4GHz 为无许可证
20、频带，世界各地各个领域都可以使用，适合于低成本的 Zigbee 技术使用。其传输速度为 10k-250kbps,相对于蓝牙技术的传输速度较慢，适用于对数据需求量小，速度要求不高的环境。并且具有以下几大特点：(1)省电：两节五号电池支持长达半年到两年左右的使用时间；(2)可靠：采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用的 隙，避免了发送数据时的竞争和冲突；节点模块之间具有自动动态组网的功能，信息在整个 Zigbee 网络中通过自动路由方式进行传输，从而保证了信息传输的可靠性； (3)时延短：针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短；(4)网络容量大：可支
21、持达 65000 个节点；(5)安全：Zigbee 提供了数据完整性检查功能，加密算法采用通用的 AES-128；(6)高保密性：64 位出厂编号和支持 AES-128 加密。2.2.2 蓝牙技术蓝牙技术是 1994 年爱立信公司首先提出的一种短距离无线通讯技术规范，能够在设备间实现方便快捷、灵活安全、低成本、低功耗的数据和语音通讯，是目前无线局域网的主流技术之一。其工作标准为 IEEE802.15.4 工作频带为ISM2.4GHz，在该频带上有 79 个信道，可以随时更换频道以防止干扰，传输速率为 723.1kbps. 当发射功率为 1mW 时，其通信距离可达 10m；发射功率为第二章 Zi
22、gBee 简介2100mW 时，通信距离可达 100m。蓝牙技术采用灵活的无基站组网方式，在这种组网方式下，每一个蓝牙设备都能够同时和 7 个设备进行通信，而且支持点对点与点对多点的通信方式，在点对点的通信方式下，蓝牙技术采用密码核对方式进行通信，及通信的两个设备需要进行设置相应的密码进行配对，大大增加了数据传输的安全性。该技术广泛应用于现在如手机、PDA、台式机电脑和笔记本电脑等主流消费性产品当中。2.2.3 Wi-Fi 技术的比较无线局域网技术 WLAN（Wi-Fi）, 其技术标准为 802.11，可实现十几兆至几十兆的无线接入。WLAN 最大的特点是便携性，主要解决用户“最好 100m”
23、的通信需求，定位于人点地区的高速游牧数据接入，不支持高速移动性，主流应用是商务用户在酒店、机场等热点使用便携电脑上网浏览或访问企业的服务器。WLAN 制定有一系列标准，有 802.11b/n 等。使用 WiFi 的缺点包括功耗大、成本高、协议开销大、需要接入点。目前在一个器具上增加 WiFi 至少需要 15 美元。Bluesoft 标记的价格是 65 美元。虽然成本还会下降，但近期仍只能用于跟踪价值较高的资产。一个仓库可能只会把Bluesoft 标记用于它的铲车，而不会用于铲车搬动的箱子。Wi-Fi 是一个无中继转发能力的单跳网，器具只能连接到接入点（AP） 。AP 之间的链接、AP 与其他网
24、络的链接往往通过常规的有线以太网。如果已经用于其他以太网业务的同一布线再用作 WiFi 回传，就需要进行认证或者把 WiFi 无线数据包隔离开。要不，你就不得不安装新的缆线和交换机。现在，需要新兴公司正在推进 Wi-Fi 网状网，其内 AP 被用作路由器，彼此自动发现，可经过几跳转发业务。但网状网结构主要涉及用于室外，在 AP 之间要求视距，使他们更适用于服务提供商，而不是企业。随着低速率应用市场需要的不断增长，Zigbee 和 Wi-Fi 系统共处的可能性越来越大，但是由于两者都主要工作在 2.4GHZ 的 ism 频段，他们不可避免的会产生相互干扰，所以 Zigbee和 Wi-Fi 之间的共存是一个待需解决的问题。2.2.4 红外技术红外技术（IrDA,Infrared Data Association)是制定于 1993 年的一种短距离无线通讯标准。采用波长 850nm 的红光作为传输介质，采用点到点通讯方式，通过红外光脉冲和电脉冲的转化实现通信，通讯距离在 1 米以内，传输速率为
