1、齐 齐 哈 尔 大 学毕业设计（论文）题 目 基于无线传感器网络的精准农业环境监测系统设计学 院 通信与电子工程学院 专业班级 物联网 111 班 学生姓名 卢 旭 指导教师 苗凤娟 成 绩 2015 年 6 月 25 日齐齐哈尔大学毕业设计(论文）摘 要众所周知，无线传感器技术已经成为农业环境监测的主要技术，通过该技术解决了传统农业环境监测的诸多问题，比如：设备繁多、维修困难；布线繁琐、容易腐化；规模庞大、不易管理等。本设计基于无线传感器网络技术根据要求不仅能够采集农业环境参数，还利用视频技术采集了环境的图像信息，这样不仅从数据分析上得到农业环境参数，更能通过图像直观的观测农田环境，为本设计
2、提供更可靠的依据。本设计融合软件和硬件，对于无线传输硬件，选择了 Zigbee 模块和 Wifi 模块，Zigbee 模块主要负责传输传感器的数据， Wifi 负责传输视频，因为需要采集温湿度、二氧化碳浓度和光照强度，所以比较了多种传感器后，温湿度传感器选择 DHT11，二氧化碳传感器使用 MG811，对于光照强度传感器使用 BH1750。传感器监测节点很简单，传感器采集数据经过 Zigbee 模块传送给协调器，由协调器在传送到上位机即可。另一部分采用 Wifi 模块传输摄像头采集的视频，将视频传输到上位机，监测农作物是否有病虫害，或者是否有人侵入等。软件则涉及了 Altium designe
3、r 设计硬件的电路图，上位机选用 Visual Studio 2013，程序设计语言 C#，PC 机接将数据存储、分析，若是超出了设置的范围，则会自动实现报警功能，真正实现远程监测的功能。关键词：环境监测系统；无线传感器网络；传感器；协调器；齐齐哈尔大学毕业设计(论文）IAbstractAs we all know, the wireless sensor technology has become a major agricultural technology for environmental monitoring, through the technology to solve the
4、many problems of traditional agriculture environmental monitoring, such as: equipment range, difficult maintenance; wiring cumbersome, easy to corrupt; large-scale, difficult to manage and so on. The design is based on wireless sensor network technology can not only collect according to the requirem
5、ents of agricultural environmental parameters, but also the use of video technology to collect the image information environment, so that not only the agricultural environment parameters obtained from the data analysis, more intuitive observation by image farmland environment-oriented designed to pr
6、ovide a more reliable basis.The integration of software and hardware design, hardware for wireless transmission, select the Zigbee module and Wifi module, Zigbee module is mainly responsible for the data transmission of the sensor, Wifi responsible for the transmission of video, because you need to
7、collect temperature, humidity, carbon dioxide concentration and light intensity, it is more a more after the kind of sensor, temperature and humidity sensor selection DHT11, carbon dioxide sensors MG811, the light intensity sensors BH1750. Sensors monitor node is simple sensor to collect data to the
8、 coordinator after Zigbee module, by the coordinator in the transmission to the host computer can be. Another part of Wifi module transmission camera to capture the video, the video transmission to the host computer, monitor crops if there are pests and diseases, or whether someone breaks the like.
9、Altium designer software involves the design of hardware circuit, the host machine selects Visual Studio 2013, the programming language C #, PC machines connected to data storage, analysis, if beyond the scope set alarm function will automatically truly remote monitoring functions.Keywords: environm
10、ental monitoring system; wireless sensor networks; coordinator; sensors;齐齐哈尔大学毕业设计(论文）目 录摘 要 .IAbstract .II第 1 章 绪论 .11.1 选题背景和意义 .11.2 国内外研究现状 .21.3 本文内容及安排 .3第 2 章 系统整体设计方案和核心技术 .52.1 系统功能要求及应用环境 .52.2 系统设计思想 .52.3 总体设计方案构成 .62.4 系统最终实现目标 .72.5 硬件选取 .72.5.1 无线收发模块选取 .72.5.2 温湿度传感器选取 .82.5.3 二氧化碳传感
11、器选取 .82.5.4 光照强度传感器选取 .92.5.5 WIFI 模块选取 .102.6 本章小结 .10第 3 章 系统的硬件设计 .113.1 硬件整体设计 .113.2 基于 CC2530 的监测节点硬件设计 .113.2.1 终端节点系统结构 .123.2.2 Zigbee 模块电路原理 .123.2.3 协调器电路原理 .133.2.4 终端节点电路设计 .143.2.5 电源模块设计 .153.3 视频模块设计 .153.3.1 WIFI 与视频连接电路设计 .153.3.2 WIFI 模块外围电路设计 .163.4 本章小结 .17第 4 章 软件设计 .18齐齐哈尔大学毕业
12、设计(论文）4.1 软件环境及使用语言 .184.2 监测节点程序设计 .184.2.1 传感器模块程序设计 .204.3 接收数据模块程序设计 .214.4 上位机设计 .224.4.1 上位机软件和语言 .224.4.2 上位机模块设计 .234.5 本章小结 .25第 5 章 系统调试 .275.1 硬件模块调试 .275.1.1 DHT11 调试 .275.1.2 MG811 和 BH1750 调试 .275.1.3 摄像头调试 .285.2 软件调试 .295.2.1 IAR 调试 .295.2.2 上位机软件调试 .305.2.3 视频调试 .315.3 本章小结 .31结论 .3
13、3参考文献 .34附录一 .40附录二 .56致谢 .56齐齐哈尔大学毕业设计(论文）0第 1 章 绪论1.1 选题背景和意义中国是农业大国，耕地面积也超过世界许多国家，受分布零散、环境恶劣、病虫害等因素影响，本来显著的优势并没有得以体现，经济发展匮乏，致使中国的农业发展前景黯淡，但是科学技术的腾飞，带动着各行各业向前迈进一大步，很多发达国家把科学这个新助力注入到其他产业，取得的效果非常明显，受到这种启发，我国也渐渐的将眼光转向科技与各产业融合，完美的实现了产业多元化。可是，农作物众多、多种环境参数无法预知，管理不及时、技术不成熟都导致科技农业的发展迟缓，因此针对这些问题，实施对植物长势的动态
14、监测，是实现高效农业、提高农业管理水平的必要手段，也是真正提高了土地利用率 1。针对传统农业问题，有线网络监测技术大规模使用，但是该种技术的农业环境参数需要人工现场采集，周期读数，才能完成整个系统的监测的目的，然而这个方案有着诸多的技术弊端，比如：人工定期读卡，数据仅仅是某一时刻的数值，不是这段时间的数据包，无法反映农作物真正的生长状态；采集信息的设备昂贵且笨重，安装困难，占地面积大，维修难度较大，电缆布线错综复杂，容易受环境影响氧化或腐化而受损，维修不及时，就会造成数据的丢失，无法获得最新数据，况且监测范围广大，放置设备时需要准确确定位置，否则就会出现监测漏洞，局部的数据自然无法代表整体，打
15、个比方，要是调查全国男人的身高，仅仅调查黑龙江男性的身高并不能代表全中国一样，这样的结论太过狭隘，没有论证力度 2；监测环境发生突变时，不能及时改变设备参数，系统稳定性差；设备容易损坏，监测数据无法发送到监测终端，容错性差。因此，这些因素催生了无线传感技术。那到底什么是无线传感技术？简单的说它是由无线通信和嵌入式两种技术杂交产生，功能是实现远程传输，并且不用布线，保证农作物种植面积，不用人工读取数据，节省人力，传感器抗干扰性强，数据采集精准，设备简单且廉价，可以大规模安装，不仅容易维修且不会出现监测死角，这就使得数据具有代表性。无线传感技术简言之就是由多个传感器和无线传输模块构成一个无线传感器
16、网络，与上位机结合，构成这个精准农业环境监测系统；我们知道，无线传输技术有很多种，每一种也有不同的标准和特点，本设计采集空气温湿度、二氧化碳浓度、光照强度这些环境参数，除此之外还采集了视频信号，达到全面实时监测，那么根据采集信息的不同、传输速率、传输有效距离以及设计花费等因素，在无线传输这里需要多加考虑，并不是每种无线技术都能达到设计的标准，所以这就需要多种无线传感技术的融合，那以下就根据这些微妙的不同做一下简单的分析。齐齐哈尔大学毕业设计(论文）1就像世界上有很多不同人种一样，无线传感技术也有相应的种类，我们在设计本监测系统时就必须考虑种类问题，种类不同，特点不同；传输距离、传输速率、功耗、
17、成本等，还需要接收上位机指令实现双向通信，当前被人们所熟知无线传输技术不外乎就是 Zigbee、Wifi、蓝牙、第三代移动通信技术、红外等 3；每一种都有自己与众不同的特点，要知道整个系统都是在野外长时间作业的，所以，低功耗是选择的无线传输技术的硬性指标，一旦这个指标不符合，则不用再考虑，Zigbee 技术和 Wifi 技术是比较适合的，Zigbee 最突出的特点是短距离传输、功耗很低、实现数据双向通信，最关键的就是成本很低，它组成了网络无非就是以自己为核心，其他传感器作为附属连接在核心上，这样就构成一个无线传输网络，只要节点足够多，它覆盖的面积可以达到无限，就是由于这个特点，它可以随意扩展，
18、可调性非常大，从另一方面看，跟GSM 和 CDMA 有相似之处，却也存在不同，后者两个都是传输语音信号，这就与本设计不符合了，选取 Zigbee 模块作为传感器数据传输模块，它有三种传输速率，可以具体情况具体分析，有两种工作模式，多级休眠和唤醒，只需要根据上位机指示然后操作即可，可以降低功耗，而使用 Wifi 技术传输视频信号，因为 Zigbee 无法实现视频实时传输，即使分辨率足够低且能打包压缩也无法实现实时监测，就算上述因素满足，带宽和传输速率也不能达到传输视频信号的要求，除此之外，Zigbee 只能传输容量较小的数据，比如温湿度、二氧化碳浓度等，而对于视频信号这样容量大的数据则不可，并且
19、本视频采集只是一个固定的采集点，它采集半径在 100m 之内的所有视频信息，所以对比传输距离，Zigbee 的传输距离较短于 Wifi，所以，综合考虑 Wifi 更加适合 4。1.2 国内外研究现状国外发达国家的农业发展本身起步就很早，虽然土地面积不如中国广阔，但是小却精，而且经济水平要远比中国高、科技力量先进，采用了模糊控制、多单元变量等先进技术对农业进行控制，当 20 世纪接近尾声的时候，计算机发展的号角响起，各国学者都争先恐后的希望以计算机为依托做出更多贡献，显然计算机技术具有足够大的魅力，引领着研究人员将科技运用到各种行业当中。结合不同农作物最佳生产条件，调节外部设备，设置不同的环境参
20、数，改善生长环境，赚取更多的经济收益。据调研发现，早在 2002 年时，英特尔公司运用无线传感器网络技术建立了第一个无线葡萄园，此举为农业的发展开辟了历史性的新篇章 5。即使原理比较简单，操作也相对容易，可毕竟技术有限，所以只能按照想法简单的实施，将大量的监测节点零散的安装在葡萄园里，形成一个包围型网络，将传感器采集模式设定成每隔一分钟检测一次温湿度，除此之外，该区域出现的有害物的数量也会被记录，监测人员通过显示的数据给予恰当的措施，保证其生长最佳。在整个试验中，研究人员发现，葡萄生长主要受气候影响，气候特别恶劣，葡萄到不到预期的标准，酒的品质自然也随之降低。齐齐哈尔大学毕业设计(论文）2通过
21、常年累计的大量的数据，进行多角度对比分析，利用现有设备，良好的掌握了葡萄的动态生长确实和环境参数息息相关，精确掌握葡萄生长过程中所需要的光照强度、二氧化碳浓度、风力强度、以及土壤 PH 等酸碱度，确定了这些因素，就能通过人工手段创造一个最适合葡萄生长的环境，从而获得最大的生产量。受到国外成功案例的启发，我国也紧追其后，北京市计划项目“蔬菜生产智能网络传感器体系研究与应用” 6，具体做法非常简单，就是把蔬菜大棚分成很多个单元，就像居民楼一样，一个单元当作一个监测区，每个监测区内都放置几个监测节点，用来采集这个单元内的环境参数信息，并且，区域与区域之间覆盖的网络范围并不重合，也就是每个传感器所能达
22、到的最大监测范围的边缘也恰是另一个传感器的监测范围边缘，这样既满足网络不重叠，也保证采集的高效。通过这些环境参数数据的对比，人为的强制性的改变其中某一参数，使其达到最佳生长状态。也就是说无线传感设备、监测者、控制中心形成一条监测纽带，实现人机一体化，从而达到预期目的、增加管理者收入。其次，由于物联网技术的飞速发展，农业发展比较集中的地区成为了试点对象，2015 年，黑龙江省克东县就作为智慧农业的实验对象，根据国家发展项目的要求，鼓励智慧农业，国家会给项目提供实验资金，帮助整个项目顺利实施，通过大面积投产、使用，意图达到令人满意的结果。 无论是对无线传感器网络还是对农业来说都是极致的发挥了本身最
23、大的优点 6，它安装简单，价格廉价、无需管理者花费大量时间管理，给管理者提供了前所未有的便利，真真正正实现农业环境的动态管理，总体来说，农作物环境信息采集加上控制中心监测完美的构建了一个无线监测平台，这个监测平台以最低的投入、最简单的管理、最高效的回报。1.3 本文内容及安排论文首先论述了选题意义和背景，长时间调研，认为此课题具有研究意义并具有可行性，其次了解选题的国内外研究现状，参考国内外无线传感器网络在农业环境监测方面的案例以及未突破的难点等，掌握系统设计所使用的核心技术和技术原理，清晰的掌握设计思路，在这之后就要涉及具体的设计流程了，首先就是整体设计方案，这点很重要，一个清晰的设计方案可
24、以高效的完成工作，另一点就是元件的选取，这一点同样重要，元件的种类繁多而且各不相同，所以，综合多种因素选择合适的元件也是整个设计的关键之一，另外就是软件设计，这一点需要考察的就是设计者的编写程序的能力，有些程序是开源免费的，但是有些程序则需要根据不同的硬件编写，本设计中传感器很多，但是大体的思路几乎相同，所以设计起来并不是很困难，那最重要的算是上位机了，所谓监测系统必然是监测最重要，这就需要对上位机软件选取的齐齐哈尔大学毕业设计(论文）3要求比较高，设计的界面不能过于复杂，但是也不能十分简单，要有独到的设计特点，便于管理者分析等等 7。最后针对典型的环境监测应用，对系统的传输性能进行实验，并将
25、该系统对得到的检测结果进行储存、分析和处理。那么，论文的主要内容如下：第 1 章 绪论这一章的内容并不复杂，背景和意义一定要清晰，这也是选择本设计题目的依据，国内外研究现状，根据国内外现状，开发本设计的特色，然后就是论文内容安排，清晰的梳理思路，保证论文的撰写。第 2 章 这一章详细介绍整体的设计方案和核心技术，一个好的设计方案会使得设计清晰，若是哪里出错，根据设计方案回头一步一步找即可，还要说明，系统完成之后能到什么样的功能以及这个设计可以应用在什么样的环境下，还涵盖了硬件的选取，包括传感器的各种型号分析、无线传输模块分析，选择最佳型号。第 3 章 这一章是本论文的核心章，主要叙述了整体的硬
26、件设计，除了主要介绍整体硬件设计方案，还会一块一块解读，包括无线传输模块怎样进行电路设计，考虑了那些因素，具体怎样连接引脚等。第 4 章 此章也是论文核心章节，同硬件类似，先是总体讲述设计理念，然后对各个部分逐一解读，设计还包括了软件的选择和使用语言的简述。第 5 章 此章介绍整个系统设计的调试，到了这章，整个设计大概完成了，但是还需进一步对硬件和软件进行调试。齐齐哈尔大学毕业设计(论文）4第 2 章 系统整体设计方案和核心技术2.1 系统功能要求及应用环境随着人们生活水平的提高，农业生产迟钝化、笨重化的问题,传统的农作物生产已远远不能满足人们的要求。并且时代在进步，科技在发展，每一天都会有惊
27、喜出现，无线通信技术、传感器技术,带动着我们更加向前，人们不满足这样笨拙的监管方式，对其提出了更高的需求，不仅仅是投入更少、收入更多，更多的是效率和方式，高效率的工作方式给我们带来足够的便利，因此，正是因为这些因素催生了本监测系统。基于无线传感器网络的精准农业环境监测系统设计可实现如下功能:(1)能完成农业环境中温湿度、二氧化碳浓度、光照强度的采集。(2)能完成以上采集数据的无线传输。(3)能完成农业大棚内视频的采集。(4)能完成视频的无线传输。(5)上位机显示接收的所有数据和视频，若超出设定的阈值就会报警提示。本系统主要应用于集中性农业大棚或温室，便于监测者对农作物的生长环境进行监测，为监测
28、者建立起良好的农作物监测机制。2.2 系统设计思想本系统采用无线传感器网络技术，实现从温室大棚采集植物生长所需要环境参数，以及病虫害情况，将采集的数据通过协调器传送到上位机，与上位机设定的阈值比较，若是超过这个范围，上位机提示，告诉监测者，此时参数超出标准，需要调整外围设备控制整个大棚的环境达到农作物生长最优的范围；此外，整个系统还涉及了视频采集技术，这部分使用摄像头直接采集图像，观测整个监测区域是否有病虫害，若是有病虫害情况，就会通过上位机显示的视频观测到，从而采取相应措施，使整个农业环境达到最佳，从而实现精准农业环境监测目的。在此过程利用 ZigBee 技术、无线传感器技术、Wifi 技术、视频监控技术从农业到管理中心进行全面的监测。这个监测系统能够达到花费少、收入多的效果，从根本上改善传统农业。首先，我们把一个农业大棚作为一个实验对象，在实验对象内分区，将每个区域作为一个监测单元，每一个监测单元内放置两个传感器节点，这两个传感器节点作为终端节点，它们的任务就是精准的采集农作物生长环境参数。而另一部分则采用 Wifi加视频技术，可以全面监测整个大棚的整体环境情况，对监测农作物病虫害有极大帮助，然后根据两个部分回传给监测中心的数据，进行数据判断，若是，采集的参数不
