發(fā)布時間：2020-09-02所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：本設(shè)計主要完成的工作及內(nèi)容，首先是采用溫濕度傳感器、氣體傳感器、光照強度傳感器成功實現(xiàn)了對養(yǎng)殖場內(nèi)各項指標的采集，在調(diào)試及誤差分析階段符合當前智能農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的調(diào)價和要求。其次是采用最新的物聯(lián)網(wǎng)芯片模組(ESP8266) 設(shè)計了基于Android智能終
摘要：本設(shè)計主要完成的工作及內(nèi)容，首先是采用溫濕度傳感器、氣體傳感器、光照強度傳感器成功實現(xiàn)了對養(yǎng)殖場內(nèi)各項指標的采集，在調(diào)試及誤差分析階段符合當前智能農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的調(diào)價和要求。其次是采用最新的物聯(lián)網(wǎng)芯片模組(ESP8266) 設(shè)計了基于Android智能終端采集系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中成功實現(xiàn)了對應用層的開發(fā)，并采用WiFi成功實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的對接，將傳感器數(shù)據(jù)打包上傳，并可以實時監(jiān)測傳感器數(shù)據(jù)，還可成功實現(xiàn)對燈光、排風、噴灑等設(shè)備的控制。在軟件方面可以實現(xiàn)智能養(yǎng)殖場遠程監(jiān)控系統(tǒng)控制界面，此界面不僅可以實現(xiàn)了在電腦PC端的在線監(jiān)控，還可以實現(xiàn)了在手機APP客戶端的遠程移動監(jiān)控。
關(guān)鍵詞：整體方案、硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、系統(tǒng)構(gòu)架與測試
一、系統(tǒng)的整體思路和設(shè)計方案
隨著科技的發(fā)展和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，社會對無線接入技術(shù)應用的需求日益增大，這很大的推動了無線通信技術(shù)向著微型化、智能化、實時性發(fā)展。然而，智能養(yǎng)殖業(yè)這一領(lǐng)域我國起步晚，相關(guān)無線通信技術(shù)還不完善。傳統(tǒng)的智能養(yǎng)殖成本高，損耗大。相比于傳統(tǒng)智能養(yǎng)殖，本設(shè)計有如下特色：
①對數(shù)據(jù)的吞吐量速率傳輸要求低，功率消耗比傳統(tǒng)的智能化所耗的功率低;
②簡單方便，可以隨意增加或衰減各種傳感器，可在個人活動空間內(nèi)布置大量的無線接入點;
③元器件價格低廉，適合批量生產(chǎn)，成本低;
④能夠設(shè)計以下功能的設(shè)備：保持最小的話務(wù)通信鏈路和無線收發(fā)信機的低復雜度;低功耗、低價格、低通信標準、低帶寬和低數(shù)據(jù)傳輸速率。
下面框圖將展示總體方案：
本系統(tǒng)由三部分組成：數(shù)據(jù)采集端、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)端和客戶監(jiān)控端。
采集端：通過溫度傳感器、氣體傳感器和濕度傳感器等一系列相關(guān)傳感器來采集各種參數(shù);
服務(wù)器端：ZigBee終端節(jié)點與ZigBee協(xié)調(diào)器構(gòu)成ZigBee網(wǎng)絡(luò)，通過無線通信技術(shù)進行數(shù)據(jù)的上傳、接收和發(fā)送;
客戶端：客戶端分為兩部分：一為上位機監(jiān)控軟件，協(xié)調(diào)器通過串口與上位機進行通信，包括數(shù)據(jù)的接收與轉(zhuǎn)發(fā);二是通過ESP8266構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)與Andriod客戶端軟件進行通信，可通過Andriod客戶端對養(yǎng)殖場進行遠程的監(jiān)控與控制。
系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)為：
①ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò);②WiFi模塊傳輸;③上位機軟件技術(shù);
④Android手機客戶端軟件技術(shù)。
二、硬件設(shè)計
基于ZigBee的遠程養(yǎng)殖場監(jiān)控系統(tǒng)的硬件部分主要可以實現(xiàn)三個功能: 組網(wǎng)、數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)的傳輸。系統(tǒng)功能和需求:
①ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)中的一個協(xié)調(diào)器節(jié)點和各個終端節(jié)點采用星形拓撲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來進行接收和發(fā)送數(shù)據(jù);
②協(xié)調(diào)器節(jié)點通過串口通信來接收上位機的調(diào)控命令，并可以將命令通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給相應的終端節(jié)點;
③終端節(jié)點加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，利用各種傳感器并采集相應的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳遞給協(xié)調(diào)器節(jié)點，也可接受來自于上位機傳遞給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再將其傳遞給終端節(jié)點，并執(zhí)行相應的調(diào)控動作。
監(jiān)控系統(tǒng)的硬件框圖，如圖所示：
(1)主控模塊(CC2530)
養(yǎng)殖場監(jiān)控系統(tǒng)中ZigBee 芯片的MCU是TI 公司生產(chǎn)的CC2530 芯片。CC2530芯片是目前市場上最常用、最有效的ZigBee 片上系統(tǒng)，在CC2430和CC2431的基礎(chǔ)上開發(fā)，具有CC2430和CC2431的一系列優(yōu)點。它是一個射頻芯片，完全兼容8051內(nèi)核，支持IEEE802.15.4協(xié)議。
CC2530 芯片上集成了各種處理器，如ZigBee 射頻前端、內(nèi)存和微控制器。它接受靈敏度高，抗干擾性能強。CC2530芯片的電流消耗和封裝尺寸都特別小，使用方便，它主要實現(xiàn)對傳感器采集的數(shù)據(jù)進行處理，并將數(shù)據(jù)通過無線發(fā)送出去，這樣就節(jié)約了ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的成本，且性能良好、穩(wěn)定。CC2530芯片的電流損耗為29毫安;在接收模式下，電流損耗低于24毫安;在發(fā)射模式下，電流損耗小于29毫安。CC2530的待機模式和過渡到主動模式較短，能夠滿足低能耗、快速靈活的要求。此外，CC2530芯片還支持JTAG硬件調(diào)試，可以直接使用JTAG仿真器對芯片進行調(diào)試。
(2)電源模塊
電源模塊為節(jié)點正常運轉(zhuǎn)提供電量的支持。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器節(jié)點需要不聞斷工作，采用USB固定電源供電，USB供電為5V，而終端節(jié)點通常布置在養(yǎng)殖場內(nèi)的各個區(qū)域，則采用5V電池供電。ZigBee模塊工作電壓為5.0V，12.0V/5.0V DC的電源電路。
(3)傳感器模塊
養(yǎng)殖場監(jiān)控系統(tǒng)主要監(jiān)控相關(guān)參數(shù)有空氣溫濕度、有害氣體濃度、光照強度等。采集這些數(shù)據(jù)的傳感器插在每個終端節(jié)點上，用來采集養(yǎng)殖場內(nèi)各個區(qū)域的環(huán)境情況。
①溫濕度傳感器(DHT11)：DHT11作為一種溫濕度復合傳感器，它能夠輸出經(jīng)過修正之后的數(shù)字信號。得益于它獨特的數(shù)字部分收集能力和對于溫濕度的感受并能把感受到的信息轉(zhuǎn)換成電信號或者其他形式的信息輸出的能力，包含它的產(chǎn)品都有一些優(yōu)勢。你譬如說，這樣的產(chǎn)品具有一定的可靠性，對信息的處理響應快，信號的傳輸距離也較長，成本也不高，不容易被外界因素干擾，輸出的信號相對正確等。這個傳感器包含電容式傳感器與NTC測溫元件兩部分，之后再和8位單片機相連。
②氣體傳感器(MQ-2)：MQ-2氣體傳感器中選擇了氧化錫(SnO2)來作為檢測氣體的材料。這是因為氧化錫在潔凈的空氣中電導率低，但是一旦MQ-2被放置在含有遇到火源會發(fā)生爆炸的可燃氣體時，它的電導率就會和可燃氣體的濃度成正比。因此，我們可以利用這一特性，在電路的支持下，把電導率的變化與氣體濃度的變化想聯(lián)系。值得一提的是，這個傳感器除了能夠用來監(jiān)測有害氣體，譬如液化氣、丙烷之外，更能夠用來監(jiān)測可燃的氣體，比如天然氣。AO端子輸出：0.1-0.3V，低電壓，幾乎無污染。最大濃度電壓約為4V。電傳感器，一般需要預熱約20秒，所以測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定，因為其內(nèi)部的加熱絲，所以熱屬于正常現(xiàn)象，但如果傳感器是發(fā)燙，則不正常。
③光敏傳感器：光敏電阻器是一種特殊的電阻器，它是由半導體材料如硫化物或硒化物制成的，它是基于內(nèi)光電效應的原理。隨著光強的逐漸增大，電阻值迅速減小。在沒有光的情況下，暗電阻很大，電阻幾乎是高阻狀態(tài)。光敏電阻模塊用于檢測環(huán)境光的亮度，采用寬電壓LM39 3比較器放大電流，信號干凈，波形良好，驅(qū)動能力強，電流超過15mA。且配置了可調(diào)電位器用來調(diào)節(jié)檢測對比的光線亮度。并且模塊設(shè)有固定螺栓孔M3，方便用戶安裝。
(4)串口通信模塊
串行通信是指數(shù)據(jù)一位一位地順序傳送，上位機監(jiān)控中心通過USB 數(shù)據(jù)線與ZigBee 無線傳感網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器連接，進行串口通信。所收集的農(nóng)場的參數(shù)值由協(xié)調(diào)器節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)到上位計算機監(jiān)控軟件。上位機監(jiān)控軟件通過協(xié)調(diào)器節(jié)點將命令轉(zhuǎn)發(fā)給終端節(jié)點，控制設(shè)備。協(xié)調(diào)器和上位機監(jiān)控軟件通過串口進行通信。本文采用USB 轉(zhuǎn)串口的FT232 芯片進行信號電平匹配來實現(xiàn)協(xié)調(diào)器節(jié)點和上位機之間通信。
CC2530有兩個串行通信接口，USARTO.USATARI，通常采用異步UART模式。上位計算機監(jiān)控軟件向協(xié)調(diào)器發(fā)送命令，是以串行方式將數(shù)據(jù)依次傳輸給FT232 模塊，數(shù)據(jù)經(jīng)過FT232 芯片的邏輯電路后，通過運算處理變?yōu)橛行?shù)據(jù)，再傳遞給協(xié)調(diào)器。這樣協(xié)調(diào)器就可以將有效的命令發(fā)送給終端節(jié)點來調(diào)控相關(guān)設(shè)備，同樣的，協(xié)調(diào)器節(jié)點向上位機監(jiān)控軟件發(fā)送數(shù)據(jù)時，也需要經(jīng)過FT232 芯片，將相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可以被USB串口接收類型的有用數(shù)據(jù)。
CC2530 通過UART 模塊來實現(xiàn)兩個功能，分別是將采集到的養(yǎng)殖場的參數(shù)數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機監(jiān)控軟件和接收來自上位機監(jiān)控軟件的控制設(shè)備命令。同時上位機監(jiān)控軟件接收來自協(xié)調(diào)器節(jié)點上傳的養(yǎng)殖場的參數(shù)值，并將上傳的數(shù)據(jù)與目標數(shù)據(jù)進行匹配,匹配不成功則向USB 端口自動發(fā)送調(diào)控設(shè)備命令。
(5)ESP2866模塊(Wi-Fi模塊)
物聯(lián)網(wǎng)中，存在一個關(guān)鍵的問題是各種普通的Andriod平臺如何接入網(wǎng)絡(luò)之中。Wi-Fi是一種可以將個人計算機和手持設(shè)備(如手機和平板電腦)以無線方式連接起來的技術(shù)。滿足設(shè)計要求，簡單有效，可靠方便。ESP8266模塊是一種應用廣泛、體積小、功耗低、引腳豐富的WiFi芯片。可擴展功能非常強大，支持無線802.11 B/G/N三標準，支持STA/AP/STA+AP三工作模式，同時支持TCP/IP協(xié)議棧和多路徑TCP客戶端連接，以及AT命令內(nèi)置富插座，還支持UART/GPIO數(shù)據(jù)COM通訊接口，適用于電池供電的應用，簡單方便。
三、軟件設(shè)計
系統(tǒng)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)由ZigBee技術(shù)組成，主要包括終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器。ZigBee節(jié)點通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)收集各種相關(guān)數(shù)據(jù)，并將它們發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器，而協(xié)調(diào)器通過串行通信將數(shù)據(jù)傳送到上位計算機監(jiān)控軟件。同時，ESP8266芯片構(gòu)成WiFi，產(chǎn)生局域網(wǎng)，Android平臺監(jiān)測連入，WiFi實現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳、接收和發(fā)送。
(一)CC2530編程軟件開發(fā)
嵌入式IAR Embedded Workbench IDE提供了各種開發(fā)工具的框架，可以完全嵌入，包括高度優(yōu)化的IAR AVR C/C++編譯器;AVR IAR匯編;一般IAR XLink鏈接;IAR XAR圖書館建設(shè)者和IAR Xlib館員;項目經(jīng)理;TM IAR C-S此外，大量的8位、16位和32位微處理器和微控制器適用于IAR，用戶在開發(fā)新項目時可以在熟悉的開發(fā)環(huán)境中執(zhí)行。此開發(fā)環(huán)境用戶易于學習并具有最廣泛的代碼繼承能力。嵌入式嵌入式工作臺可以有效地提高用戶的工作效率。通過IAR工具，大大節(jié)省了工作時間。
(二)上位機監(jiān)測軟件的開發(fā)與設(shè)計
上位機監(jiān)測軟件主要包括數(shù)據(jù)曲線顯示模塊和控制顯示模塊:
(1)數(shù)據(jù)曲線顯示模塊：主要顯示由終端節(jié)點采集的養(yǎng)殖場參數(shù)值。，還添加了曲線顯示溫濕度，方便用戶查看參數(shù)值變化趨勢;當養(yǎng)殖場內(nèi)存在著可燃、有害氣體和強烈光照的時時候，上位機監(jiān)控界面會發(fā)出警告提醒，用戶可以進行相應的調(diào)控，以降低用戶的損失，達到利潤最大化。
(2)控制顯示模塊，主要是用來發(fā)送命令給節(jié)點，驅(qū)動相應的設(shè)備來控制風扇通風、照明設(shè)備和加溫設(shè)備等;，上位機監(jiān)測軟件可以直觀的了解所測得參數(shù)，如果不合適可人為調(diào)節(jié)，通過控制相關(guān)設(shè)備來調(diào)節(jié)養(yǎng)殖場的各種參數(shù)。
(三)上位機軟件開發(fā)環(huán)境
上位機監(jiān)測軟件的用戶頁面采用 C#軟件來實現(xiàn)。
(1)解壓C#安裝包;(2)雙擊setup.exe，安裝C#開發(fā)環(huán)境。打開上位機監(jiān)測軟件，顯示監(jiān)測界面，在界面上點擊打開串口按鈕，如果協(xié)調(diào)器已與PC連接,系統(tǒng)會自動識別協(xié)調(diào)器串的口號并顯示在框里，點擊自動刷新。此時會監(jiān)測上位機是否有數(shù)據(jù)發(fā)送過來，若有則接收數(shù)據(jù)，并在界面顯示區(qū)域?qū)?shù)據(jù)顯示出來,溫濕度上也會有相應變換，同時曲線也會顯示出數(shù)據(jù)變化趨勢;同時，當養(yǎng)殖場里面氣體異常時，上位機監(jiān)控軟件界面會進行報警; 并且用戶可以通過上位機監(jiān)控軟件直觀觀察參數(shù)，若不合理，可手動調(diào)節(jié)裝備進行調(diào)節(jié)。
(四)Android平臺監(jiān)測開發(fā)與設(shè)計
本系統(tǒng)的Android客戶端分為三個模塊: 監(jiān)控模塊、控制模塊與通信模塊：
(1)監(jiān)控模塊：主要是用來顯示養(yǎng)殖場環(huán)境參數(shù)值，主要有溫濕度數(shù)據(jù)、光照強度數(shù)據(jù)、有害氣體濃度數(shù)據(jù)。然后移動平臺將接收的數(shù)據(jù)進行顯示，用戶可通過相關(guān)手機客戶端連入WiFi網(wǎng)絡(luò)中來隨時隨地的查看養(yǎng)殖場的情況。
(2)控制模塊主要用于控制相關(guān)節(jié)點，控制通風設(shè)備、照明設(shè)備、加熱設(shè)備等。用戶可以根據(jù)手機客戶端所顯示的數(shù)據(jù)對相關(guān)設(shè)備進行控制，使養(yǎng)殖場的各種環(huán)境參數(shù)達到動物生長的最佳值，減少損失，增加利潤。客戶端可直觀的了解養(yǎng)殖場ZigBee節(jié)點實時傳來的數(shù)據(jù)，若不合理，可手動調(diào)節(jié)裝備進行調(diào)節(jié)。
(3)通信模塊主要是接受WiFi網(wǎng)絡(luò)傳送過來的養(yǎng)殖場內(nèi)環(huán)境參數(shù)值和發(fā)送控制設(shè)備命令給節(jié)點終端。
整體結(jié)構(gòu)圖如圖所示：
(五)Android移動終端的開發(fā)步驟
Android移動終端使用Eclipse進行開發(fā)，開發(fā)步驟如下:
(1)安裝Eclipse軟件; (2)安裝并更新Android SDK;
(3)為Eclipse安裝ADT插件;
Android客戶端軟件部分的客戶端，采用的是C/S架構(gòu),連入ESP8266芯片組成的WiFi無線網(wǎng)絡(luò)中進行通信，上傳和收發(fā)各種數(shù)據(jù)，實現(xiàn)系統(tǒng)功能。用戶需要先在手機或者平板電腦上安裝Android 客戶端監(jiān)控軟件，然后打開軟件進行注冊登錄。用戶登陸成功后，需要輸入配置WiFi網(wǎng)絡(luò)的IP地址，然后用戶輸入服務(wù)器的IP 地址, 請求連接到網(wǎng)絡(luò)，連接網(wǎng)絡(luò)成功后，手機或平板界面會顯示“連接成功”的提示，這時監(jiān)控界面就會顯示出養(yǎng)殖場各個終端節(jié)點所采集的相關(guān)數(shù)據(jù)。
四、系統(tǒng)架構(gòu)與測試
根據(jù)前面內(nèi)容的詳細敘述和設(shè)計實現(xiàn)，系統(tǒng)功能已基本完成。接下來將進行養(yǎng)殖場監(jiān)控系統(tǒng)功能測試,系統(tǒng)功能測試包括硬件測試：ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的測試和軟件測試：上位機監(jiān)測軟件的測試和Android 移動平臺客戶端的測試。在系統(tǒng)調(diào)試過程中，將ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)組建并進行工作，并將協(xié)調(diào)器節(jié)點與上位機連接，通過上位機檢測界面實時顯示數(shù)據(jù)，Android客戶端連入ESP8266構(gòu)成的WiFi模塊，無線通信實時的接收和上傳數(shù)據(jù),最終來測試整個系統(tǒng)的性能。
(一)硬件測試
ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點之間采用星形拓撲結(jié)構(gòu)，本作品硬件組成包括一個協(xié)調(diào)器節(jié)點和四個數(shù)據(jù)采集節(jié)點，匯聚數(shù)據(jù)十分方便。如圖所示，左邊的是四個終端節(jié)點，終端節(jié)點負責采集數(shù)據(jù)和控制設(shè)備，在采集到溫濕度、光照、氣體等數(shù)據(jù)之后，對數(shù)據(jù)進行相關(guān)處理，然后處理好的有效數(shù)據(jù)通過ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸至協(xié)調(diào)器節(jié)點，也可以接受命令控來制設(shè)備相關(guān)設(shè)備以調(diào)節(jié)養(yǎng)殖場環(huán)境;右邊的節(jié)點是協(xié)調(diào)器節(jié)點，主要負責組建網(wǎng)絡(luò)、接收數(shù)據(jù)/命令、發(fā)送數(shù)據(jù)/命令，將所有數(shù)據(jù)通過串口通信傳輸至上位機監(jiān)控軟件。
測試目的：①ZigBee協(xié)調(diào)器和ZigBee節(jié)點組建無線通信網(wǎng)絡(luò)是否成功;
②ZigBee節(jié)點數(shù)據(jù)是否傳給ZigBee協(xié)調(diào)器;
③通過串口通信技術(shù)，ZigBee協(xié)調(diào)器是否能成功的把數(shù)據(jù)上傳給上位機，并且接受來自上位機的調(diào)控命令;
測試步驟：①搭建好系統(tǒng)測試環(huán)境;
②用USB線將協(xié)調(diào)器節(jié)點和PC上位機所連接起來;
③打開協(xié)調(diào)器節(jié)點，給協(xié)調(diào)器節(jié)點先上電，電腦會自動識別串口號;
④將溫濕度傳感器、氣體傳感器、光敏傳感器、繼電器等嵌入終端節(jié)點上，并給終端節(jié)點上電，預熱數(shù)秒，使其正常工作;
⑤安裝串口助手，打開協(xié)調(diào)器串口，設(shè)置波特率為38400，進行通信;
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期望結(jié)果：當協(xié)調(diào)器節(jié)點上電后，LED3常亮，并與串口助手進行通信;當終端節(jié)點上電后，LEDI燈有規(guī)律的閃爍，當節(jié)點連入ZigBee網(wǎng)絡(luò)成功之后，LED3燈常亮，LEDI燈熄滅;——論文作者：吳宇
