發布時間：2020-09-02所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘要：本設計主要完成的工作及內容，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了對養殖場內各項指標的采集，在調試及誤差分析階段符合當前智能農業生產中的調價和要求。其次是采用最新的物聯網芯片模組(ESP8266) 設計了基于Android智能終
摘要：本設計主要完成的工作及內容，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了對養殖場內各項指標的采集，在調試及誤差分析階段符合當前智能農業生產中的調價和要求。其次是采用最新的物聯網芯片模組(ESP8266) 設計了基于Android智能終端采集系統，在此系統中成功實現了對應用層的開發，并采用WiFi成功實現了網絡的對接，將傳感器數據打包上傳，并可以實時監測傳感器數據，還可成功實現對燈光、排風、噴灑等設備的控制。在軟件方面可以實現智能養殖場遠程監控系統控制界面，此界面不僅可以實現了在電腦PC端的在線監控，還可以實現了在手機APP客戶端的遠程移動監控。
關鍵詞：整體方案、硬件設計、軟件設計、系統構架與測試
一、系統的整體思路和設計方案
隨著科技的發展和物聯網技術的發展，社會對無線接入技術應用的需求日益增大，這很大的推動了無線通信技術向著微型化、智能化、實時性發展。然而，智能養殖業這一領域我國起步晚，相關無線通信技術還不完善。傳統的智能養殖成本高，損耗大。相比于傳統智能養殖，本設計有如下特色：
�、賹祿耐掏铝克俾蕚鬏斠蟮停β氏谋葌鹘y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布置大量的無線接入點;
③元器件價格低廉，適合批量生產，成本低;
�、苣軌蛟O計以下功能的設備：保持最小的話務通信鏈路和無線收發信機的低復雜度;低功耗、低價格、低通信標準、低帶寬和低數據傳輸速率。
下面框圖將展示總體方案：
本系統由三部分組成：數據采集端、網絡服務端和客戶監控端。
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傳感器來采集各種參數;
服務器端：ZigBee終端節點與ZigBee協調器構成ZigBee網絡，通過無線通信技術進行數據的上傳、接收和發送;
客戶端：客戶端分為兩部分：一為上位機監控軟件，協調器通過串口與上位機進行通信，包括數據的接收與轉發;二是通過ESP8266構成的無線網絡與Andriod客戶端軟件進行通信，可通過Andriod客戶端對養殖場進行遠程的監控與控制。
系統的關鍵技術為：
①ZigBee無線傳感器網絡;②WiFi模塊傳輸;③上位機軟件技術;
④Android手機客戶端軟件技術。
二、硬件設計
基于ZigBee的遠程養殖場監控系統的硬件部分主要可以實現三個功能: 組網、數據的采集和數據的傳輸。系統功能和需求:
�、賈igBee通信網絡中的一個協調器節點和各個終端節點采用星形拓撲網絡結構來進行接收和發送數據;
②協調器節點通過串口通信來接收上位機的調控命令，并可以將命令通過ZigBee網絡發送給相應的終端節點;
③終端節點加入ZigBee網絡，利用各種傳感器并采集相應的數據，并將數據通過網絡傳遞給協調器節點，也可接受來自于上位機傳遞給協調器，協調器再將其傳遞給終端節點，并執行相應的調控動作。
監控系統的硬件框圖，如圖所示：
(1)主控模塊(CC2530)
養殖場監控系統中ZigBee 芯片的MCU是TI 公司生產的CC2530 芯片。CC2530芯片是目前市場上最常用、最有效的ZigBee 片上系統，在CC2430和CC2431的基礎上開發，具有CC2430和CC2431的一系列優點。它是一個射頻芯片，完全兼容8051內核，支持IEEE802.15.4協議。
CC2530 芯片上集成了各種處理器，如ZigBee 射頻前端、內存和微控制器。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，它主要實現對傳感器采集的數據進行處理，并將數據通過無線發送出去，這樣就節約了ZigBee無線傳感網絡中的成本，且性能良好、穩定。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硬件調試，可以直接使用JTAG仿真器對芯片進行調試。
(2)電源模塊
電源模塊為節點正常運轉提供電量的支持。ZigBee網絡中的協調器節點需要不聞斷工作，采用USB固定電源供電，USB供電為5V，而終端節點通常布置在養殖場內的各個區域，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
養殖場監控系統主要監控相關參數有空氣溫濕度、有害氣體濃度、光照強度等。采集這些數據的傳感器插在每個終端節點上，用來采集養殖場內各個區域的環境情況。
�、贉貪穸葌鞲衅�(DHT11)：DHT11作為一種溫濕度復合傳感器，它能夠輸出經過修正之后的數字信號。得益于它獨特的數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換成電信號或者其他形式的信息輸出的能力，包含它的產品都有一些優勢。你譬如說，這樣的產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。
�、跉怏w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系。值得一提的是，這個傳感器除了能夠用來監測有害氣體，譬如液化氣、丙烷之外，更能夠用來監測可燃的氣體，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，所以測量數據穩定，因為其內部的加熱絲，所以熱屬于正�，F象，但如果傳感器是發燙，則不正常。
�、酃饷魝鞲衅鳎汗饷綦娮杵魇且环N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。光敏電阻模塊用于檢測環境光的亮度，采用寬電壓LM39 3比較器放大電流，信號干凈，波形良好，驅動能力強，電流超過15mA。且配置了可調電位器用來調節檢測對比的光線亮度。并且模塊設有固定螺栓孔M3，方便用戶安裝。
(4)串口通信模塊
串行通信是指數據一位一位地順序傳送，上位機監控中心通過USB 數據線與ZigBee 無線傳感網絡中的協調器連接，進行串口通信。所收集的農場的參數值由協調器節點轉發到上位計算機監控軟件。上位機監控軟件通過協調器節點將命令轉發給終端節點，控制設備。協調器和上位機監控軟件通過串口進行通信。本文采用USB 轉串口的FT232 芯片進行信號電平匹配來實現協調器節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。上位計算機監控軟件向協調器發送命令，是以串行方式將數據依次傳輸給FT232 模塊，數據經過FT232 芯片的邏輯電路后，通過運算處理變為有效數據，再傳遞給協調器。這樣協調器就可以將有效的命令發送給終端節點來調控相關設備，同樣的，協調器節點向上位機監控軟件發送數據時，也需要經過FT232 芯片，將相關數據轉換為可以被USB串口接收類型的有用數據。
CC2530 通過UART 模塊來實現兩個功能，分別是將采集到的養殖場的參數數據發送給上位機監控軟件和接收來自上位機監控軟件的控制設備命令。同時上位機監控軟件接收來自協調器節點上傳的養殖場的參數值，并將上傳的數據與目標數據進行匹配,匹配不成功則向USB 端口自動發送調控設備命令。
(5)ESP2866模塊(Wi-Fi模塊)
物聯網中，存在一個關鍵的問題是各種普通的Andriod平臺如何接入網絡之中。Wi-Fi是一種可以將個人計算機和手持設備(如手機和平板電腦)以無線方式連接起來的技術。滿足設計要求，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協議棧和多路徑TCP客戶端連接，以及AT命令內置富插座，還支持UART/GPIO數據COM通訊接口，適用于電池供電的應用，簡單方便。
三、軟件設計
系統的ZigBee網絡由ZigBee技術組成，主要包括終端節點和協調器。ZigBee節點通過ZigBee網絡收集各種相關數據，并將它們發送給ZigBee協調器，而協調器通過串行通信將數據傳送到上位計算機監控軟件。同時，ESP8266芯片構成WiFi，產生局域網，Android平臺監測連入，WiFi實現數據的上傳、接收和發送。
(一)CC2530編程軟件開發
嵌入式IAR Embedded Workbench IDE提供了各種開發工具的框架，可以完全嵌入，包括高度優化的IAR AVR C/C++編譯器;AVR IAR匯編;一般IAR XLink鏈接;IAR XAR圖書館建設者和IAR Xlib館員;項目經理;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，用戶在開發新項目時可以在熟悉的開發環境中執行。此開發環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，大大節省了工作時間。
(二)上位機監測軟件的開發與設計
上位機監測軟件主要包括數據曲線顯示模塊和控制顯示模塊:
(1)數據曲線顯示模塊：主要顯示由終端節點采集的養殖場參數值。，還添加了曲線顯示溫濕度，方便用戶查看參數值變化趨勢;當養殖場內存在著可燃、有害氣體和強烈光照的時時候，上位機監控界面會發出警告提醒，用戶可以進行相應的調控，以降低用戶的損失，達到利潤最大化。
(2)控制顯示模塊，主要是用來發送命令給節點，驅動相應的設備來控制風扇通風、照明設備和加溫設備等;，上位機監測軟件可以直觀的了解所測得參數，如果不合適可人為調節，通過控制相關設備來調節養殖場的各種參數。
(三)上位機軟件開發環境
上位機監測軟件的用戶頁面采用 C#軟件來實現。
(1)解壓C#安裝包;(2)雙擊setup.exe，安裝C#開發環境。打開上位機監測軟件，顯示監測界面，在界面上點擊打開串口按鈕，如果協調器已與PC連接,系統會自動識別協調器串的口號并顯示在框里，點擊自動刷新。此時會監測上位機是否有數據發送過來，若有則接收數據，并在界面顯示區域將數據顯示出來,溫濕度上也會有相應變換，同時曲線也會顯示出數據變化趨勢;同時，當養殖場里面氣體異常時，上位機監控軟件界面會進行報警; 并且用戶可以通過上位機監控軟件直觀觀察參數，若不合理，可手動調節裝備進行調節。
(四)Android平臺監測開發與設計
本系統的Android客戶端分為三個模塊: 監控模塊、控制模塊與通信模塊：
(1)監控模塊：主要是用來顯示養殖場環境參數值，主要有溫濕度數據、光照強度數據、有害氣體濃度數據。然后移動平臺將接收的數據進行顯示，用戶可通過相關手機客戶端連入WiFi網絡中來隨時隨地的查看養殖場的情況。
(2)控制模塊主要用于控制相關節點，控制通風設備、照明設備、加熱設備等。用戶可以根據手機客戶端所顯示的數據對相關設備進行控制，使養殖場的各種環境參數達到動物生長的最佳值，減少損失，增加利潤�？蛻舳丝芍庇^的了解養殖場ZigBee節點實時傳來的數據，若不合理，可手動調節裝備進行調節。
(3)通信模塊主要是接受WiFi網絡傳送過來的養殖場內環境參數值和發送控制設備命令給節點終端。
整體結構圖如圖所示：
(五)Android移動終端的開發步驟
Android移動終端使用Eclipse進行開發，開發步驟如下:
(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,連入ESP8266芯片組成的WiFi無線網絡中進行通信，上傳和收發各種數據，實現系統功能。用戶需要先在手機或者平板電腦上安裝Android 客戶端監控軟件，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網絡的IP地址，然后用戶輸入服務器的IP 地址, 請求連接到網絡，連接網絡成功后，手機或平板界面會顯示“連接成功”的提示，這時監控界面就會顯示出養殖場各個終端節點所采集的相關數據。
四、系統架構與測試
根據前面內容的詳細敘述和設計實現，系統功能已基本完成。接下來將進行養殖場監控系統功能測試,系統功能測試包括硬件測試：ZigBee無線網絡的測試和軟件測試：上位機監測軟件的測試和Android 移動平臺客戶端的測試。在系統調試過程中，將ZigBee無線傳感網絡組建并進行工作，并將協調器節點與上位機連接，通過上位機檢測界面實時顯示數據，Android客戶端連入ESP8266構成的WiFi模塊，無線通信實時的接收和上傳數據,最終來測試整個系統的性能。
(一)硬件測試
ZigBee無線網絡終端節點和協調器節點之間采用星形拓撲結構，本作品硬件組成包括一個協調器節點和四個數據采集節點，匯聚數據十分方便。如圖所示，左邊的是四個終端節點，終端節點負責采集數據和控制設備，在采集到溫濕度、光照、氣體等數據之后，對數據進行相關處理，然后處理好的有效數據通過ZigBee無線傳感網絡傳輸至協調器節點，也可以接受命令控來制設備相關設備以調節養殖場環境;右邊的節點是協調器節點，主要負責組建網絡、接收數據/命令、發送數據/命令，將所有數據通過串口通信傳輸至上位機監控軟件。
測試目的：①ZigBee協調器和ZigBee節點組建無線通信網絡是否成功;
②ZigBee節點數據是否傳給ZigBee協調器;
�、弁ㄟ^串口通信技術，ZigBee協調器是否能成功的把數據上傳給上位機，并且接受來自上位機的調控命令;
測試步驟：①搭建好系統測試環境;
�、谟肬SB線將協調器節點和PC上位機所連接起來;
③打開協調器節點，給協調器節點先上電，電腦會自動識別串口號;
�、軐貪穸葌鞲衅�、氣體傳感器、光敏傳感器、繼電器等嵌入終端節點上，并給終端節點上電，預熱數秒，使其正常工作;
�、莅惭b串口助手，打開協調器串口，設置波特率為38400，進行通信;
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期望結果：當協調器節點上電后，LED3常亮，并與串口助手進行通信;當終端節點上電后，LEDI燈有規律的閃爍，當節點連入ZigBee網絡成功之后，LED3燈常亮，LEDI燈熄滅;——論文作者：吳宇
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