智能农业大棚环境监视系统的设计与实现

无线传感网络技术课程设计报告
学生姓名学号
学院计算机科学与技术学院
专业物联网工程
题目智能农业大棚环境监视系统的设计与实现指导教师
2016 年7 月 1 日
目录
1引言 ............................................................................................................. 错误！未定义书签。

1.1智能农业大棚应用的背景............................................................... 错误！未定义书签。

1.2智能农业大棚设计的目的与意义................................................... 错误！未定义书签。

2监视系统ZigBee网络设计方案 (1)
2.1 ZigBee网络技术简介（这个抄一下老师给我们的那个参考） (1)
2.2两种典型网络配置结构................................................................... 错误！未定义书签。

2.2.1两层网络，系统由两类点构成：........................................ 错误！未定义书签。

2.2.2三层网络，系统由三类点构成： (3)
3智能农业大棚控制系统的总体方案 (3)
3.1智能农业大棚的特点 (3)
3.2设计的总体思路 (4)
3.3系统分为三个模块（说一说各部分的功能与工作的流程） (5)
3.3.1 ZigBee无线传感节点 (5)
3.3.2 ZigBee数据汇聚节点 (5)
3.3.3 控制系统 (6)
3.4无线传感器网络拓扑连接图 (6)
4 结论 (6)
4.1 系统应该完成的功能 (6)
4.2心得体会和感悟 (7)
参考文献 (7)
1 引言
1.1智能农业大棚应用的背景
在我国智能农业大棚控制系统还处于发展阶段，特别是传统农业与现代自动化控制技术相结合的研究成果还不够成熟。

在传统的农业大棚中，浇水、通风，灯光等控制全凭经验、靠感觉。

对农业大棚内的温度、湿度、光照、二氧化碳的浓度、土壤的酸碱度等环境参数都需要靠人工进行采集，这样的传统农业大棚不仅大大耗费人工成本，而且还会因为监测不到位而使农业大棚的环境得不到保障。

因此智能的农业大棚应运而生。

1.2智能农业大棚设计的目的与意义
目的：
1)通过智能化的设计使得大棚的环境得到自动监视，便于管理员通过手机进行实时监查与管理。

2)将大棚内农作物的生长环境与温室环境有机结合，分析数据并确定适合温室大棚的控制系统。

意义：大大的缩减了人工巡查的成本，同时更加高效的实现了人工智能自动监管，使得农业大棚向信息化，网络化，智能化的方向发展。

2监视系统ZigBee网络设计方案
2.1 ZigBee网络技术简介
ZigBee是一组面向低速无线个人区域(LR-WPAN)的双向无线通信技术标准。

它是基于IEEE 802.15.4无线标准研制开发的，有关组网、安全和应用软件方面的技术标准。

其MAC层和物理层协议使用了IEEE 802.15.4标准，ZigBee联盟
对网路层协议和API（应用层）进行了标准化，同时还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，这种利用网络的远距离传输不会被其他节点获得。

与Wi-Fi,Bluetooth等其他无线接入技术相比，ZigBee具有的优势如下：
1、功耗低：工作非常省电，支持休眠状态。

由于周期很短，收发信息功耗较低，以及采用了休眠模式，ZigBee可确报两节5号电池支持6个月至两年左
右的使用时间；
2、工作频段灵活：使用的频段分别为2.4GHz(250Kb/s)、915MHz(40Kb/s)、和868MHz(20Kb/s)均为无须申请的ISM频段；
3、低成本：由于传输速率低，并且协议简单，降低了成本，另外使用ZigBee 协议可以免专利费；
4、组网灵活、网络容量大：ZigBee可采用星型、树型和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点；同时主节点还可由上一场网络节点管理，最多可支持达65000个节点。

5、安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用通用的AES-128，应用层安全属性可根据需求来配置。

6、高保密性：64位出厂编号和支持AES-128加密。

ZigBee网络具有三种拓扑结构，如图2-3所示。

图2-3 ZigBee网络拓扑结构图
1、星形拓扑结构：节点之间只有唯一的一条路径
2、树状拓扑结构：当从一个节点向另一个节点发送数据时，信息将沿着树的路径向上传递到最近的协调器节点，然后再向下传递到目标节点。

3、网状拓扑结构：网状拓扑结构是一种特殊的、按多跳方式传输的点对点的网络结构，其路由可自动建立和维护，并且具有多种强大的自组织、自愈功能。

网络可以通过“多跳”方式通信，可以组成极为复杂的网络，具有很大的路由深度和网络节点规模。

2.2两种典型网络配置结构
2.2.1两层网络，系统由两类点构成：
无线传感器节点，包括无线空气温湿度传感器、无线土壤温度传感器、无线
土壤含水量传感器、无线光照度传感器、无线CO2传感器等；
无线网关节点，包括Wi-Fi无线网关或GPRS无线网关。

该结构适用于园区已经有Wi-Fi局域网覆盖，或是可以采用GPRS直接上传数据的场景。

在此结构中，只需要在合适的区域部署无线网关，即可实现传感器数据的采集和上传。

（本次我所使用）
2.2.2三层网络，系统由三类点构成：
无线传感器节点，包括无线空气温湿度传感器、无线土壤温度传感器、无线土壤含水量传感器、无线光照度传感器、无线CO2传感器等；
无线网关节点；
数据路由器。

该结构适用于园区没有Wi-Fi局域网覆盖，也不准备采用GPRS直接上传数据的场景。

在此结构中，需要部署数据路由节点和无线网关，无线网关与数据路由节点之间以长距离无线通信方式进行数据的交换，在区域较大，节点间通信距离不足时，无线网关还可以相互之间进行自动数据中继，扩大监控网络的覆盖范围。

3智能农业大棚控制系统的总体方案
3.1智能农业大棚的特点
通过使用智能无线节点CC2530模块形成的小型局域网（如下图所示）。

红色为协调器模块（小型无线网络的网关），黄色为功能模块（子节点包括：温湿度采集模块、数字量输入/输出模块等）。

控制系统通过协调器模块（网关）将功能模块（子节点）所连接的传感器所采集的数据信息进行分析，最终通过程序将用户所需要的数据进行显示；并将其与已经设置好的最适合农作物生长环境的数据范围进行比较，从而控制农业大棚的环境得以让农作物更好的生长。

智能控制包括：环境温度，环境适度，光照，通风等。

3.2设计的总体思路
通过使用智能无线节点ZigBee通讯协议进行小型局域网络的组建，无线节点的控制，数据的接收与发送都要通过这个局域网络。

首先，控制系统通过农业大棚中的温湿度传感器，光照强度传感器，测定二氧化碳浓度传感器等一系列传感器对农业大棚的空气、环境参数进行采集，以达到远程监控的目的。

然后，智能农业大棚控制系统将采集的数据进行分析，处理，实现自动控制灌溉设备、通风设备、降温设备、遮阳设备等等。

同时，智能农业大棚控制系统还可以通过计算机等通信终端，向管理者推送实时监测信息、报警信息，实现温室大棚的信息化，网络化，智能化远程管理。

智能农业大棚事实的流程图
3.3系统分为三个模块
3.3.1 ZigBee无线传感器节点
根据总体设计的要求，ZigBee无线传感节点作为数据的采集节点，负责将温室大棚里的温湿度传感器，光照强度传感器，二氧化碳传感器等采集到的数据发送到ZigBee数据汇聚节点，即CC2530智能无线节点。

3.3.2 ZigBee数据汇聚节点
ZigBee数据汇聚节点，即CC2530智能无线节点。

USB串口输出，协调器获取底层的ZigBee无线传感节点采集的数据，并将其向上位机转发，所以ZigBee 汇聚节点（协调器）为一个小型局域网的网关。

3.3.3 控制系统
ZigBee数据汇聚节点将数据整合，然后传送给控制中心系统，控制中心系统首先将用户所需要的数据进行显示；并将获取的数据与已经设置好的最适合农作物生长环境的数据范围进行比较，从而控制农业大棚的环境让农作物更好的生长。

智能控制包括：环境温度，环境适度，光照，通风等。

3.4无线传感器网络拓扑连接图
4 结论
4.1 系统应该完成的功能
1.数据采集与监视功能：可在线实时24小时连续的采集和记录监测点位的温度、湿度、风速、二氧化碳、光照、空气洁净度等各项参数情况，以数字、图形和图像等多种方式进行实时显示和记录存储监测信息，监测点位可扩充多达上百个点。

2.报警功能：可设定各监控点位的温湿度报警限值，当出现被监控点位数据异常时可自动发出报警信号，报警方式包括：现场多媒体声光报警、电话语音报警、手机短信息报警等。

上传报警信息并进行本地及远程监测，系统可在不同的
时刻通知不同的值班人员；
3.控制系统自动控制执行设备的功能：如当室内的温度低于室内农作物的最适生长温度范围，则控制系统自动启动升温设备。

4.无线传输功能：数据集中器端提供具有信号输出协议的端口，可接通信设备（GPRS IP MODEM等）进行无线传输。

5.控制软件显示功能：温湿度监控软件采用标准windows 98/2000/XP全中文图形界面，实时显示、记录各监测点的温湿度值和曲线变化，统计温湿度数据的历史数据、最大值、最小值及平均值，累积数据，报警画面。

4.2心得体会和感悟
本次课程设计，时间紧迫，一边实训，一边完成本次的无线传感网的课程设计。

本次课程设计我的主要收获是：
第一：通过各项资料的搜索，我理解了智能农业大棚工作的流程并大致了解了完成智能农业大棚的设计所需要的工具，如一系列的传感器（用来采集大棚内的环境数据）等第二：对ZigBee的组网技术有了立体的了解。

理解了我们在实验室做的组网实验。

参考文献
[1] 无线传感网络简明教程/崔逊学等编著北京：清华大学出版社，2015.8(物联网工程专业规划教材)
[2] 神秾温室大棚环境无线物联网智能监控系统方案-技术专题-深圳神秾智能科技司。