基于Zigbee组网技术的智能温室自控系统设计.doc

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1、毕业论文（设计）基于ZigBee组网技术的智能温室自控系统设计学 生 姓 名： 张洪林 指导教师： 崔新忠、讲师 合作指导教师： 专业名称： 自动化 所在学院： 信息工程学院 2014 年 6 月摘要 本文以ZigBee技术为核心，采用通用性思想和模块化设计的思路，用无线传感网络技术解决温室大棚内的农作物生长的智能自动控制系统。设计了基于ZigBee组网技术的数据采集节点，对温室内湿度、温度和CO2浓度等环境因子的数据采集，搭建了基于ZigBee的星型网络，实现了采集数据与控制数据的无线传输。 利用PLC作为控制机构，根据已经设置的环境阈值对相应的执行机构进行控制，启动相应调控设备，从而使温室

2、环境符合生物的生长规律。很好的解决了实时数据监测的问题，改变了过去只靠操作人员通过观察作物生长状态而进行测报的相对落后状态，对生产作物进行即时的自动监测，促进生产资源集约高效利用，从而能够大幅度提高的农业生产力。 关键字：ZigBee组网，温室，环境因子监控，无线传感器网络，自动控制AbstractThis article is for a intelligent automatic control system which is for ZigBee technology as the core technology of wireless sensor networks to solve

3、the crops grown in greenhouse, design of the data acquisition node that is based on the ZigBee networking technology,collection the environmental factors data on greenhouse (humidity, temperature and carbon dioxide concentration), build a star network based on ZigBee,it has been achieved that the da

4、ta of acquisition and control based on wireless net transmission.Using PLC as a control mechanism, according to the environment of already set threshold value to control the corresponding actuator, start the corresponding control device, which accords with the growth law of biological greenhouse env

5、ironment.it is a good solution to the problem of real-time data monitoring,changed the relative backwardnessin the past only by the operator by observing the crop growth status and conduct forecasting,and it can achieved that the real-time automatic monitoring of crops,promote the efficient use of r

6、esource-intensive production,thus the most substantial increase in agricultural productivity. Key works: ZigBee network, greenhouse, monitoring of environmental factors, wireless sensor networks, automatic control 目 录摘要IAbstractII第一章 前言11.1 研究目的和意义11.2 研究背景以及国内外研究现状11.3 目前研究存在的问题2第二章 系统总体方案的设计32.1 总

7、体方案的设计32.2 系统子节点的设计42.3 本次毕设中主要要解决的问题和实现功能的方案4第三章 ZigBee无线网络模块设计63. 1 ZigBee技术及其组网选择63. 2 ZigBee无线网络传输模块硬件设计93. 3 数据采集模块与ZigBee模块硬件连接143. 4 ZigBee无线传输模块软件设计14第四章 控制数据采集模块设计174. 1传感器的选择174.2 数据采集模块的硬件设计174. 3 数据采集模块的软件设计20第五章 PLC控制系统的设计225.1温室自动控制系统的分析与设计225.2 PLC控制系统硬件电路设计245.3 PLC控制系统软件程序设计245.4基于R

8、S-485网络的PLC控制系统设计24第六章 基于ZigBee的温室智能自动监控系统性能调试276.1 传感器数据采集系统的调试276.2 ZigBee无线数据传输系统调试276.3 PLC自动控制系统的调试276.4 系统整机综合调试27第七章 总结与展望297.1 总结297.2 展望29致谢30参考文献31第一章 前言1.1 研究目的和意义 伴随着新兴技术的快速发展，信息科学日新月异的技术发展，无线传播技术已经开始渗透于人类生活中的各个领域。温室大棚作为新型的农业种植技术，很大程度上改变了农民的生活生产质量。ZigBee是一种最近刚刚兴起的一种短距离，低速率，投入低廉，通信可靠的无线网络

9、技术，它具备采集信息，传输信息以及智能处理于一体的优势，通过温室环境因子传感器监测空气中的温湿度，光照强度以及二氧化碳浓度等多点环境因子参数， 通过ZigBee无线传感器网络将数据实时的传输到上位机，在依据预设阀值来控制以及指导生产，因此这种基于ZigBee无线技术的网络可以满足温室大棚对各项环境参数的控制要求，很大程度的避免了因参数监测失误造成的损失，提高农民的收入。1.2 研究背景以及国内外研究现状 在我国的经济产业构成中农业占了很大的比例。温室大棚种植技术这种创新型农业作物种植技术已经在祖国大地全面推广种植，它的出现使农业种植冲破了老式农作物种植受地域、自然环境和气候影响等环境因素的局限

10、，温室大棚种植技术可以很大程度的避免季节变化和其他一些因素的影响，为植物提供一个有利的保护场所，它的出现很好的促进了农业的生产增收。 随着现代科学和信息技术的发展，现代农业的种植正朝着机械化、数字化和精确控制的方向发展，温室自动监控系统通过收集和分析温室的温室环境因子数据，对农作物进行即时的自动监控，改善农作物的生长环境，是资源高效利用，就可以很大幅度提高农业生产力，利用温室自控系统可以使每个温室大棚的经济效益增长显著1。 在基于ZigBee组网技术的控制应用上，Chin-Feng Lai等人为了缓解远程控制器过多的问题,我们构建了一个多模型情景识别控制器远程电子设备来优化用户体验在2010年

11、开发了一个多样化的远程网络控制系统2。Sofiane Ouni等人在2013年设计了在IEEE802.15.4/ZigBee内部路径优化的系统，这种方法可以节省每个节点的能源消耗,以延长网络的生命周期3。其实在我国，温室大棚的自控系统的设计方面起步就晚，张骞教授等人（2007）在丽水的现代温室农业科学院设计了基于ZigBee技术无线温室监控系统。自由组织、自由配置，自我修复的强大功能为系统配置提供了几乎无限的灵活性4。江朝晖等人在2010年依据农业监测的特性，采用基于ZigBee无线技术建立了通信网络，设计了一个温室无线监测系统5，该系统通用化和模块化的设计理念，将每个模块单独设计，使其应用范

12、围广且易移植。 但总体来说，我国的ZigBee与ZigBee组网技术仍处于初期开发阶段，在国内的应用还是比较少。所以此次设计采用星型拓扑结构组网，将低能耗，低成本，寿命长的ZigBee技术与温室技术相结合，对温室的二氧化碳，湿度，温度等对象进行监控，希望可以开发出一个节约高效的温室自控系统。1.3 目前研究存在的问题 (1)现在温室农业还是主要依靠具体操作人员的对农作物的种植经验来对温室内的农作物管理种植，这个种植方法较之国外有较大滞后。 (2)目前为了实现对温室环境因子数据的监测，我们的建设者们倾向于构建由大量电子检测设备组成的监测与控制系统，由此产生的温室设施投资成本高，维护困难。 （3）

13、环境监控技术方面的环境控制能力低、自动化程度相对落后。目前国内研发的系统可以对目标进行简单的监测和控制，但是对温室内环境的调节能力有限，价格偏贵，使用这些系统与否，不能明显的提升经济效益，可能还会因为设备投资过大，引起一些相对的负增长。所以我国的温室大棚在基于无线网络技术的温室自动控制系统还有待完善。第二章 系统总体方案的设计2.1 总体方案的设计为了在温室大棚智能监控系统领域满足不同控制需求温室内控制要求，这次设计的系统预设了上位机和下位机两个大模块。其中，对于上位机选择就是选用微机，这个毋庸置疑，下位控制器则依据系统的控制要求分成两个模块，分别采用单片机和PLC控制器。下位机控制器应该要完

14、成的工作是在脱离监控PC机后能独立地进行数据因子的采集与控制，可以通过已经预设好的各项数据的阀值来实现PLC对执行机构的控制，而且具备手动处理系统。下位机控制器是以CC2430单片机和PLC控制器为核心的，整个下位机系统包括两个下级模块，分别是ZigBee无线主模块和PLC自动控制模块。其中设计的ZigBee无线传输网络模块应该包括以下五大模块，他们分别是数据采集模块、模数转换模块、无线网络传输模块以及通信模块等，PLC自动控制模块包括数据模块和执行机构控制模块。数据采集模块可以完成对温室大棚内的湿度、温度和二氧化碳浓度等环境因子的模拟量或者数字量的收集和预处理，并将结果送至数据存储器和送至监

15、控服务器存储和管理。PLC输出控制模块的主要工作是通过比较实时监控的环境因子参数和预设阀值来实现对温室大棚内的各个执行机构的自动控制；通信模块是基于RS-232/RS-485串口总线网络，主要功能就是程序的烧写和数据的传输，是实现上位机与ZigBee网络和PLC控制器间通信的必须通道。 本次毕业设计的系统主要由基于ZigBee的环境监测系统和PLC控制系统，这两个部分组成的温室自动控制系统。原理图如下： 图1 总体方案结构图 （1）环境因子的监测系统：由于课题的设计要求，所以系统主要检测温室内的二氧化碳浓度、温度和湿度这三个数据，当传感器收集到环境因子的数据后传到ZigBee子节点，再通过无线

16、网络传到ZigBee网络总节点，最后经过RS-232串行口总线将数据传到上位PC机上并存储。 （2）PLC控制系统：ZigBee总节点接收数据通过网络通信层将数据传递给PLC，由PLC控制器来自动控制每个温室执行机构的启动与关闭。通过在上位机上的程序设计，将需要控制的环境因子的阀值存储在中间存储器中，再将实际的测量值存在数据存储器中比较两者的值的大小，依据实时数据的大小来控制温室内的升降温度的设施、湿度调节的设施、通风设施等控制温室环境参数的设备的启停。2.2 系统子节点的设计 依据设计的要求，在设计的这个温室大棚内会存在三种不同的传感器，分别测量温室大棚内的湿度的湿度传感器 、测量温度的温度

17、传感器以及检测二氧化碳浓度的CO2传感器。 ZigBee网络会按照一个稳定的周期收集由传感器采集出来的数据，如下图所示，由于系统选用的温度传感器、二氧化碳浓度传感器这两种传感器是模拟传感器，所以需要先通过模数转换器转将其换为数字信号，然后再将数据送至单片机中，最后送达CC2430机芯片完成对数据的收集；而系统选用的湿度传感器直接就是数字式的，不用A/D转换就可以完成数据传递，传感器采集的数据在单片机内经过预处理后，将三种数据按照先后顺序送到ZigBee无线网络中的子节点 图2 ZigBee网络子节点结构图2.3 本次毕设中主要要解决的问题和实现功能的方案 （1）数据检测模块的设计 对各个被监控

18、的环境因子的数据收集是实现实时数据分析是保证整个控制系统正常运转的基础。所以在设计中，要使用单片机来对数据进行预处理以确保传感器收集的数据的实时性。而且要根据实际和控制要求选择三种监测目标传感器。通过软硬件结合，利用适合的开发环境完成数据的检测与传输。（2）ZigBee无线网络的搭建 依据控制要求和温室大棚的自身特点，选用适合ZigBee无线技术的处理芯片，组建一个合乎情理的网络拓扑结构来完成ZigBee网络的无线传输，将协调器、处理器以及终端设备有机的组合在一起，通过软件编程实现数据在无线网络中的畅通。（3） PLC模块的设计 PLC是设计的温室自动检测与控制系统的主控单元，需要综合考虑实际

19、，选择一款适合的PLC控制器，通过PLC控制器完成对执行机构的控制。第三章 ZigBee无线网络模块设计3. 1 ZigBee技术及其组网选择 3.1.1 ZigBee技术概述 “ZigBee”技术这个名字源于蜜蜂的zig-zag舞蹈。在此之前ZigBee技术也曾被称为“HomeRF Lite”、“RF- EasyLink”或“fireFly”无线电技术，目前统称为ZigBee技术。ZigBee技术是一种开放式的基于IEEE 802.15.4协定的无线个人局域网(Wireless Personal Area Networks)标准。ZigBee技术是一种复杂性不高、低能耗、运行速率较低、传输距

20、离较短、设计成本不高的双向无线通讯技术6。 ZigBee技术在每个地区使用的频率并不相同，在全球范围内都可以使用的是2.14G赫兹的频率，最高250kbit/s的传输速度、在欧洲大陆则流行使用868M赫兹最高20kbit/s的传送速度以及在美国使用915 M赫兹最高40kbit/s的传输速度，ZigBee无线网络的传输距离在10-75米的范围内，但是在实际应用中传输距离的长短是由设计者自行决定的，因为在不同的发射功率的大小或者不同的应用模式下，ZigBee网络的传输距离是可以微调的。不过在我们设计的这个温室大棚自动控制系统中不需要额外的增大功率来增加数据的传输距离，因为75米的距离就可以满足控

21、制需要。在实际的设计中ZigBee网络具有非常强大的延展性7。ZigBee技术的具体工作参数见表1。 表1 工作参数表物理层工作频率/M赫兹频道数调制方式码片率传输率/KBit/s数据符号868MHz915 MHz2.14GHz868868.6 90292824002485 1 10 16BPSKBPSKOPBSK30060020002040250二进制二进制1数据组 3.1.2 ZigBee技术的体系结构 一个无线网络的结构体系决定着网络的组网难度、网络复杂度以及该网络的工作能力，所以网络结构体系是现在的热门研究对象，所以在设计系统的无线传感器网络模块的结构组成时，必须着重考虑以下四个方面的

22、因素8： 1 : 网络的可扩展型； 2 : 网络节点能耗； 3 ：无线网络的自修复能力； 4 ：系统结构能不能自由组合。 ZigBee网络可以很完美的解决这些问题，ZigBee技术在花费上，一片ZigBee芯片约合一美元或者更少，是最便宜的。应用ZigBee技术产生的系统在总体花费能有一个可观的节约。数据速率：ZigBee芯片的运行速率是250 千字节每秒，尽管是运行速率最低的ZigBee对于温室系统来说还是足够的。一般的，温室系统的数据通信速率是很低的-通常只是发送很微小的信号从控制器到执行机构，如温度的变化或一个命令,供电而且运行速率相对较低的设备会延长电池的寿命。节点数量：一个网络的工作

23、能力事由节点数量决定的 ZigBee有多达254个节点，几乎是无线网络技术中最多的，它能满足温室大棚自动控制系统传感器和执行机构越来越多的控制需求。能量的消耗: ZigBee无线网络的消耗是目前的最低消耗只有30毫安，这么低的能耗也有助于延长电池的使用寿命。电池寿命：ZigBee芯片拥有所有无线技术中最长的电源寿命，几个月甚至可以达到一年以上。 在多数情况下，我们都用“层”这个概念来表示ZigBee技术的体系结构的各个协议标准。ZigBee联盟和IEEE 802. 15. 4工作组是ZigBee技术中的层主要制定者，由它们指定的每一层的职责和应该负责完成该层协议规定的任务，并且向它的父层提供所

24、需服务，每一个协议层都分为数据实体和管理实体，其中MLDE(数据实体)为上层提供数据传输服务，而MLME（管理实体）则为上层提供管理服务8，数据实体为上一层的协议提供接口服务，通过SAP实现多语言的管理服务。 ZigBee技术的体系结构分层结构图如图三所示 图3 ZigBee技术的分层体系结构图 ZigBee无线网络的三种设备类型： ZigBee协调器（Coordinator）、 ZigBee路由器（Router）、 ZigBee终端设备（End-device）。 ZigBee协调器（Coordinator）：协调器中含有所有的网络的节点信息，是协调器、路由器和终端设备中最复杂、处理效果最好且

25、是无线网络中最最重要的设备，协调器的主要功能有建立网络标识、建立ZigBee网络、管理所有的ZigBee无线网络节点、存储ZigBee网络节点信息、并且可以收发即时信息，当一个网络建立完成时，协调器功能作用就向路由器做的差不多了。 ZigBee路由器（Router）：一个路由器在无线网络中的主要功能是当其他设备比如全功能设备或着精简功能设备请求加入这个网络以及负责设备与电源之间的通信等等，通常，ZigBee路由器在整个生命周期内都处在活动状态。 ZigBee终端设备（End-device）：是根据实际需要可以有用户自由选择，可以自由睡眠和唤配。终端设备是最灵活的设备。3.1.3 基于ZigBe

26、e技术的组网介绍与选择 ZigBee无线网络技术有三种无线网络拓扑结构类型，其实网络拓扑结构就是是指用什么样的几何形状将设备有机的组合在一起，现在主要的网络拓扑结构有三种，主要根据图形来分类，他们分别是星型结构、网状结构(Mesh)和树簇状结构(ClusterTree)，就如图4、图5所示： 图4 网络拓扑结构图：是树簇状拓扑结构和星型拓扑结构 图5 网状拓扑结构在上图5中出现的RFD代表着精简功能设备、FFD代表着全功能设备。其中全功能设备（FFD)支持IEEE802.15.2协议的所有功能，是可以支持任何一种无线网络拓扑结构的，可以作为网络主协调器和子节点协调器，并且可以与网络中的任何一种

27、设备建立通信连接，可以提供数据的双向传递服务；精简功能设备（RFD）就比较简单，它只能支持星型结构，不可以成为协调器（coordinator），即只能和协调器建立连接组成网络，但是不能有下级功能设备，仅能带有有限的功能，因而只做为终端设备使用，但是它实现比较简单。星型网络：当全功能设备的电源开启后，它会扫瞄周围的网络，若是没有无线网络，它就会是自身成为协调器，建立一个星型网络。星型网络和其他星星网络独自运行，每一个PAN标识符可以实现通讯的唯一性9。星型网络的覆盖范围比较有限，适合小型的网络使用，例如玩具，家居等。簇状网络和网状网络：簇树状拓扑网络的实质就是依据路由器（Router）对星型网络

28、的扩充，该网络适合用于空间分布范围比较大的场合应用。而网状无线网络的设备之间传送信息通过路由器（Router）转发,是一种可以跳好多次的传输方式，从一级跳到下一级，这样就可以增大网络的覆盖范围。网状网络可以为用户提供一个高可靠性通信网络，但与此同时也大大增加网络的复杂性，而且对设备的信息存储能力和计算能力的需求会相对比较高。经过以上的介绍，这次毕业设计采用星型网络来组网，因为它实现简单且要求较低。3. 2 ZigBee无线网络传输模块硬件设计 3.2.1 CC2430控制芯片简介 在ZigBee无线网络通信模块的设计中，如何正确选择无线通信芯片这不但有助于降低花费，还可以提高设计的综合性能。而

29、TI公司出品的这款CC2430芯片是一块高性能和可靠的无线网络产品，用该芯片作为在系统中的主控设备，可以减少设计时间并且可以将生产和测试成本降到最低。CC2430的内部结构图如图6所示。 图6 CC2430芯片的内部结构图芯片的主要特点如下9：表2 CC2430芯片特点表 特点 搭配高性能、低能耗的 8051 微处理器内核； 能够适应 2.4G赫兹的 IEEE 802.15.4 的RF 收发器； 拥有极高的接收灵敏度和抗干扰性能高； 8 KB sRAM，几乎可以在所有的供电模式下的数据保持能力； 强大的 DMA 功能； 具有 8 路输入814 位ADC； 2 个支持多种串行通信协议的usART

30、； 1 个IEEE 802.5.4 媒体存取控制(MAc)定时器； 支持硬件调试； 提供强大而灵活的开发工具； 小尺寸 QLP 48 封装，7 毫米7毫米。 3.2.2 CC2430芯片引脚的配置说明（1）I/O 端口线引脚功能 CC2430芯片有21个可编程的输入输出口引脚，其中P0端口、P1端口是完全的8位端口，P2端口只有5个可使用的端口。通过软件设定后的一组SFR寄存器的位和字节，可使这些引脚作为通常的输入输出口或者作数模转换器、555计时器或USART部件的外围设备输入输出口使用。 I/O 口有下面的关键特性： I/O端口既可以外设也可以内用 在输入输出是可以上拉电阻 CC2430的

31、全部的21个数字输入输出口引脚都具有可以响应外部中断的能力，假如有外部设备想要加入，系统可以对输入输出端口引脚产生中断，同时外部的中断事件也能被用来唤醒休眠模式。图7 CC2430外接电路 （2）控制线引脚功能表3 CC2430的引脚功能 引脚编号引脚功能10 脚（RESET_N）: 复位引脚，低电平有效。21 脚（XOSC_Q1）: 32 M赫兹的晶振引脚1，或外部时钟输入引脚。22 脚（RBIAS1）: 为参考电流提供一个精确的偏置电阻。26 脚（RBIAS2）: 提供精确电阻，43 千欧，1%。32 脚（RF_P）: 在RX 期间向LNA 输入正向射频信号；在TX 期间接收来自PA 的输

32、入 正向射频信号。34 脚（RF_N）: 在RX 期间向LNA 输入负向射频信号；在TX 期间接收来自PA 的输入 负向射频信号。 3. 2 .3 CC2430射频模块电路的设计 CC2430芯片的核心模块就是射频模块的设计，他的主要任务是将存储在其内部的温环境因子参数信息通过无线网络传输。RF射频模块在已经装在芯片中，所以他不需要额外的外部的收发开关，只用很少的部件就能完成全部的接收与发送功能。 （1）射频信号以及模拟收发器的设计 CC2430的接收器是基于低-中频结构之上的，从天线接收的RF信号通过低噪声发生器放大并经下变频变为2MHz的中频信号。中频信号经滤波、放大，通过A/D转换器变为

33、数字信号。自动增益控制，信道过滤、解调在数字域完成以获得高精确度及空间利用率。集成的模拟通道滤波器可以使工作在2.4GHzISM波段的不同系统良好的共存。在发射模式下，位映射和调制是根据IEEE802.15.4的规范来完成的。调制和扩频通过数字方式完成。被调制的基带信号进过D/A转换器再由单边带调制器进行低通滤波和直接上变频变为射频信号。最终，高频信号进过片内功率放大器放大可以以达到设计的水平。 射频模块的输入输出端口是完全独立的，在芯片的端口分别是RF-P和RF-N。 （2）输入/输出匹配的设计 射频模块输入或输出的是高阻抗的差分信号，芯片的射频模块端口最适合的负载大小是（115+j180）

34、欧姆。如果使用的是一个不平衡天线，例如是一个单极子时，这时必须选择一个传输线平衡器来让系统达到最好性能，传输线平衡器可以使用成本比较低的的电感和电容组合实现。目前市场上不错的的传输线平衡器主要有以下四种L341、C341、L331、L321，还要附带一个PCB微带传输线，系统的射频输出电阻在50欧姆左右。3. 2 .4 CC2430芯片外围电路的实现 CC2430芯片的无线通信网络模块的外电路实现起来就相对来说比较简单，外围电路模块主要包括键盘输入模块、电源模块、串行口通信模块这三个部分。（1） 键盘模块的设计 如下图8所示，系统的外设键盘一共设计了有六个按键，其中有四个方向键（上下、左右）以

35、及两个功能选择键（选择和返回）。熟练的运用这些按键可以对相应用电路进行设计，通过方向键和功能键的组合选择多个选项，并用选择和返回两个功能键来执行所选中的菜单项。 图8 键盘模块接线图（2）电源模块的设计CC2430芯片的外设电源模块的实现电路如下图8所示。CC2430芯片是可以在不同的供电模式或者运行模式下来执行低功耗操作的。通过关闭电源模块的电源来实现系统的超低功耗操作，尽量避免在无操作状态下的能源消耗，同时它也可以使用时钟门控来降低动态电能的消耗。电源工作共有分为四种工作模式，分别是PM0、PM1、PM2、PM3。如下表4表4 电源的工作模式模式 功能PM0模式 时钟振荡器开启，稳压器开启

36、PM1模式 32.768k赫兹振荡器开启，稳压器开启PM2模式 32.768k赫兹振荡器开启，稳压器关闭PM3模式 所有的时钟振荡器都关闭，所有的稳压器也都关闭 无线射频模块和外围扩展电路的电源是由电源是经过稳压器TPS79533提供的。这里的电源可以是直流电源也可是几节干电池，TPS79533稳压器是一个单输出LDO、500毫安、固定电压 (3.3V)、低噪声、高PSRR的稳压器，因此可以为CC2430电源电路提供稳定的电源。 （3）串口通信接口设计 ZigBee网络总节点模块与上位机通信需要通过RS-232串口，由于系统是通过TPS79533稳压器提供的3.3V电源，所以要使用电平转换器将

37、RS-232电平转换为系统电压，电平转换器SP3223芯片的工作电压为+3.3V+5.0V。具体接线图如下图9。 图9 SP3223接线图3. 3 数据采集模块与ZigBee模块硬件连接 设计的系统将组成一个星型的无线传感器网络，这个网络包含四个ZigBee模块：一个协调器（FFD）节点，三个RFD节点（子节点）。温度传感器、二氧化碳浓度传感器检测的实时数据在经过数模转换为数字信号后，传到STC89C52单片机上；湿度传感器则可以直接将数据则直接送到89C52单片机上，STC89C52芯片再通过SPI的方式将数据发送给ZigBee无线通信RFD。当ZigBee子节点采集到数据后，子节点会以Zi

38、gBee无线网络的输出方式传给主协调器FFD，主协调器将数据打包处理之后，再通过RS232串行口传输方式将数据传送到上位机，上位机再通过RS485串口形式传输S7-200型PLC，通过PLC控制对相应的执行机构对环境参数进行控制。3. 4 ZigBee无线传输模块软件设计 3. 4 .1 ZigBee技术的软件开发环境的介绍 本次设计所使用的开发软件嵌入式IAR是一个非常强大的开发软件，几乎任何可用的工具都可以完整地嵌入这个软件中，相对于其他的开发环境，IAR 开发环境是一种具备入门容易、使用方便和代码简洁等特点的强大软件，IAR开发环境的主要特点: （1） 高度优化的IAR AVR C/C+

39、编译器； （2） AVRIAR汇编器； （3） 通用IAR XLINK Linker； （4） IARXAR库创建器和IAR XLIB Librarian一个强大的编辑器； （5） 一个工程管理器； 这个IAR开发环境，可以使用户在一个比较熟练的的开发环境下做一些对新的项目开发设计，而且这个开发环境界面简洁、清晰，用户很轻松就可以熟练驾驭这个具有大量代码继承能力的IAR开发环境。 3. 4 .2 ZigBee星型网络拓扑结构的搭建 在这个温室大棚自动控制系统中，系统设计了1个全功能设备作为系统的ZigBee主节点和个精简功能设备作为网络的子节点的星型网络拓扑结构，星型拓扑结构设计较为简单、在应

40、用中易于实现、而且网络的能耗较低。 （1）全功能设备的功能配置 每一个星型结构中都只有一个全功能设备（FFD）节点，也就是ZigBee星型无线网络的总节点。全功能设备（FFD）节点在星型无线网络中作为ZigBee协调器（Coordinator），是无线网络的主节点，主要负责整个网络的初始化、频率通道；并且负责整个设备的启停；当该主节点被激活后它就会建立一个无线个网，之后容许其他的ZigBee网络的子节点扫描并申请加入网络。除此之外主节点还要负责接收和存储由子节点收集的温室环境因子数据。 （2）精简功能设备的功能配置系统预设了3个精简功能设备（RFD）作为ZigBee无线传输网络的子节点。其主要

41、功能是把由单片机收集到的传感器网络传来的实时数据通过网络传递到主节点。ZigBee星型网络的组建过程任何一个网络的建立都离不开协调器设备，可以说协调器（coordinator）是一个网络中最重要的组件，因为协调器是组网的关键所在。星型网络的建立过程如下：（1） 首先，ZigBee网络的建立需要一个网络协调器，该协调器是全功能设备；（2） 初始化协调器，ZigBee协调器初始化化后，在信道内搜索其他协调器，若是有其他协调器在工作，则向该协调器发组网申请。（3） 若是没有其他协调器，则该设备自己组建ZigBee无线网，主节点在初始化后就开始对所在通信通道做出监视和等待状态；（4） 一旦有一个子节点

42、向协调器发出组网请求后，协调器会分配一个16位PAN ID给这个子节点作为它唯一的标识，这个网络短地址的内容是依据这个子节点所处通道中所检测到的通道能量及网络号来决定的，在子节点分配完网络段地址后就成功的加入了这个无线网。（5） 在网络建立以后，如果系统的设备很多的话，可能会出现网络堆叠或者PAN ID冲突的现象，所以为了尽量减少这种错误 可以在子节点出现冲突后初始化协调器来重置子节点的地址。 3. 4 .3 ZigBee无线传输的软件设计 本次毕业设计的系统是一个基于ZigBee组网技术的无线自动检测与控制系统，而在无线网络的设计中使用的拓扑结构就是星型结构。在进行对大棚室内的环境数据采集时

43、，CC2430芯片的主要工作流程：第一步是当STC89C52单片机将数据传给子节点时，2430芯片会读取串口数据；在读取数据后系统会向总节点发出信息，触发子节点的发送任务；最后CC2430芯片会将环境信息通过无线网络发送到总节点。ZigBee无线网络通信模式一共有两种，其中一种是信标模式，而另一种就是非信标网络模式。而我们的系统选择非信标模式作为网络通信模式，原因是非信标模式比较灵活，子节点通过竞争的方式加入拥挤的信道，而且芯片不用不发送周期信标帧。在非信标工作方式下，发送MAC层或命令数据帧时，会有一个随机的等待周期，在这个周期过后，如是确定信道没有处在忙碌状态，再发送MAC层命令和数据帧；

44、如果确定当前的信道状态处于非常忙碌的状态，那么系统会再等一个任意长的时间后，第二次尝试接入当前信道。当CC2430芯片收到单片机传输来的数据后，会向单片机发送一个确认信号，而这个确认信号是直接传输的，不会理会当前信道是否忙碌，ZigBee子节点会根据确认信号来判断数据发送成功与否10。图10 ZigBee网络数据传递流程图第四章 控制数据采集模块设计 系统的数据采集系统是ZigBee无线网络系统的下级系统，它主要由传感器模块、模数转换模块、单片机中枢处理模块三个基本模块组成。数据采集系统的整体框图如上图2所示,这一部分的设计过程如下:4. 1传感器的选择（1）温度传感器的选择 在市面上流行的温

45、度传感器主要有接触式和非接触式两种，根据温室大棚的实际情况，选择了温度传感器AD590作为在温室大棚内采集温度数据的重要元件12。该设备的测温误差较小、也比较便宜、传输距离也比较远，适合在温室大棚内使用，而且在电路设计方面不用考虑太多，特别是不用考虑电路中的电阻的附加影响。该传感器的工作原理是：当外界环境变化时，传感器的电流随之变化，且两者成一定正比例；所以当外界温度变化时，系统可以用过检测传感器的电流输出变化来实时的测定温室内温度。（2）湿度传感器的选择 湿度是另一个影响植物生长的重要参数，所以选择一块适合的湿度传感器至关重要，目前市场上的湿度传感器主要分为电容式和电阻式两大类，其中电容式湿敏元件在实际应用中更为常见，并且根据温室内的环境情况和控制要求选择了HS1101电容式湿