基于ZigBee技术的日光温室环境监控系统的研究

摘要

日光温室是我国北方地区特有的温室类型，与传统温室类型相比，日光温室能够利用太阳光来给农作物加热并且提供光照，所以日光温室在我国北方地区被广泛应用。随着日光温室的普及以及精细农业的发展，人们开始监控日光温室内的环境，然而在监控过程中存在较多弊端。传统的人工测量的方法给工作人员带来了许多不便，这样不仅加重了工作人员的工作负担，而且还不能及时的反映日光温室内的环境情况。如果使用传统的测量仪器，不能准确的测量各个参数的数值。针对日光温室在监控方面所面临的各种问题，建立一套操作简单，精度较高，功能全面，安全性强的日光温室监控系统具有现实意义。
　　本文所设计的日光温室监控系统，结合了Zigbee无线传感网络技术、单片机控制技术以及嵌入式组态环境开发技术，利用传感器采集温室环境数据，控制器通过Zigbee无线传输网络得到控制参数，进而控制排风扇、换气扇、水锅炉、电动遮阳帘、人工光源、二氧化碳发生器、微喷头等硬件设备的启停，从而使温度、湿度、二氧化碳浓度、光照强度等环境参数实时地满足作物的生产需求。
　　本日光温室监控系统进行了上位机、下位机的软硬件设计。硬件设计包括感知模块、无线处理模块、继电器、控制屏的选型，供电系统电源与抗干扰的设计，搭建了温室监控系统的硬件平台。下位机软件部分主要包括对嵌入式开发系统的设计以及模糊PID算法的实现，以TinyOS为平台，利用nesC语言完成了网关、节点、CSMA/CA算法及侦听策略等控制程序的设计;在MATLAB环境下对模糊PID算法进行仿真。本系统的上位机分为两个部分:远程监控计算机和日光温室现场监控屏，分别利用MCGS通用版与嵌入版进行开发，完成了工作界面、系统设置、工作日志用户界面的设计。
　　通过对日光温室监控系统的多次测试，实验表明:本系统可以及时准确地监测日光温室内各个环境参数的变化情况，测试结果稳定，误差均在合理误差范围内;各种控制设备也能够正常工作，并且实现了手动和自动的双重控制;上位机系统工作稳定，可供用户观看现场情况、控制硬件设备、调节系统参数和观看历史数据;无线传感器网络信号稳定，在350m以内都能正常工作。本系统能够确保农作物在日光温室内处于合理的环境下，不受外界影响，成长结果令人满意，工作安全稳定，具有现实意义。

目录

声明

摘要

1 引言

1．1 研究目的及意义

1．2 ZigBee技术

1．3 国内外研究现状

1．4 日光温室环境条件

1．4．1 空气温度条件及其调控

1．4．2 空气湿度条件及其调控

1．4．3 土壤水分条件及其调控

1．4．4 二氧化碳浓度条件及其调控

1．4．5 光照强度条件及其调控

1．5 研究的主要内容

1．6 本章小结

2 系统整体方案设计

2．1 本系统设计标准

2．2 系统总体结构设计

2．2．1 系统整体架构介绍

2．2．2 系统硬件平台的解决方案

2．2．3 系统软件平台的解决方案

2．2．4 系统可行性分析

2．3 本章小结

3 系统硬件选型与设计

3．1 无线处理模块

3．1．1 射频模块

3．1．2 CC2530的外设

3．2 感知模块选型

3．3．1 温湿度传感器

3．3．2 土壤水分传感器

3．3．3 二氧化碳传感器

3．3．4 光照传感器

3．4 继电器选型

3．5 监控屏选型

3．6 系统电源设计

3．6．1 节点电源设计

3．6．2 网关电源设计

3．7 PCB及硬件抗干扰设计

3．8 本章小结

4 系统软件设计

4．1 TinyOS操作系统

4．1．1 TinyOS操作系统简介

4．1．2 系统开发语言nesC

4．2 无线处理模块软件设计

4．2．1 ZigBee无线传感器网络构建

4．2．2 CSMA／CA算法及侦听策略

4．2．3 传感器节点程序设计

4．3 模糊PID控制器设计

4．3．1 常规PID参数的整定方法

4．3．2 模糊PID控制器系统设计

4．3．3 基于MATLAB系统的算法仿真

4．4 本章小结

5 上位机软件设计

5．1 MCGS组态软件

5．1．1 MCGS组态软件的主要功能

5．1．2 MCGS组态软件的组成结构

5．2 上位机功能介绍

5．2．1 工作界面显示

5．2．2 系统设置

5．2．3 工作日志查询

5．3 本章小结

6 系统测试与分析

6．1 终端节点传感器性能测试

6．1．1 温湿度传感器性能测试

6．1．2 土壤水分传感器性能测试

6．2 无线传感器网络通讯距离测试

6．3 系统控制设备运行测试

6．4 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

致谢

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表的学术论文