ZigBee控制系統(tǒng)論文

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1系統(tǒng)總體設計

本設計是以AT89S52單片機為核心，包括數(shù)字式溫濕度傳感器的一套控制系統(tǒng)。系統(tǒng)包括單片機、復位電路、空氣溫度檢測、空氣濕度檢測、土壤溫度檢測、土壤水分檢測、鍵盤及顯示及控制電路等，對空氣中的溫濕度、土壤溫度以及土壤水分等的采集是通過數(shù)字式傳感器實現(xiàn)的。數(shù)字傳感器監(jiān)測到的數(shù)值通過JM12864F顯示。同時，設置了4個按鍵控制卷簾電機，當監(jiān)測到的數(shù)值超出了系統(tǒng)所設定數(shù)值的上下限范圍時，單片機開始對電路進行控制。該系統(tǒng)支持節(jié)電模式設置。節(jié)電模式包括空閑模式和斷電保護模式:空閑模式啟動時，單片機停止工作，而RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷工作繼續(xù);掉電保護模式啟動時，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位方可恢復正常。在掉電模式下，單片機的片內程序存儲器允許重復在線編程，允許通過SPI串行口改寫數(shù)據(jù)，并將8位CPU與可在線下載的Flash集成在一個芯片上。此時，單片機AT89S52便成為一個高效的微型計算機，優(yōu)點是成本低、應用范圍廣，并可以解決復雜的控制問題。

2系統(tǒng)硬件設計

1個大棚內布置了3個采集節(jié)點，采集節(jié)點對大棚內的空氣溫濕度、土壤溫度、土壤濕度、光照強度以及CO2濃度進行采集。大棚的數(shù)據(jù)采集節(jié)點是通過單片機實現(xiàn)的。每一個節(jié)點對應一組采集模塊，共有3組采集模塊，每組采集模塊由若干個傳感器組成。數(shù)據(jù)采集模塊的作用和功能是利用單片機對各個傳感器進行不間斷的巡回監(jiān)測，并將模擬信號通過A/D轉換模塊轉換為數(shù)字信號，將轉換的數(shù)字信號傳輸?shù)絾纹瑱C上進行數(shù)據(jù)采集;單片機會將大棚內每個數(shù)據(jù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)全都傳輸?shù)綗o線網(wǎng)絡的子節(jié)點上;子節(jié)點再將接收到的信息傳給主節(jié)點。主節(jié)點再根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)建立基于zigbee的星型網(wǎng)絡結構。可見，在這個傳輸?shù)倪^程中子節(jié)點起到了對大棚內的環(huán)境參數(shù)進行采集以及轉換的作用，主節(jié)點起到了一個調節(jié)器的作用。主節(jié)點把子節(jié)點傳輸給它的數(shù)據(jù)負責傳輸?shù)皆撓到y(tǒng)的控制核心部分單片機上，單片機對接收到的數(shù)據(jù)進行處理和分析進而來控制卷簾電機、噴灌系統(tǒng)的開啟與閉合，合理地調控大棚內作物生長的最適環(huán)境。系統(tǒng)流程圖。

2．1信息采集模塊信息采集模塊由單片機、數(shù)字溫濕度傳感器、土壤溫度傳感器、SM2802M土壤水分傳感器和A/D轉換5個模塊組成，可實現(xiàn)對大棚內的空氣溫濕度、土壤溫度、土壤水份、光照度及CO2濃度等數(shù)據(jù)進行實時的監(jiān)測和控制。

1)單片機:AT89S52單片機的特點是功耗低，具有高性能的8位微控制器，采用其作為系統(tǒng)的核心部分。由于該單片機的芯片上具有8位的CPU和可編程Flash的性能，為系統(tǒng)提供了靈活有效的解決方案。此外，AT89S52單片機可降到0Hz靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種可選擇的節(jié)電模式軟件，即空閑模式和掉電保護模式。單片機還具有重復寫程序和記憶的功能，是一個高效的微型計算機，可解決一些復雜的控制問題。與其他單片機相比，需要的成本很低。

2)數(shù)字溫濕度傳感器:該傳感器采用的是DB420型智能傳感元件設計開發(fā)的，具有其他類似的傳感器不具備的特點，如測量準確、工作穩(wěn)定、使用壽命長等優(yōu)點。傳感器的探頭采用銅燒結開孔護管，這種結構透氣功能和防塵功能比較好。傳感器內置的數(shù)字溫濕度傳感器可以將數(shù)字信號通過變送器內部的中央處理器和數(shù)模轉化器轉換成4～20mA電流信號輸出出來3)土壤溫度傳感器:數(shù)字傳感器采用的是DS18B20型數(shù)字傳感器，是由美國的DALLAS半導體公司推出的。這種傳感器與熱敏電阻相比具有直接讀出被測溫度和可以根據(jù)實際要求實現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式的簡單編程方法的優(yōu)點，9位和12位的數(shù)字量分別是在93．75ms和750ms內實現(xiàn)的，且通過DS18B20讀出和寫入的信息只需一根單線接口完成。數(shù)據(jù)總線為溫度的變換提供一個功率，無需外接電源，總線也可以為DS18B20供電。因此，使用DS18B20型數(shù)字傳感器在簡潔系統(tǒng)結構的同時，提高了系統(tǒng)的可靠性。4)SM2802M土壤水分傳感器:SM2802M土壤水分傳感器采用世界上最新的FDR原理制作，如圖4所示。與TDR型和FD型土壤水分傳感器相比，SM2802M土壤水分傳感器不僅在性能和精度上具有可比性，可靠性與測量速度要比TDR型和FD型更具優(yōu)勢。光照度傳感器的探頭采用的型號是GZD－015)A/D轉換模塊:A/D轉換模塊采用的是8路的ADC0809，具有逐次漸近的特性。其供電方式是采用單一的+5V電壓，同時片內具有8選1的鎖存功能模擬開關。單片機采用中斷方式的接口電路來控制ADC。信號的傳輸是通過光照傳感器和CO2傳感器把非電的物理量轉換成電信號，然后把轉換成的電信號送到模擬轉換模塊ADC0809中，再經(jīng)過A/D轉換后轉換成數(shù)字信號，最后將轉換成的數(shù)字信號送到單片機中進行相應的處理。單片機通過I/O口由經(jīng)MAX232電平轉換芯片把TTL電平轉換成RS232電平，將轉換的數(shù)據(jù)傳送給上位機進行存儲，并通過液晶顯示器將存儲的數(shù)據(jù)實時的顯示出來，實現(xiàn)了人機交互的功能。為了提高單片機應用系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，在單片機系統(tǒng)中加入了微處理器監(jiān)控器芯片，集成了看門狗電路和掉電保護電路。

2．2ZigBee無線傳輸模塊設計ZigBee網(wǎng)絡具有以下9個優(yōu)點:低功耗、低成本低速率、支持大量節(jié)點、支持多種網(wǎng)絡拓撲、低復雜度、快速、可靠和安全。ZigBee是一種低速短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡協(xié)議。該網(wǎng)絡協(xié)議自上而下分為很多個層，具有代表性的是:物理層、媒體訪問控制層、傳輸層、網(wǎng)絡層以及應用層。ZigBee網(wǎng)絡3種角色的設備分別為:協(xié)調器、匯聚節(jié)點和傳感器節(jié)點。Zig-Bee網(wǎng)絡與單片機是通過星型網(wǎng)絡連接的，向指定節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的時間是由單片機控制的;同時，單片機根據(jù)設置的溫度上下限值來給控制器發(fā)送消息，當控制器接收到的消息之后立即傳給星型網(wǎng)絡，星型網(wǎng)絡再傳給單片機，然后由單片機做出相應的處理。

3系統(tǒng)軟件設計

首先，將各種傳感器以及外部設備進行設置，對溫濕度的傳感器和光照傳感器進行上下限數(shù)值的設置，將其他外部的設備初始化。初始化之后溫濕度傳感器和光照傳感器開始進行數(shù)據(jù)采集，由于采集到的數(shù)據(jù)是數(shù)字信號，可直接用單片機來監(jiān)測環(huán)境值的變化;單片機將監(jiān)測到的數(shù)值進行分析，將分析的溫度和濕度以及光照強度的最終值傳給液晶顯示器進行顯示;顯示的分屏可以通過按鍵進行改變，也可以通過按鍵對溫度和濕度以及光照的上下限值進行調整。當溫濕度以及關照強度值超過了上下限值的時候，單片機會送出一個控制繼電器動作的標志信號，進而達到控制效果。軟件主程序流程圖。

4結語

基于單片機的溫濕度控制器系統(tǒng)由單片機、液晶屏顯示器、空氣溫濕度傳感器，土壤溫度傳感器，土壤水分傳感器，以及其他電路共同組成。該系統(tǒng)不但可以對空氣溫濕度、土壤溫度以及土壤水分含量進行實時監(jiān)測，而且還可以對監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析處理。同時，能夠根據(jù)育苗溫度設置程序的上下限數(shù)值，通過遠程控制實現(xiàn)對溫室通風和換氣等操作。通過ZigBee星型網(wǎng)絡可查詢現(xiàn)場某采集點的數(shù)據(jù)信息，該點的信息可以通過無線傳輸模塊傳給終端。同時，各個采集點也可以向終端定時發(fā)送信息，實現(xiàn)溫室大棚現(xiàn)場與遠程控制端的實時通信，使溫室大棚的管理更加趨于現(xiàn)代化。

作者：董淏鳴衣淑娟趙斌劉英楠秦雯魏曉暉單位：黑龍江八一農墾大學信息技術學院