【正文】 吉 林 農 業(yè) 大 學本 科 畢 業(yè) 設 計論文題目： 土壤溫濕度采集系統(tǒng)設計 學生姓名： 專業(yè)年級：電子信息科學與技術專業(yè) 指導教師： 職稱 講 師 2008 年 6 月 2 日目 錄題目與摘要 I1 前 言 1 1 12 系統(tǒng)硬件設計 2 系統(tǒng)硬件設計概述 2——ZigBee 2 2 系統(tǒng)框圖 3 3 4 方案論證 4 4 5 硬件設計與物理實現(xiàn) 6 網(wǎng)絡建設——ZigBee無線傳輸技術介紹 7 終端設備硬件實現(xiàn)方法 9 主控芯片CC2430與無線收發(fā) 9 數(shù)據(jù)采集 13 數(shù)據(jù)顯示 32 數(shù)據(jù)存儲 33 按鍵控制 343 系統(tǒng)軟件設計 35 系統(tǒng)軟件總體設計思想 35 各功能模塊軟件程序設計 354 系統(tǒng)調試 45 硬件電路調試 45 各功能模塊軟件調試 455 結 論 46附錄一 系統(tǒng)總體硬件電路圖 48附錄二 系統(tǒng)程序流程圖 49附錄三 系統(tǒng)程序清單 52土壤溫濕度采集系統(tǒng)設計學 生：韓專 業(yè)：電子信息科學與技術指導教師：摘 要：本設計基于CC2430無線片上系統(tǒng)為核心部件，用時域反射型（TDR）抗腐蝕土壤濕度傳感器采集濕度數(shù)據(jù)，以DS18B20采集土壤溫度，同時根據(jù)農業(yè)生產的需要附加SHT11溫濕度模塊采集空氣溫濕度值，使用OLED屏顯示測得數(shù)據(jù)，并用AT24C08存儲數(shù)據(jù)。本設計是土壤溫濕度環(huán)境無線監(jiān)測網(wǎng)絡系統(tǒng)的初步設計，目的在于實現(xiàn)終端設備的功能，后待開發(fā)建立在IEEE ZigBee無線傳感網(wǎng)絡的最優(yōu)建網(wǎng)方案。關鍵詞：ZigBee；OLED顯示；溫濕度采集；時域反射；無線傳輸；CC2430。A Design of a Collecting System for Soil Temperature and HumidityName：Han Yunxiao Major：Electronics Information Science and TechnologyTutor：Gong HeAbstract: This design bases on CC2430 wireless system as core ponent, using TimeDomain Reflector(TDR) Anticorrosion Soil Humidity Sensors to collect humidity data, using DS18B20 to collect soil temperature, in the meanwhile, adding SHT11 temperaturehumidity module to collect air temperature and air humidity according to agriculture production needs, using OLED screen to get the data, and saving them with design is a basic design of soil temperaturehumidity wireless monitor system, the purpose is to realize the function of the terminal equipments,the following design bases on IEEE 39。s ZigBee wireless sensor net39。s best creation plan.Key words: ZigBee。 oled。 Collect temperature and humidity。 TDR。 Wireless。 CC2430.1 前 言土壤墑情(溫度和濕度等)是重要的土壤信息，是農作物和樹木生長的重要生態(tài)因素，進行土壤墑情的測定，掌握土壤墑情變化的規(guī)律，對作物生態(tài)狀況的監(jiān)測和預報具有重要意義。土壤墑情無線采集系統(tǒng)已成為現(xiàn)代農林監(jiān)管的高科技手段，隨著電子計算機技術的飛速發(fā)展和智能化測量技術的不斷進步，以及ZigBdee無線傳感網(wǎng)絡技術的進一步成熟，因此土壤墑情無線監(jiān)管系統(tǒng)的ZigBee解決方案已經成為可能。總結以往在土壤濕度采集過程中的經驗可知，雖然測量的精確性可以保證，但是方便性與精確性卻很難同時達到，便捷的手持設備可以方便采集到接近的數(shù)據(jù)，但不夠精確又不耐腐蝕，使用壽命短，配合電子計算機的大型設備又不能隨身攜帶。更為困難的是在大面積的土地中是不可能人工采集方法獲得數(shù)據(jù)的，我們無法安排足夠的人力每天多次測量大面積的土地，所測得的數(shù)據(jù)也不便于統(tǒng)計分析。因此無線傳感網(wǎng)絡的建設勢在必得。基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡設計的土壤溫濕度無線采集系統(tǒng)，完全符合我們的要求，首先我們使用最專業(yè)的土壤溫濕度采集傳感器，濕度采集利用時域反射原理設計而成，精度極高，耐腐蝕極強，這也是長期在土壤中安置的前提保證。智能型網(wǎng)絡可以快捷方便的獲得每個檢測點的土壤狀況數(shù)據(jù)，以超低功耗的傳輸機制使得系統(tǒng)靈活方便，即使每天使用高精度傳感器多次測量也可以保證一塊鋰電池可以使用一、兩年之久，當然，我們可以使用太陽能電池，能源問題完全不必擔心。配合電源管理芯片可以將終端采集設備的運行狀況及時的報告給遠端的監(jiān)控設備確保運行正常。使用計算機的統(tǒng)計與管理功能，我們可以方便高效的對土壤資源狀況進行統(tǒng)計分析。因此，決定建設套無線傳感網(wǎng)絡，于是設計終端便成為網(wǎng)絡的基礎環(huán)節(jié)，本設計也就由此開始了。本次設計中網(wǎng)絡架設及終端設備的遠程控制將不做為重點研究內容，主要完成終端設備的數(shù)據(jù)采集、顯示、發(fā)送與存儲工作，實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡的底層設計。整體設計是將TDR土壤濕度傳感器獲得濕度數(shù)據(jù)、DS18B20采集的土壤溫度數(shù)據(jù)利以及SHT11獲得的空氣溫濕度數(shù)據(jù)通過CC2430無線單片機發(fā)送出去，并可以根據(jù)需要將數(shù)據(jù)顯示在OLED顯示屏上，通過導航按鍵可以方便設定采集數(shù)據(jù)的時間間隔、采集數(shù)據(jù)的類型（便于統(tǒng)計分析）、系統(tǒng)時間等信息。使用AT24C08串行EEPROM將數(shù)據(jù)同步存儲在設備終端，即便網(wǎng)絡出現(xiàn)故障或者設備中斷，所測得數(shù)據(jù)依然安全保存。2 系統(tǒng)硬件設計 系統(tǒng)硬件設計概述——ZigBeeZigBee名字來源于蜂群使用的賴以生存和發(fā)展的通信方式，蜜蜂通過跳ZigZag形狀的舞蹈來通知發(fā)現(xiàn)的新食物源的位置、距離和方向等信息，以此作為新一代無線通訊技術的名稱。ZigBee過去又稱為 “HomeRF Lite”、“RFEasyLink”或“FireFly”無線電技術，目前統(tǒng)一稱為ZigBee技術。[1]ZigBee是一種新興的短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本、低復雜度的無線網(wǎng)絡技術。ZigBee 采取了IEEE ：省電、簡單、成本又低的規(guī)格； ZigBee增加了邏輯網(wǎng)絡、網(wǎng)絡安全和應用層。ZigBee聯(lián)盟預測的主要應用領域包括工業(yè)控制、消費性電子設備、汽車自動化、家庭和樓宇自動化、醫(yī)用設備控制等。鑒于ZigBee技術的諸多優(yōu)勢，本次設計將采用這一組網(wǎng)方式，硬件設備采用德州儀器生產的無線單片機CC2430為核心部件，它是世界上首個真正的單芯片ZigBee解決方案，是世界上第一個真正意義上的SoCZigBee一站式產品，具有芯片可編程閃存以及通過認證的ZigBee TM協(xié)議棧，它們都集成在一個硅片內，方便日后的網(wǎng)絡建設。在設計的開始前我們還需要作一部分工作：TDR土壤濕度傳感器的使用是十分不便的，我們并不知道它的輸出與采樣的對應關系，使用的傳感器來自于計算機平臺上的傳感器，它使用計算機串口，通過軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)的分析，最終得到濕度數(shù)據(jù)。我們的工作就是需要從它的原有計算機平臺中取出對應關系，然后才能夠將傳感器通過終端設備獨立使用，告別計算機。這部分也是設計的難點。設計中選擇了從計算機平臺中“偷取數(shù)據(jù)”的辦法實現(xiàn)獲得采樣與輸出的對應關系。即在計算機平臺工作時將傳感器送出的數(shù)據(jù)定時竊取一個存入終端設備中，持續(xù)重復數(shù)次，然后按時間與計算機平臺中丟失的數(shù)據(jù)的相鄰兩個數(shù)據(jù)的平均值對比，這樣就可以獲得輸出與采樣的對應關系。這種方法簡便有效（只需要安裝一個程控繼電器即可），誤差較低。根據(jù)需要，完整的終端設備包括中心控制與數(shù)據(jù)收發(fā)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)存儲及按鍵五個部分。中心控制單元主要是CC2430無線片上系統(tǒng)，強大的功能優(yōu)勢足以滿足系統(tǒng)的全部需求。數(shù)據(jù)收發(fā)部分利用CC2430自身的功能，、晶體振蕩器及簡單外圍電路即可實現(xiàn)。數(shù)據(jù)采集部分包括三個大部分：① TDR土壤濕度傳感器和模數(shù)轉換：使用耐腐蝕TDR土壤濕度傳感器和MAX1301高速率A/D轉換搭建完成，可以將數(shù)據(jù)以數(shù)字信號的方式通過SPI總線模式送入中心控制單元。② DS18B20溫度采集模塊采集土壤溫度，由于DS18B20是單總線模式，所以使用還是相當?shù)姆奖恪＂?SHT11空氣溫濕度采集模塊。數(shù)字信號直接輸出，以I2C總線模式傳送數(shù)據(jù)應用方便。數(shù)據(jù)顯示部分通過OLED屏幕（冷光屏）顯示數(shù)據(jù)。OLED屏是利用有機發(fā)光材料受激輻射發(fā)光原理，因此無需背光、亮度高、功耗低，最符合系統(tǒng)需要。數(shù)據(jù)存儲部分使用的AT24C08支持I2C 總線數(shù)據(jù)傳送協(xié)議。I2C 總線協(xié)議規(guī)定任何將數(shù)據(jù)傳送到總線的器件作為發(fā)送器，任何從總線接收數(shù)據(jù)的器件為接收器，存儲能力為8k，在不影響使用的情況下減小了設計成本。 按鍵采用了上、下、左、右四個方向鍵和確認、取消兩個功能鍵作。四個方向鍵采用 ADC 采樣輸入，兩個功能鍵直接讀取端口電平。節(jié)約了CC2430的端口充分利用了內部的剩余資源（內部ADC）。 系統(tǒng)框圖Zigbee路由節(jié)點Zigbee終端節(jié)點Zigbee中繼節(jié)點土壤溫度采集模塊土壤濕度采集模塊PC檢測空氣溫濕度采集模塊無線傳輸有線傳輸 圖21 網(wǎng)絡系統(tǒng)框圖Fig. 21 Block diagram of network system 本系統(tǒng)的總體網(wǎng)絡框圖如圖21所示，這部分內容將是后待開發(fā)的主要內容，目前不做細致研究。中心控制單元CC2430OLED顯示屏ADC MAX1301TDR土壤濕度傳感器DS18B20 土壤溫度傳感器SHT11 空氣溫度傳感器按鍵控制本系統(tǒng)的終端設備框圖如圖22所示，這部分內容將作為本次設計重點研究。 圖22 終端設備系統(tǒng)框圖Fig. 22 Systematic block diagram of the terminal device 方案論證ZigBee（）技術是最近發(fā)展起來的一種短距離無線通信技術，功耗低，被業(yè)界認為是最有可能應用在工控場合的無線方式。，采用跳頻技術和擴頻技術。另外，它可與254 個節(jié)點聯(lián)網(wǎng)。節(jié)點可以包括儀器和家庭自動化應用設備。它本身的特點使得其在工業(yè)監(jiān)控、傳感器網(wǎng)絡、家庭監(jiān)控、安全系統(tǒng)等領域有很大的發(fā)展空間。藍牙（BlueTooth）最早是愛立信在1994 年開始研究的一種能使手機與其附件（如耳機）之間互相通信的無線模塊。1998 年，愛立信、諾基亞、IBM 等公司共同推出了藍牙技術，主要用于通信和信息設備的無線連接。，有效范圍大約在10m 半徑內。Bluetooth ，規(guī)定了包括PHY、MAC、網(wǎng)絡和應用層等集成協(xié)議棧。為對語音和特定網(wǎng)絡提供支持，需要協(xié)議棧提供250kB系統(tǒng)開銷，從而增加了系統(tǒng)成本和集成復雜性。另外，Bluetooth 對每個“Piconet”（微微網(wǎng)）有只能配置7 個節(jié)點的限制，制約了其在大型傳感器網(wǎng)絡開發(fā)中的應用。WiFi （Wireless Fidelity，無線高保真）也是一種無線通信協(xié)議。IEEE802 . 11 的最初規(guī)范是在1997 年提出的。主要目的是提供WLAN 接入，也是目前WLAN 的主要技術標準。目前，IEEE802 .11 標準還沒有被工業(yè)界廣泛接受。IEEE802 .11 流行的幾個版本包括“a”（ 波段帶寬為54MBps）、“b”（ 帶寬為11MBps）、“g”（）。這種復雜性為用戶選擇標準化無線平臺增加了困難。WiFi 規(guī)定了協(xié)議的物理（PHY）層和媒體接入控制（MAC）層，并依賴TCP/ IP作為網(wǎng)絡層。由于其優(yōu)異的帶寬是以大的功耗為代價的，因此大多數(shù)便攜WiFi 裝置都需要常規(guī)充電。這些特點限制了它在工業(yè)場合的推廣和應用。紅外線數(shù)據(jù)協(xié)會IrDA（Infrared DataAssociation）成立于1993 年。IrDA 是一種利用紅外線進行點對點通信的技術。IrDA 逐步發(fā)展到4Mbps、16Mbps。目前，支持它的軟硬件技術都很成熟，在小型移動設備（如PDA、手機）上被廣泛使用。它具有移動通信所需的體積小、功耗低、連接方便、簡單易用成本低廉的特點。IrDA 用于工業(yè)網(wǎng)絡上的最大問題在于只能在2 臺設備之間連接，并且存在有視距角度等問題。四種無線傳輸?shù)臋C制完全不同，無論從應用領域的功耗要求還是從技術創(chuàng)新方面考慮，ZigBee都具有最佳建網(wǎng)優(yōu)勢，這就是我們選擇ZigBee作為本次設計網(wǎng)絡拓撲方案的原因。我們總結一下土壤墑情監(jiān)測的方法如下：① 負壓計土壤濕度監(jiān)測系統(tǒng)負壓計，又稱張力計，以測量土壤負壓(張力)來顯示土壤水分狀況。負壓計瓷頭埋設于土壤中某一高程后，負壓計內部的水分通過瓷頭上的微孔同土壤水分進行交換，使內外水勢漸趨平衡，儀器上所指示的負壓值即代表土壤水勢，可以直接反映土壤水分能為植物吸收利用的程度，同時又可換算為土壤含水率。負壓計結構簡單，易于制造，因此使用較為廣泛。但是負壓計易受環(huán)境溫度的影響，儀器穩(wěn)定性較差。此外，負壓計具有滯后性，往往不能及時反映土壤水分狀況，在土壤干燥過程中尤為顯著。② 中子土壤濕度計中子土壤濕度計以測量快中