【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 檢測(cè)節(jié)點(diǎn)、主機(jī)和用戶(hù)端三個(gè)部分組成； （ 2） 構(gòu)建傳感網(wǎng)絡(luò)，檢測(cè)養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境溫濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度等； （ 3） 構(gòu)建無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)，檢測(cè)節(jié)點(diǎn)和主機(jī)之間通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù) ； （ 4） 具備監(jiān)測(cè)養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境因子的功能 ； （ 5） 設(shè)定自動(dòng)模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境的自動(dòng)調(diào)節(jié) ； （ 6） 設(shè)定手動(dòng)模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境的手動(dòng)控制 ； （ 7） 具備短信遠(yuǎn)程控制功能 ； （ 8）設(shè)定防盜報(bào)警功能 ； （ 9）功耗低、使用靈活、操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行穩(wěn)定 ，電源自制 。 系統(tǒng)方案論證 核心處理器選擇 方案一：采 用 C8051 或 AT89S52 單片機(jī)作系統(tǒng)的處理器來(lái)與無(wú)線(xiàn)傳感器模塊通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收與發(fā)送。 同時(shí)用 MCU 做數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及處理、人機(jī)交互等功能。 方案二：采用 ST 公司推出的 STM32F103 位處理器來(lái)與無(wú)線(xiàn)傳感器模塊通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收與發(fā)送。 同時(shí)用 MCU 做數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及處理、人機(jī)交互等功能。 方案比較： 方案一 最大特點(diǎn)是系統(tǒng)體積小、 成本低；但是系統(tǒng)處理速度過(guò)慢，內(nèi)部存儲(chǔ)空間較小。同時(shí)，方案擬采用 320*240 的 TFT 液晶作為監(jiān)控顯示界面，而 C8051 是 8 位的 51單片機(jī)核，其驅(qū)動(dòng)高分辨率的 TFT 液晶顯得比較吃力。采用 AT89S52 做內(nèi)核進(jìn)行控制比較簡(jiǎn)單，但是其 I/O 資源有限，不能滿(mǎn)足電路設(shè)計(jì)需求，需要外接芯片進(jìn)行 I/O 擴(kuò)展。由于需要與外部無(wú)線(xiàn)模塊節(jié)點(diǎn)通信，電路設(shè)計(jì)相對(duì)比較復(fù)雜。 方案二 采用意法半導(dǎo)體公司的 STM32F103 處理器，它基于 ARM 公司最新的 CortexM3 內(nèi)核，具有豐富的片上資源，同時(shí)具有多種工作模式，有利于減小系統(tǒng)的功耗，同時(shí)其較大的內(nèi)部存儲(chǔ)器有利于存儲(chǔ)相關(guān)信息?？垢赡芰?qiáng)，在與外部 CC1101 模塊通信時(shí)能保證信號(hào)的完整；綜上所述本系統(tǒng)選用 STM32F103 做為核心控制器。 溫濕度 傳感器選擇方案 方案 一：采用常用的單總線(xiàn) DS18B20 測(cè)溫，再選一款濕度測(cè)量傳感器搭配使用，從而實(shí)現(xiàn)溫濕度的測(cè)量。 本方案將溫濕度分開(kāi)測(cè)量，所用元件價(jià)格便宜。但是測(cè)量精度低、外圍電路復(fù)雜。 湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 4 方案 二： SHT10 工業(yè)級(jí)數(shù)字溫濕度傳感器 ， 具有品 質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性?xún)r(jià)比高、 外接電路少 等優(yōu)點(diǎn) ， 同時(shí) 還兼有露點(diǎn)測(cè)量。 結(jié)合本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求 測(cè)量精度高、電路簡(jiǎn)單 、體積小 、抗干擾能力強(qiáng) 等特點(diǎn)，選擇使用 SHT10 工業(yè)級(jí)數(shù)字溫濕度傳感器 。 遠(yuǎn)距離通信方案 方案一： 433M 無(wú)線(xiàn)技術(shù) 433MHz 是我們國(guó)家的免申請(qǐng)段發(fā)射接收頻 率，可直接使用不需要管理， 433 頻段抗干擾強(qiáng)，并支持各種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)通訊方式，具有收發(fā)一體、安全隔離、安裝隔離、使用簡(jiǎn)單、性?xún)r(jià) 比高、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn) 。 可廣泛的應(yīng)用于 消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品 、 工業(yè)監(jiān)控 、 無(wú)線(xiàn)報(bào)警安防系統(tǒng) 、 門(mén)禁系統(tǒng) 、 自動(dòng)抄表 、 無(wú)鑰門(mén)禁系統(tǒng) 、有源 RFID標(biāo)簽識(shí)別、 POS 系統(tǒng)、 PDA 等無(wú)線(xiàn)智能終端、醫(yī)療儀器、電子站牌、智能交通調(diào)度系統(tǒng)等領(lǐng)域 。常用的 433M 無(wú)線(xiàn)射頻芯片有 TI 公司的 CC1100/CC110 NODIC 公司的NRF905/NRF9E5 等。 方案二： 無(wú)線(xiàn)技術(shù) 所謂的 無(wú)線(xiàn)技術(shù)，其頻段處于 （科學(xué)、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)）之間 ， 所以簡(jiǎn)稱(chēng)為 無(wú)線(xiàn)技術(shù)。這個(gè)頻段里是國(guó)際規(guī)定的免費(fèi)頻段，不需要向國(guó)際相關(guān)組織繳納任何費(fèi)用 。 頻段為各國(guó)共同的 ISM 頻段 ， 具有通信速率快、全雙工通信、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。廣泛的應(yīng)用于 WIFI、藍(lán)牙 、 ZigBee、無(wú)線(xiàn)鼠標(biāo)、遙控模型、安防等領(lǐng)域。常見(jiàn)的 無(wú)線(xiàn)芯片有 TI 公司的 CC2500、 NODIC 公司的 NRF24L01等。 方案比較： 433M 頻段和 頻段都為我過(guò)免費(fèi)的頻段，但是各具特點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域也各不 相同。 433M 頻段相對(duì)于 頻段信號(hào)更強(qiáng)，傳輸距離強(qiáng)，穿透、繞射能力強(qiáng)，傳輸過(guò)程衰減小， 但是傳輸速率相對(duì)較低。在本設(shè)計(jì)中，我們要求無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的傳輸距離和穿透力，且具有功耗小、使用靈活的特點(diǎn)，因此我們選擇方案一 ，使用 TI公司超低功耗 RF 芯片 CC1101。 供電 方案 本系統(tǒng)要求 無(wú)線(xiàn)收發(fā)節(jié)點(diǎn)能夠長(zhǎng)時(shí)間的正常工作，因此設(shè)計(jì)所需的無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊都具有低功耗的特點(diǎn) ， 且能夠采用電池供電。 為了保證系統(tǒng)的工作正常，正確可行的電源模塊 系統(tǒng) 設(shè)計(jì)的重點(diǎn) 。 方案一：采用全橋整流電路整流穩(wěn)壓出系統(tǒng)所需的電源 該電源 采用全橋整流電路和電容濾波電路，將通過(guò)變壓器的低壓交流電變?yōu)榫哂姓?fù)對(duì)稱(chēng)輸出的直流電，實(shí)際輸出電壓為正負(fù) 20V 左右。采用 100nF、 10uF 電容濾除電源中的高頻交流成分，再通過(guò) 7805 或其它穩(wěn)壓芯片來(lái)提供穩(wěn)定的直流穩(wěn)壓電源。這種電路多見(jiàn)于要求不高的直流電源中，其驅(qū)動(dòng)能力和后級(jí)的濾波電容有關(guān)。 湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 5 方案二：采用集成穩(wěn)壓電源模塊 該方案可以采用專(zhuān)用集成電源穩(wěn)壓模塊實(shí)現(xiàn)，如交流 220V 轉(zhuǎn)直流 5V；或者在網(wǎng)上購(gòu)買(mǎi)直流穩(wěn)壓模塊，可選擇 DC918V 輸入， DC5V 輸出模塊。 方案三：采用電池供電 該方案采用 5V 電池供電，或 者用兩節(jié)電池供電。 便于系統(tǒng)的安裝與攜帶，同時(shí)可以多點(diǎn)安置，且安置簡(jiǎn)易，維修方便。 方案比較： 在本系統(tǒng)中，要求各個(gè)節(jié)點(diǎn)具有體積小、重量輕、安放放點(diǎn)的特點(diǎn)，同時(shí)考慮到本系統(tǒng)中各個(gè)模塊都是使用低功耗器件，故選擇方案三，采用電池供電，更加符合本設(shè)計(jì)要求。 顯示模塊方案 方案一：采用 LCD 液晶顯示器顯示 采用 DM1286M 液晶顯示，其為 64128? 點(diǎn)陣 LCD 液晶顯示，其可視面尚可，畫(huà)面效果良好，而且其內(nèi)置中文漢字和字符信息，具有多種軟 件功能，使用方便簡(jiǎn)單。 但起分辨率較低，且為黑白屏。 方案二：采用全觸屏 TFT 彩屏液晶顯示 TFT 真彩液晶屏每個(gè)像素點(diǎn)都有 一個(gè)半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，每個(gè)像素 點(diǎn) 都 能夠 通過(guò)點(diǎn)脈沖直接 去 控制， 每個(gè)節(jié)點(diǎn)都 是 相對(duì)獨(dú)立 的 ， 可以 連續(xù)控制， 這 不僅 可以 提高顯示屏反應(yīng)速度，還 可以精確 的 控制顯示色階， 故 TFT 真彩液晶屏 色彩更真。 TFT 液晶顯示屏 具有 對(duì)比度高 、 亮度好、 顏色鮮艷 、 層次感強(qiáng) ，同時(shí)具備 觸摸功能 [1]。 方案比較：在本設(shè)計(jì)中，為了更加清晰、鮮明的顯示出各個(gè)環(huán)境因子，使整個(gè)界面更加人性化。同時(shí)，也為后期的視頻監(jiān)控提供可能。故選擇方案二， 采用全觸屏 TFT彩屏液晶顯示。 系統(tǒng) 框圖 本系統(tǒng)由檢測(cè)節(jié)點(diǎn)、主機(jī)、用戶(hù)端三個(gè)部分組成。監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)部分使用超低功耗微控制器 STM32L151 作為 CPU，外界溫濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度等傳感器組成傳感網(wǎng)絡(luò)。由 CC1101 組建的 443M 無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)，能夠方便、實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)傳給主機(jī)。主機(jī)使用 ARM 系列 32 位微處理器 STM32F103 作為中央處理器，外接 TFT 真彩液晶屏和7279 鍵盤(pán)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互 ，外接的 GPRS 模塊可以方便的將主機(jī)接入要無(wú)線(xiàn) Inter。強(qiáng)大的 32 位中央處理器，保證了主機(jī)處理數(shù)據(jù)的能力 ，直觀、簡(jiǎn)潔的操作界面提供了更加優(yōu)質(zhì)的用戶(hù)體驗(yàn)。用戶(hù)端主要有用戶(hù)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成，如計(jì)算機(jī)、手機(jī)等。通過(guò)Inter 用戶(hù)可以 遠(yuǎn)程監(jiān)控養(yǎng)殖場(chǎng)內(nèi)濕度、光照等因素，以達(dá)到最智能、最方便、最簡(jiǎn)潔的養(yǎng)殖場(chǎng)環(huán)境監(jiān)控 。 系統(tǒng)框圖如下圖 所示。 湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 6 S T M 3 2 L 1 5 1C B T 6 控 制 器L S D R F 4 3 1 0 M0 1 無(wú) 線(xiàn) 模 塊R S2 32傳 感 器 監(jiān) 測(cè) 節(jié) 點(diǎn) 1S T M 3 2 L 1 5 1C B T 6 控 制 器L S D R F 4 3 1 0 M0 1 無(wú) 線(xiàn) 模 塊R S2 32傳 感 器 監(jiān) 測(cè) 節(jié) 點(diǎn) NS T M 3 2 L 1 5 1C B T 6 控 制 器L S D R F 4 3 1 0 M0 1 無(wú) 線(xiàn) 模 塊R S2 32紅 外 編碼 解 碼 控 制 節(jié) 點(diǎn) 1L S D R F 4 3 1 0 M0 1 無(wú) 線(xiàn) 模 塊RS 23 2T F T顯 示7 2 7 9鍵 盤(pán)S T M 3 2 F 1 0 3Z E T 6 處 理 器 主 機(jī)R F I DG P R SI n t e r n e t 用 戶(hù) 圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 本章小結(jié) 系統(tǒng)將無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)、傳感網(wǎng)絡(luò)、 GPRS 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合在一起，實(shí)現(xiàn)了養(yǎng)殖場(chǎng) 環(huán)境因素的多角度、大范圍、智能化監(jiān)控。一方面采用 無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò) 為系統(tǒng)構(gòu)架；另一方面在 STM32 上通過(guò)串口與上位機(jī)進(jìn)行通信， 實(shí)現(xiàn)與相關(guān)管理員全面人機(jī)交互，從而構(gòu)成一套互聯(lián)可視化的完美體系 。低功耗 、輕便性是本設(shè)計(jì)的一大亮點(diǎn) ，從機(jī)采用了盡量少的有源器件實(shí)現(xiàn)了對(duì)電壓的有效采集，同時(shí)從機(jī)采用低功耗控制器 STM32L151，通過(guò)讓其合理的休眠可大大延長(zhǎng)電池的壽命，兩節(jié)普通的干電池就可讓從機(jī)工作兩百多天。 湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 7 第三章 養(yǎng)殖場(chǎng)智能監(jiān)控硬件設(shè)計(jì) 主機(jī) MCU設(shè)計(jì) 主機(jī) MCU 在本系統(tǒng)中負(fù)責(zé) 接受監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，做出相應(yīng)的操作。外接有 FTF 真彩液晶和 7279 鍵盤(pán)，可擴(kuò)展外掛 GPRG 模塊。為了保證快速的處理 速度 和 操作的靈活性 ， 本系統(tǒng)主機(jī)部分采 STM32F103 32 位微處理器 。 STM32F103ZET6 功能簡(jiǎn)介 STM32F103 是一款 高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì) 芯片 。使用高性能的 ARM174。 Cortex?M3 32 位的 RISC 內(nèi)核， 時(shí)鐘頻率達(dá)到 72MHz，是同類(lèi)產(chǎn)品中性 能最好。內(nèi)置高速存儲(chǔ)器 ， 512K 字節(jié) 閃存和 64K 字節(jié) SRAM。 豐富的增強(qiáng) 型 I/O 端口 聯(lián)接到 兩個(gè) APB 總線(xiàn) 外設(shè)。 包含 有 3 路 12 位 ADC、 4 個(gè) 16 位 通用定時(shí)器和 2 個(gè) PWM 定時(shí)器，多達(dá) 2 個(gè) I2C 接口、 3 個(gè) SPI 接口、 2 個(gè) I2S 接口、 1 個(gè) SDIO 接口、 5 路 USART接口 、一路 USB 接口和一路 CAN 接口 [2]。 STM32F103xx 大容量增強(qiáng) 系列工作于 40176。C 至 +105176。 C 溫度范圍，供電電壓 至 ，一系列的省電模式保證低功耗應(yīng)用的要求。 STM32F103xx 大容量增強(qiáng)型系列產(chǎn)品提供包括有 64 腳至 144 腳的 6 種不同封裝形式；根據(jù)不同的封裝形式， 器件中的外設(shè)配置不盡相同 。這些豐富 外設(shè)配置，使得STM32F103xx 大容量增強(qiáng)型系列微控制器適合于多種應(yīng)用場(chǎng)合 [3]： ? 電機(jī)驅(qū)動(dòng) ? 醫(yī)療 器械 和手持 終端 設(shè)備 ? PC 端游戲 和 GPS 終端 平臺(tái) ? 工業(yè)應(yīng)用：可編程控制 器 、 打印機(jī)、變頻器 和掃描儀 ? 警報(bào)系統(tǒng)、視頻對(duì)講、和暖氣通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)等 本系統(tǒng)中使用的是 STMF103xx 系列中容量最大、接口最豐富、功能最全面的STM32F103ZET6 微處理器。 以下是 STM32F103ZET6 的功能介紹 [4]： ? 基于 ARM CortexM3 核心的 32 位微控制器 ， LQFP144 封裝 . ? 512K 片內(nèi) FLASH（相當(dāng)于硬盤(pán)） ， 64K 片內(nèi) RAM（相當(dāng)于內(nèi)存） ， 片內(nèi) FLASH 支持在線(xiàn)編程 (IAP) ? 高達(dá) 72M 的頻率 ,數(shù)據(jù) ,指令分別走不同的流水線(xiàn) ， 以確保 CPU 運(yùn)行速度達(dá)到最大 化 ? 通過(guò)片內(nèi) BOOT 區(qū) ， 可實(shí)現(xiàn)串口下載程序 (ISP) ? 片內(nèi) 具有 雙 RC 晶振 ， 提供 8M 及 32K 的頻率 ? 支持片外 8M 高速晶振 ， 片外低速 32K 晶振 湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 8 ? 42 個(gè)后備寄存器 (16 位 )， 外接 紐扣電池 時(shí)，可以 掉電數(shù)據(jù)保存 ? 支持 SWD 和 JTAG 調(diào)試 ， 配合 JLINK 實(shí)現(xiàn)高速低成本的開(kāi)發(fā)調(diào)試方案 ? 高 達(dá) 80 個(gè) 通用 IO 口 (兼容 5V電平 邏輯 )， 4 個(gè)通用定時(shí)器 ， 2 個(gè)高級(jí)定時(shí)器 ， 2個(gè)基本定時(shí)器 ， 3 個(gè) SPI 接口 ， 2 路 I2S 接口 ， 2 路 I2C 接口 ， 5 路 USART，一個(gè) USB 從設(shè)備接口 ， 一個(gè) CAN 總線(xiàn)接 口 ， SDIO 通用 接口 ， 可配置 SRAM、ND Flash 和 NOR 接口的 16 位總線(xiàn) FSMC ? 3 路共 16 通道的 12 位 AD 輸入 ， 2 路共 2 通道的 12 位 DA 輸出 ， 可外接高精度參考電壓， CPU 供電范圍： 嵌入式系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，以應(yīng)用為中心，同時(shí)軟硬件可裁剪，其非常適用于對(duì)體積、功耗、功能、可靠性、成本、有很高要求的專(zhuān)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。而其它和PC 系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)，嵌入式系統(tǒng)一般主要由微處理器、操作系統(tǒng)、外圍硬件設(shè)備、以及用戶(hù)的應(yīng)用程序等部分組成，其用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。并且 在使用 JTAG 調(diào)試時(shí)，