【正文】 輸，實現(xiàn)完美連接。任何電路的電流都是要有回路的，此電感產(chǎn)生的感應(yīng)電流總要回到電感，就是靠這個二極管回流的，其電流經(jīng)過L5V輸出端、負(fù)載到地，再經(jīng)二極管D2回到電感L1，此時二極管相對于感應(yīng)電流就是正向連接了，沒等這個電流消失，開關(guān)又閉合，設(shè)計如圖38所示。當(dāng)開關(guān)斷開時，Vin不再提供電流到Vout。Wifi傳輸模塊設(shè)計電路如圖37所示。圖35 終端節(jié)點電路設(shè)計 電源模塊設(shè)計，要想與電源連接，還需要一個電源適配器，而電池提供的電壓為5V，該芯片是一個正向低壓降穩(wěn)壓器，其中C7和C8為輸入旁路電容，C9和C10是輸出旁路電容，然后輸入端連接電源供給端，滿足電源設(shè)計要求，其工作原理圖如圖36所示。 終端節(jié)點電路設(shè)計對于終端節(jié)點的電路設(shè)計就是實現(xiàn)三個傳感器與Zigbee模塊的焊接，溫濕度傳感器DHT11，它的引腳非常簡單，四個引腳分別是引腳1是電源引腳，連接Zigbee模塊上的電源即可，引腳2是單總線接口，可以傳輸串行數(shù)據(jù)，通過跳線連接到CC2530的串口20采集溫濕度，這個傳感器有個空腳，設(shè)計時候懸空即可，引腳4接Zigbee板的GND就行。全雙工異步串行通信裝置與USB 功能接口便利連接的解決方案。 協(xié)調(diào)器電路原理ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器起始就是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的一種類型設(shè)備，是整個網(wǎng)絡(luò)的中心，它負(fù)責(zé)的功能包括建立，維持和治理網(wǎng)絡(luò)，分配網(wǎng)絡(luò)地址等，因此，可以將ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器稱作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的“大腦”，本設(shè)計的協(xié)調(diào)器就是一塊ZigBee模塊，然后在軟件設(shè)置方面稍加改動，通過協(xié)議棧改寫程序?qū)崿F(xiàn)ZigBee模塊充當(dāng)協(xié)調(diào)器的功能，協(xié)調(diào)器的具體電路原理如圖34所示。圖33 zigbee模塊原理在上圖中可以看出，整個Zigbee模塊上有一個核心板接口，核心板主要就是核心芯片CC2530，15引腳為接地引腳，16引腳為電源引腳，核心板上DD和DC是兩條調(diào)試線，DC為調(diào)試時鐘信號線，DD是調(diào)試數(shù)據(jù)線，引腳14為復(fù)位引腳，需要連接一個10K的電阻。時鐘燒寫等必要的電路，還需要一個切換開關(guān)，用來控制整個終端節(jié)點的開與斷，除此之外，整個ZigBee模塊還外加了外部充電電路，當(dāng)供電電池沒電時，可以進(jìn)行充電，讓節(jié)點繼續(xù)工作，節(jié)省了大量成本，模塊工作指示燈，指示燈的作用是提示當(dāng)打開開關(guān)時，模塊是否成功工作，其他的不需要在連接電路時可以不用。實時時鐘Uart接口5V電源RFAESCC2530 MCU FLASH傳感器SRAM32MHz系統(tǒng)時鐘JATG調(diào)試接口圖32 終端節(jié)點硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu) Zigbee模塊電路原理ZigBee主要有三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，為了便于設(shè)計，本設(shè)計采用的是其中的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。包括：CC2530片上系統(tǒng)、調(diào)試接口、串行接口、天線、三個傳感器以及為系統(tǒng)供電的電池，還有為電池充電的接口，若是電池電量不足，還有外來供電，以免傳感器節(jié)點短暫失效。兩部分均將采集的參數(shù)和視頻傳給上位機(jī)，然后通過上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)測即可，具體系統(tǒng)硬件工作流程如圖31所示。綜合考慮的因素包括硬件價格、使用壽命等，這些因素基本都是系統(tǒng)設(shè)計需要注意的要素，然后根據(jù)本系統(tǒng)自身所需求的要素，完成了對多種硬件的選擇，為下一章系統(tǒng)硬件設(shè)計提供指導(dǎo)思想。 本章小結(jié)本章介紹了系統(tǒng)的整體設(shè)計方案，分別從系統(tǒng)功能要求及應(yīng)用環(huán)境、系統(tǒng)設(shè)計思想、硬件總體方案構(gòu)成以及元器件選擇幾個方面進(jìn)行了論述。 WIFI模塊選取本設(shè)計的Wifi模塊實際上就是是帶有無線覆蓋功能的路由器，它的功能就是上網(wǎng)或者無線覆蓋，或者說無線路由器就是一個轉(zhuǎn)發(fā)器，它就是將寬帶網(wǎng)絡(luò)信號通過天線轉(zhuǎn)發(fā)給附近能夠捕捉的移動設(shè)備。簡單的說，就是某一物體在均勻的光照下每平米獲得1lx的光照量，它們的光強(qiáng)度是1lx。這是一種更精良的和容易使用簡易電阻器的版本，只需要計算電壓，就能得到所需要的數(shù)據(jù)，無需更多麻煩的轉(zhuǎn)換。5%177。表24 三種光照強(qiáng)度傳感器對照表型號BT1750NHZD10AIRYG/W供電電壓3V5V12V24V量程165535lx02000lx0200klx精度177。那MG811 二氧化碳傳感器，MG811靈敏度高，低功耗、耗電少、響應(yīng)時間和恢復(fù)時間都不超過兩分種，可以真正實現(xiàn)對二氧化碳濃度的實時采集，即使在一天內(nèi)二氧化碳量變化很大，也能連續(xù)不斷的監(jiān)測二氧化碳變化量，所以，MG811是本設(shè)計最佳選擇。表23 三種不同二氧化碳傳感器對比表型號MG811Cirius3EMS112測量電壓≤24V5V5177。 二氧化碳傳感器選取對于人來說，想要健康的生存，不僅僅要有一個健康的身體，更需要能夠順暢的呼吸，當(dāng)然植物也是如此，它們也需要順暢的呼吸，但是與人不同，它們吸進(jìn)去的是二氧化碳，所以說二氧化碳是其必不可少的呼吸養(yǎng)料，而且植物還需要光合作用，除了水之外，還需要足夠的二氧化碳，那為了保證二氧化碳的濃度，我們需要一個二氧化碳傳感器來監(jiān)測，可以讓農(nóng)作物順暢呼吸，健康成長。剩下的兩種傳感器在工作電壓上均達(dá)到了要求，可以暫時考慮，但是，對于測量精度溫度上，SHT11比DHT11更加有優(yōu)勢，但是本比設(shè)計需要的是溫濕度傳感器，不能單獨(dú)考慮一個參數(shù)，應(yīng)該將溫度和濕度結(jié)合起來考慮，所以根據(jù)濕度的測量精度，最終選擇了DHT11。2℃ 濕度：177。3%RH 溫度：177。表22 三種型號溫濕度傳感器對比表型號JCJ175ASHT11DHT11工作電壓24 V 測量精度溫度：≤177。在傳輸農(nóng)作物環(huán)境參數(shù)的無線傳輸元件選擇Zigbee模塊，Zigbee模塊實際上就是以CC2530為核心連接正常工作所需要的外圍電路，即可構(gòu)成Zigbee模塊，它組建一個網(wǎng)絡(luò)根本不需要大量成本[9]，Zigbee模塊具體參數(shù)如表21所示。(3) 功耗和發(fā)射功率要考慮在內(nèi) ，搭建的電路是否穩(wěn)定。(2) 芯片外圍元件是否復(fù)雜。 硬件選取 無線收發(fā)模塊選取無線傳輸技術(shù)很多，對應(yīng)的無線收發(fā)模塊業(yè)多種多樣，合適的模塊會延長整個系統(tǒng)的使用壽命，還可以節(jié)約成本。本設(shè)計通過實驗，能夠精準(zhǔn)的采集農(nóng)作物的生長環(huán)境的溫濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度、以及病蟲害情況，通過兩個無線傳輸模塊分別成功的將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)上顯示，并能通過上位機(jī)準(zhǔn)確的觀測出農(nóng)作物生長的多種指標(biāo)顯示。（3） Wifi模塊的作用將攝像頭采集的視頻傳輸給上位機(jī)，上位機(jī)將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、保存。上位機(jī)CC2530DHT11 MG811協(xié)調(diào)器BH1750CC2530DHT11PC機(jī)MG811BH1750WIFI模塊攝像頭 圖21 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)那從上面的整體結(jié)構(gòu)圖可以看出，硬件結(jié)構(gòu)比較簡單，概括的說就是將整體分成兩個無線傳輸部分，一部分是核心是Zigbee模塊的，它連接三個傳感器，傳感器包括DHT1MG811和BH1750，采集必要的參數(shù)，另一個部分是以Wifi作為核心的無線傳輸部分，選擇采集視頻的是奧速高清攝像頭。 總體設(shè)計方案構(gòu)成基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的方案大概如下，根據(jù)各部分功能分為三大部分，分別為傳感器節(jié)點采集部分、環(huán)境參數(shù)傳輸部分和視頻監(jiān)視部分。首先，我們把一個農(nóng)業(yè)大棚作為一個實驗對象，在實驗對象內(nèi)分區(qū)，將每個區(qū)域作為一個監(jiān)測單元，每一個監(jiān)測單元內(nèi)放置兩個傳感器節(jié)點，這兩個傳感器節(jié)點作為終端節(jié)點，它們的任務(wù)就是精準(zhǔn)的采集農(nóng)作物生長環(huán)境參數(shù)。在此過程利用ZigBee技術(shù)、無線傳感器技術(shù)、Wifi技術(shù)、視頻監(jiān)控技術(shù)從農(nóng)業(yè)到管理中心進(jìn)行全面的監(jiān)測。本系統(tǒng)主要應(yīng)用于集中性農(nóng)業(yè)大棚或溫室，便于監(jiān)測者對農(nóng)作物的生長環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，為監(jiān)測者建立起良好的農(nóng)作物監(jiān)測機(jī)制。(4)能完成視頻的無線傳輸。(2) 能完成以上采集數(shù)據(jù)的無線傳輸。并且時代在進(jìn)步，科技在發(fā)展，每一天都會有驚喜出現(xiàn)，無線通信技術(shù)、傳感器技術(shù),帶動著我們更加向前，人們不滿足這樣笨拙的監(jiān)管方式，對其提出了更高的需求，不僅僅是投入更少、收入更多，更多的是效率和方式，高效率的工作方式給我們帶來足夠的便利，因此，正是因為這些因素催生了本監(jiān)測系統(tǒng)。第5章 此章介紹整個系統(tǒng)設(shè)計的調(diào)試，到了這章，整個設(shè)計大概完成了，但是還需進(jìn)一步對硬件和軟件進(jìn)行調(diào)試。第3章 這一章是本論文的核心章，主要敘述了整體的硬件設(shè)計，除了主要介紹整體硬件設(shè)計方案，還會一塊一塊解讀，包括無線傳輸模塊怎樣進(jìn)行電路設(shè)計，考慮了那些因素，具體怎樣連接引腳等。那么，論文的主要內(nèi)容如下：第1章 緒論這一章的內(nèi)容并不復(fù)雜，背景和意義一定要清晰，這也是選擇本設(shè)計題目的依據(jù)，國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，根據(jù)國內(nèi)外現(xiàn)狀，開發(fā)本設(shè)計的特色，然后就是論文內(nèi)容安排，清晰的梳理思路，保證論文的撰寫。 本文內(nèi)容及安排論文首先論述了選題意義和背景，長時間調(diào)研，認(rèn)為此課題具有研究意義并具有可行性，其次了解選題的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，參考國內(nèi)外無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測方面的案例以及未突破的難點等，掌握系統(tǒng)設(shè)計所使用的核心技術(shù)和技術(shù)原理，清晰的掌握設(shè)計思路，在這之后就要涉及具體的設(shè)計流程了，首先就是整體設(shè)計方案，這點很重要，一個清晰的設(shè)計方案可以高效的完成工作，另一點就是元件的選取，這一點同樣重要，元件的種類繁多而且各不相同，所以，綜合多種因素選擇合適的元件也是整個設(shè)計的關(guān)鍵之一，另外就是軟件設(shè)計，這一點需要考察的就是設(shè)計者的編寫程序的能力，有些程序是開源免費(fèi)的，但是有些程序則需要根據(jù)不同的硬件編寫，本設(shè)計中傳感器很多，但是大體的思路幾乎相同，所以設(shè)計起來并不是很困難，那最重要的算是上位機(jī)了，所謂監(jiān)測系統(tǒng)必然是監(jiān)測最重要，這就需要對上位機(jī)軟件選取的要求比較高，設(shè)計的界面不能過于復(fù)雜，但是也不能十分簡單，要有獨(dú)到的設(shè)計特點，便于管理者分析等等[7]。其次，由于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，農(nóng)業(yè)發(fā)展比較集中的地區(qū)成為了試點對象，2015年，黑龍江省克東縣就作為智慧農(nóng)業(yè)的實驗對象，根據(jù)國家發(fā)展項目的要求，鼓勵智慧農(nóng)業(yè)，國家會給項目提供實驗資金，幫助整個項目順利實施，通過大面積投產(chǎn)、使用，意圖達(dá)到令人滿意的結(jié)果。通過這些環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)的對比，人為的強(qiáng)制性的改變其中某一參數(shù)，使其達(dá)到最佳生長狀態(tài)。通過常年累計的大量的數(shù)據(jù)，進(jìn)行多角度對比分析，利用現(xiàn)有設(shè)備，良好的掌握了葡萄的動態(tài)生長確實和環(huán)境參數(shù)息息相關(guān)，精確掌握葡萄生長過程中所需要的光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度、風(fēng)力強(qiáng)度、以及土壤PH等酸堿度，確定了這些因素，就能通過人工手段創(chuàng)造一個最適合葡萄生長的環(huán)境，從而獲得最大的生產(chǎn)量。即使原理比較簡單，操作也相對容易，可畢竟技術(shù)有限，所以只能按照想法簡單的實施，將大量的監(jiān)測節(jié)點零散的安裝在葡萄園里，形成一個包圍型網(wǎng)絡(luò)，將傳感器采集模式設(shè)定成每隔一分鐘檢測一次溫濕度，除此之外，該區(qū)域出現(xiàn)的有害物的數(shù)量也會被記錄，監(jiān)測人員通過顯示的數(shù)據(jù)給予恰當(dāng)?shù)拇胧?，保證其生長最佳。結(jié)合不同農(nóng)作物最佳生產(chǎn)條件，調(diào)節(jié)外部設(shè)備，設(shè)置不同的環(huán)境參數(shù)，改善生長環(huán)境，賺取更多的經(jīng)濟(jì)收益。就像世界上有很多不同人種一樣，無線傳感技術(shù)也有相應(yīng)的種類，我們在設(shè)計本監(jiān)測系統(tǒng)時就必須考慮種類問題，種類不同，特點不同；傳輸距離、傳輸速率、功耗、成本等，還需要接收上位機(jī)指令實現(xiàn)雙向通信，當(dāng)前被人們所熟知無線傳輸技術(shù)不外乎就是Zigbee、Wifi、藍(lán)牙、第三代移動通信技術(shù)、紅外等[3]；每一種都有自己與眾不同的特點，要知道整個系統(tǒng)都是在野外長時間作業(yè)的，所以，低功耗是選擇的無線傳輸技術(shù)的硬性指標(biāo)，一旦這個指標(biāo)不符合，則不用再考慮，Zigbee技術(shù)和Wifi技術(shù)是比較適合的，Zigbee最突出的特點是短距離傳輸、功耗很低、實現(xiàn)數(shù)據(jù)雙向通信，最關(guān)鍵的就是成本很低，它組成了網(wǎng)絡(luò)無非就是以自己為核心，其他傳感器作為附屬連接在核心上，這樣就構(gòu)成一個無線傳輸網(wǎng)絡(luò)，只要節(jié)點足夠多，它覆蓋的面積可以達(dá)到無限，就是由于這個特點，它可以隨意擴(kuò)展，可調(diào)性非常大，從另一方面看，跟GSM和CDMA有相似之處，卻也存在不同，后者兩個都是傳輸語音信號，這就與本設(shè)計不符合了，選取Zigbee模塊作為傳感器數(shù)據(jù)傳輸模塊，它有三種傳輸速率，可以具體情況具體分析，有兩種工作模式，多級休眠和喚醒，只需要根據(jù)上位機(jī)指示然后操作即可，可以降低功耗，而使用Wifi技術(shù)傳輸視頻信號，因為Zigbee無法實現(xiàn)視頻實時傳輸，即使分辨率足夠低且能打包壓縮也無法實現(xiàn)實時監(jiān)測，就算上述因素滿足，帶寬和傳輸速率也不能達(dá)到傳輸視頻信號的要求，除此之外，Zigbee只能傳輸容量較小的數(shù)據(jù)，比如溫濕度、二氧化碳濃度等，而對于視頻信號這樣容量大的數(shù)據(jù)則不可，并且本視頻采集只是一個固定的采集點，它采集半徑在100m之內(nèi)的所有視頻信息，所以對比傳輸距離，Zigbee的傳輸距離較短于Wifi，所以，綜合考慮Wifi更加適合[4]。那到底什么是無線傳感技術(shù)？簡單的說它是由無線通信和嵌入式兩種技術(shù)雜交產(chǎn)生，功能是實現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸，并且不用布線，保證農(nóng)作物種植面積，不用人工讀取數(shù)據(jù)，節(jié)省人力，傳感器抗干擾性強(qiáng)，數(shù)據(jù)采集精準(zhǔn)，設(shè)備簡單且廉價，可以大規(guī)模安裝，不僅容易維修且不會出現(xiàn)監(jiān)測死角，這就使得數(shù)據(jù)具有代表性。針對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)問題，有線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測技術(shù)大規(guī)模使用，但是該種技術(shù)的農(nóng)業(yè)環(huán)境參數(shù)需要人工現(xiàn)場采集，周期讀數(shù)，才能完成整個系統(tǒng)的監(jiān)測的目的，然而這個方案有著諸多的技術(shù)弊端，比如：人工定期讀卡，數(shù)據(jù)僅僅是某一時刻的數(shù)值，不是這段時間的數(shù)據(jù)包，無法反映農(nóng)作物真正的生長狀態(tài)；采集信息的設(shè)備昂貴且笨重，安裝困難，占地面積大，維修難度較大，電纜布線錯綜復(fù)雜