土壤溫濕度系統(tǒng)設(shè)計論文范文
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1系統(tǒng)整體設(shè)計
終端節(jié)點在該系統(tǒng)內(nèi)為各種不同的傳感器節(jié)點，節(jié)點上安裝溫度、濕度傳感器，主要用于土壤溫濕度數(shù)據(jù)的采集工作，隨后將數(shù)據(jù)發(fā)送至路由節(jié)點。路由節(jié)點具有轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)功能。實際中，可根據(jù)監(jiān)測土壤面積的大小來調(diào)整傳感器節(jié)點的數(shù)量;當(dāng)所需監(jiān)測的區(qū)域較大時，可增設(shè)多個終端節(jié)點即傳感器節(jié)點來保證數(shù)據(jù)的完整性;而當(dāng)監(jiān)測區(qū)域較小時，可使用較少的節(jié)點以節(jié)省資源。所有的數(shù)據(jù)最后匯聚到上位機，上位機是系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理和管理中心。上位機管理平臺軟件采用LabVIEW2012編寫，可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的處理、存儲、顯示及報警功能。
2．1核心處理模塊
傳感器節(jié)點可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理和通信功能。以TI公司的ZigBee片上射頻芯片CC2530F25為處理核心，芯片上集成了8051內(nèi)核、數(shù)模轉(zhuǎn)化及USART等，兼容ZigBee的協(xié)議棧。片上所有資源均可使用，節(jié)點上配有電池盒，具有很高的性價比，是一種高集成的解決方案。CC2530擁有龐大的快閃記憶體，多達(dá)256個字節(jié)，支持ZigBeePF4CE，是首個滿足兼容的協(xié)議棧;其更大的內(nèi)存將芯片無線下載變?yōu)楝F(xiàn)實，且支持系統(tǒng)編程。
2．2傳感器模塊
采用抗腐蝕的專業(yè)土壤濕度傳感器TDR采集土壤濕度信息。該傳感器采集到的土壤濕度信息十分精確。其抗腐蝕氧化、測量速度快且十分穩(wěn)定，誤差極小;應(yīng)用地域廣泛，經(jīng)久耐用;安裝、維護操作簡便。土壤中所含水分對土壤介電常數(shù)的大小有很大影響。本傳感器可以測量出土壤的介電常數(shù)，然后得出土壤的濕值。其濕度量程為0～100%RH，測量精度為±2%RH，工作電壓為DC12V/24V，工作電流為30～50mA，輸出信號為0V～2．5V或4～20mA。土壤溫度傳感器采用ST10，它基于半導(dǎo)體PN結(jié)，測量量程為－20～50℃，測量精度為±0．5℃。
2．3硬件設(shè)計
監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計包括終端節(jié)點、路由節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點的設(shè)計。終端節(jié)點采集土壤溫濕度后，以多跳方式將數(shù)據(jù)發(fā)送給路由節(jié)點，最后由協(xié)調(diào)器節(jié)點將監(jiān)測到的數(shù)據(jù)處理后發(fā)送給上位機。終端節(jié)點和路由節(jié)點的結(jié)構(gòu)相同，均由溫濕度傳感器模塊、核心處理模塊、按鍵及顯示模塊、射頻天線電路及電源電路組成。
3系統(tǒng)軟件設(shè)計
整個系統(tǒng)的軟件開發(fā)是建立在TI公司Z－Stcak的基礎(chǔ)上進行的，軟件開發(fā)和運行環(huán)境為IAREmbed-dedWorkbench。Z－Stack被安裝在IAR開發(fā)環(huán)境的工程內(nèi)，IAR不僅可以編譯及下載程序，而且還能與編程器一起跟蹤調(diào)試或監(jiān)控寄存器。由IEEE802．15．4標(biāo)準(zhǔn)可把Z－Stack進行分層。在協(xié)議棧內(nèi)，PHY層和MAC層處于最低層的位置，與硬件有著密切的聯(lián)系;NWK、APS、APL層位于PHY層和MAC層上方，且與硬件無任何聯(lián)系。此分層的結(jié)構(gòu)會使用戶立即了解整體結(jié)構(gòu)，為系統(tǒng)的設(shè)計帶來了很大的便利。
3．1協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件設(shè)計
當(dāng)系統(tǒng)上電后，協(xié)調(diào)器節(jié)點可選擇一個信道，如協(xié)調(diào)器節(jié)點的地址為0000，隨后建立一個符合各項參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器與各個傳感器節(jié)點互相通信，并與上位機連接進行通信。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)建立后，傳感器節(jié)點與協(xié)調(diào)器節(jié)點實現(xiàn)綁定，此時協(xié)調(diào)器節(jié)點便會得到各個傳感器節(jié)點的短地址，可通過調(diào)用地址來操作傳感器節(jié)點并將采集傳感器接收到的數(shù)據(jù)。在協(xié)調(diào)器收到信號時，可由數(shù)據(jù)的格式得知數(shù)據(jù)的類型，能夠了解是終端節(jié)點發(fā)出的請求或是傳感器模塊所采集的信息。當(dāng)監(jiān)測到的是傳感器的數(shù)據(jù)時，可根據(jù)既定格式提取數(shù)據(jù)，并將此數(shù)據(jù)通過串口傳送至上位機監(jiān)控軟件;若是終端節(jié)點發(fā)出的請求，則將地址進行比對用來存儲地址信息，將網(wǎng)絡(luò)地址傳送至上位機。協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件工作流程圖如圖4所示。
3．2傳感器節(jié)點程序設(shè)計
傳感器節(jié)點主要用來檢測固定范圍內(nèi)的環(huán)境參數(shù)，并發(fā)送信號以處理數(shù)據(jù)和完成通信。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的軟件方面包含采集數(shù)據(jù)程序和通信程序。節(jié)點程序中使用了喚醒機制，這使其使用壽命得到充分延長。休眠的手段是為節(jié)省能耗經(jīng)常使用的辦法，終端節(jié)點大部分時間均處在休眠的狀態(tài)，按理論值來說，此時的功耗會小于1uA。當(dāng)外部出現(xiàn)異常情況時，節(jié)點模塊會被喚醒并進入正常工作狀態(tài);當(dāng)發(fā)送結(jié)束后，又會進入休眠模式。本設(shè)計可讓傳感器節(jié)點可進行周期性的工作及休眠，可設(shè)置每秒鐘喚醒1次。將采集到的數(shù)據(jù)與門限相比較，只有在采集數(shù)據(jù)超過閾值時，傳感器節(jié)點才會開始進入發(fā)送數(shù)據(jù)的狀態(tài)。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的最大功耗部分為無線通信產(chǎn)生的功耗，采用合理的數(shù)據(jù)傳輸方式可降低整個節(jié)點的功耗。將傳感器安放到不同的位置使其變?yōu)槁酚晒?jié)點，可起到中繼和轉(zhuǎn)發(fā)的作用。
4上位機數(shù)據(jù)處理及實驗結(jié)果分析
4．1上位機數(shù)據(jù)處理
上位機數(shù)據(jù)處理及顯示界面采用NI公司的Lab-VIEW軟件開發(fā)，監(jiān)測人員可以通過此界面平臺實現(xiàn)串口配置、實時數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)回讀、報警設(shè)置及實現(xiàn)4個功能。系統(tǒng)采用的是通過下位機用串口傳送過來的方式。由于下位機自動采集溫濕度數(shù)據(jù)，所以本設(shè)計是直接從該采集程序開發(fā)的。在這部分中，主要是上位機與下位機的串口通信通道的設(shè)計，包括串口COM端口的選擇、波特率設(shè)置，以及數(shù)據(jù)位、校驗位、停止位設(shè)置，如圖6所示。數(shù)據(jù)保存是把采集來的數(shù)據(jù)保存到tdms文件里。文件中包括有兩個組名:一個是以時間命名的溫濕度數(shù)據(jù)，temp為溫度數(shù)據(jù)，hum為濕度數(shù)據(jù);還有一組是以Events命名的報警記錄。為了可以十分快捷地查到溫濕度歷史數(shù)據(jù)，設(shè)計了歷史數(shù)據(jù)查詢模塊，如圖7所示。因為采集的數(shù)據(jù)保存在tdms文件中，所以歷史數(shù)據(jù)的查詢只需要檢索出來就可以。該程序能夠顯示歷史數(shù)據(jù)及對應(yīng)的波形圖，還具有tdms文件轉(zhuǎn)化成文本文件的功能。報警設(shè)置的程序是直接通過旋轉(zhuǎn)按鈕來控制實現(xiàn)的，如圖8所示。當(dāng)采樣值大于設(shè)置的數(shù)值時，系統(tǒng)就會報警，導(dǎo)致循環(huán)里的事件發(fā)生，然后記錄數(shù)據(jù)。這部分是實時記錄，能夠保存文本文件，系統(tǒng)每次重新啟動時，都會自動自動刪除實時的記錄。系統(tǒng)設(shè)計了實時顯示功能，也就是把下位機傳過來的信號通過示波器將其溫濕度的趨勢圖顯示出來，同時還有溫濕度報警功能。
4．2實驗結(jié)果分析
為了驗證系統(tǒng)的性能，選取一個終端傳感器節(jié)點進行驗證。在實驗室環(huán)境下，每隔5min記錄采集到的溫濕度值，得到的實驗結(jié)果如圖10所示。經(jīng)過觀察和分析，溫濕度變化曲線、誤差均在正常測量和控制誤差允許范圍內(nèi)。結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確采集被監(jiān)測區(qū)域土壤溫濕度數(shù)據(jù)，并能夠很好地利用Zig-Bee網(wǎng)絡(luò)無線傳輸?shù)缴衔粰C，數(shù)據(jù)可靠準(zhǔn)確。
5結(jié)論
設(shè)計了以CC2530芯片為傳感器節(jié)點核心的土壤溫濕度無線監(jiān)測系統(tǒng)，具有功耗低、組網(wǎng)快、安裝方便的優(yōu)點。同時，在上位機上采用基于LabVIEW開發(fā)的監(jiān)測界面，系統(tǒng)性能更加完善，可以應(yīng)用于土壤環(huán)境監(jiān)測，也可以用于其他溫濕度監(jiān)測場合。
作者：王麗張華張景林劉文禮苗鳳娟陶佰睿單位：齊齊哈爾大學(xué)通信與電子工程學(xué)院網(wǎng)絡(luò)信息中心計算中心
