1、分类号 密级 UDC 全日制硕士专业学位研究生学位论文基于 ZigBee 和电力线载波技术的智能温室应用研究作 者 姓 名：指 导 教 师： 学科专业名称： 农业推广硕士领 域 名 称 ： 农业机械化研 究 方 向 ： 农业电气化工程所 在 学 院 ： 工程学院论文提交日期： 年 月浙 江 农 林 大 学 摘要I摘要为解决传统智能温室安装布线复杂，采集数据不全面，系统灵活性差，平台决策不智能等问题，根据物联网概念提出一种基于无线传感网络和智能管理平台的智能温室监控系统。根据温室发展现状，本文设计了一套智能温室监控系统，选用当前先进成熟的元器件和技术进行设计研发。系统搭建了基于 ZigBee 技
2、术的树形无线传感网络，设计了基于 STM32W108 芯片的采集节点、网关节点、中继节点和控制节点。数据采集节点依靠内部电池供电，采用低功耗硬件设计和软件节能机制；系统集成性高和扩展性强，除了集成温湿度传感器和光照强度传感器外，还具备多个 USB 扩展口用于扩展其它类型传感器。系统引入电力载波通讯技术(Power line Communication ，PLC) ，仅需依靠电力线便可传输作物叶面纹理高清图像(1080p)，实现了预警病虫害的目的。根据系统要求开发了一款适用于本系统的智能温室管理平台，给出了设计框架和成果展示，并详细的介绍了数据库的设计。此外，本文重点设计研发了一款基于 STM3
3、2F103 芯片的土壤水分传感器探头，可以与采集节点完美匹配。介绍了总体设计思路，进行了 ADC 校正和低功耗设计，开发完成后进行了试验分析，并提供了可配置参数和 I2C 交互协议，测试结果稳定可靠。最后，系统在 2400m2 草莓和铁皮石斛立体式混合种植温室环境下测试使用，数据采集节点在温室内随机位置设置并进行数据丢包统计，丢包率在 1以下。实际工况下，数据采集节点 30 天电压下降 400 毫伏，满电可工作 5 个月以上，支持移动电源充电，稳定性和节点功耗均满足系统要求。关键词：无线传感网络；ZigBee 技术；STM32W108 芯片；电力线载波技术；土壤水分传感器ABSTRACTIIA
4、BSTRACTTo solve the problems of complex routing installation, incomplete data acquisition, less flexibility of system, and not intelligent decision-making platform in traditional intelligent greenhouse, an intelligent greenhouse monitoring system based on wireless sensor network and intelligent mana
5、gement platform was presented according to the concept of IOT.According to the statue of greenhouse development, the paper designed the framework of intelligent greenhouse control system which used the advanced mature components and technology to design and develop. The system built the tree type wi
6、reless sensor network based on ZigBee technology and designed collection node, gateway nodes, relay nodes and control nodes based on STM32W108. The data acquisition nodes had self-powered internal battery, with low power consumption hardware design and software energy-saving mechanism. The system ha
7、d the characteristics of high integration and strong extension, with multiple USB extended port used to extend the other types of sensors besides the integrated temperature-humidity sensor and light intensity sensor. The high definition images (1080p) of crop leaves texture only transmitted by power
8、 line were realized to warn diseases and pests early by introduction of power line communication technology in the system. According to the system requirement, the paper developed a smart greenhouse management platform, which was suitable for the system, and provided the design framework and display
9、 of the database.The paper designed the soil moisture sensor based on the STM32F103 and it could match the acquisition node perfectly. The paper introduced the general design idea, including the ADC correction and the low power design. After the completion of the development, we tested and analysed
10、the soil moisture sensor, and provided the configurable parameters and the interaction protocol of I2C. The results were stable and reliable. Finally, the system was tested in a 2,400 square meters greenhouse with three-dimensional hybrid of strawberries and Dendrobium officinale. The data acquisiti
11、on nodes were set in the random position of the greenhouse and counted the data loss, which the result of the data drop rate below 1. According to the actual working conditions, the voltage of data acquisition nodes decreased 400 mv in 30 days, and the nodes charged by movable power sources can work
12、 more than 5 months with full ABSTRACTIIIpower. Therefore, the nodes characteristics of stability and power can satisfy the system requirements.Key words： Wireless sensor network；ZigBee technology；STM32W108；Power line communication technology；Soil moisture sensor 目录IV目 录摘要 .IABSTRACT .II1 绪论 .11.1 选
13、题背景 .11.2 国内外研究现状 .11.2.1 国外研究现状 .11.2.2 国内研究现状 .21.3 课题研究目的和意义 .41.3.1 课题研究目的和意义 .41.3.2 课题优势与面临困难 .41.4 论文主要内容及章节安排 .52 ZigBee 技术和电力线载波通信技术介绍 .72.1 引言 .72.2 ZigBee 技术 .72.2.1 ZigBee 技术概述 .72.2.2 ZigBee 设备类型 .72.2.3 ZigBee 拓扑结构 .82.2.4 ZigBee 协议框架 .82.2.5 ZigBee 特点 .92.2.6 ZigBee 技术与其他短距离无线通信技术比较 .
14、102.2.7 ZigBee 技术的应用 .102.3 电力线载波通信技术 .112.3.1 电力线载波通信技术概述 .112.3.2 电力线载波通信技术的工作原理 .122.3.3 电力线载波通信的特点 .122.4 本章小结 .133 智能温室监控系统总体设计 .143.1 引言 .143.2 系统总体设计方案 .143.3 数据监控系统设计 .163.3.1 网络拓扑结构的选择 .163.3.2 主芯片的选择 .16目录V3.3.3 传感器的选择 .173.4 视频监控系统设计 .203.5 本章小结 .214 智能温室监控系统硬件设计和实现 .234.1 引言 .234.2 低功耗采集
15、节点设计与实现 .234.2.1 采集节点总体设计原则 .234.2.2 核心模块设计 .244.2.3 升级与修复功能设计 .244.2.4 供电模块设计 .254.2.5 传感器模块设计 .264.2.6 低功耗设计 .274.2.7 成品展示与优劣势对比 .294.3 土壤水分传感器探头设计与实现 .304.3.1 总体设计 .304.3.2 ADC 校正 .324.3.3 低功耗设计 .324.3.4 I2C 交互协议 .334.3.5 Flash 相关定义 .344.3.6 试验分析 .354.3.7 可配置参数设计 .364.3.8 成品展示与优劣势对比 .374.4 网关节点设计
16、 .384.5 中继节点和控制节点设计 .404.6 本章小结 .405 智能温室监控系统管理平台设计 .425.1 引言 .425.2 数据库设计 .425.2.1 数据库形式 .425.2.2 数据库关系表分类 .425.3 管理平台设计 .495.3.1 实时数据模块 .505.3.2 实时视频模块 .515.3.3 历史数据模块 .525.3.4 农用材料和大户信息模块 .53目录VI5.3.5 致灾指标模块 .545.3.6 精细化天气模块 .555.3.7 远程控制模块 .565.3.8 后台管理模块 .565.3.9 移动端管理平台 .575.4 本章小结 .576 系统应用分析
17、 .596.1 引言 .596.2 实际应用环境 .596.3 设备布置 .606.3.1 设备选择和参数设置 .606.3.2 实施方案 .606.4 稳定性测试 .636.5 功耗测试 .656.6 图像传输测试 .666.7 本章小结 .677 总结与展望 .687.1 总结 .687.2 展望 .69参考文献 .70附 录 .75附录 1：结构体和 I2C 通信命令定义 .75附录 2：土壤水分传感器测试原始数据 .76附录 3：网关电路设计 .77附录 4：智能管理平台界面展示 .79附录 5：管理平台核心程序 .82个人简介 .91致 谢 .921 绪论11 绪论1.1 选题背景无
18、线传感器网络是一种新兴传感器网络类型，在军事战争、智能家居、远程控制、工业自动化、精准农业、城市交通管理、卫生保健、救灾和其他许多领域都有所涉及，有组网简单、升级容易、灵活性高、维护简单、回报高等一系列优势 1。同时，它不受时间、地点等外界因素的影响，弥补了有线网络受路由器、时间、环境等因素影响的缺憾，非常适合在智能温室中使用。现阶段，除了数据信息外，图片、视频信号也可以通过无线的方式实现稳定传输，有助于农业进入一个完整的信息化时代。温室是一种重要的农业设施，通过提供不受外界影响，相对稳定的内部环境，可使农户一定程度上摆脱季节和气候的影响，从而保证农产品价格，增加农户收益 23。随着以无线传感
19、网络技术为代表的物联网技术的发展，温室也逐步从电气化发展到智能化。通过采集环境参数，控制现场执行器件，智能化温室进一步使温室具有了主动控制环境的能力，从而可为作物提供最佳生长条件 45。早期智能温室数据采集系统多采用有线网络，得益于稳定的供电，系统能够持续可靠地工作。由于节点布设依赖于布线形式，随着采集参数增加及检测空间增大，网络的布线将非常复杂，节点布置的灵活性欠佳，同时还面临线路维护方面的问题 678。为解决上述问题，越来越多的智能温室选择了基于无线网络技术的监控系统，使采集结点不受空间限制，不需要大面积布线，可以根据需要灵活布置 91011。虽然温室环境参数信息相对稳定无瞬变，采样频率和数据传输速率不需很高，但传统无线传感网络仍然面临如何保证长时间稳定可靠工作的问题，减少占用计算和通信资源，降低能耗则是关键技术 121314。1.2 国内外研究现状1.2.1 国外研究现状早在上个世界 80 年代初，美国就开始致力于传统农业转型的相关研究，提出了基于精准农业的数字化农业，并取得了显著的成果。在此之后，世界上许多发达国家都开始将注意力转移到农业上，为了实现农业生产过程的可持续发展，提高农业生产效率，降低劳动
