1、 本科毕业设计 题 目： 基于 物联网的 菌类 生长环境监测 系统 学生姓名： 专业名称： 物联网工程 指导教师： xxx 年 x 月 xx 日 教学单位 计算机学院 学生学号 编 号 目录 摘要 . I ABSTRACT . II 1 绪论 .1 1.1 研究背景与现状分析 . 1 1.2 研究目的及意义 . 1 1.3 研究内容与论文结构 . 1 2 关键技术 .3 2.1 Zigbee 无线通信技术 . 3 2.1.1 Zigbee 技术特点 . 3 2.1.2 网络设备类型与拓扑结构 . 3 2.1.3 Zigbee 协议栈 . 4 2.2 软件开发环境 . 5 2.2.1 IAR .
2、 5 2.2.2 Keil. 5 3 系统设计 .6 3.1 功能需求分析 . 6 3.2 系统功能设计方案 . 6 4 系统硬件设计与实现 .8 4.1 硬件系统结构 . 8 4.2 STM32 主控模块 . 8 4.2.1 主控芯片选型 . 8 4.2.2 电路设计 . 8 4.3 传感器数据采集模块 . 11 4.3.1 温湿度传感器 . 11 3.3.2 光敏传感器 . 12 4.4 ZigBee 数据传输模块 . 12 4.4.1 终端节点设计 . 12 4.4.2 协调器节点设计 . 14 4.5 继电器的设计 . 15 5 系统软件设计与实现 . 16 5.1 上位机界面设计 .
3、 16 5.2 网关程序设计 . 17 5.3 数据采集模块程序设计 . 18 6 系统调试与运行 . 20 6.1 硬件测试 . 20 6.2 上位机软件调试 . 20 6s.3 系统联调测试 . 21 总结 . 22 参考文献： . 23 附录 .错误 !未定义书签。 I 基于物联网的菌类 生长环境监测系统 摘要 摘要 :在当今世界飞速发展下，智能穿戴设备、智能家居、智能温室大棚等智能产品对于我们来说已经不是那么陌生，物联网技术已经慢慢出现在了人们的生产生活中，并应用在了各个不同的领域。在 菌类 培养方面，一株植物生长 的过程是非常复杂缓慢的，如何搭配 菌类 培养环境，如何检测 菌类 生长
4、与外界环境因素的相关性，如何监测 菌类 的 生长 过程，对于一种菌类 培养显得尤为重要。 因此，针对 菌类 生长 过程，本 文 研究开发了基于物联网技术的 菌类 生长环境 监测系统。本系统以 Cortex-M3 为核心构建了 STM32 终端采集模块，上面直接搭载了温湿度、光敏等传感器和 ZigBee 终端节点，通过分析传感器采集信息以及 ZigBee 的无线传输，实现对培养环境中温湿度与光照各参数的综合检测。下位机中 ZigBee 协调器与 PC 端直接相连，将采集到实时数据可有效显示在上位机图形窗口界面中，同时为了 终端采集模块上搭载了报警蜂鸣器以及继电器控制模块 。通过各个模块的相互协调
5、工作，实现了对 菌类 生长 过程的综合监测分析。 此系统体现了物联网技术的人性化、智能化、网络化等特点， 为科学管理植物生长 过程提供了技术依据。 关键词： 菌类 生长 ； STM32； ZigBee； 继电器； II Fungi Growth Environment Monitoring System based on IOT Abstract Abstract: In todays world of rapid development, intelligent wear equipment, smart home, intelligent greenhouses and other int
6、elligent products for us is not so strange, Internet of Things technology has slowly appeared in peoples production and life, and applied in different Of the field. In the fungi culture, the process of plant growth is very complex and slow, how to match the fungus culture environment, how to detect
7、the relationship between fungus growth and external environmental factors, how to monitor the growth process of fungi, for a bacteria Class culture is particularly important. Thus, in view of the growth process of fungi, this paper has developed a monitoring system for fungi growth environment based
8、 on Internet of Things technology. The system uses the Cortex-M3 as the core to construct the STM32 terminal acquisition module, which is equipped with sensors such as temperature and humidity, photosensitive sensors and ZigBee terminal nodes. By analyzing the sensor information and ZigBee wireless
9、transmission, the temperature and humidity of the culture environment Parameter of the comprehensive detection. The ZigBee coordinator in the lower computer is directly connected to the PC side, and the real-time data can be displayed effectively in the graphics window interface of the host computer
10、. At the same time, the alarm buzzer and the relay control module are equipped with the terminal acquisition module. Through the coordination of each module work, to achieve a comprehensive monitoring of bacterial growth process analysis. This system reflects the real networking technology humane, i
11、ntelligent, network, etc., for the scientific management of plant growth and provides a technical basis Keywords: Fungi Growth; STM32; ZigBee; Relay 1 1 绪论 1.1 研究背景与现状分析 生物实验需要大量的生物样品，保证这些样品的活性 ,是生物实验成功与否的决定性因素。对于生物培养可以分为多个不同的方向，植物的生长的温室培养、动物的室外培育、微生物的培养皿培养等。对于 菌类植物 生长的温室培养，目前主要针对植物幼苗培育进行研究，由于 菌类 的生
12、长缓慢，因此监测的周期长，难度也非常大。 我们希望应用科学的手段在 菌类 生长 的培养方面提供一些设计帮助。 物联网被誉为又一次的信息产业革命，其应用范围几乎涵盖了各个行业。未来物联网将成为全球信息通信行业的又一个万亿元级新兴产业。如今 ， 物联网不知不觉已经普及到了人们的生产生活中，智能穿戴设备，智能家居，智能大棚，甚至智能手机在一定程度上也 可以算是物联网科技的产物。因此本论文应用物联网技术来设计一款 菌类 植物生长环境 监测系统。 1.2 研究目的及意义 菌类，一大类不含 叶绿素 、不能进行 光合作用 、异养的低等类植物。其中包括细菌、 粘菌 和真菌三个门类。其共同特征是：植物体没有根、
13、茎、叶的分化，不含叶绿素等 光合色素 （极少数 光合细菌 除外），不能进行光合作用，腐生生活或寄生生活，即异养生活。生殖器官多为单细胞结构，合子不发育成胚。 菌类的生活环境比较广泛，在水、空气、土壤以至动、植物的身体内，它们均可生存。 不同菌类对温度、湿度、光照、氧气的需求是不一样的，有的喜高温、高湿、喜光、需氧，有的会喜低温、低湿、厌光、厌氧，这个低温、低湿也是相对而言 。 大部分食用菌的适宜温度在 25 度左右。在出菌时一般不需要强光照，出菇时需要光照但也不宜过强。湿度、氧气也是不同菌类、不同时期的需求是不一样的。 因此对于菌类生长环境的监测与研究是非常有意义的。 1.3 研究内容与论文结
14、构 首先，在 绪论 中， 提出了本次设计的研究背景与 现状分析 ， 分析了研究的目的及意义。 然后，阐述 系统的 关键技术 ， 其中包括下位机所应用的 ZigBee 无线通信技2 术和上位机开发所用的 库。 第三章中 首先对系统方案进行功能需求分析， 然后 提出了整套系统的总体设计方案。 在第四 章中，详细介绍 系统硬件设计。本章主要介绍了整个硬件系统的构成，其中重点下位机 STM32 模块 的电路设计、传感器的选择与设计，以及 ZigBee数据传输模块 和继电器模块 。 在第五 章中，是 系统软件设计 。本章 首先 介绍了软件开发环境 ， 然后 介绍了上位机的设计， 然后介绍了网关的设计与数
15、据采集模块的程序设计。 最后，对 系统 进行 调试与运行 。 本章对系统进行硬件的组装与上位机的调试，并联调检查整套系统的运行可行性。 3 2 关键技术 2.1 Zigbee 无线通信技术 WSN 全称是 Wireless Sensor Networks，由一种由大量传感器设备、微处理器设备以及无线通信模块进行数据信息通信的无线通信网络。各个设备模块之间协调合作，传感器进行数据采集，通过网络、卫星等方式进行数据的路由及转发，最终交与终端或微处理器进行数据的分析处理。 WSN 的构建的目的是为了作用于无线通信技术，如今的社会中已经大量使用无线通信技术来满足人们的各种需求，如 WI-FI 技术，蓝
16、牙（ Bluetooth）、红外数据通信（ IrDA）等，具体特性如下表所示： 表 2.1 几种短距离无线通信技术的比较 种类 通信距离 通信速率 耗电量 成本 系统开销 WI-FI 10-100M 1-11Mb/s 大 高 大 UWB 10M 480Mb/s 小 较低 小 NFC 10M 424Kb/s 小 低 小 蓝牙 10M 1Mb/s 较大 较低 较大 IrDA 几米之内 4Mb/s、 16Mb/s 大 较低 小 ZigBee 10-100M 250Kb/s 较小 最低 小 2.1.1 Zigbee 技术特点 ZigBee 技术是一种作用于有限空间内，采用极低的功耗和成本，却能实现的信
17、息网络覆盖传输的无线通讯技术。由于其低功耗、低成本和复杂度低的特性，对于对数据速率要求不高的系统来说， ZigBee 是一种特别好的选择 1。 从应用上来讲， ZigBee 适用于通信数据量不大，数据传输速率相对较低，成本较低的便携或移动设备。这些设备的仅需要提供很低的电压，即可以把数据从子设备端通过无线电波的形式发送给匹配的其他设备端，并能实现传感器之间的组网，实现无线传感器网络分布式、自组织和低功耗的特点。 2.1.2 网络设备类型与拓扑结构 一个 ZigBee 网络由三部分构成： ZigBee 协调器（ ZC）、 ZigBee 路由设备（ ZR）、ZigBee 终端采集节点（ ZE），
18、ZigBee 的网络拓扑结构有三种：网状结构、星型4 结构和树形结构。具体结构如图 2.1 所示： ZC ZEZEZEZRZRZRZCZR ZEZE ZEZCZEZRZR ZRZE ZEZE ZE图 2.1 三种网络拓扑结构 对于 ZigBee 网络的通信，网络拓扑结构越复杂，网络中连接的路由节点和终端节点的数量也会增多，被传输的数据的转发次数与跳转次数也会增加，同时因为单次传输需要一定的时间，因此整个 ZigBee 网络会产生相当长延时。因此，在实际中我们在选择中，要根据具体场景大小的需求来选择相对合适的网络结构。 2.1.3 Zigbee 协议栈 ZigBee 规范实在 IEEE802.1
19、5.4 标准基础上建立的 2，协议栈采用分层的结构协议，分层的目的是为了使各层相对独立，每一层都提供一些服务，分层的结构脉络清晰、一目了然，给设计和调试带来极大的方便。 ZigBee 协议框架如图 2.2所示： 图 2.2 ZigBee 协议框架 整个 Z-Stack 采用分层的软件结构，硬件抽象层（ HAL）提供各种硬件模块的驱动，包括定时器 Timer，通用 I/O 口 GPIO，通用异步收发传输器 UART，模数转换 ADC 的应用程序接口 API，提供各种服务的扩展集。操作系统抽象层OSAL 实现了一个易用的操作系统平台，通过时间片轮转函数实现任务调度，提5 供多任务处理机制。用户可以
20、调用 OSAL 提供的相关 API 进行多任务编程，将自己的应用程序作为一个独立的任务来实现 3。 2.2 软件开发环境 2.2.1 IAR 本设计使用 IAR Embedded Workbench 来进行 ZigBee 协议栈的开发， IAR Embedded Workbench 是一款高精密度、稳定有效且操作简单的嵌入式集成开发环境。 IAR Embedded Workbench 集成了编译器，汇编器、链接器、编辑器和工程管理其等开发工具，其内置了代码优化器，因此可以应用于各种芯片的集成开发。 IAR Embedded Workbench如今扩展支持的 ARM微处理器种类多达 30多种，并
21、对不同的微处理器提供统一的的用户界面，更利于开发者对于各种芯片的开发。IAR Embedded Workbench 的主要特性如下： (1) 具有高度优化的 C/C+编译器 ；(2) IAR ARM Assembler； (3) 一个通用的 IAR 链接器 ； (4) IAR XAR 和 XLIB 建库程序和 IAR DLIB CC/C+ 运行库 ； (5)具有功能强大的编辑器 ； (6)具有项目管理器 ； (7)命令行实用程序 ； (8)IAR C-SPY 调 试器（先进的高级语言调试器） 。 2.2.2 Keil 对于 STM32 节点的软件功能的实现，我们使用了 Keil C51 对芯片进行编程。Keil C51 是美国 Keil Software 公司出品的 51 系列兼容单片机 C 语言软件开发系统，开发者可以直接使用 C 语言语句进行编程开发，实用性强，同时上手简单。Keil C51 包含了 C 语言编译器、汇编器、链接器、库管理工具和仿真调试器，通过 Vision（集成开发环境）将这些部分组合在一起 ， 目前最新的版本是 uVision5。它提供一个环境，让开发者易于操作，并不提供能具体的编译和下载功能，需要软件开发者添加。 uVisionu通用于 KEIL的开发工具中，例如 MDK， PK51， PK166，DK251 等。
