1、毕业论文（设计）基于 ZigBee组网技术的智能温室自控系统设计学 生 姓 名： 张洪林 指 导 教 师 ： 崔新忠、讲师 合 作 指 导 教 师： 专 业 名 称 ： 自动化 所 在 学 院 ： 信息工程学院 2014 年 6 月摘要 本文以 ZigBee 技术为核心，采用通用性思想和模块化设计的思路，用无线传感网络技术解决温室大棚内的农作物生长的智能自动控制系统。设计了基于 ZigBee 组网技术的数据采集节点，对温室内湿度、温度和 CO2 浓度等环境因子的数据采集，搭建了基于 ZigBee 的星型网络，实现了采集数据与控制数据的无线传输。 利用 PLC 作为控制机构，根据已经设置的环境阈
2、值对相应的执行机构进行控制，启动相应调控设备，从而使温室环境符合生物的生长规律。很好的解决了实时数据监测的问题，改变了过去只靠操作人员通过观察作物生长状态而进行测报的相对落后状态，对生产作物进行即时的自动监测，促进生产资源集约高效利用，从而能够大幅度提高的农业生产力。关键字：ZigBee 组网，温室，环境因子监控，无线传感器网络，自动控制大连海洋大学本科毕业论文（设计） 目录IAbstractThis article is for a intelligent automatic control system which is for ZigBee technology as the core
3、technology of wireless sensor networks to solve the crops grown in greenhouse, design of the data acquisition node that is based on the ZigBee networking technology,collection the environmental factors data on greenhouse (humidity, temperature and carbon dioxide concentration), build a star network
4、based on ZigBee,it has been achieved that the data of acquisition and control based on wireless net transmission.Using PLC as a control mechanism, according to the environment of already set threshold value to control the corresponding actuator, start the corresponding control device, which accords
5、with the growth law of biological greenhouse environment.it is a good solution to the problem of real-time data monitoring,changed the relative backwardnessin the past only by the operator by observing the crop growth status and conduct forecasting,and it can achieved that the real-time automatic mo
6、nitoring of crops,promote the efficient use of resource-intensive production,thus the most substantial increase in agricultural productivity.Key works: ZigBee network, greenhouse, monitoring of environmental factors, wireless sensor networks, automatic control大连海洋大学本科毕业论文（设计） 目录II目 录摘要 .IAbstract .I
7、I第一章 前言 .11.1 研究目的和意义 .11.2 研究背景以及国内外研究现状 .11.3 目前研究存在的问题 .2第二章 系统总体方案的设计 .32.1 总体方案的设计 .32.2 系统子节点的设计 .42.3 本次毕设中主要要解决的问题和实现功能的方案 .4第三章 ZigBee 无线网络模块设计 .63. 1 ZigBee 技术及其组网选择 .63. 2 ZigBee 无线网络传输模块硬件设计 .93. 3 数据采集模块与 ZigBee 模块硬件连接 .143. 4 ZigBee 无线传输模块软件设计 .14第四章 控制数据采集模块设计 .174. 1 传感器的选择 .174.2 数据
8、采集模块的硬件设计 .174. 3 数据采集模块的软件设计 .20第五章 PLC 控制系统的设计 .225.1 温室自动控制系统的分析与设计 .225.2 PLC 控制系统硬件电路设计 .245.3 PLC 控制系统软件程序设计 .245.4 基于 RS-485 网络的 PLC 控制系统设计 .24第六章 基于 ZigBee 的温室智能自动监控系统性能调试 .276.1 传感器数据采集系统的调试 .276.2 ZigBee 无线数据传输系统调试 .276.3 PLC 自动控制系统的调试 .276.4 系统整机综合调试 .27大连海洋大学本科毕业论文（设计） 目录III第七章 总结与展望 .29
9、7.1 总结 .297.2 展望 .29致谢 .30参考文献 .31大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第一章 前言0第一章 前言1.1 研究目的和意义伴随着新兴技术的快速发展，信息科学日新月异的技术发展，无线传播技术已经开始渗透于人类生活中的各个领域。温室大棚作为新型的农业种植技术，很大程度上改变了农民的生活生产质量。ZigBee 是一种最近刚刚兴起的一种短距离，低速率，投入低廉，通信可靠的无线网络技术，它具备采集信息，传输信息以及智能处理于一体的优势，通过温室环境因子传感器监测空气中的温湿度，光照强度以及二氧化碳浓度等多点环境因子参数， 通过 ZigBee 无线传感器网络将数据实时的传输到上
10、位机，在依据预设阀值来控制以及指导生产，因此这种基于ZigBee 无线技术的网络可以满足温室大棚对各项环境参数的控制要求，很大程度的避免了因参数监测失误造成的损失，提高农民的收入。1.2 研究背景以及国内外研究现状在我国的经济产业构成中农业占了很大的比例。温室大棚种植技术这种创新型农业作物种植技术已经在祖国大地全面推广种植，它的出现使农业种植冲破了老式农作物种植受地域、自然环境和气候影响等环境因素的局限，温室大棚种植技术可以很大程度的避免季节变化和其他一些因素的影响，为植物提供一个有利的保护场所，它的出现很好的促进了农业的生产增收。随着现代科学和信息技术的发展，现代农业的种植正朝着机械化、数字
11、化和精确控制的方向发展，温室自动监控系统通过收集和分析温室的温室环境因子数据，对农作物进行即时的自动监控，改善农作物的生长环境，是资源高效利用，就可以很大幅度提高农业生产力，利用温室自控系统可以使每个温室大棚的经济效益增长显著 1。在基于 ZigBee 组网技术的控制应用上，Chin-Feng Lai 等人为了缓解远程控制器过多的问题,我们构建了一个多模型情景识别控制器远程电子设备来优化用户体验在 2010 年开发了一个多样化的远程网络控制系统 2。Sofiane Ouni 等人在 2013 年设计了在 IEEE802.15.4/ZigBee 内部路径优化的系统，这种方法可以节省每个节点的能源
12、消耗,以延长网络的生命周期 3。其实在我国，温室大棚的自控系统的设计方面起步就晚，张骞教授等人（2007）在丽水的现代温室农业科学院设计了基于 ZigBee 技术无线温室监控系统。自由组织、自由配置，自我修复的强大功能为系统配置提供了几乎无限的灵活性 4。江朝晖等人在 2010 年依据农业监测的特性，采用基于ZigBee 无线技术建立了通信网络，设计了一个温室无线监测系统 5，该系统通用化和模块化的设计理念，将每个模块单独设计，使其应用范围广且易移植。但总体来说，我国的 ZigBee 与 ZigBee 组网技术仍处于初期开发阶段，在国内的应用还是比较少。所以此次设计采用星型拓扑结构组网，将低能
13、耗，低成本，寿命长的 ZigBee 技术与温室技术相结合，对温室的二氧化碳，湿度，温度等对象进行监控，希望可以开发出一个节约高效的温室自控系统。大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第一章 前言11.3 目前研究存在的问题(1)现在温室农业还是主要依靠具体操作人员的对农作物的种植经验来对温室内的农作物管理种植，这个种植方法较之国外有较大滞后。(2)目前为了实现对温室环境因子数据的监测，我们的建设者们倾向于构建由大量电子检测设备组成的监测与控制系统，由此产生的温室设施投资成本高，维护困难。（3）环境监控技术方面的环境控制能力低、自动化程度相对落后。目前国内研发的系统可以对目标进行简单的监测和控制，但
14、是对温室内环境的调节能力有限，价格偏贵，使用这些系统与否，不能明显的提升经济效益，可能还会因为设备投资过大，引起一些相对的负增长。所以我国的温室大棚在基于无线网络技术的温室自动控制系统还有待完善。大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第二章 系统总体方案的设计2第二章 系统总体方案的设计2.1 总体方案的设计为了在温室大棚智能监控系统领域满足不同控制需求温室内控制要求，这次设计的系统预设了上位机和下位机两个大模块。其中，对于上位机选择就是选用微机，这个毋庸置疑，下位控制器则依据系统的控制要求分成两个模块，分别采用单片机和 PLC 控制器。下位机控制器应该要完成的工作是在脱离监控 PC 机后能独立地
15、进行数据因子的采集与控制，可以通过已经预设好的各项数据的阀值来实现 PLC 对执行机构的控制，而且具备手动处理系统。下位机控制器是以 CC2430 单片机和 PLC 控制器为核心的，整个下位机系统包括两个下级模块，分别是 ZigBee无线主模块和 PLC 自动控制模块。其中设计的 ZigBee 无线传输网络模块应该包括以下五大模块，他们分别是数据采集模块、模数转换模块、无线网络传输模块以及通信模块等，PLC 自动控制模块包括数据模块和执行机构控制模块。数据采集模块可以完成对温室大棚内的湿度、温度和二氧化碳浓度等环境因子的模拟量或者数字量的收集和预处理，并将结果送至数据存储器和送至监控服务器存储
16、和管理。PLC 输出控制模块的主要工作是通过比较实时监控的环境因子参数和预设阀值来实现对温室大棚内的各个执行机构的自动控制；通信模块是基于 RS-232/RS-485串口总线网络，主要功能就是程序的烧写和数据的传输，是实现上位机与 ZigBee 网络和 PLC 控制器间通信的必须通道。本次毕业设计的系统主要由基于 ZigBee 的环境监测系统和 PLC 控制系统，这两个部分组成的温室自动控制系统。原理图如下：图 1 总体方案结构图（1）环境因子的监测系统：由于课题的设计要求，所以系统主要检测温室内的二氧化碳浓大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第二章 系统总体方案的设计3度、温度和湿度这三个数据
17、，当传感器收集到环境因子的数据后传到 ZigBee 子节点，再通过无线网络传到 ZigBee 网络总节点，最后经过 RS-232 串行口总线将数据传到上位 PC 机上并存储。（2）PLC 控制系统： ZigBee 总节点接收数据通过网络通信层将数据传递给 PLC，由 PLC 控制器来自动控制每个温室执行机构的启动与关闭。通过在上位机上的程序设计，将需要控制的环境因子的阀值存储在中间存储器中，再将实际的测量值存在数据存储器中比较两者的值的大小，依据实时数据的大小来控制温室内的升降温度的设施、湿度调节的设施、通风设施等控制温室环境参数的设备的启停。2.2 系统子节点的设计依据设计的要求，在设计的这
18、个温室大棚内会存在三种不同的传感器，分别测量温室大棚内的湿度的湿度传感器 、测量温度的温度传感器以及检测二氧化碳浓度的 CO2 传感器。 ZigBee网络会按照一个稳定的周期收集由传感器采集出来的数据，如下图所示，由于系统选用的温度传感器、二氧化碳浓度传感器这两种传感器是模拟传感器，所以需要先通过模数转换器转将其换为数字信号，然后再将数据送至单片机中，最后送达 CC2430 机芯片完成对数据的收集；而系统选用的湿度传感器直接就是数字式的，不用 A/D 转换就可以完成数据传递，传感器采集的数据在单片机内经过预处理后，将三种数据按照先后顺序送到 ZigBee 无线网络中的子节点 图 2 ZigBe
19、e网络子节点结构图2.3 本次毕设中主要要解决的问题和实现功能的方案 （1）数据检测模块的设计 对各个被监控的环境因子的数据收集是实现实时数据分析是保证整个控制系统正常运转的基础。所以在设计中，要使用单片机来对数据进行预处理以确保传感器收集的数据的实时性。而且要根据实际和控制要求选择三种监测目标传感器。通过软硬件结合，利用适合的开发环境完成数据的检测与传输。（2）ZigBee 无线网络的搭建 大连海洋大学本科毕业论文（设计） 第二章 系统总体方案的设计4依据控制要求和温室大棚的自身特点，选用适合 ZigBee 无线技术的处理芯片，组建一个合乎情理的网络拓扑结构来完成 ZigBee 网络的无线传输，将协调器、处理器以及终端设备有机的组合在一起，通过软件编程实现数据在无线网络中的畅通。（3）PLC 模块的设计PLC 是设计的温室自动检测与控制系统的主控单元，需要综合考虑实际，选择一款适合的PLC 控制器，通过 PLC 控制器完成对执行机构的控制。
