土壤溫濕度系統設計論文范文

本站小編為你精心準備了土壤溫濕度系統設計論文參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

1系統整體設計

終端節點在該系統內為各種不同的傳感器節點，節點上安裝溫度、濕度傳感器，主要用于土壤溫濕度數據的采集工作，隨后將數據發送至路由節點。路由節點具有轉發數據功能。實際中，可根據監測土壤面積的大小來調整傳感器節點的數量;當所需監測的區域較大時，可增設多個終端節點即傳感器節點來保證數據的完整性;而當監測區域較小時，可使用較少的節點以節省資源。所有的數據最后匯聚到上位機，上位機是系統的數據處理和管理中心。上位機管理平臺軟件采用LabVIEW2012編寫，可以實現對數據的處理、存儲、顯示及報警功能。

2硬件系統設計

2．1核心處理模塊

傳感器節點可以實現數據處理和通信功能。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內核、數模轉化及USART等，兼容ZigBee的協議棧。片上所有資源均可使用，節點上配有電池盒，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256個字節，支持ZigBeePF4CE，是首個滿足兼容的協議棧;其更大的內存將芯片無線下載變為現實，且支持系統編程。

2．2傳感器模塊

采用抗腐蝕的專業土壤濕度傳感器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定，誤差極小;應用地域廣泛，經久耐用;安裝、維護操作簡便。土壤中所含水分對土壤介電常數的大小有很大影響。本傳感器可以測量出土壤的介電常數，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，它基于半導體PN結，測量量程為－20～50℃，測量精度為±0．5℃。

2．3硬件設計

監測系統硬件設計包括終端節點、路由節點和協調器節點的設計。終端節點采集土壤溫濕度后，以多跳方式將數據發送給路由節點，最后由協調器節點將監測到的數據處理后發送給上位機。終端節點和路由節點的結構相同，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系統軟件設計

整個系統的軟件開發是建立在TI公司Z－Stcak的基礎上進行的，軟件開發和運行環境為IAREmbed-dedWorkbench。Z－Stack被安裝在IAR開發環境的工程內，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試或監控寄存器。由IEEE802．15．4標準可把Z－Stack進行分層。在協議棧內，PHY層和MAC層處于最低層的位置，與硬件有著密切的聯系;NWK、APS、APL層位于PHY層和MAC層上方，且與硬件無任何聯系。此分層的結構會使用戶立即了解整體結構，為系統的設計帶來了很大的便利。

3．1協調器節點軟件設計

當系統上電后，協調器節點可選擇一個信道，如協調器節點的地址為0000，隨后建立一個符合各項參數的網絡。協調器與各個傳感器節點互相通信，并與上位機連接進行通信。當網絡建立后，傳感器節點與協調器節點實現綁定，此時協調器節點便會得到各個傳感器節點的短地址，可通過調用地址來操作傳感器節點并將采集傳感器接收到的數據。在協調器收到信號時，可由數據的格式得知數據的類型，能夠了解是終端節點發出的請求或是傳感器模塊所采集的信息。當監測到的是傳感器的數據時，可根據既定格式提取數據，并將此數據通過串口傳送至上位機監控軟件;若是終端節點發出的請求，則將地址進行比對用來存儲地址信息，將網絡地址傳送至上位機。協調器節點軟件工作流程圖如圖4所示。

3．2傳感器節點程序設計

傳感器節點主要用來檢測固定范圍內的環境參數，并發送信號以處理數據和完成通信。網絡節點的軟件方面包含采集數據程序和通信程序。節點程序中使用了喚醒機制，這使其使用壽命得到充分延長。休眠的手段是為節省能耗經常使用的辦法，終端節點大部分時間均處在休眠的狀態，按理論值來說，此時的功耗會小于1uA。當外部出現異常情況時，節點模塊會被喚醒并進入正常工作狀態;當發送結束后，又會進入休眠模式。本設計可讓傳感器節點可進行周期性的工作及休眠，可設置每秒鐘喚醒1次。將采集到的數據與門限相比較，只有在采集數據超過閾值時，傳感器節點才會開始進入發送數據的狀態。網絡節點的最大功耗部分為無線通信產生的功耗，采用合理的數據傳輸方式可降低整個節點的功耗。將傳感器安放到不同的位置使其變為路由節點，可起到中繼和轉發的作用。

4上位機數據處理及實驗結果分析

4．1上位機數據處理

上位機數據處理及顯示界面采用NI公司的Lab-VIEW軟件開發，監測人員可以通過此界面平臺實現串口配置、實時數據顯示、歷史數據回讀、報警設置及實現4個功能。系統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據，所以本設計是直接從該采集程序開發的。在這部分中，主要是上位機與下位機的串口通信通道的設計，包括串口COM端口的選擇、波特率設置，以及數據位、校驗位、停止位設置，如圖6所示。數據保存是把采集來的數據保存到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據，temp為溫度數據，hum為濕度數據;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據，設計了歷史數據查詢模塊，如圖7所示。因為采集的數據保存在tdms文件中，所以歷史數據的查詢只需要檢索出來就可以。該程序能夠顯示歷史數據及對應的波形圖，還具有tdms文件轉化成文本文件的功能。報警設置的程序是直接通過旋轉按鈕來控制實現的，如圖8所示。當采樣值大于設置的數值時，系統就會報警，導致循環里的事件發生，然后記錄數據。這部分是實時記錄，能夠保存文本文件，系統每次重新啟動時，都會自動自動刪除實時的記錄。系統設計了實時顯示功能，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實驗結果分析

為了驗證系統的性能，選取一個終端傳感器節點進行驗證。在實驗室環境下，每隔5min記錄采集到的溫濕度值，得到的實驗結果如圖10所示。經過觀察和分析，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。結果表明，該系統能夠準確采集被監測區域土壤溫濕度數據，并能夠很好地利用Zig-Bee網絡無線傳輸到上位機，數據可靠準確。

5結論

設計了以CC2530芯片為傳感器節點核心的土壤溫濕度無線監測系統，具有功耗低、組網快、安裝方便的優點。同時，在上位機上采用基于LabVIEW開發的監測界面，系統性能更加完善，可以應用于土壤環境監測，也可以用于其他溫濕度監測場合。

作者：王麗張華張景林劉文禮苗鳳娟陶佰睿單位：齊齊哈爾大學通信與電子工程學院網絡信息中心計算中心