无线传感网络的蔬菜大棚监控系统设计与实现(源码)
设计了一种基于无线传感网络的蔬菜大棚监控系统方案，完成了样机的制作与测试。采用三级拓扑结构，包括传感器节点、数据汇聚节点和上位机管理平台，实现了单节点温湿度数据采集、点对点射频通信、上位机实时显示及历史数据查询，达到了实时监测蔬菜大棚温湿度数据的目的。传感器节点采用单总线数字传感器DHT11，将采集到的温湿度数据通过无线模块CC1101将其发送到数据汇聚节点；数据汇聚节点不仅通过OLED模块显示当前温湿度数据，还通过串口将数据传输给上位机管理平台进行处理；上位机管理平台除了实时显示温湿度数据，还可查询历史数据并生成报表。测试结果表明，各节点工作稳定，验证了数据采集和无线传输的可靠性，达到了预期目标。关键词 无线传感网络，蔬菜大棚，监控系统目 录
1 绪论 1
1.1 课题研究背景 1
1.2 国内外研究与发展现状 1
1.3 发展趋势 2
1.4 本章小结 3
2 系统总体设计 3
2.1 系统总体架构 3
2.2 传感器节点 4
2.3 数据汇聚节点 4
2.4 上位机管理平台 5
2.5 无线通信模块 5
2.6 本章小结 6
3 系统硬件设计 6
3.1 温湿度采集电路设计 6
3.2 单片机控制电路设计 7
3.3 无线通信模块电路设计 8
3.4 数据显示模块电路设计 9
3.5 电源电路设计 11
3.6 本章小结 11
4 系统软件设计 11
4.1 传感器节点程序设计 12
4.2 无线通信模块程序设计 14
4.3 数据汇聚节点程序设计 17
4.4 SPI总线程序设计 19
4.5 上位机管理平台程序设计 21
4.6 本章小结 24
5 系统测试与分析 24
5.1 单节点温度采集与点对点通信测试 24
5.2 上位机管理平台测试 26
5.3 本章小结 27
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4
4.3 数据汇聚节点程序设计 17
4.4 SPI总线程序设计 19
4.5 上位机管理平台程序设计 21
4.6 本章小结 24
5 系统测试与分析 24
5.1 单节点温度采集与点对点通信测试 24
5.2 上位机管理平台测试 26
5.3 本章小结 27
结 论 28
致 谢 30
参 考 文 献.........................................................................................................................31
附录.........................................................................................................................32 1 绪论
1.1 课题研究背景
民以食为天，原本匮乏的冬季蔬菜并不能满足人们日益增长的需求。随着科学技术的不断发展与进步，对原本受自然环境、气候、地域等诸多因素限制的传统农作物种植产生重大影响。温湿度的精确实时监测是保证作物在蔬菜大棚最佳温室环境下，生长发育良好、质量优、产量高、耗能低、成本低的关键环节。
根据2008年国家统计局综合局发布的第二次全国农业普查主要数据公报(第2号)内容显示[1]，我国大棚面积465千公顷，其中中小棚面积达到大棚面积的一半，其中温室面积81千公顷。在温室和大棚中大多种植经济效益更高的蔬菜，种植面积达到了惊人的723千公顷。我国蔬菜大棚的总体规模虽然不断扩大，但温湿度监测手段多为人工测量和有线传输。这些测量方法设备陈旧、人力成本大、测量精度低、扩展困难、可靠性和抗干扰性低。传统的温室监测系统主要由传感器节点、中央控制器等构成，且通信方式大多为有线通讯，整个系统需要铺设大量线缆和电源，无疑使用户在实际使用和后期维护过程中带来许多麻烦。无线传感网络的兴起为现代农业的信息化和现代化提供了新思路和广阔的应用前景。
无线传感网络(Wireless Sensor Network, WSN)是一种全新的信息获取平台[2]，结合了微电子、嵌入式计算机技术、无线通信等计算机信息技术，能够协同监测、感知和采集网络覆盖区域中各种环境或检测对象的实时信息，并将处理过的信息以无线方式进行数据传输，具有大规模、无线、自组织、多跳、无中心、抗毁性强等特征。借助该技术，能够实时提供用户地面信息（空气温湿度、光照度、二氧化碳浓度）、土壤信息（土壤温湿度、墒情）、营养信息（酸碱度、离子浓度）、有害物监测与报警（动植物病虫害信息）等，这些信息为用户准确发现问题、及早调整相关种植策略，保证农作物在最佳环境下生长，逐渐实现农业从以经验为中心逐渐转为以信息为中心的生产模式，及早实现现代农业的科学化、商品化、集约化和产业化。
1.2 国内外研究与发展现状
纵观科学技术的发展史，应用需求永远是推动技术不断进步发展的强大动力和不竭源泉。传感器网络可以使人类的 “耳、鼻、眼、舌”等感知能力得到极大的延伸和拓展，是扩大人类感知能力的一场革命，甚至可以说是今后人工智能的开端。由于传感器网络在军事、现代交通和现代农业等领域具有及其重大的应用价值，使其成为近几年国内外研究和应用的热门领域[3]。
2005年，芬兰Lofar Agro项目中一个用于监测马铃薯田地里的疫霉属的WSN，包含150个集成了温度和湿度传感器的无线传感器节点。通过观察田里空气湿度、温度条件和马铃薯叶的湿度级别，研究人员探寻该疾病爆发的潜在危险和杀菌剂发挥药效的条件；2006年，澳大利亚CSIRO研究中心实现了基于无线传感网络的智能农场[4]，通过感知各节点的土壤湿度等环境信息，分析获得的土壤湿度变化曲线，以获得最有效的灌溉方法；2007年，美国加州Grape Networks配置了“全球最大的无线传感器网络”，通过记录和分析常年的环境信息，便可掌握葡萄生长环境与葡萄酒品质的准确关系。
罗海勇等在温室大棚架设可自组网传输无线传感器网络[5]，具有温室信息自动部署、自组织传输的功能，结合智能控制系统和专家分析系统实现了温室环境的精细化控制；李春林以MSP430和CC1101芯片为核心，构建了温湿度无线传感网络采集系统；司敏山等设计基于太阳能的温室无线传感器网络监测系统，该监管中心具有温室环境参数信息采集和图像监控等功能，无人值守即可了解温室当前环境，节省了人力物力。
1.3 发展趋势
根据无线传感器网络的研究现状，其发展趋势主要有以下几个方面：
(1)?可扩展、易维护的网络协议体系
无线传感
1 绪论 1
1.1 课题研究背景 1
1.2 国内外研究与发展现状 1
1.3 发展趋势 2
1.4 本章小结 3
2 系统总体设计 3
2.1 系统总体架构 3
2.2 传感器节点 4
2.3 数据汇聚节点 4
2.4 上位机管理平台 5
2.5 无线通信模块 5
2.6 本章小结 6
3 系统硬件设计 6
3.1 温湿度采集电路设计 6
3.2 单片机控制电路设计 7
3.3 无线通信模块电路设计 8
3.4 数据显示模块电路设计 9
3.5 电源电路设计 11
3.6 本章小结 11
4 系统软件设计 11
4.1 传感器节点程序设计 12
4.2 无线通信模块程序设计 14
4.3 数据汇聚节点程序设计 17
4.4 SPI总线程序设计 19
4.5 上位机管理平台程序设计 21
4.6 本章小结 24
5 系统测试与分析 24
5.1 单节点温度采集与点对点通信测试 24
5.2 上位机管理平台测试 26
5.3 本章小结 27
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
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4.3 数据汇聚节点程序设计 17
4.4 SPI总线程序设计 19
4.5 上位机管理平台程序设计 21
4.6 本章小结 24
5 系统测试与分析 24
5.1 单节点温度采集与点对点通信测试 24
5.2 上位机管理平台测试 26
5.3 本章小结 27
结 论 28
致 谢 30
参 考 文 献.........................................................................................................................31
附录.........................................................................................................................32 1 绪论
1.1 课题研究背景
民以食为天，原本匮乏的冬季蔬菜并不能满足人们日益增长的需求。随着科学技术的不断发展与进步，对原本受自然环境、气候、地域等诸多因素限制的传统农作物种植产生重大影响。温湿度的精确实时监测是保证作物在蔬菜大棚最佳温室环境下，生长发育良好、质量优、产量高、耗能低、成本低的关键环节。
根据2008年国家统计局综合局发布的第二次全国农业普查主要数据公报(第2号)内容显示[1]，我国大棚面积465千公顷，其中中小棚面积达到大棚面积的一半，其中温室面积81千公顷。在温室和大棚中大多种植经济效益更高的蔬菜，种植面积达到了惊人的723千公顷。我国蔬菜大棚的总体规模虽然不断扩大，但温湿度监测手段多为人工测量和有线传输。这些测量方法设备陈旧、人力成本大、测量精度低、扩展困难、可靠性和抗干扰性低。传统的温室监测系统主要由传感器节点、中央控制器等构成，且通信方式大多为有线通讯，整个系统需要铺设大量线缆和电源，无疑使用户在实际使用和后期维护过程中带来许多麻烦。无线传感网络的兴起为现代农业的信息化和现代化提供了新思路和广阔的应用前景。
无线传感网络(Wireless Sensor Network, WSN)是一种全新的信息获取平台[2]，结合了微电子、嵌入式计算机技术、无线通信等计算机信息技术，能够协同监测、感知和采集网络覆盖区域中各种环境或检测对象的实时信息，并将处理过的信息以无线方式进行数据传输，具有大规模、无线、自组织、多跳、无中心、抗毁性强等特征。借助该技术，能够实时提供用户地面信息（空气温湿度、光照度、二氧化碳浓度）、土壤信息（土壤温湿度、墒情）、营养信息（酸碱度、离子浓度）、有害物监测与报警（动植物病虫害信息）等，这些信息为用户准确发现问题、及早调整相关种植策略，保证农作物在最佳环境下生长，逐渐实现农业从以经验为中心逐渐转为以信息为中心的生产模式，及早实现现代农业的科学化、商品化、集约化和产业化。
1.2 国内外研究与发展现状
纵观科学技术的发展史，应用需求永远是推动技术不断进步发展的强大动力和不竭源泉。传感器网络可以使人类的 “耳、鼻、眼、舌”等感知能力得到极大的延伸和拓展，是扩大人类感知能力的一场革命，甚至可以说是今后人工智能的开端。由于传感器网络在军事、现代交通和现代农业等领域具有及其重大的应用价值，使其成为近几年国内外研究和应用的热门领域[3]。
2005年，芬兰Lofar Agro项目中一个用于监测马铃薯田地里的疫霉属的WSN，包含150个集成了温度和湿度传感器的无线传感器节点。通过观察田里空气湿度、温度条件和马铃薯叶的湿度级别，研究人员探寻该疾病爆发的潜在危险和杀菌剂发挥药效的条件；2006年，澳大利亚CSIRO研究中心实现了基于无线传感网络的智能农场[4]，通过感知各节点的土壤湿度等环境信息，分析获得的土壤湿度变化曲线，以获得最有效的灌溉方法；2007年，美国加州Grape Networks配置了“全球最大的无线传感器网络”，通过记录和分析常年的环境信息，便可掌握葡萄生长环境与葡萄酒品质的准确关系。
罗海勇等在温室大棚架设可自组网传输无线传感器网络[5]，具有温室信息自动部署、自组织传输的功能，结合智能控制系统和专家分析系统实现了温室环境的精细化控制；李春林以MSP430和CC1101芯片为核心，构建了温湿度无线传感网络采集系统；司敏山等设计基于太阳能的温室无线传感器网络监测系统，该监管中心具有温室环境参数信息采集和图像监控等功能，无人值守即可了解温室当前环境，节省了人力物力。
1.3 发展趋势
根据无线传感器网络的研究现状，其发展趋势主要有以下几个方面：
(1)?可扩展、易维护的网络协议体系
无线传感
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