蔬菜大棚种植环境监测系统设计
随着现代化农业技术的发展，农作物生产环境的监测在农业生产中的到了越来越广泛的运用。本设计采用CC2530芯片的作为控制器，利用温湿度数字传感器DHT11和光照数字传感器BH1750FVI采集监测点的温湿度及光照强度信息，通过CC2530的ZigBee通信模块和串口拓展功能，搭建了一个蔬菜大棚种植环境的无线监测的平台。本文涉及了种植环境监测系统的软硬件设计，制作了上位机监测界面，进行了系统软硬件的调试，实现了点对点的无线环境监测，并在上位机实时显示的功能。本设计满足了农业生产需求，节约劳动力和成本，具有很强的实用性和应用前景。关键字 蔬菜大棚，监测，ZigBee无线网络，传感器
目 录
1 绪论 1
1.1 本课题的背景及意义 1
1.2 国内外研究现状及发展趋势 1
1.3 研究内容 3
2 系统硬件设计 4
2.1系统方案设计 4
2.2 ZigBee无线网络概述及拓扑结构 6
2.3 单片机型号选择 7
2.4 单片机主控电路 9
2.5 系统电源电路 10
2.6 通信模块 10
2.7温湿度传感器模块 11
2.7.1 DHT11 简介 11
2.7.2 DHT11电路设计 12
2.8 光敏传感器模块 13
2.8.1 BH1750FVI 传感器简介 13
2.8.2 BH1750FVI电路设计 14
3 系统软件设计 14
3.1 系统软件设计方案 14
3.2 软件程序开发环境 15
3.3 传感器通讯过程 16
3.4 协调器程序设计 17
3.5 终端设备程序设计 18
3.6 上位机程序设计 20
4 系统调试 21
4.1 PCB板的制作 21
4.2 硬件系统调试 22
4.3 软件硬件联合调试 23
结论 25
致谢 26
参考文献 27
附录 28
1 绪论< *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
br /> 1.1 本课题的背景及意义
改革开放以来，农业生产进入现代化，蔬菜大棚成为现代农业设施中不可或缺的重要组成部分。目前，我国农业经济增长迅速，对于农业研究和应用也得到越来越多的关注，而农业生产中最重要的一点就是对农业生产环境的监测和控制。其中一些重要的生长环境参数，例如环境的温度、湿度、光照程度、CO2浓度、土壤的含水量等，都密切关系到农作物的生长。目前对于蔬菜大棚环境参数的监测与控制大都采用人工管理，这是对劳动力极大的一种浪费，而且避免不了有测控精度低以及测控操作不及时的缺点，不仅增加了生产成本，浪费了人力，甚至容易造成一些不可弥补的损失，难以达到希望的监测效果。
近几年，我国农业现代化生产方面做了很多研究，并在蔬菜大棚栽培等方面取得了显著地研究成果。但是，我国在农业现代化生产方面研究的时间并不算长，缺乏配套的监测技术和设备，使得作物生长环境监控能力并不高，造成生产力浪费。现阶段，能够实现全年大型化生产的蔬菜大棚并不多，而且大部分需要进口国外的监测设备，投资很大，也许对操作人员进行培训，大大提高了成本。所以我国的蔬菜大棚环境监测系统需要进行改善与提高[1]。
目前，蔬菜大棚发展越发迅速，针对此趋势提出提出设计一种蔬菜大棚种植环境的无线监测系统。此设计将通过ZigBee网络把传感器采集到的大棚内温度、湿度、光照度等信息发送给PC上位机，在上位机可以根据作物生长规律，针对地设定相应的环境监测的值范围，若大棚内环境参数超出了设置范围，则上位机发出报警。通过智能化监测蔬菜大棚，可以减少生产成本，提升作物质量，对增加蔬菜大棚种植效益有一定作用。
1.2 国内外研究现状及发展趋势
上世纪80年代，我国开始了对于现代化农业技术的研究，我国农业研究技术人员努力学习了发达国家的温室监控技术，先后从欧美和日本引入了21.2平方千米的现代温室。但是，盲目的模仿国外设备，忽略了栽培技术和温室管理技术的学习，盲目引入现代化温室，切现代化温室能耗过高，企业无法合理运转，只能被迫停产。一直到90年代末，通过研究国外温室的设备设施、温室栽培技术等方面的技术上，我国才开始自主地研发一些蔬菜种植环境监测系统。但是由于我国过低的农业现代化研究水平，大量过剩的劳动力，短缺的资金等限制严重阻碍了温室监控技术的发展。
我国蔬菜大棚的监控技术于近年来得到了很大的进步，首先探索和研究了蔬菜大棚群的控制理论，然后在蔬菜大棚智能控制方面，采用了先进的算法控制理论和人工智能，包括模糊控制算法、遗传算法、专家算法等理论。现在，温室监控系统早已今非昔比，已经不仅仅是简单的直接数字控制系统，将慢慢地发展为分布式控制系统，例如柔性控制、分布控制等网络化控制系统。在相关行业的网络化测控方面的研究基础上，温室控制将实现分布式、网络化的数据采集系统，甚至出现跨越互联网进行数据采集，从而取代信息孤立的传统闭塞系统。虽然目前国内的温室规模小，无法形成规模经济，而且大规模温室群构建费用较高，短期无法普及，但是从长远角度来看，网络化、分布式的蔬菜大棚监控系统是一种必然的发展趋势。
国外大棚栽培的研究较早，最早追溯到罗马哲学家塞内卡应用云母片做覆盖物生产早熟的黄瓜。实际始于20世纪70年代，国外开始使用模拟式的设备及仪表，对现场信息进行采集、记录、控制。 目前研制开发了一种计算机数据采集和控制的多因素综合控制系统。在今天，世界的温室控制技术正在迅速发展，一些国家正朝着无人化和完全自动化的方向发展。国外环境监测和控制技术的发展大致可以归结为以下3个阶段[2]：
手动控制阶段。这个阶段的控制系统和执行机构并不是真正意义上的，种植者是大棚环境控制的中心。种植者凭借自己的直觉和长期积累的种植经验推断植物的生长状况，管理执行机构控制温室的气候。此时，管理者就是意义上的传感器和执行机构。
自动控制阶段。这种控制系统是基于计算机控制的系统，需要输入作物生长需要的目标环境参数，将传感器实测的参数值与之进行比较，根据比较的结果决定控制过程，执行机构可进行对应的加热升温、通风换气等操作。此阶段的控制技术基本实现了自动化生产，提高了劳动生产率，可运作为规模化生产。
目 录
1 绪论 1
1.1 本课题的背景及意义 1
1.2 国内外研究现状及发展趋势 1
1.3 研究内容 3
2 系统硬件设计 4
2.1系统方案设计 4
2.2 ZigBee无线网络概述及拓扑结构 6
2.3 单片机型号选择 7
2.4 单片机主控电路 9
2.5 系统电源电路 10
2.6 通信模块 10
2.7温湿度传感器模块 11
2.7.1 DHT11 简介 11
2.7.2 DHT11电路设计 12
2.8 光敏传感器模块 13
2.8.1 BH1750FVI 传感器简介 13
2.8.2 BH1750FVI电路设计 14
3 系统软件设计 14
3.1 系统软件设计方案 14
3.2 软件程序开发环境 15
3.3 传感器通讯过程 16
3.4 协调器程序设计 17
3.5 终端设备程序设计 18
3.6 上位机程序设计 20
4 系统调试 21
4.1 PCB板的制作 21
4.2 硬件系统调试 22
4.3 软件硬件联合调试 23
结论 25
致谢 26
参考文献 27
附录 28
1 绪论< *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
br /> 1.1 本课题的背景及意义
改革开放以来，农业生产进入现代化，蔬菜大棚成为现代农业设施中不可或缺的重要组成部分。目前，我国农业经济增长迅速，对于农业研究和应用也得到越来越多的关注，而农业生产中最重要的一点就是对农业生产环境的监测和控制。其中一些重要的生长环境参数，例如环境的温度、湿度、光照程度、CO2浓度、土壤的含水量等，都密切关系到农作物的生长。目前对于蔬菜大棚环境参数的监测与控制大都采用人工管理，这是对劳动力极大的一种浪费，而且避免不了有测控精度低以及测控操作不及时的缺点，不仅增加了生产成本，浪费了人力，甚至容易造成一些不可弥补的损失，难以达到希望的监测效果。
近几年，我国农业现代化生产方面做了很多研究，并在蔬菜大棚栽培等方面取得了显著地研究成果。但是，我国在农业现代化生产方面研究的时间并不算长，缺乏配套的监测技术和设备，使得作物生长环境监控能力并不高，造成生产力浪费。现阶段，能够实现全年大型化生产的蔬菜大棚并不多，而且大部分需要进口国外的监测设备，投资很大，也许对操作人员进行培训，大大提高了成本。所以我国的蔬菜大棚环境监测系统需要进行改善与提高[1]。
目前，蔬菜大棚发展越发迅速，针对此趋势提出提出设计一种蔬菜大棚种植环境的无线监测系统。此设计将通过ZigBee网络把传感器采集到的大棚内温度、湿度、光照度等信息发送给PC上位机，在上位机可以根据作物生长规律，针对地设定相应的环境监测的值范围，若大棚内环境参数超出了设置范围，则上位机发出报警。通过智能化监测蔬菜大棚，可以减少生产成本，提升作物质量，对增加蔬菜大棚种植效益有一定作用。
1.2 国内外研究现状及发展趋势
上世纪80年代，我国开始了对于现代化农业技术的研究，我国农业研究技术人员努力学习了发达国家的温室监控技术，先后从欧美和日本引入了21.2平方千米的现代温室。但是，盲目的模仿国外设备，忽略了栽培技术和温室管理技术的学习，盲目引入现代化温室，切现代化温室能耗过高，企业无法合理运转，只能被迫停产。一直到90年代末，通过研究国外温室的设备设施、温室栽培技术等方面的技术上，我国才开始自主地研发一些蔬菜种植环境监测系统。但是由于我国过低的农业现代化研究水平，大量过剩的劳动力，短缺的资金等限制严重阻碍了温室监控技术的发展。
我国蔬菜大棚的监控技术于近年来得到了很大的进步，首先探索和研究了蔬菜大棚群的控制理论，然后在蔬菜大棚智能控制方面，采用了先进的算法控制理论和人工智能，包括模糊控制算法、遗传算法、专家算法等理论。现在，温室监控系统早已今非昔比，已经不仅仅是简单的直接数字控制系统，将慢慢地发展为分布式控制系统，例如柔性控制、分布控制等网络化控制系统。在相关行业的网络化测控方面的研究基础上，温室控制将实现分布式、网络化的数据采集系统，甚至出现跨越互联网进行数据采集，从而取代信息孤立的传统闭塞系统。虽然目前国内的温室规模小，无法形成规模经济，而且大规模温室群构建费用较高，短期无法普及，但是从长远角度来看，网络化、分布式的蔬菜大棚监控系统是一种必然的发展趋势。
国外大棚栽培的研究较早，最早追溯到罗马哲学家塞内卡应用云母片做覆盖物生产早熟的黄瓜。实际始于20世纪70年代，国外开始使用模拟式的设备及仪表，对现场信息进行采集、记录、控制。 目前研制开发了一种计算机数据采集和控制的多因素综合控制系统。在今天，世界的温室控制技术正在迅速发展，一些国家正朝着无人化和完全自动化的方向发展。国外环境监测和控制技术的发展大致可以归结为以下3个阶段[2]：
手动控制阶段。这个阶段的控制系统和执行机构并不是真正意义上的，种植者是大棚环境控制的中心。种植者凭借自己的直觉和长期积累的种植经验推断植物的生长状况，管理执行机构控制温室的气候。此时，管理者就是意义上的传感器和执行机构。
自动控制阶段。这种控制系统是基于计算机控制的系统，需要输入作物生长需要的目标环境参数，将传感器实测的参数值与之进行比较，根据比较的结果决定控制过程，执行机构可进行对应的加热升温、通风换气等操作。此阶段的控制技术基本实现了自动化生产，提高了劳动生产率，可运作为规模化生产。
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