土壤温湿度系统设计论文范文

1系统整体设计

终端节点在该系统内为各种不同的传感器节点，节点上安装温度、湿度传感器，主要用于土壤温湿度数据的采集工作，随后将数据发送至路由节点。路由节点具有转发数据功能。实际中，可根据监测土壤面积的大小来调整传感器节点的数量;当所需监测的区域较大时，可增设多个终端节点即传感器节点来保证数据的完整性;而当监测区域较小时，可使用较少的节点以节省资源。所有的数据最后汇聚到上位机，上位机是系统的数据处理和管理中心。上位机管理平台软件采用LabVIEW2012编写，可以实现对数据的处理、存储、显示及报警功能。

2硬件系统设计

2．1核心处理模块

传感器节点可以实现数据处理和通信功能。以TI公司的ZigBee片上射频芯片CC2530F25为处理核心，芯片上集成了8051内核、数模转化及USART等，兼容ZigBee的协议栈。片上所有资源均可使用，节点上配有电池盒，具有很高的性价比，是一种高集成的解决方案。CC2530拥有庞大的快闪记忆体，多达256个字节，支持ZigBeePF4CE，是首个满足兼容的协议栈;其更大的内存将芯片无线下载变为现实，且支持系统编程。

2．2传感器模块

采用抗腐蚀的专业土壤湿度传感器TDR采集土壤湿度信息。该传感器采集到的土壤湿度信息十分精确。其抗腐蚀氧化、测量速度快且十分稳定，误差极小;应用地域广泛，经久耐用;安装、维护操作简便。土壤中所含水分对土壤介电常数的大小有很大影响。本传感器可以测量出土壤的介电常数，然后得出土壤的湿值。其湿度量程为0～100%RH，测量精度为±2%RH，工作电压为DC12V/24V，工作电流为30～50mA，输出信号为0V～2．5V或4～20mA。土壤温度传感器采用ST10，它基于半导体PN结，测量量程为－20～50℃，测量精度为±0．5℃。

2．3硬件设计

监测系统硬件设计包括终端节点、路由节点和协调器节点的设计。终端节点采集土壤温湿度后，以多跳方式将数据发送给路由节点，最后由协调器节点将监测到的数据处理后发送给上位机。终端节点和路由节点的结构相同，均由温湿度传感器模块、核心处理模块、按键及显示模块、射频天线电路及电源电路组成。

3系统软件设计

整个系统的软件开发是建立在TI公司Z－Stcak的基础上进行的，软件开发和运行环境为IAREmbed-dedWorkbench。Z－Stack被安装在IAR开发环境的工程内，IAR不仅可以编译及下载程序，而且还能与编程器一起跟踪调试或监控寄存器。由IEEE802．15．4标准可把Z－Stack进行分层。在协议栈内，PHY层和MAC层处于最低层的位置，与硬件有着密切的联系;NWK、APS、APL层位于PHY层和MAC层上方，且与硬件无任何联系。此分层的结构会使用户立即了解整体结构，为系统的设计带来了很大的便利。

3．1协调器节点软件设计

当系统上电后，协调器节点可选择一个信道，如协调器节点的地址为0000，随后建立一个符合各项参数的网络。协调器与各个传感器节点互相通信，并与上位机连接进行通信。当网络建立后，传感器节点与协调器节点实现绑定，此时协调器节点便会得到各个传感器节点的短地址，可通过调用地址来操作传感器节点并将采集传感器接收到的数据。在协调器收到信号时，可由数据的格式得知数据的类型，能够了解是终端节点发出的请求或是传感器模块所采集的信息。当监测到的是传感器的数据时，可根据既定格式提取数据，并将此数据通过串口传送至上位机监控软件;若是终端节点发出的请求，则将地址进行比对用来存储地址信息，将网络地址传送至上位机。协调器节点软件工作流程图如图4所示。

3．2传感器节点程序设计

传感器节点主要用来检测固定范围内的环境参数，并发送信号以处理数据和完成通信。网络节点的软件方面包含采集数据程序和通信程序。节点程序中使用了唤醒机制，这使其使用寿命得到充分延长。休眠的手段是为节省能耗经常使用的办法，终端节点大部分时间均处在休眠的状态，按理论值来说，此时的功耗会小于1uA。当外部出现异常情况时，节点模块会被唤醒并进入正常工作状态;当发送结束后，又会进入休眠模式。本设计可让传感器节点可进行周期性的工作及休眠，可设置每秒钟唤醒1次。将采集到的数据与门限相比较，只有在采集数据超过阈值时，传感器节点才会开始进入发送数据的状态。网络节点的最大功耗部分为无线通信产生的功耗，采用合理的数据传输方式可降低整个节点的功耗。将传感器安放到不同的位置使其变为路由节点，可起到中继和转发的作用。

4上位机数据处理及实验结果分析

4．1上位机数据处理

上位机数据处理及显示界面采用NI公司的Lab-VIEW软件开发，监测人员可以通过此界面平台实现串口配置、实时数据显示、历史数据回读、报警设置及实现4个功能。系统采用的是通过下位机用串口传送过来的方式。由于下位机自动采集温湿度数据，所以本设计是直接从该采集程序开发的。在这部分中，主要是上位机与下位机的串口通信通道的设计，包括串口COM端口的选择、波特率设置，以及数据位、校验位、停止位设置，如图6所示。数据保存是把采集来的数据保存到tdms文件里。文件中包括有两个组名:一个是以时间命名的温湿度数据，temp为温度数据，hum为湿度数据;还有一组是以Events命名的报警记录。为了可以十分快捷地查到温湿度历史数据，设计了历史数据查询模块，如图7所示。因为采集的数据保存在tdms文件中，所以历史数据的查询只需要检索出来就可以。该程序能够显示历史数据及对应的波形图，还具有tdms文件转化成文本文件的功能。报警设置的程序是直接通过旋转按钮来控制实现的，如图8所示。当采样值大于设置的数值时，系统就会报警，导致循环里的事件发生，然后记录数据。这部分是实时记录，能够保存文本文件，系统每次重新启动时，都会自动自动删除实时的记录。系统设计了实时显示功能，也就是把下位机传过来的信号通过示波器将其温湿度的趋势图显示出来，同时还有温湿度报警功能。

4．2实验结果分析

为了验证系统的性能，选取一个终端传感器节点进行验证。在实验室环境下，每隔5min记录采集到的温湿度值，得到的实验结果如图10所示。经过观察和分析，温湿度变化曲线、误差均在正常测量和控制误差允许范围内。结果表明，该系统能够准确采集被监测区域土壤温湿度数据，并能够很好地利用Zig-Bee网络无线传输到上位机，数据可靠准确。

5结论

设计了以CC2530芯片为传感器节点核心的土壤温湿度无线监测系统，具有功耗低、组网快、安装方便的优点。同时，在上位机上采用基于LabVIEW开发的监测界面，系统性能更加完善，可以应用于土壤环境监测，也可以用于其他温湿度监测场合。

作者：王丽张华张景林刘文礼苗凤娟陶佰睿单位：齐齐哈尔大学通信与电子工程学院网络信息中心计算中心