畢業(yè)論文養(yǎng)殖場智能監(jiān)控系統(tǒng)的設計說明

1、42/47學號畢業(yè)設計(論文)題目: 養(yǎng)殖場智能監(jiān)控系統(tǒng)的設計作 者徐 偉屆 別 2013屆 院 別 信息與通信工程學院 專 業(yè)電子信息工程 指導教師 松職 稱 講 師完成時間 2013年5月20日 摘 要本設計構建了一套養(yǎng)殖場智能監(jiān)控系統(tǒng)，通過對養(yǎng)殖場環(huán)境溫度、濕度、光照強度、二氧化碳濃度與其它環(huán)境影響因素的實時監(jiān)控，解決了人工管理與查巡監(jiān)控難的問題。本系統(tǒng)由監(jiān)測節(jié)點、主機、用戶端三個部分組成。監(jiān)測節(jié)點使用各類傳感器檢測養(yǎng)殖場環(huán)境因素，并通過無線通信網(wǎng)絡將信息發(fā)送給主機。主機接受監(jiān)測節(jié)點發(fā)來的信息，依據(jù)系統(tǒng)設定對信息進行處理，并做出相應的操作，如智能調節(jié)、報警、短信通知用戶等。用戶端可以實時

2、的接收到主機發(fā)送過來的環(huán)境信息，并可以通過短信方式對養(yǎng)殖場環(huán)境進行遠程的監(jiān)控。在本系統(tǒng)中，使用TI公司超低功耗無線芯片CC1101構建433Mhz無線網(wǎng)絡，控制器使用ST公司的微功耗控制器STM32L151和STM32F103，真彩TFT觸摸屏實現(xiàn)人機交互。相比于傳統(tǒng)的養(yǎng)殖場監(jiān)控系統(tǒng)，具有監(jiān)測點布置靈活、監(jiān)控面積廣、低功耗、低成本、更人性化等優(yōu)點，同時還具備防盜報警等附加功能。經(jīng)測試，本系統(tǒng)操作簡單、界面美觀、功能完善、運行穩(wěn)定，達到了預期設計要求，符合了現(xiàn)代社會人性化與智能化的特點，具有廣闊的市場前景。關鍵詞：養(yǎng)殖場；無線通信；傳感網(wǎng)絡；STM32F103處理器；智能監(jiān)控AbstractTh

3、edesign to build a set of farms intelligent monitoring system. Real-timemonitoring of the impact of the farms ambient temperature & humidity & light intensity & carbon dioxide concentration and other environmental factors. Tosolve the difficult problem of labor management and investigation patrol mo

4、nitoring. The system consists of three parts of the monitoring node & the host & the client. The monitoring node uses various types of sensors detecting farms environmental factors and sends the information to the host through a wireless communication network. Host accepts the information sent by th

5、e monitoring node set in accordance with the system processes the information and make the appropriate action, such as smart regulation & alarm & SMS notification user. Client real-time receiver to the host sent from the environmental information and remote monitoring via SMS farms environment. In t

6、his system, the use of TI s ultra-low -power wireless chip CC1101 to build 433MHz wireless network. The controller uses STs micro-power the controller STM32L151 and the STM32F103. True color TFT touch screen human-computer interaction. Compared to conventional farms monitoring system with flexible a

7、rrangement of monitoring points & monitoring a wide area & low power & low cost & more humane & also has additional features such as burglar alarm. After testing, the system operation is simplebeautiful interface & complete functions & stable operation to achieve the desired design requirements. In

8、line with the characteristics of modern society humane and intelligent and has broad market prospects.Key words:Farms;wirelesscommunication ;sensor networks;STM32F103 processor;intelligent monitoring目 錄TOC o 1-3 h z uHYPERLINK l _Toc356310265摘要 PAGEREF _Toc356310265 h IHYPERLINK l _Toc356310266Abstr

9、act PAGEREF _Toc356310266 h IIHYPERLINK l _Toc356310267目錄 PAGEREF _Toc356310267 h 1HYPERLINK l _Toc356310268第一章緒論 PAGEREF _Toc356310268 h 1HYPERLINK l _Toc3563102691.1 養(yǎng)殖場智能監(jiān)控的意義 PAGEREF _Toc356310269 h 1HYPERLINK l _Toc3563102701.2 養(yǎng)殖場監(jiān)控技術的發(fā)展歷程 PAGEREF _Toc356310270 h 1HYPERLINK l _Toc3563102711.3

10、智能監(jiān)控的國現(xiàn)狀分析 PAGEREF _Toc356310271 h 2HYPERLINK l _Toc356310272第二章系統(tǒng)設計要求論證 PAGEREF _Toc356310272 h 3HYPERLINK l _Toc3563102732.1 系統(tǒng)設計要求 PAGEREF _Toc356310273 h 3HYPERLINK l _Toc3563102742.2 系統(tǒng)方案論證 PAGEREF _Toc356310274 h 3HYPERLINK l _Toc3563102752.2.1 核心處理器選擇 PAGEREF _Toc356310275 h 3HYPERLINK l _Toc

11、3563102762.2.2 溫濕度傳感器選擇方案 PAGEREF _Toc356310276 h 3HYPERLINK l _Toc3563102772.2.3 遠距離通信方案 PAGEREF _Toc356310277 h 4HYPERLINK l _Toc3563102782.2.4 供電方案 PAGEREF _Toc356310278 h 4HYPERLINK l _Toc3563102792.2.5 顯示模塊方案 PAGEREF _Toc356310279 h 5HYPERLINK l _Toc3563102802.3 系統(tǒng)框圖 PAGEREF _Toc356310280 h 5HY

12、PERLINK l _Toc3563102812.4 本章小結 PAGEREF _Toc356310281 h 6HYPERLINK l _Toc356310282第三章養(yǎng)殖場智能監(jiān)控硬件設計 PAGEREF _Toc356310282 h 7HYPERLINK l _Toc3563102833.1 主機MCU設計 PAGEREF _Toc356310283 h 7HYPERLINK l _Toc3563102843.1.1 STM32F103ZET6功能簡介 PAGEREF _Toc356310284 h 7HYPERLINK l _Toc3563102853.1.2 STM32F103ZE

13、T6電路設計 PAGEREF _Toc356310285 h 9HYPERLINK l _Toc3563102863.2 監(jiān)測節(jié)點MCU設計 PAGEREF _Toc356310286 h 9HYPERLINK l _Toc3563102873.2.1 STM32L151功能簡介 PAGEREF _Toc356310287 h 9HYPERLINK l _Toc3563102883.2.2 STM32L151電路設計 PAGEREF _Toc356310288 h 11HYPERLINK l _Toc3563102893.3無線模塊設計 PAGEREF _Toc356310289 h 11HY

14、PERLINK l _Toc3563102903.3.1節(jié)點的硬件結構 PAGEREF _Toc356310290 h 11HYPERLINK l _Toc3563102913.3.2 RF芯片CC1101介紹 PAGEREF _Toc356310291 h 11HYPERLINK l _Toc3563102923.3.3 CC1101無線模塊電路設計 PAGEREF _Toc356310292 h 12HYPERLINK l _Toc3563102933.4 傳感網(wǎng)絡電路設計 PAGEREF _Toc356310293 h 13HYPERLINK l _Toc3563102943.4.1溫濕

15、度傳感器電路設計 PAGEREF _Toc356310294 h 13HYPERLINK l _Toc3563102953.4.2 氣體傳感器電路設計 PAGEREF _Toc356310295 h 13HYPERLINK l _Toc3563102963.4.3 光照強度電路設計 PAGEREF _Toc356310296 h 13HYPERLINK l _Toc3563102973.4.4 熱釋紅外傳感器電路設計 PAGEREF _Toc356310297 h 14HYPERLINK l _Toc3563102983.5 TFT真彩液晶電路 PAGEREF _Toc356310298 h

16、14HYPERLINK l _Toc356310299第四章軟件設計 PAGEREF _Toc356310299 h 16HYPERLINK l _Toc3563103004.1 軟件設計平臺 PAGEREF _Toc356310300 h 16HYPERLINK l _Toc3563103014.2 系統(tǒng)軟件設計 PAGEREF _Toc356310301 h 17HYPERLINK l _Toc3563103024.2.1 上位機監(jiān)控系統(tǒng)設計 PAGEREF _Toc356310302 h 17HYPERLINK l _Toc3563103034.2.2 主控制器STM32L103的程序設

17、計 PAGEREF _Toc356310303 h 17HYPERLINK l _Toc3563103044.2.3 CC1101協(xié)調器程序設計 PAGEREF _Toc356310304 h 18HYPERLINK l _Toc3563103054.2.4 CC1101監(jiān)控節(jié)點程序設計 PAGEREF _Toc356310305 h 18HYPERLINK l _Toc3563103064.3 通信協(xié)議分析 PAGEREF _Toc356310306 h 19HYPERLINK l _Toc3563103074.3.1 握手類幀結構 PAGEREF _Toc356310307 h 20HYP

18、ERLINK l _Toc3563103084.3.2 監(jiān)測類幀結構 PAGEREF _Toc356310308 h 20HYPERLINK l _Toc3563103094.3.3 控制類類幀結構 PAGEREF _Toc356310309 h 20HYPERLINK l _Toc3563103104.3.4 數(shù)據(jù)傳輸過程 PAGEREF _Toc356310310 h 21HYPERLINK l _Toc3563103114.3 聯(lián)機調試 PAGEREF _Toc356310311 h 21HYPERLINK l _Toc356310312第五章數(shù)據(jù)測試以與分析 PAGEREF _Toc3

19、56310312 h 22HYPERLINK l _Toc3563103135.1 測試儀器 PAGEREF _Toc356310313 h 22HYPERLINK l _Toc3563103145.2 數(shù)據(jù)測試與結果分析 PAGEREF _Toc356310314 h 22HYPERLINK l _Toc3563103155.2.1 RF模塊測試 PAGEREF _Toc356310315 h 22HYPERLINK l _Toc3563103165.2.2 環(huán)境因子測試 PAGEREF _Toc356310316 h 23HYPERLINK l _Toc3563103175.2.3 自動控

20、制測量 PAGEREF _Toc356310317 h 24HYPERLINK l _Toc356310318總結 PAGEREF _Toc356310318 h 25HYPERLINK l _Toc356310319參考文獻 PAGEREF _Toc356310319 h 26HYPERLINK l _Toc356310320致 PAGEREF _Toc356310320 h 27HYPERLINK l _Toc356310321附錄一程序代碼 PAGEREF _Toc356310321 h 28第一章 緒 論1.1 養(yǎng)殖場智能監(jiān)控的意義針對現(xiàn)有養(yǎng)殖場存在的管理不善和資源浪費的現(xiàn)象，很多養(yǎng)殖

21、場已經(jīng)開始改革其管理方式，并得到了政府的支持。但是由于養(yǎng)殖者缺乏良好的管理意識和一套完善的管理方案，養(yǎng)殖者仍舊采用原始的管理方法管理他們飼養(yǎng)的家禽。其不正當?shù)墓芾矸桨负图夹g的缺乏導致他們的經(jīng)濟收益下降，很多管理者都放棄了原本的家族企業(yè)。同時，管理的不善也導致了很多資源的浪費和家禽的無故死亡。目前，個體養(yǎng)殖企業(yè)為了使其經(jīng)濟收益上升，已經(jīng)開始采購和使用網(wǎng)上存有的監(jiān)控系統(tǒng)，以節(jié)省其大量人力物力資源。而目前市場上存在的監(jiān)控系統(tǒng)功能并不完善，而其監(jiān)控面積狹窄、不易安裝等缺點，浪費了大量成本，且效率不高?；谏鲜霰尘?，本系統(tǒng)首次提出設計利用無線傳感網(wǎng)絡的多區(qū)域、多層次、低成本、遠距離功能實現(xiàn)對養(yǎng)殖場的實時

22、環(huán)境進行監(jiān)控，采用無線傳感網(wǎng)絡和遠程智能控制相結合的方式。不僅可以讓管理者實時的了解養(yǎng)殖場的情況，如溫度、濕度、光照等其他環(huán)境因素，還可以通過用戶的預先設定，實現(xiàn)對養(yǎng)殖場環(huán)境的智能調節(jié)，如實現(xiàn)恒溫、恒濕等，通過遠程客戶端還可以實現(xiàn)對養(yǎng)殖場環(huán)境的遠程控制。1.2 養(yǎng)殖場監(jiān)控技術的發(fā)展歷程養(yǎng)殖場監(jiān)控技術起源于西方發(fā)到國家，20世紀50年代，專業(yè)型的高級養(yǎng)殖場便開始應用于農業(yè)生，養(yǎng)殖設備也開始廣泛的應用于水產業(yè)和畜牧業(yè)。隨著智能控制理論的進步和計算機技術的發(fā)展，養(yǎng)殖大棚作為其中一個重要的組成部分，其自動控制和管理技術不斷提高，在世界各地得到了很好的發(fā)展。隨著二十世紀70年代電子技術的飛速發(fā)展和微型計

23、算機的出現(xiàn)，使養(yǎng)殖場環(huán)境監(jiān)控技術產生了革命性的變化。80年代，隨著微計算機技術的發(fā)展和價格的下降，同時人們對養(yǎng)殖場控制提出了更高的要求，以微型計算機為核心的智能養(yǎng)殖場環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，在西方得到了很大的發(fā)展。近來來，養(yǎng)殖場環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)邁入了網(wǎng)絡化和智能化的階段，國外現(xiàn)代化的養(yǎng)殖場設備已經(jīng)發(fā)展到比較完備的程度，并形成了自己的體系標準。養(yǎng)殖場各個環(huán)境因子都由微型計算機統(tǒng)一控制，檢測傳感器也越來越全面，如溫度、濕度、光照強度、二氧化碳濃度等。傳感器的檢測已經(jīng)實現(xiàn)對各個環(huán)境因子的自動控制，如制動通風系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)等。微型計算機對系統(tǒng)的控制不僅僅是簡單的、獨立的、靜態(tài)的、直接的數(shù)字控制。而是基于環(huán)

24、境模型上的監(jiān)督控制，以與基于專家系統(tǒng)上的人工智能控制。在發(fā)達國家，智能養(yǎng)殖場監(jiān)控系統(tǒng)向著無人化、全自動化方向發(fā)展。1.3 智能監(jiān)控的國現(xiàn)狀分析目前，我國養(yǎng)殖場監(jiān)控系統(tǒng)的技術水平和智能化程度與歐美等發(fā)達國家相比還有一定的差距。根據(jù)多方面市場調查分析，國市面上的大部分養(yǎng)殖場監(jiān)控設備具有系統(tǒng)龐大、價格昂貴等特點。受技術水平和價格的限制，國大部分養(yǎng)殖場采用傳統(tǒng)的人工管理，雖然些區(qū)域裝有攝像頭，但節(jié)點監(jiān)控的智能管理方案并沒有得到實現(xiàn)。傳統(tǒng)管理方式的缺陷顯而易見，具有管理不便、不能實現(xiàn)智能調節(jié)、攝像頭安裝不靈活、報警不與時等缺點，無法做到對養(yǎng)殖場環(huán)境的智能監(jiān)控和調節(jié)。而基于無線傳感網(wǎng)絡的養(yǎng)殖場監(jiān)控系統(tǒng)是從

25、大面積、多角度、智能化、人性化、低功耗等幾大方面出發(fā)設計出來的，解決了目前養(yǎng)殖場管理存在的大部分問題，如一主多從，實現(xiàn)了多領域中多角度、多因素、大面積的環(huán)境因素監(jiān)控。Zigbee協(xié)議技術的運用，更穩(wěn)定的保證數(shù)據(jù)信息傳遞的可靠性，GSM通信技術的應用，可將本系統(tǒng)與養(yǎng)殖場管理者手機結合，實現(xiàn)遠程監(jiān)護與實時交互。通過上位機實現(xiàn)各節(jié)點的集中管理，有利于系統(tǒng)的維護和升級。經(jīng)多方位對比，基于無線傳感網(wǎng)絡的養(yǎng)殖場智能監(jiān)控系統(tǒng)有著明顯優(yōu)于傳統(tǒng)監(jiān)控設施的性能。其設計充分結合了養(yǎng)殖場的需求，通過無線傳感網(wǎng)絡、上位機等融合一體應用于養(yǎng)殖場智能監(jiān)控領域中，其價格低廉、性能全面的特點也符合目前中國養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，有著

26、十分廣闊的發(fā)展前景。本文容安排：第一章緒論，主要介紹養(yǎng)殖場智能監(jiān)控的意義、養(yǎng)殖場監(jiān)控技術的發(fā)展歷程、智能監(jiān)控的國現(xiàn)狀分析；第二章系統(tǒng)設計要求論證，主要根據(jù)設計要求論證了各模塊不同方案的可行性，確定整個系統(tǒng)的結構框圖；第三章主要從硬件方面分析了各個不分電路設計思想；第四章主要介紹了系統(tǒng)的軟件平臺以與系統(tǒng)設計的軟件處理思想；第五章主要是數(shù)據(jù)測試和數(shù)據(jù)分析；第六章是本系統(tǒng)的設計總結。第二章 系統(tǒng)設計要求論證2.1 系統(tǒng)設計要求（1）系統(tǒng)由檢測節(jié)點、主機和用戶端三個部分組成；（2）構建傳感網(wǎng)絡，檢測養(yǎng)殖場環(huán)境溫濕度、光照強度、二氧化碳濃度等；（3）構建無線通信網(wǎng)絡，檢測節(jié)點和主機之間通過無線網(wǎng)絡傳輸數(shù)

27、據(jù)；（4）具備監(jiān)測養(yǎng)殖場環(huán)境因子的功能；（5）設定自動模式，實現(xiàn)對養(yǎng)殖場環(huán)境的自動調節(jié)；（6）設定手動模式，實現(xiàn)對養(yǎng)殖場環(huán)境的手動控制；（7）具備短信遠程控制功能；（8）設定防盜報警功能；（9）功耗低、使用靈活、操作簡單，運行穩(wěn)定，電源自制。2.2 系統(tǒng)方案論證2.2.1 核心處理器選擇方案一：采用C8051或AT89S52單片機作系統(tǒng)的處理器來與無線傳感器模塊通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收與發(fā)送。同時用MCU做數(shù)據(jù)存儲與處理、人機交互等功能。方案二：采用ST公司推出的STM32F103位處理器來與無線傳感器模塊通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收與發(fā)送。同時用MCU做數(shù)據(jù)存儲與處理、人機交互等功能。方案比較：方案一最大特

28、點是系統(tǒng)體積小、成本低；但是系統(tǒng)處理速度過慢，部存儲空間較小。同時，方案擬采用320*240的TFT液晶作為監(jiān)控顯示界面，而C8051是8位的51單片機核，其驅動高分辨率的TFT液晶顯得比較吃力。采用AT89S52做核進行控制比較簡單，但是其I/O資源有限，不能滿足電路設計需求，需要外接芯片進行I/O擴展。由于需要與外部無線模塊節(jié)點通信，電路設計相對比較復雜。方案二采用意法半導體公司的STM32F103處理器，它基于ARM公司最新的Cortex-M3核，具有豐富的片上資源，同時具有多種工作模式，有利于減小系統(tǒng)的功耗，同時其較大的部存儲器有利于存儲相關信息?？垢赡芰?，在與外部CC1101模塊通

29、信時能保證信號的完整；綜上所述本系統(tǒng)選用STM32F103做為核心控制器。2.2.2 溫濕度傳感器選擇方案方案一：采用常用的單總線DS18B20測溫，再選一款濕度測量傳感器搭配使用，從而實現(xiàn)溫濕度的測量。本方案將溫濕度分開測量，所用元件價格便宜。但是測量精度低、外圍電路復雜。方案二：SHT10工業(yè)級數(shù)字溫濕度傳感器，具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比高、外接電路少等優(yōu)點，同時還兼有露點測量。結合本系統(tǒng)設計要求測量精度高、電路簡單、體積小、抗干擾能力強等特點，選擇使用SHT10工業(yè)級數(shù)字溫濕度傳感器。2.2.3 遠距離通信方案方案一：433M無線技術433MHz是我們國家的免申請段發(fā)射

30、接收頻率，可直接使用不需要管理，433頻段抗干擾強，并支持各種點對點，一點對多點的無線數(shù)據(jù)通訊方式，具有收發(fā)一體、安全隔離、安裝隔離、使用簡單、性價比高、穩(wěn)定可靠等特點?？蓮V泛的應用于消費類電子產品、工業(yè)監(jiān)控、無線報警安防系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、自動抄表、無鑰門禁系統(tǒng)、有源RFID標簽識別、POS 系統(tǒng)、 PDA 等無線智能終端、醫(yī)療儀器、電子站牌、智能交通調度系統(tǒng)等領域。常用的433M無線射頻芯片有TI公司的CC1100/CC1101、NODIC公司的NRF905/NRF9E5等。方案二：2.4G無線技術所謂的2.4G無線技術，其頻段處于2.405GHz-2.485GHz（科學、醫(yī)藥、農業(yè)）之間，所

31、以簡稱為2.4G無線技術。這個頻段里是國際規(guī)定的免費頻段，不需要向國際相關組織繳納任何費用。2.4GHz頻段為各國共同的ISM頻段，具有通信速率快、全雙工通信、抗干擾能力強等優(yōu)點。廣泛的應用于WIFI、藍牙 、ZigBee、無線鼠標、遙控模型、安防等領域。常見的2.4G無線芯片有TI公司的CC2500、NODIC公司的NRF24L01等。方案比較：433M頻段和2.4G頻段都為我過免費的頻段，但是各具特點，應用領域也各不一樣。433M頻段相對于2.4G頻段信號更強，傳輸距離強，穿透、繞射能力強，傳輸過程衰減小，但是傳輸速率相對較低。在本設計中，我們要求無線網(wǎng)絡具有較強的傳輸距離和穿透力，且具有

32、功耗小、使用靈活的特點，因此我們選擇方案一，使用TI公司超低功耗RF芯片CC1101。2.2.4 供電方案本系統(tǒng)要求無線收發(fā)節(jié)點能夠長時間的正常工作，因此設計所需的無線收發(fā)模塊都具有低功耗的特點，且能夠采用電池供電。為了保證系統(tǒng)的工作正常，正確可行的電源模塊系統(tǒng)設計的重點。方案一：采用全橋整流電路整流穩(wěn)壓出系統(tǒng)所需的電源該電源采用全橋整流電路和電容濾波電路，將通過變壓器的低壓交流電變?yōu)榫哂姓搶ΨQ輸出的直流電，實際輸出電壓為正負20V左右。采用100nF、10uF電容濾除電源中的高頻交流成分，再通過7805或其它穩(wěn)壓芯片來提供穩(wěn)定的直流穩(wěn)壓電源。這種電路多見于要求不高的直流電源中，其驅動能力和

33、后級的濾波電容有關。方案二：采用集成穩(wěn)壓電源模塊該方案可以采用專用集成電源穩(wěn)壓模塊實現(xiàn)，如交流220V轉直流5V；或者在網(wǎng)上購買直流穩(wěn)壓模塊，可選擇DC9-18V輸入，DC5V輸出模塊。方案三：采用電池供電該方案采用5V電池供電，或者用兩節(jié)電池供電。便于系統(tǒng)的安裝與攜帶，同時可以多點安置，且安置簡易，維修方便。方案比較：在本系統(tǒng)中，要求各個節(jié)點具有體積小、重量輕、安放放點的特點，同時考慮到本系統(tǒng)中各個模塊都是使用低功耗器件，故選擇方案三，采用電池供電，更加符合本設計要求。2.2.5 顯示模塊方案方案一：采用LCD液晶顯示器顯示采用DM1286M液晶顯示，其為點陣LCD液晶顯示，其可視面尚可，畫

34、面效果良好，而且其置中文漢字和字符信息，具有多種軟件功能，使用方便簡單。但起分辨率較低，且為黑白屏。方案二：采用全觸屏TFT彩屏液晶顯示TFT真彩液晶屏每個像素點都有一個半導體開關，每個像素點都能夠通過點脈沖直接去控制，每個節(jié)點都是相對獨立的，可以連續(xù)控制，這不僅可以提高顯示屏反應速度，還可以精確的控制顯示色階，故TFT真彩液晶屏色彩更真。TFT液晶顯示屏具有對比度高、亮度好、顏色鮮艷、層次感強，同時具備觸摸功能1。方案比較：在本設計中，為了更加清晰、鮮明的顯示出各個環(huán)境因子，使整個界面更加人性化。同時，也為后期的視頻監(jiān)控提供可能。故選擇方案二，采用全觸屏TFT彩屏液晶顯示。2.3 系統(tǒng)框圖本

35、系統(tǒng)由檢測節(jié)點、主機、用戶端三個部分組成。監(jiān)測節(jié)點部分使用超低功耗微控制器STM32L151作為CPU，外界溫濕度、光照強度、二氧化碳濃度等傳感器組成傳感網(wǎng)絡。由CC1101組建的443M無線通信網(wǎng)絡，能夠方便、實時將數(shù)據(jù)傳給主機。主機使用ARM系列32位微處理器STM32F103作為中央處理器，外接TFT真彩液晶屏和7279鍵盤，實現(xiàn)人機交互，外接的GPRS模塊可以方便的將主機接入要無線Internet。強大的32位中央處理器，保證了主機處理數(shù)據(jù)的能力，直觀、簡潔的操作界面提供了更加優(yōu)質的用戶體驗。用戶端主要有用戶的網(wǎng)絡設備組成，如計算機、手機等。通過Internet用戶可以遠程監(jiān)控養(yǎng)殖場濕

36、度、光照等因素，以達到最智能、最方便、最簡潔的養(yǎng)殖場環(huán)境監(jiān)控。系統(tǒng)框圖如下圖2.1所示。圖2.1 系統(tǒng)結構框圖2.4 本章小結系統(tǒng)將無線通信網(wǎng)絡、傳感網(wǎng)絡、GPRS網(wǎng)絡技術結合在一起，實現(xiàn)了養(yǎng)殖場環(huán)境因素的多角度、大圍、智能化監(jiān)控。一方面采用無線傳感網(wǎng)絡為系統(tǒng)構架；另一方面在STM32上通過串口與上位機進行通信，實現(xiàn)與相關管理員全面人機交互，從而構成一套互聯(lián)可視化的完美體系。低功耗、輕便性是本設計的一大亮點，從機采用了盡量少的有源器件實現(xiàn)了對電壓的有效采集，同時從機采用低功耗控制器STM32L151，通過讓其合理的休眠可大大延長電池的壽命，兩節(jié)普通的干電池就可讓從機工作兩百多天。第三章 養(yǎng)殖場

37、智能監(jiān)控硬件設計3.1 主機MCU設計主機MCU在本系統(tǒng)中負責接受監(jiān)測節(jié)點的數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進行處理，做出相應的操作。外接有FTF真彩液晶和7279鍵盤，可擴展外掛GPRG模塊。為了保證快速的處理速度和操作的靈活性，本系統(tǒng)主機部分采STM32F103 32位微處理器。3.1.1 STM32F103ZET6功能簡介STM32F103是一款高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用設計芯片。使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC核，時鐘頻率達到72MHz，是同類產品中性能最好。置高速存儲器，512K字節(jié)閃存和64K 字節(jié)SRAM。豐富的增強型I/O 端口聯(lián)接到兩個APB總線外設。包含有3路

38、12位ADC、4個16位通用定時器和2 個PWM定時器，多達2 個I2C 接口、3 個SPI接口、2個I2S 接口、1個SDIO接口、5路USART接口、一路USB接口和一路CAN接口2。 STM32F103xx 大容量增強系列工作于-40C 至+105C溫度圍，供電電壓2.0V至3.6V，一系列的省電模式保證低功耗應用的要求。 STM32F103xx大容量增強型系列產品提供包括有64腳至144 腳的6種不同封裝形式；根據(jù)不同的封裝形式，器件中的外設配置不盡一樣。這些豐富外設配置，使得STM32F103xx大容量增強型系列微控制器適合于多種應用場合3： 電機驅動 醫(yī)療器械和手持終端設備 PC端

39、游戲和GPS終端平臺 工業(yè)應用：可編程控制器 、打印機、變頻器和掃描儀 警報系統(tǒng)、視頻對講、和暖氣通風空調系統(tǒng)等 本系統(tǒng)中使用的是STMF103xx系列中容量最大、接口最豐富、功能最全面的STM32F103ZET6微處理器。以下是STM32F103ZET6的功能介紹4：基于ARM Cortex-M3核心的32 位微控制器，LQFP-144封裝.512K 片F(xiàn)LASH（相當于硬盤），64K片RAM（相當于存），片F(xiàn)LASH 支持在線編程(IAP)高達72M 的頻率,數(shù)據(jù),指令分別走不同的流水線，以確保 CPU運行速度達到最大化通過片BOOT區(qū)，可實現(xiàn)串口下載程序(ISP)片具有雙RC 晶振，提供

40、8M與32K 的頻率支持片外8M高速晶振，片外低速32K晶振42個后備寄存器(16位)，外接紐扣電池時，可以掉電數(shù)據(jù)保存支持 SWD和JTAG調試，配合J-LINK實現(xiàn)高速低成本的開發(fā)調試方案高達80個通用IO口(兼容5V電平邏輯)，4個通用定時器，2個高級定時器，2個基本定時器，3個SPI接口，2路I2S 接口，2路I2C接口，5路USART，一個USB從設備接口，一個 CAN總線接口，SDIO通用接口，可配置SRAM、ND Flash和NOR接口的16位總線-FSMC 3路共16通道的12位AD輸入，2路共2 通道的12位 DA 輸出，可外接高精度參考電壓，CPU供電圍：2.0-3.6V嵌

41、入式系統(tǒng)是以計算機技術為基礎，以應用為中心，同時軟硬件可裁剪，其非常適用于對體積、功耗、功能、可靠性、成本、有很高要求的專用計算機系統(tǒng)。而其它和PC系統(tǒng)相對應，嵌入式系統(tǒng)一般主要由微處理器、操作系統(tǒng)、外圍硬件設備、以與用戶的應用程序等部分組成，其用于實現(xiàn)對其他設備的控制、監(jiān)視或管理等功能。并且在使用JTAG調試時，所有的模擬和數(shù)字外設都可全功能運行。STM32F103ZET6部結構圖如圖3.1所示。圖3.1 STM32F103ZET6的部結構圖3.1.2 STM32F103ZET6電路設計為了使整個系統(tǒng)運行穩(wěn)定，MCU電路設計好壞非常關鍵。其中時鐘電路、電源設計、濾波電容等部分都是設計的重點。

42、為了使系統(tǒng)更加完善，在MCU的外圍我們還接有少量的外圍設備，包含有串行FLASH，主要用于存儲啟動代碼和部分界面圖片。UART調試電路，主要用戶測試與通信。豐富的外圍接口也是使本設計的應用更加靈活，包含有URAT接口、128*64 LCD接口、SD_CARD接口、7279鍵盤接口、TFT液晶接口、JTAG調試接口、通用I0口等。整個STM32F103ZET6原理圖如下圖3.2所示。圖3.2 STM32F103ZET6原理圖3.2 監(jiān)測節(jié)點MCU設計監(jiān)測節(jié)點MCU在本系統(tǒng)中主要負責驅動傳感網(wǎng)絡，采集各個傳感器數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行簡單的處理，通過無線通信網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)發(fā)送給主機。同時檢測節(jié)點還可以接受來自

43、主機的信號，做出相應的操作。本設計中采用ST公司超低功耗STM32L151CBT6微控制器。 3.2.1 STM32L151功能簡介STM32L 系列產品是業(yè)界首款來自全球十大半導體供應商之一的超低功耗 ARM Cortex-M3 微控制器，在 32MHz 頻率時最高處理性能達到33DMIPS。STM32L 系列產品采用意法半導體獨有的兩大節(jié)能技術：130nm 專用低泄漏電流制造工藝和優(yōu)化的節(jié)能架構，提供業(yè)界領先的節(jié)能性能。2011年3月3，意法半導體宣布擴大 STM32L 系列 32 位微控制器的產品圍，新增的微控制器存儲容量分別為 256KB 和 384KB，整個系列閃存容量覆蓋 32KB

44、 至 384KB 區(qū)間，為嵌入式應用工程師提供更加豐富的選擇。STM32L 系列屬于意法半導體陣容強大的 32 位 STM32 微控制器產品家族，目前該產品家族共有 180 余款產品，全系列產品共用大部分引腳、軟件和外設，優(yōu)異的兼容性為開發(fā)人員帶來最大的設計靈活性。該系列產品也屬于意法半導體的 EnergyLite 超低功耗產品平臺，讓設計人員能夠優(yōu)化終端產品的性能、功能和電池使用壽命，達到與能效相關的標準，如環(huán)保型設計目標。此外，考慮到觸控應用，意法半導體的第三代 STMTouch 電容觸控固件庫支持 STM32L，目前該軟件庫支持意法半導體的 8 位 STM 8 系列 和 32 位 STM

45、32 系列的 200 余款產品。主要應用于工業(yè)控制、金融支付、醫(yī)療電子、智能交通、玩具、傳感器網(wǎng)絡以與一切可能用到高性能極低功耗單片機的市場領域。其特性如下所示：ARM 32 位 Cortex-M3 核 (最大32兆赫茲)32-384K 字節(jié) FLASH 帶 ECC，最大 48K 字節(jié) RAM，最大 12K 字節(jié) EEPROM 帶 ECC12 通道 DMA1Msps 多達 40 通道 12 位 ADC雙極低功耗模擬比較器12 位 DA 轉換器帶輸出緩沖集成上電、掉電復位和電壓檢測多至 116 個快速 IO 口 (5 伏容忍的 IO 達 102 個)8x40 段或 4x44 段 LCD 控制器帶

46、升壓功能96 位全球唯一IDCRC 硬件計算單元多至 11 個定時器，含豐富的捕獲、比較輸出功能，其中一個 32 位定時器I2C，SPI，USART，CEC 多種通訊接口附加各種特色功能多至 36 個觸摸傳感通道AES 硬件加速引擎多至 3 路運放Cortex 處理器設計先進，而8位和16位處理器技術舊，Cortex處理器價格與8位和16位處理器相當；Cortex微控制器全系產品的軟件、引腳和外設相互兼容，例如，意法半導體的STM32系列產品，其設計靈活性和系統(tǒng)擴展性更強。ARM Cortex-M微控制器的特性包括低功耗、容量大片上閃存和RAM，從經(jīng)濟型少引腳數(shù)量封裝，到引腳間距窄的微型封裝，

47、再到輸入輸出數(shù)量很多的BGA封裝，Cortex-M微控制器的封裝選擇圍非常廣泛。另外，將一系列經(jīng)過市場檢驗的STM32通用外設經(jīng)過改良后融入最新的極低功耗系列MCU，可以令用戶的應用設計更為靈活和高效，享受最新科技帶來的功能、結構和性能上的全方位的技術突破。新產品系列在低功耗綜合性能上逼近現(xiàn)有技術極限，在行業(yè)競爭中容易取得性能上的競爭優(yōu)勢。3.2.2 STM32L151電路設計監(jiān)測節(jié)點受到其應用場合的限制，要求設計電路具有功耗低、體積小、運行穩(wěn)定等特點。本設計中STM32L151系統(tǒng)的設計包含外圍時鐘電路、復位電路、電源、JTAG接口、通用IO口等。整個STM32L151原理圖如下圖3.3所示

48、。圖3.3 STM32L151原理圖3.3無線模塊設計3.3.1節(jié)點的硬件結構無線傳感器節(jié)點由傳感器模塊、處理器模塊、無線電通信模塊和能量供應模塊4部分組成，節(jié)點數(shù)據(jù)的采集用低功耗STM32L151作為處理器。3.3.2 RF芯片CC1101介紹無線接發(fā)送模塊是本設計的重中之重，因此，在經(jīng)過深度調查后覺決定使用CC1101，它的設計宗旨在于極低功耗RF的應用，是一款低于1GHz高性能射頻收發(fā)器； CC1101可提供對數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖、接收信號強度指示、突發(fā)傳輸、空閑信道評估、鏈路質量指示以與無線喚醒的廣泛硬件支持。其主要針對工業(yè)、科研和醫(yī)療以與短距離無線通信設備。CC1101在代碼、封裝和

49、外引腳方面均與CC1100兼容，可用于全球最為常用的開放式低于1GHz頻率的RF設計。其明顯的特點有如下：具有獨立的64字節(jié)TX FIFO和RXFIFO可設置最高為10dBm的發(fā)射功率模塊工作電壓為：1.9V到3.6V，并且在待機模式下電流只有200nA具有高靈敏度：433MHz、0.6kbps、1%誤碼率時僅為-116dBm模塊支持0.6kbps至500kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率支持RSSI和LQI模塊還提供了對同步字地址校驗、檢測、靈活的數(shù)據(jù)包長度以與自動CRC處理的支持支持多種調制模式如：MSK、ASK、GFSK、OOK、4-FSK和2-FSK模塊通過4線SPI接口與MCU連接，并同時提供2

50、個可設定功能的通用數(shù)字輸出引腳模塊工作頻段為1387.0MHz到464.0MHz低電流消耗：接收模式時僅16.0mA工作溫度圍：-40+853.3.3 CC1101無線模塊電路設計射頻電路的設計相對于其他電路要更加復雜，常見的電路理論，如基爾霍夫電路理論，將不再適用于射頻電路的設計。在射頻電路中，所有的元器件和電路布線都需用分布參數(shù)來分析。本設計使用的CC1101芯片在構建無線通信網(wǎng)絡，所有的射頻部分都封裝在芯片部，我們只需要通過SPI接口軟件驅動芯片，進行一些功能的設定，就可以完成無線收發(fā)了。為了提高通信距離，減小數(shù)據(jù)誤碼率，在電源出入端接入合適的濾波電容，減小電源紋波，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。在天

51、線匹配端，使用TI官方的參考設計，到到最佳的阻抗匹配效果。天線部分使用50歐姆的彈簧天線就能達到不錯的效果。整個CC1101無線模塊原理圖如下圖3.5所示。圖3.5 CC1101無線模塊原理圖3.4 傳感網(wǎng)絡電路設計傳感網(wǎng)絡是整個系統(tǒng)的基礎，本系統(tǒng)所有的操作都是基于傳感網(wǎng)絡檢測到的數(shù)據(jù)。為了提高本系統(tǒng)的性能，就必須要提高傳感器的測量精度和響應速度。在傳感器電路設計中，我們需要考慮到電源、輸入輸出圍等因素，合理的電路設計顯得至關重要。3.4.1溫濕度傳感器電路設計SHT10屬于瑞士Sensirion公司貼片系列溫濕度傳感器芯片。傳感器集傳感元件和信號處理電路于一塊微型基板上（其中包括：一個電容性

52、聚合體測濕敏感元件、一個用能隙材料制成的測溫元件，一個14位的AD轉換器與串行接口電路），輸出已經(jīng)標定的數(shù)字數(shù)據(jù)。傳感器采用專利的CMOSens技術，其保證了產品具有很高的可靠性和長期穩(wěn)定性。最值得一提的是該產品具有品質卓越、響應迅速、抗干擾能力強、性價比高等優(yōu)點，高精度兩線制數(shù)字接口，可直接與單片機相連。SHT10引腳功能圖如下圖3.6所示5。圖3.6 SHT10引腳功能圖3.4.2 氣體傳感器電路設計MG811型CO2氣體傳感器由固體電解質層、金電極、鉑引線、加熱器、瓷管、雙層不銹鋼網(wǎng)、鍍鎳銅卡環(huán)、膠木基座、針狀鍍鎳銅管腳組成。該傳感器具有靈敏度、選擇性、穩(wěn)定性和再現(xiàn)性，受溫濕度的變化影響

53、較小。廣泛的應用于空氣質量控制系統(tǒng)、發(fā)酵過程控制、溫室CO2濃度檢測等領域6。本設計中將氣體傳感器輸出信號經(jīng)過一個比較器后TTL輸出，可直接與控制器相連，同時也預留模擬輸出端口，方便改進。整個模塊具有使用壽命長、穩(wěn)定性好、響應快速等特點。MG811氣體傳感器模塊電路原理圖如下圖3.7所示。圖3.7 MG811氣體傳感器模塊電路原理圖3.4.3 光照強度電路設計光敏電阻器是利用半導體的光電效應制成的一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器，入射光強，電阻減小，入射光弱，電阻增大。光敏電阻器廣泛應用于光的測、光的控制和光電轉換等領域。本模塊中將光敏電阻器和比較器結合使用，外接電位器實現(xiàn)靈敏度的調節(jié)，

54、同時輸出模擬電壓和數(shù)字開關量，通過AD轉換，可獲得環(huán)境光照強度的精確值。光照強度測量電路原理圖如下圖3.8所示。圖3.8 光照強度測量電路原理圖3.4.4 熱釋紅外傳感器電路設計熱釋紅外傳感器能將接收到的紅外輻射轉變成微弱的電壓信號,廣泛的應用于防盜報警系統(tǒng)中，具有本身無輻射、功耗小，隱蔽性好、價格低廉等優(yōu)點。人體都有恒定的體溫，一般在37度，所以會發(fā)出特定波長10UM左右的紅外線。本模塊中配合高性能的傳感信號處理芯片BISS0001構成被動式的熱釋電紅外開關。它能自動快速開啟各類白炙燈、熒光燈、蜂鳴器、自動門等裝置，特別適用于企業(yè)、賓館、商場、庫房與家庭的過道等敏感區(qū)域，或用于安全區(qū)域的自動

55、燈光、照明和報警系統(tǒng)。熱釋電紅外電路如下圖3.9所示7。圖3.9 熱釋電紅外電路原理3.5 TFT真彩液晶電路TFT即是薄膜場效應晶體管；它是由集成在其后的薄膜晶體管來驅動液晶顯示器上的每一液晶象素點。因此可以做到高速度、高亮度、高對比度顯示屏幕信息。TFT屬于有源矩陣液晶顯示器。TFT液晶每個像素點都設有半導體開關，每個像素點都能通過點脈沖來直接控制，因而它的每個節(jié)點都具有相對獨立特性，并可以進行連續(xù)控制，這不僅可以提高顯示屏的響應速度，同時可以精確的控制顯示屏的顯示色階。顯示屏由許多可以發(fā)出任意顏色的光線的象素組成，只要控制各個象素顯示相應的顏色就能達到目的了。在TFT LCD中一般采用背

56、光技術，為了能精確地控制每一個象素的顏色8。TFT液晶顯示屏具有很多優(yōu)點，如亮度好，對比度高、層次感強、顏色鮮艷，但同時也存在成不高、耗電大等缺點；TFT液晶技術加快了手機彩屏的發(fā)展，新一代的彩屏手機多數(shù)都支持65536色顯示，甚至有的支持16萬色顯示，這時TFT的高對比度，色彩豐富的優(yōu)勢就很重要了。TFT液晶驅動電路如下圖3.10所示。其中 T_IRQ是用來調節(jié)液晶亮度的。D0D15為數(shù)據(jù)輸入輸出端口，其余I/O口為TFT液晶的控制端口。圖3.10 TFT液晶接口電路第四章 軟件設計4.1 軟件設計平臺軟件是用戶控制硬件的主要途徑。用戶主要是通過軟件與硬件系統(tǒng)進行交流。軟件是系統(tǒng)設計的重要依

57、據(jù)。為了方便系統(tǒng)開發(fā)，為了使硬件系統(tǒng)具有較高的總體效用，在設計硬件系統(tǒng)時，必須全局考慮軟件與硬件的結合，以與用戶的要求和軟件的要求。本硬件系統(tǒng)的MCU采用的是STM32F103系列的ARM處理器。該處理器的軟件開發(fā)平臺是主要有Keil 和IAR，本設計采樣熟悉Keil ARM軟件。Keil是德國知名軟件公司Keil（現(xiàn)已并入ARM 公司）開發(fā)的微控制器軟件開發(fā)平臺，是目前ARM核單片機開發(fā)的主流工具。Keil提供了包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調試器在的完整開發(fā)方案，通過一個集成開發(fā)環(huán)境（uVision）將這些功能組合在一起。它的界面和常用的微軟VC+的界面相似，界面

58、友好，易學易用，在調試程序，軟件仿真方面也有很強大的功能。因此很多開發(fā)ARM應用的工程師，都對它十分喜歡。如圖4.1是 Keil for ARM集成開發(fā)環(huán)境界面圖，其中軟件界面均包括程序編輯區(qū)、項目管理區(qū)、工具欄、菜單欄與調試狀態(tài)區(qū)。程序編輯區(qū)用于編輯程序代碼；項目管理區(qū)用于管理打開的項目；工具欄與菜單欄用于管理工程與程序的常用操作；調試狀態(tài)欄用于觀測調試狀態(tài)。圖4.1 Keil for ARM集成開發(fā)環(huán)境界面圖4.2 系統(tǒng)軟件設計系統(tǒng)軟件設計主要包括四部分，分別為上位機監(jiān)控系統(tǒng)設計、主控制器STM32L103的程序設計、CC1101協(xié)調器程序設計、CC1101監(jiān)控節(jié)點程序設計。4.2.1 上

59、位機監(jiān)控系統(tǒng)設計上位機監(jiān)控系統(tǒng)主要應用在養(yǎng)殖場的綜合監(jiān)控，統(tǒng)一管理,通過上位機監(jiān)控系統(tǒng),可以實現(xiàn)對溫度、濕度參數(shù)的自動調節(jié)與控制。軟件主要功能設計有顯示監(jiān)控點實時溫濕度測量值；歷史記錄、歷史曲線查詢并可打印輸出；上下限報警并記錄報警值，可查詢報警歷史報警記錄；自動統(tǒng)計溫濕度數(shù)據(jù)的最大值、最小值與平均值；自動報警，當被測量值超過上下限報警值時監(jiān)控主機可報警；報警時，可自動發(fā)送短信到手機，輕松實現(xiàn)無人值守；通過軟件對儀表參數(shù)進行設置，輕松實現(xiàn)遠程控制，其設計界面如圖4.2所示。圖4.2 上位機軟件設計的主界面效果圖4.2.2 主控制器STM32L103的程序設計主控制器的程序設計主要完成以下幾個功

60、能：1)與緊密連接在一起的協(xié)調器配合組建成監(jiān)控無線傳感網(wǎng)絡，實現(xiàn)節(jié)點設備的數(shù)據(jù)上傳下送；2)當有檢測到養(yǎng)殖場溫度、濕度等參數(shù)有異常時，自動通過GSM向用戶發(fā)送短信息報警；3)實時的將監(jiān)控數(shù)據(jù)上傳至PC機，以實現(xiàn)上位機的統(tǒng)一監(jiān)控。并能根據(jù)PC發(fā)送下來的信息對整個監(jiān)控網(wǎng)絡進行控制和參數(shù)設置；4)系統(tǒng)單機運行時，液晶顯示當前監(jiān)控網(wǎng)絡的監(jiān)控數(shù)據(jù)，方便用戶查看，并可通過鍵盤進行控制和參數(shù)設置。控制中心的組成框圖如圖4.3所示。 主控制中心 液晶顯示無線傳感網(wǎng)絡無線傳感網(wǎng)絡 PC機 鍵盤 圖4.3 控制中心的組成框圖4.2.3 CC1101協(xié)調器程序設計協(xié)調器首先完成協(xié)議棧中的應用層初始化，將應用層收發(fā)狀