毕业设计论文养殖场智能监控系统的设计(编辑修改稿)

毕业设计论文养殖场智能监控系统的设计(编辑修改稿)内容摘要：

检测节点、主机和用户端三个部分组成； （ 2） 构建传感网络，检测养殖场环境温湿度、光照强度、二氧化碳浓度等； （ 3） 构建无线通信网络，检测节点和主机之间通过无线网络传输数据 ； （ 4） 具备监测养殖场环境因子的功能 ； （ 5） 设定自动模式，实现对养殖场环境的自动调节 ； （ 6） 设定手动模式，实现对养殖场环境的手动控制 ； （ 7） 具备短信远程控制功能 ； （ 8）设定防盗报警功能 ； （ 9）功耗低、使用灵活、操作简单，运行稳定 ，电源自制。 系统方案论证 核心处理器选择 方案一：采 用 C8051 或 AT89S52 单片机作系统的处理器来与无线传感器模块通信，实现数据接收与发送。 同时用 MCU 做数据存储及处理、人机交互等功能。 方案二：采用 ST 公司推出的 STM32F103 位处理器来与无线传感器模块通信，实现数据接收与发送。 同时用 MCU 做数据存储及处理、人机交互等功能。 方案比较： 方案一 最大特点是系统体积小、 成本低；但是系统处理速度过慢，内部存储空间较小。 同时，方案拟采用 320*240 的 TFT 液晶作为监控显示界面，而 C8051 是 8 位的 51单片机核，其驱动高分辨率的 TFT 液晶显得比较吃力。 采用 AT89S52 做内核进行控制比较简单，但是其 I/O 资源有限，不能满足电路设计需求，需要外接芯片进行 I/O 扩展。 由于需要与外部无线模块节点通信，电路设计相对比较复杂。 方案二 采用意法半导体公司的 STM32F103 处理器，它基于 ARM 公司最新的 CortexM3 内核，具有丰富的片上资源，同时具有多种工作模式，有利于减小系统的功耗，同时其较大的内部存储器有利于存储相关信息。 抗干能力强，在与外部 CC1101 模块通信时能保证信号的完整；综上所述本系统选用 STM32F103 做为核心控制器。 温湿度 传感器选择方案 方案 一：采用常用的单总线 DS18B20 测温，再选一款湿度测量传感器搭配使用，从而实现温湿度的测量。 本方案将温湿度分开测量，所用元件价格便宜。 但是测量精度低、外围电路复杂。 湖南理工学院毕业设计 (论文 ) 4 方案 二： SHT10 工业级数字温湿度传感器 ， 具有品 质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比高、 外接电路少 等优点 ， 同时 还兼有露点测量。 结合本系统设计要求 测量精度高、电路简单 、体积小 、抗干扰能力强 等特点，选择使用 SHT10 工业级数字温湿度传感器。 远距离通信方案 方案一： 433M 无线技术 433MHz 是我们国家的免申请段发射接收频 率，可直接使用不需要管理， 433 频段抗干扰强，并支持各种点对点，一点对多点的无线数据通讯方式，具有收发一体、安全隔离、安装隔离、使用简单、性价 比高、稳定可靠等特点。 可广泛的应用于 消费类电子产品 、 工业监控 、 无线报警安防系统 、 门禁系统 、 自动抄表 、 无钥门禁系统 、有源 RFID标签识别、 POS 系统、 PDA 等无线智能终端、医疗仪器、电子站牌、智能交通调度系统等领域。 常用的 433M 无线射频芯片有 TI 公司的 CC1100/CC110 NODIC 公司的NRF905/NRF9E5 等。 方案二： 无线技术 所谓的 无线技术，其频段处于 （科学、医药、农业）之间 ， 所以简称为 无线技术。 这个频段里是国际规定的免费频段，不需要向国际相关组织缴纳任何费用。 频段为各国共同的 ISM 频段 ， 具有通信速率快、全双工通信、抗干扰能力强等优点。 广泛的应用于 WIFI、蓝牙 、 ZigBee、无线鼠标、遥控模型、安防等领域。 常见的 无线芯片有 TI 公司的 CC2500、 NODIC 公司的 NRF24L01等。 方案比较： 433M 频段和 频段都为我过免费的频段，但是各具特点，应用领域也各不 相同。 433M 频段相对于 频段信号更强，传输距离强，穿透、绕射能力强，传输过程衰减小， 但是传输速率相对较低。 在本设计中，我们要求无线网络具有较强的传输距离和穿透力，且具有功耗小、使用灵活的特点，因此我们选择方案一 ，使用 TI公司超低功耗 RF 芯片 CC1101。 供电 方案 本系统要求 无线收发节点能够长时间的正常工作，因此设计所需的无线收发模块都具有低功耗的特点 ， 且能够采用电池供电。 为了保证系统的工作正常，正确可行的电源模块 系统 设计的重点。 方案一：采用全桥整流电路整流稳压出系统所需的电源 该电源 采用全桥整流电路和电容滤波电路，将通过变压器的低压交流电变为具有正负对称输出的直流电，实际输出电压为正负 20V 左右。 采用 100nF、 10uF 电容滤除电源中的高频交流成分，再通过 7805 或其它稳压芯片来提供稳定的直流稳压电源。 这种电路多见于要求不高的直流电源中，其驱动能力和后级的滤波电容有关。 湖南理工学院毕业设计 (论文 ) 5 方案二：采用集成稳压电源模块 该方案可以采用专用集成电源稳压模块实现，如交流 220V 转直流 5V；或者在网上购买直流稳压模块，可选择 DC918V 输入， DC5V 输出模块。 方案三：采用电池供电 该方案采用 5V 电池供电，或 者用两节电池供电。 便于系统的安装与携带，同时可以多点安置，且安置简易，维修方便。 方案比较： 在本系统中，要求各个节点具有体积小、重量轻、安放放点的特点，同时考虑到本系统中各个模块都是使用低功耗器件，故选择方案三，采用电池供电，更加符合本设计要求。 显示模块方案 方案一：采用 LCD 液晶显示器显示 采用 DM1286M 液晶显示，其为 64128 点阵 LCD 液晶显示，其可视面尚可，画面效果良好，而且其内置中文汉字和字符信息，具有多种软 件功能，使用方便简单。 但起分辨率较低，且为黑白屏。 方案二：采用全触屏 TFT 彩屏液晶显示 TFT 真彩液晶屏每个像素点都有 一个半导体开关，每个像素 点 都 能够 通过点脉冲直接 去 控制， 每个节点都 是 相对独立 的 ， 可以 连续控制， 这 不仅 可以 提高显示屏反应速度，还 可以精确 的 控制显示色阶， 故 TFT 真彩液晶屏 色彩更真。 TFT 液晶显示屏 具有 对比度高 、 亮度好、 颜色鲜艳 、 层次感强 ，同时具备 触摸功能 [1]。 方案比较：在本设计中，为了更加清晰、鲜明的显示出各个环境因子，使整个界面更加人性化。 同时，也为后期的视频监控提供可能。 故选择方案二， 采用全触屏 TFT彩屏液晶显示。 系统 框图 本系统由检测节点、主机、用户端三个部分组成。 监测节点部分使用超低功耗微控制器 STM32L151 作为 CPU，外界温湿度、光照强度、二氧化碳浓度等传感器组成传感网络。 由 CC1101 组建的 443M 无线通信网络，能够方便、实时将数据传给主机。 主机使用 ARM 系列 32 位微处理器 STM32F103 作为中央处理器，外接 TFT 真彩液晶屏和7279 键盘，实现人机交互 ，外接的 GPRS 模块可以方便的将主机接入要无线 Inter。 强大的 32 位中央处理器，保证了主机处理数据的能力 ，直观、简洁的操作界面提供了更加优质的用户体验。 用户端主要有用户的网络设备组成，如计算机、手机等。 通过Inter 用户可以 远程监控养殖场内湿度、光照等因素，以达到最智能、最方便、最简洁的养殖场环境监控。 系统框图如下图 所示。 湖南理工学院毕业设计 (论文 ) 6 S T M 3 2 L 1 5 1C B T 6 控 制 器L S D R F 4 3 1 0 M0 1 无 线 模 块R S2 32传 感 器 监 测 节 点 1S T M 3 2 L 1 5 1C B T 6 控 制 器L S D R F 4 3 1 0 M0 1 无 线 模 块R S2 32传 感 器 监 测 节 点 NS T M 3 2 L 1 5 1C B T 6 控 制 器L S D R F 4 3 1 0 M0 1 无 线 模 块R S2 32红 外 编码 解 码 控 制 节 点 1L S D R F 4 3 1 0 M0 1 无 线 模 块RS 23 2T F T显 示7 2 7 9键 盘S T M 3 2 F 1 0 3Z E T 6 处 理 器 主 机R F I DG P R SI n t e r n e t 用 户 图 系统结构框图 本章小结 系统将无线通信网络、传感网络、 GPRS 网络技术结合在一起，实现了养殖场 环境因素的多角度、大范围、智能化监控。 一方面采用 无线传感网络 为系统构架；另一方面在 STM32 上通过串口与上位机进行通信， 实现与相关管理员全面人机交互，从而构成一套互联可视化的完美体系。 低功耗 、轻便性是本设计的一大亮点 ，从机采用了尽量少的有源器件实现了对电压的有效采集，同时从机采用低功耗控制器 STM32L151，通过让其合理的休眠可大大延长电池的寿命，两节普通的干电池就可让从机工作两百多天。 湖南理工学院毕业设计 (论文 ) 7 第三章 养殖场智能监控硬件设计 主机 MCU设计 主机 MCU 在本系统中负责 接受监测节点的数据，并对数据进行处理，做出相应的操作。 外接有 FTF 真彩液晶和 7279 键盘，可扩展外挂 GPRG 模块。 为了保证快速的处理 速度 和 操作的灵活性 ， 本系统主机部分采 STM32F103 32 位微处理器。 STM32F103ZET6 功能简介 STM32F103 是一款 高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计 芯片。 使用高性能的 ARM174。 Cortex™M3 32 位的 RISC 内核， 时钟频率达到 72MHz，是同类产品中性 能最好。 内置高速存储器 ， 512K 字节 闪存和 64K 字节 SRAM。 丰富的增强 型 I/O 端口 联接到 两个 APB 总线 外设。 包含 有 3 路 12 位 ADC、 4 个 16 位 通用定时器和 2 个 PWM 定时器，多达 2 个 I2C 接口、 3 个 SPI 接口、 2 个 I2S 接口、 1 个 SDIO 接口、 5 路 USART接口 、一路 USB 接口和一路 CAN 接口 [2]。 STM32F103xx 大容量增强 系列工作于 40176。 C 至 +105176。 C 温度范围，供电电压 至 ，一系列的省电模式保证低功耗应用的要求。 STM32F103xx 大容量增强型系列产品提供包括有 64 脚至 144 脚的 6 种不同封装形式；根据不同的封装形式， 器件中的外设配置不尽相同。 这些丰富 外设配置，使得STM32F103xx 大容量增强型系列微控制器适合于多种应用场合 [3]：  电机驱动  医疗 器械 和手持 终端 设备  PC 端游戏 和 GPS 终端 平台  工业应用：可编程控制 器 、 打印机、变频器 和扫描仪  警报系统、视频对讲、和暖气通风空调系统等 本系统中使用的是 STMF103xx 系列中容量最大、接口最丰富、功能最全面的STM32F103ZET6 微处理器。 以下是 STM32F103ZET6 的功能介绍 [4]：  基于 ARM CortexM3 核心的 32 位微控制器 ， LQFP144 封装 .  512K 片内 FLASH（相当于硬盘） ， 64K 片内 RAM（相当于内存） ， 片内 FLASH 支持在线编程 (IAP)  高达 72M 的频率 ,数据 ,指令分别走不同的流水线 ， 以确保 CPU 运行速度达到最大 化  通过片内 BOOT 区 ， 可实现串口下载程序 (ISP)  片内 具有 双 RC 晶振 ， 提供 8M 及 32K 的频率  支持片外 8M 高速晶振 ， 片外低速 32K 晶振 湖南理工学院毕业设计 (论文 ) 8  42 个后备寄存器 (16 位 )， 外接 纽扣电池 时，可以 掉电数据保存  支持 SWD 和 JTAG 调试 ， 配合 JLINK 实现高速低成本的开发调试方案  高 达 80 个 通用 IO 口 (兼容 5V电平 逻辑 )， 4 个通用定时器 ， 2 个高级定时器 ， 2个基本定时器 ， 3 个 SPI 接口 ， 2 路 I2S 接口 ， 2 路 I2C 接口 ， 5 路 USART，一个 USB 从设备接口 ， 一个 CAN 总线接 口 ， SDIO 通用 接口 ， 可配置 SRAM、ND Flash 和 NOR 接口的 16 位总线 FSMC  3 路共 16 通道的 12 位 AD 输入 ， 2 路共 2 通道的 12 位 DA 输出 ， 可外接高精度参考电压， CPU 供电范围： 嵌入式系统是以计算机技术为基础，以应用为中心，同时软硬件可裁剪，其非常适用于对体积、功耗、功能、可靠性、成本、有很高要求的专用计算机系统。 而其它和PC 系统相对应，嵌入式系统一般主要由微处理器、操作系统、外围硬件设备、以及用户的应用程序等部分组成，其用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能。 并且 在使用 JTAG 调试时，。