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1、 學(xué)號(hào)14092200196 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目: 養(yǎng)殖場智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)作 者 徐 偉 屆 別 2013屆 院 別 信息與通信工程學(xué)院 專 業(yè) 電子信息工程 指導(dǎo)教師 陳 松 職 稱 講 師 完成時(shí)間 2013年5月20日 湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)摘 要本設(shè)計(jì)構(gòu)建了一套養(yǎng)殖場智能監(jiān)控系統(tǒng)，通過對(duì)養(yǎng)殖場環(huán)境溫度、濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度及其它環(huán)境影響因素的實(shí)時(shí)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(diǎn)、主機(jī)、用戶端三個(gè)部分組成。監(jiān)測節(jié)點(diǎn)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(luò)將信息發(fā)送給主機(jī)。主機(jī)接受監(jiān)測節(jié)點(diǎn)發(fā)來的信息，依據(jù)系統(tǒng)設(shè)定對(duì)信息進(jìn)行處理，并做出相

2、應(yīng)的操作，如智能調(diào)節(jié)、報(bào)警、短信通知用戶等。用戶端可以實(shí)時(shí)的接收到主機(jī)發(fā)送過來的環(huán)境信息，并可以通過短信方式對(duì)養(yǎng)殖場環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)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(gòu)建433Mhz無線網(wǎng)絡(luò)，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(shí)現(xiàn)人機(jī)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(diǎn)布置靈活、監(jiān)控面積廣、低功耗、低成本、更人性化等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具備防盜報(bào)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(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)要求，符合了現(xiàn)代社會(huì)人性化及智能化的特點(diǎn)，具有廣闊的市場前景。關(guān)鍵詞：養(yǎng)殖場；無線通信；傳感網(wǎng)

3、絡(luò)；STM32F103處理器；智能監(jiān)控AbstractThe design to build a set of farms intelligent monitoring system. Real-time monitoring of the impact of the farms ambient temperature & humidity & light intensity & carbon dioxide concentration and other environmental factors. To solve the difficult problem of labor manage

4、ment and investigation patrol monitoring. 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 ac

5、cepts the information sent by the 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

6、 via SMS farms environment. In this 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 m

7、onitoring system with flexible arrangement 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 simple beautiful interface & complete functions & stable operation to achieve the

8、 desired design requirements. In line with the characteristics of modern society humane and intelligent and has broad market prospects.Key words: Farms;wireless communication ;sensor networks;STM32F103 processor;intelligent monitoring43 目 錄摘 要IAbstractII目 錄1第一章 緒 論11.1 養(yǎng)殖場智能監(jiān)控的意義11.2 養(yǎng)殖場監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展歷程11.

9、3 智能監(jiān)控的國內(nèi)現(xiàn)狀分析2第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求論證32.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求32.2 系統(tǒng)方案論證32.2.1 核心處理器選擇32.2.2 溫濕度傳感器選擇方案32.2.3 遠(yuǎn)距離通信方案42.2.4 供電方案42.2.5 顯示模塊方案52.3 系統(tǒng)框圖52.4 本章小結(jié)6第三章 養(yǎng)殖場智能監(jiān)控硬件設(shè)計(jì)73.1 主機(jī)MCU設(shè)計(jì)73.1.1 STM32F103ZET6功能簡介73.1.2 STM32F103ZET6電路設(shè)計(jì)93.2 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)MCU設(shè)計(jì)93.2.1 STM32L151功能簡介93.2.2 STM32L151電路設(shè)計(jì)113.3無線模塊設(shè)計(jì)113.3.1節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)113.3.2 RF

10、芯片CC1101介紹113.3.3 CC1101無線模塊電路設(shè)計(jì)123.4 傳感網(wǎng)絡(luò)電路設(shè)計(jì)133.4.1溫濕度傳感器電路設(shè)計(jì)133.4.2 氣體傳感器電路設(shè)計(jì)133.4.3 光照強(qiáng)度電路設(shè)計(jì)133.4.4 熱釋紅外傳感器電路設(shè)計(jì)143.5 TFT真彩液晶電路14第四章 軟件設(shè)計(jì)164.1 軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)164.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)174.2.1 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)174.2.2 主控制器STM32L103的程序設(shè)計(jì)174.2.3 CC1101協(xié)調(diào)器程序設(shè)計(jì)184.2.4 CC1101監(jiān)控節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)184.3 通信協(xié)議分析194.3.1 握手類幀結(jié)構(gòu)204.3.2 監(jiān)測類幀結(jié)構(gòu)204.3.3 控制

11、類類幀結(jié)構(gòu)204.3.4 數(shù)據(jù)傳輸過程214.3 聯(lián)機(jī)調(diào)試21第五章 數(shù)據(jù)測試以及分析225.1 測試儀器225.2 數(shù)據(jù)測試及結(jié)果分析225.2.1 RF模塊測試225.2.2 環(huán)境因子測試235.2.3 自動(dòng)控制測量24總 結(jié)25參考文獻(xiàn)26致 謝27附錄一 程序代碼28湖南理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)第一章 緒 論1.1 養(yǎng)殖場智能監(jiān)控的意義針對(duì)現(xiàn)有養(yǎng)殖場存在的管理不善和資源浪費(fèi)的現(xiàn)象，很多養(yǎng)殖場已經(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(shí)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(dāng)?shù)墓芾矸桨负图夹g(shù)的缺乏導(dǎo)致他們的經(jīng)濟(jì)收益下降

12、，很多管理者都放棄了原本的家族企業(yè)。同時(shí)，管理的不善也導(dǎo)致了很多資源的浪費(fèi)和家禽的無故死亡。目前，個(gè)體養(yǎng)殖企業(yè)為了使其經(jīng)濟(jì)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(diǎn)，浪費(fèi)了大量成本，且效率不高?；谏鲜霰尘埃鞠到y(tǒng)首次提出設(shè)計(jì)利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)的多區(qū)域、多層次、低成本、遠(yuǎn)距離功能實(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)殖場的實(shí)時(shí)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程智能控制相結(jié)合的方式。不僅可以讓管理者實(shí)時(shí)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(yù)先設(shè)定，實(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)殖場環(huán)境的智能調(diào)節(jié)，如實(shí)現(xiàn)恒溫、恒

13、濕等，通過遠(yuǎn)程客戶端還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)殖場環(huán)境的遠(yuǎn)程控制。1.2 養(yǎng)殖場監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展歷程養(yǎng)殖場監(jiān)控技術(shù)起源于西方發(fā)到國家，20世紀(jì)50年代，專業(yè)型的高級(jí)養(yǎng)殖場便開始應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生，養(yǎng)殖設(shè)備也開始廣泛的應(yīng)用于水產(chǎn)業(yè)和畜牧業(yè)。隨著智能控制理論的進(jìn)步和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，養(yǎng)殖大棚作為其中一個(gè)重要的組成部分，其自動(dòng)控制和管理技術(shù)不斷提高，在世界各地得到了很好的發(fā)展。隨著二十世紀(jì)70年代電子技術(shù)的飛速發(fā)展和微型計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)，使養(yǎng)殖場環(huán)境監(jiān)控技術(shù)產(chǎn)生了革命性的變化。80年代，隨著微計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和價(jià)格的下降，同時(shí)人們對(duì)養(yǎng)殖場控制提出了更高的要求，以微型計(jì)算機(jī)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)

14、展。近來來，養(yǎng)殖場環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)邁入了網(wǎng)絡(luò)化和智能化的階段，國外現(xiàn)代化的養(yǎng)殖場設(shè)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(biāo)準(zhǔn)。養(yǎng)殖場內(nèi)各個(gè)環(huán)境因子都由微型計(jì)算機(jī)統(tǒng)一控制，檢測傳感器也越來越全面，如溫度、濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度等。傳感器的檢測已經(jīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)環(huán)境因子的自動(dòng)控制，如制動(dòng)通風(fēng)系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)等。微型計(jì)算機(jī)對(duì)系統(tǒng)的控制不僅僅是簡單的、獨(dú)立的、靜態(tài)的、直接的數(shù)字控制。而是基于環(huán)境模型上的監(jiān)督控制，以及基于專家系統(tǒng)上的人工智能控制。在發(fā)達(dá)國家，智能養(yǎng)殖場監(jiān)控系統(tǒng)向著無人化、全自動(dòng)化方向發(fā)展。1.3 智能監(jiān)控的國內(nèi)現(xiàn)狀分析目前，我國養(yǎng)殖場監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)水平和智能化程度與歐美等

15、發(fā)達(dá)國家相比還有一定的差距。根據(jù)多方面市場調(diào)查分析，國內(nèi)市面上的大部分養(yǎng)殖場監(jiān)控設(shè)備具有系統(tǒng)龐大、價(jià)格昂貴等特點(diǎn)。受技術(shù)水平和價(jià)格的限制，國內(nèi)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(diǎn)監(jiān)控的智能管理方案并沒有得到實(shí)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(shí)現(xiàn)智能調(diào)節(jié)、攝像頭安裝不靈活、報(bào)警不及時(shí)等缺點(diǎn)，無法做到對(duì)養(yǎng)殖場環(huán)境的智能監(jiān)控和調(diào)節(jié)。而基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的養(yǎng)殖場監(jiān)控系統(tǒng)是從大面積、多角度、智能化、人性化、低功耗等幾大方面出發(fā)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了多領(lǐng)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(shù)的運(yùn)用

16、，更穩(wěn)定的保證數(shù)據(jù)信息傳遞的可靠性，GSM通信技術(shù)的應(yīng)用，可將本系統(tǒng)與養(yǎng)殖場管理者手機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)與實(shí)時(shí)交互。通過上位機(jī)實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)的集中管理，有利于系統(tǒng)的維護(hù)和升級(jí)。經(jīng)多方位對(duì)比，基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)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(shè)施的性能。其設(shè)計(jì)充分結(jié)合了養(yǎng)殖場的需求，通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)、上位機(jī)等融合一體應(yīng)用于養(yǎng)殖場智能監(jiān)控領(lǐng)域中，其價(jià)格低廉、性能全面的特點(diǎn)也符合目前中國養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀，有著十分廣闊的發(fā)展前景。本文內(nèi)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(shù)的發(fā)展歷程、智能監(jiān)控的國內(nèi)現(xiàn)狀分析；第二章系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求論證，主要根據(jù)設(shè)計(jì)要求論證了各模塊不同方案的可行

17、性，確定整個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖；第三章主要從硬件方面分析了各個(gè)不分電路設(shè)計(jì)思想；第四章主要介紹了系統(tǒng)的軟件平臺(tái)以及系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)總結(jié)。第二章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求論證2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求（1）系統(tǒng)由檢測節(jié)點(diǎn)、主機(jī)和用戶端三個(gè)部分組成；（2）構(gòu)建傳感網(wǎng)絡(luò)，檢測養(yǎng)殖場環(huán)境溫濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度等；（3）構(gòu)建無線通信網(wǎng)絡(luò)，檢測節(jié)點(diǎn)和主機(jī)之間通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)；（4）具備監(jiān)測養(yǎng)殖場環(huán)境因子的功能；（5）設(shè)定自動(dòng)模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)殖場環(huán)境的自動(dòng)調(diào)節(jié)；（6）設(shè)定手動(dòng)模式，實(shí)現(xiàn)對(duì)養(yǎng)殖場環(huán)境的手動(dòng)控制；（7）具備短信遠(yuǎn)程控制功能；（8）設(shè)定防盜報(bào)警功能；

18、（9）功耗低、使用靈活、操作簡單，運(yùn)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(jī)作系統(tǒng)的處理器來與無線傳感器模塊通信，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收與發(fā)送。同時(shí)用MCU做數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及處理、人機(jī)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收與發(fā)送。同時(shí)用MCU做數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及處理、人機(jī)交互等功能。方案比較：方案一最大特點(diǎn)是系統(tǒng)體積小、成本低；但是系統(tǒng)處理速度過慢，內(nèi)部存儲(chǔ)空間較小。同時(shí)，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(jī)核，其驅(qū)動(dòng)高分辨率的TFT液晶顯得

19、比較吃力。采用AT89S52做內(nèi)核進(jìn)行控制比較簡單，但是其I/O資源有限，不能滿足電路設(shè)計(jì)需求，需要外接芯片進(jìn)行I/O擴(kuò)展。由于需要與外部無線模塊節(jié)點(diǎn)通信，電路設(shè)計(jì)相對(duì)比較復(fù)雜。方案二采用意法半導(dǎo)體公司的STM32F103處理器，它基于ARM公司最新的Cortex-M3內(nèi)核，具有豐富的片上資源，同時(shí)具有多種工作模式，有利于減小系統(tǒng)的功耗，同時(shí)其較大的內(nèi)部存儲(chǔ)器有利于存儲(chǔ)相關(guān)信息?？垢赡芰?qiáng)，在與外部CC1101模塊通信時(shí)能保證信號(hào)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

20、，從而實(shí)現(xiàn)溫濕度的測量。本方案將溫濕度分開測量，所用元件價(jià)格便宜。但是測量精度低、外圍電路復(fù)雜。方案二：SHT10工業(yè)級(jí)數(shù)字溫濕度傳感器，具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高、外接電路少等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還兼有露點(diǎn)測量。結(jié)合本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求測量精度高、電路簡單、體積小、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，選擇使用SHT10工業(yè)級(jí)數(shù)字溫濕度傳感器。2.2.3 遠(yuǎn)距離通信方案方案一：433M無線技術(shù)433MHz是我們國家的免申請段發(fā)射接收頻率，可直接使用不需要管理，433頻段抗干擾強(qiáng)，并支持各種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)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(jià)比高、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)?？蓮V泛的應(yīng)

21、用于消費(fèi)類電子產(chǎn)品、工業(yè)監(jiān)控、無線報(bào)警安防系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、自動(dòng)抄表、無鑰門禁系統(tǒng)、有源RFID標(biāo)簽識(shí)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(diào)度系統(tǒng)等領(lǐng)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(shù)所謂的2.4G無線技術(shù)，其頻段處于2.405GHz-2.485GHz（科學(xué)、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)）之間，所以簡稱為2.4G無線技術(shù)。這個(gè)頻段里是國際規(guī)定的免費(fèi)頻段，不需要向國際相關(guān)組織繳納任何費(fèi)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(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

22、廣泛的應(yīng)用于WIFI、藍(lán)牙 、ZigBee、無線鼠標(biāo)、遙控模型、安防等領(lǐng)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(fèi)的頻段，但是各具特點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域也各不相同。433M頻段相對(duì)于2.4G頻段信號(hào)更強(qiáng)，傳輸距離強(qiáng)，穿透、繞射能力強(qiáng)，傳輸過程衰減小，但是傳輸速率相對(duì)較低。在本設(shè)計(jì)中，我們要求無線網(wǎng)絡(luò)具有較強(qiáng)的傳輸距離和穿透力，且具有功耗小、使用靈活的特點(diǎn)，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(diǎn)能夠長時(shí)間的正常工作，因此設(shè)計(jì)所需的無線收發(fā)模塊都具

23、有低功耗的特點(diǎn)，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(shè)計(jì)的重點(diǎn)。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?fù)對(duì)稱輸出的直流電，實(shí)際輸出電壓為正負(fù)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(qū)動(dòng)能力和后級(jí)的濾波電容有關(guān)。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(shí)現(xiàn)，如交流220V轉(zhuǎn)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

24、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(shí)可以多點(diǎn)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(gè)節(jié)點(diǎn)具有體積小、重量輕、安放放點(diǎn)的特點(diǎn)，同時(shí)考慮到本系統(tǒng)中各個(gè)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(shè)計(jì)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(diǎn)陣LCD液晶顯示，其可視面尚可，畫面效果良好，而且其內(nèi)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(gè)像素點(diǎn)都有一個(gè)半導(dǎo)體開

25、關(guān)，每個(gè)像素點(diǎn)都能夠通過點(diǎn)脈沖直接去控制，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是相對(duì)獨(dú)立的，可以連續(xù)控制，這不僅可以提高顯示屏反應(yīng)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(duì)比度高、亮度好、顏色鮮艷、層次感強(qiáng)，同時(shí)具備觸摸功能1。方案比較：在本設(shè)計(jì)中，為了更加清晰、鮮明的顯示出各個(gè)環(huán)境因子，使整個(gè)界面更加人性化。同時(shí)，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)框圖本系統(tǒng)由檢測節(jié)點(diǎn)、主機(jī)、用戶端三個(gè)部分組成。監(jiān)測節(jié)點(diǎn)部分使用超低功耗微控制器STM32L151作為CPU，外界溫濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度等傳感器組成傳感網(wǎng)絡(luò)。由CC1101組建

26、的443M無線通信網(wǎng)絡(luò)，能夠方便、實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)傳給主機(jī)。主機(jī)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(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，外接的GPRS模塊可以方便的將主機(jī)接入要無線Internet。強(qiáng)大的32位中央處理器，保證了主機(jī)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(zhì)的用戶體驗(yàn)。用戶端主要有用戶的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成，如計(jì)算機(jī)、手機(jī)等。通過Internet用戶可以遠(yuǎn)程監(jiān)控養(yǎng)殖場內(nèi)濕度、光照等因素，以達(dá)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(jié)構(gòu)框圖2.4 本章小結(jié)系統(tǒng)將無線通信網(wǎng)絡(luò)、傳感網(wǎng)絡(luò)、GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)結(jié)合

27、在一起，實(shí)現(xiàn)了養(yǎng)殖場環(huán)境因素的多角度、大范圍、智能化監(jiān)控。一方面采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)為系統(tǒng)構(gòu)架；另一方面在STM32上通過串口與上位機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)與相關(guān)管理員全面人機(jī)交互，從而構(gòu)成一套互聯(lián)可視化的完美體系。低功耗、輕便性是本設(shè)計(jì)的一大亮點(diǎn)，從機(jī)采用了盡量少的有源器件實(shí)現(xiàn)了對(duì)電壓的有效采集，同時(shí)從機(jī)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(jī)工作兩百多天。第三章 養(yǎng)殖場智能監(jiān)控硬件設(shè)計(jì)3.1 主機(jī)MCU設(shè)計(jì)主機(jī)MCU在本系統(tǒng)中負(fù)責(zé)接受監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，做出相應(yīng)的操作。外接有FTF真彩液晶和7279鍵盤，可擴(kuò)展外掛GPRG模塊

28、。為了保證快速的處理速度和操作的靈活性，本系統(tǒng)主機(jī)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(yīng)用設(shè)計(jì)芯片。使用高性能的ARM Cortex-M3 32位的RISC內(nèi)核，時(shí)鐘頻率達(dá)到72MHz，是同類產(chǎn)品中性能最好。內(nèi)置高速存儲(chǔ)器，512K字節(jié)閃存和64K 字節(jié)SRAM。豐富的增強(qiáng)型I/O 端口聯(lián)接到兩個(gè)APB總線外設(shè)。包含有3路12位ADC、4個(gè)16位通用定時(shí)器和2 個(gè)PWM定時(shí)器，多達(dá)2 個(gè)I2C 接口、3 個(gè)SPI接口、2個(gè)I2S 接口、1個(gè)SDIO接口、5路USART接口、一路USB接口和

29、一路CAN接口2。 STM32F103xx 大容量增強(qiáng)系列工作于-40C 至+105C溫度范圍，供電電壓2.0V至3.6V，一系列的省電模式保證低功耗應(yīng)用的要求。 STM32F103xx大容量增強(qiáng)型系列產(chǎn)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(shè)配置不盡相同。這些豐富外設(shè)配置，使得STM32F103xx大容量增強(qiáng)型系列微控制器適合于多種應(yīng)用場合3： l 電機(jī)驅(qū)動(dòng) l 醫(yī)療器械和手持終端設(shè)備 l PC端游戲和GPS終端平臺(tái) l 工業(yè)應(yīng)用：可編程控制器 、打印機(jī)、變頻器和掃描儀 l 警報(bào)系統(tǒng)、視頻對(duì)講、和暖氣通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)等 本系統(tǒng)中使用的是STMF103xx

30、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：l 基于ARM Cortex-M3核心的32 位微控制器，LQFP-144封裝.l 512K 片內(nèi)FLASH（相當(dāng)于硬盤），64K片內(nèi)RAM（相當(dāng)于內(nèi)存），片內(nèi)FLASH 支持在線編程(IAP)l 高達(dá)72M 的頻率,數(shù)據(jù),指令分別走不同的流水線，以確保 CPU運(yùn)行速度達(dá)到最大化l 通過片內(nèi)BOOT區(qū)，可實(shí)現(xiàn)串口下載程序(ISP)l 片內(nèi)具有雙RC 晶振，提供8M及32K 的頻率l 支持片外8M高速晶振，片外低速32K晶振l 42個(gè)后備寄存器(16位)，外接紐扣電池時(shí)，可以

31、掉電數(shù)據(jù)保存l 支持 SWD和JTAG調(diào)試，配合J-LINK實(shí)現(xiàn)高速低成本的開發(fā)調(diào)試方案 l 高達(dá)80個(gè)通用IO口(兼容5V電平邏輯)，4個(gè)通用定時(shí)器，2個(gè)高級(jí)定時(shí)器，2個(gè)基本定時(shí)器，3個(gè)SPI接口，2路I2S 接口，2路I2C接口，5路USART，一個(gè)USB從設(shè)備接口，一個(gè) 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 l 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供電范圍：2.0-3.6V嵌入式系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，以應(yīng)用為中心，同時(shí)軟硬件可裁剪，其非常適用于對(duì)體積、功耗、功能

32、、可靠性、成本、有很高要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。而其它和PC系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)，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(shè)備、以及用戶的應(yīng)用程序等部分組成，其用于實(shí)現(xiàn)對(duì)其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。并且在使用JTAG調(diào)試時(shí)，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運(yùn)行。STM32F103ZET6內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖3.1所示。圖3.1 STM32F103ZET6的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖3.1.2 STM32F103ZET6電路設(shè)計(jì)為了使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，MCU電路設(shè)計(jì)好壞非常關(guān)鍵。其中時(shí)鐘電路、電源設(shè)計(jì)、濾波電容等部分都是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。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(shè)備，包含有串行FLASH，主要用

33、于存儲(chǔ)啟動(dòng)代碼和部分界面圖片。UART調(diào)試電路，主要用戶測試與通信。豐富的外圍接口也是使本設(shè)計(jì)的應(yīng)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(diào)試接口、通用I0口等。整個(gè)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(diǎn)MCU設(shè)計(jì)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)MCU在本系統(tǒng)中主要負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)傳感網(wǎng)絡(luò)，采集各個(gè)傳感器數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的處理，通過無線通信網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送給主機(jī)。同時(shí)檢測節(jié)點(diǎn)還可以接受來自主機(jī)的信號(hào)，做出相應(yīng)的操作。本設(shè)計(jì)中采用ST公司超低功耗STM32L151CBT6微控制

34、器。 3.2.1 STM32L151功能簡介STM32L 系列產(chǎn)品是業(yè)界首款來自全球十大半導(dǎo)體供應(yīng)商之一的超低功耗 ARM Cortex-M3 微控制器，在 32MHz 頻率時(shí)最高處理性能達(dá)到33DMIPS。STM32L 系列產(chǎn)品采用意法半導(dǎo)體獨(dú)有的兩大節(jié)能技術(shù)：130nm 專用低泄漏電流制造工藝和優(yōu)化的節(jié)能架構(gòu)，提供業(yè)界領(lǐng)先的節(jié)能性能。2011年3月3，意法半導(dǎo)體宣布擴(kuò)大 STM32L 系列 32 位微控制器的產(chǎn)品范圍，新增的微控制器存儲(chǔ)容量分別為 256KB 和 384KB，整個(gè)系列閃存容量覆蓋 32KB 至 384KB 區(qū)間，為嵌入式應(yīng)用工程師提供更加豐富的選擇。STM32L 系列屬于意

35、法半導(dǎo)體陣容強(qiáng)大的 32 位 STM32 微控制器產(chǎn)品家族，目前該產(chǎn)品家族共有 180 余款產(chǎn)品，全系列產(chǎn)品共用大部分引腳、軟件和外設(shè)，優(yōu)異的兼容性為開發(fā)人員帶來最大的設(shè)計(jì)靈活性。該系列產(chǎn)品也屬于意法半導(dǎo)體的 EnergyLite 超低功耗產(chǎn)品平臺(tái)，讓設(shè)計(jì)人員能夠優(yōu)化終端產(chǎn)品的性能、功能和電池使用壽命，達(dá)到與能效相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，如環(huán)保型設(shè)計(jì)目標(biāo)。此外，考慮到觸控應(yīng)用，意法半導(dǎo)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(dǎo)體的 8 位 STM 8 系列 和 32 位 STM32 系列的 200 余款產(chǎn)品。主要應(yīng)用于工業(yè)控制、金融支付、醫(yī)療電子、智能交通、玩具

36、、傳感器網(wǎng)絡(luò)以及一切可能用到高性能極低功耗單片機(jī)的市場領(lǐng)域。其特性如下所示：l ARM 32 位 Cortex-M3 內(nèi)核 (最大32兆赫茲)l 32-384K 字節(jié) FLASH 帶 ECC，最大 48K 字節(jié) RAM，最大 12K 字節(jié) EEPROM 帶 ECCl 12 通道 DMAl 1Msps 多達(dá) 40 通道 12 位 ADCl 雙極低功耗模擬比較器l 12 位 DA 轉(zhuǎn)換器帶輸出緩沖l 集成上電、掉電復(fù)位和電壓檢測l 多至 116 個(gè)快速 IO 口 (5 伏容忍的 IO 達(dá) 102 個(gè))l 8x40 段或 4x44 段 LCD 控制器帶升壓功能l 96 位全球唯一IDl CRC 硬件

37、計(jì)算單元l 多至 11 個(gè)定時(shí)器，含豐富的捕獲、比較輸出功能，其中一個(gè) 32 位定時(shí)器l I2C，SPI，USART，CEC 多種通訊接口附加各種特色功能l 多至 36 個(gè)觸摸傳感通道l AES 硬件加速引擎l 多至 3 路運(yùn)放Cortex 處理器設(shè)計(jì)先進(jìn)，而8位和16位處理器技術(shù)陳舊，Cortex處理器價(jià)格與8位和16位處理器相當(dāng)；Cortex微控制器全系產(chǎn)品的軟件、引腳和外設(shè)相互兼容，例如，意法半導(dǎo)體的STM32系列產(chǎn)品，其設(shè)計(jì)靈活性和系統(tǒng)擴(kuò)展性更強(qiáng)。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(jì)型少引腳數(shù)量封裝，到引腳間距窄的微型封裝，再到輸入輸出數(shù)量很

38、多的BGA封裝，Cortex-M微控制器的封裝選擇范圍非常廣泛。另外，將一系列經(jīng)過市場檢驗(yàn)的STM32通用外設(shè)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(yīng)用設(shè)計(jì)更為靈活和高效，享受最新科技帶來的功能、結(jié)構(gòu)和性能上的全方位的技術(shù)突破。新產(chǎn)品系列在低功耗綜合性能上逼近現(xiàn)有技術(shù)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(shè)計(jì)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)受到其應(yīng)用場合的限制，要求設(shè)計(jì)電路具有功耗低、體積小、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)中STM32L151系統(tǒng)的設(shè)計(jì)包含外圍時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、電源、JTAG接口、通用IO口等。整個(gè)STM32L151原理圖如下圖3.3所示。圖3.3 ST

39、M32L151原理圖3.3無線模塊設(shè)計(jì)3.3.1節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)無線傳感器節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、處理器模塊、無線電通信模塊和能量供應(yīng)模塊4部分組成，節(jié)點(diǎn)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(shè)計(jì)的重中之重，因此，在經(jīng)過深度調(diào)查后覺決定使用CC1101，它的設(shè)計(jì)宗旨在于極低功耗RF的應(yīng)用，是一款低于1GHz高性能射頻收發(fā)器； CC1101可提供對(duì)數(shù)據(jù)包處理、數(shù)據(jù)緩沖、接收信號(hào)強(qiáng)度指示、突發(fā)傳輸、空閑信道評(píng)估、鏈路質(zhì)量指示以及無線喚醒的廣泛硬件支持。其主要針對(duì)工業(yè)、科研和醫(yī)療以及短距離無線通信設(shè)備。CC1101在代碼、封裝和外引腳方面均與C

40、C1100兼容，可用于全球最為常用的開放式低于1GHz頻率的RF設(shè)計(jì)。其明顯的特點(diǎn)有如下：l 具有獨(dú)立的64字節(jié)TX FIFO和RXFIFOl 可設(shè)置最高為10dBm的發(fā)射功率l 模塊工作電壓為：1.9V到3.6V，并且在待機(jī)模式下電流只有200nAl 具有高靈敏度：433MHz、0.6kbps、1%誤碼率時(shí)僅為-116dBml 模塊支持0.6kbps至500kbps的數(shù)據(jù)傳輸速率l 支持RSSI和LQIl 模塊還提供了對(duì)同步字地址校驗(yàn)、檢測、靈活的數(shù)據(jù)包長度以及自動(dòng)CRC處理的支持l 支持多種調(diào)制模式如：MSK、ASK、GFSK、OOK、4-FSK和2-FSKl 模塊通過4線SPI接口與MC

41、U連接，并同時(shí)提供2個(gè)可設(shè)定功能的通用數(shù)字輸出引腳l 模塊工作頻段為1387.0MHz到464.0MHzl 低電流消耗：接收模式時(shí)僅16.0mAl 工作溫度范圍：-40+853.3.3 CC1101無線模塊電路設(shè)計(jì)射頻電路的設(shè)計(jì)相對(duì)于其他電路要更加復(fù)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(shè)計(jì)。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(shè)計(jì)使用的CC1101芯片在構(gòu)建無線通信網(wǎng)絡(luò)，所有的射頻部分都封裝在芯片內(nèi)部，我們只需要通過SPI接口軟件驅(qū)動(dòng)芯片，進(jìn)行一些功能的設(shè)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

42、，減小電源紋波，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。在天線匹配端，使用TI官方的參考設(shè)計(jì)，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(dá)到不錯(cuò)的效果。整個(gè)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(luò)電路設(shè)計(jì)傳感網(wǎng)絡(luò)是整個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，本系統(tǒng)所有的操作都是基于傳感網(wǎng)絡(luò)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(yīng)速度。在傳感器電路設(shè)計(jì)中，我們需要考慮到電源、輸入輸出范圍等因素，合理的電路設(shè)計(jì)顯得至關(guān)重要。3.4.1溫濕度傳感器電路設(shè)計(jì)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(hào)處理電路

43、于一塊微型基板上（其中包括：一個(gè)電容性聚合體測濕敏感元件、一個(gè)用能隙材料制成的測溫元件，一個(gè)14位的AD轉(zhuǎn)換器及串行接口電路），輸出已經(jīng)標(biāo)定的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。傳感器采用專利的CMOSens技術(shù)，其保證了產(chǎn)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(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、響應(yīng)迅速、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，高精度兩線制數(shù)字接口，可直接與單片機(jī)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(shè)計(jì)MG811型CO2氣體傳感器由固體電解質(zhì)層、金電極、鉑引線、加熱器、陶瓷管、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

44、擇性、穩(wěn)定性和再現(xiàn)性，受溫濕度的變化影響較小。廣泛的應(yīng)用于空氣質(zhì)量控制系統(tǒng)、發(fā)酵過程控制、溫室CO2濃度檢測等領(lǐng)域6。本設(shè)計(jì)中將氣體傳感器輸出信號(hào)經(jīng)過一個(gè)比較器后TTL輸出，可直接與控制器相連，同時(shí)也預(yù)留模擬輸出端口，方便改進(jìn)。整個(gè)模塊具有使用壽命長、穩(wěn)定性好、響應(yīng)快速等特點(diǎn)。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(qiáng)度電路設(shè)計(jì)光敏電阻器是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強(qiáng)弱而改變的電阻器，入射光強(qiáng)，電阻減小，入射光弱，電阻增大。光敏電阻器廣泛應(yīng)用于光的測、光的控制和光電轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域。本模塊中將光敏電阻器和比較

45、器結(jié)合使用，外接電位器實(shí)現(xiàn)靈敏度的調(diào)節(jié)，同時(shí)輸出模擬電壓和數(shù)字開關(guān)量，通過AD轉(zhuǎn)換，可獲得環(huán)境光照強(qiáng)度的精確值。光照強(qiáng)度測量電路原理圖如下圖3.8所示。圖3.8 光照強(qiáng)度測量電路原理圖3.4.4 熱釋紅外傳感器電路設(shè)計(jì)熱釋紅外傳感器能將接收到的紅外輻射轉(zhuǎn)變成微弱的電壓信號(hào),廣泛的應(yīng)用于防盜報(bào)警系統(tǒng)中，具有本身無輻射、功耗小，隱蔽性好、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。人體都有恒定的體溫，一般在37度，所以會(huì)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(hào)處理芯片BISS0001構(gòu)成被動(dòng)式的熱釋電紅外開關(guān)。它能自動(dòng)快速開啟各類白炙燈、熒光燈、蜂鳴器、自動(dòng)門等裝置，特別適用于企業(yè)、賓館、商場、庫房及家

46、庭的過道等敏感區(qū)域，或用于安全區(qū)域的自動(dòng)燈光、照明和報(bào)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(yīng)晶體管；它是由集成在其后的薄膜晶體管來驅(qū)動(dòng)液晶顯示器上的每一液晶象素點(diǎn)。因此可以做到高速度、高亮度、高對(duì)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(gè)像素點(diǎn)都設(shè)有半導(dǎo)體開關(guān)，每個(gè)像素點(diǎn)都能通過點(diǎn)脈沖來直接控制，因而它的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有相對(duì)獨(dú)立特性，并可以進(jìn)行連續(xù)控制，這不僅可以提高顯示屏的響應(yīng)速度，同時(shí)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(gè)象素顯示相應(yīng)的顏色就能

47、達(dá)到目的了。在TFT LCD中一般采用背光技術(shù)，為了能精確地控制每一個(gè)象素的顏色8。TFT液晶顯示屏具有很多優(yōu)點(diǎn)，如亮度好，對(duì)比度高、層次感強(qiáng)、顏色鮮艷，但同時(shí)也存在成不高、耗電大等缺點(diǎn)；TFT液晶技術(shù)加快了手機(jī)彩屏的發(fā)展，新一代的彩屏手機(jī)中大多數(shù)都支持65536色顯示，甚至有的支持16萬色顯示，這時(shí)TFT的高對(duì)比度，色彩豐富的優(yōu)勢就很重要了。TFT液晶驅(qū)動(dòng)電路如下圖3.10所示。其中 T_IRQ是用來調(diào)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(shè)計(jì)4.1 軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)軟件是用戶控制硬件的主要途徑。用戶主要是通過軟

48、件與硬件系統(tǒng)進(jìn)行交流。軟件是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要依據(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(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)時(shí)，必須全局考慮軟件與硬件的結(jié)合，以及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(tái)是主要有Keil 和IAR，本設(shè)計(jì)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(tái)，是目前ARM內(nèi)核單片機(jī)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(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器在內(nèi)的完整開發(fā)方案，通過一個(gè)集成開發(fā)環(huán)境（uVision）將這些功能組合在

49、一起。它的界面和常用的微軟VC+的界面相似，界面友好，易學(xué)易用，在調(diào)試程序，軟件仿真方面也有很強(qiáng)大的功能。因此很多開發(fā)ARM應(yīng)用的工程師，都對(duì)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(xiàng)目管理區(qū)、工具欄、菜單欄及調(diào)試狀態(tài)區(qū)。程序編輯區(qū)用于編輯程序代碼；項(xiàng)目管理區(qū)用于管理打開的項(xiàng)目；工具欄及菜單欄用于管理工程及程序的常用操作；調(diào)試狀態(tài)欄用于觀測調(diào)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(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括四部分，分別為上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)、主控制器STM32L103的程序設(shè)計(jì)、CC1101協(xié)調(diào)器程序設(shè)

50、計(jì)、CC1101監(jiān)控節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)。4.2.1 上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)主要應(yīng)用在養(yǎng)殖場的綜合監(jiān)控，統(tǒng)一管理,通過上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng),可以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、濕度參數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)與控制。軟件主要功能設(shè)計(jì)有顯示監(jiān)控點(diǎn)實(shí)時(shí)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(bào)警并記錄報(bào)警值，可查詢報(bào)警歷史報(bào)警記錄；自動(dòng)統(tǒng)計(jì)溫濕度數(shù)據(jù)的最大值、最小值及平均值；自動(dòng)報(bào)警，當(dāng)被測量值超過上下限報(bào)警值時(shí)監(jiān)控主機(jī)可報(bào)警；報(bào)警時(shí)，可自動(dòng)發(fā)送短信到手機(jī)，輕松實(shí)現(xiàn)無人值守；通過軟件對(duì)儀表參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，輕松實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，其設(shè)計(jì)界面如圖4.2所示。圖4.2 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)的主界面效果圖4.2.2 主控制器STM32L10

51、3的程序設(shè)計(jì)主控制器的程序設(shè)計(jì)主要完成以下幾個(gè)功能：1)與緊密連接在一起的協(xié)調(diào)器配合組建成監(jiān)控?zé)o線傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)設(shè)備的數(shù)據(jù)上傳下送；2)當(dāng)有檢測到養(yǎng)殖場溫度、濕度等參數(shù)有異常時(shí)，自動(dòng)通過GSM向用戶發(fā)送短信息報(bào)警；3)實(shí)時(shí)的將監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)上傳至PC機(jī)，以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的統(tǒng)一監(jiān)控。并能根據(jù)PC發(fā)送下來的信息對(duì)整個(gè)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制和參數(shù)設(shè)置；4)系統(tǒng)單機(jī)運(yùn)行時(shí)，液晶顯示當(dāng)前監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，方便用戶查看，并可通過鍵盤進(jìn)行控制和參數(shù)設(shè)置?？刂浦行牡慕M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(luò)無線傳感網(wǎng)絡(luò) PC機(jī) 鍵盤 圖4.3 控制中心的組成框圖4.2.3 CC1101協(xié)調(diào)器程序設(shè)計(jì)協(xié)調(diào)

52、器首先完成協(xié)議棧中的應(yīng)用層初始化，將應(yīng)用層收發(fā)狀態(tài)設(shè)為空閑，然后打開全局中斷并初始化無線連接端口。接著協(xié)調(diào)器開始建立無線星形網(wǎng)絡(luò)。協(xié)議中協(xié)調(diào)器自動(dòng)選擇433M的頻段，默認(rèn)的個(gè)域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)號(hào)(PANID)是0 x1348，最大單次發(fā)送的字節(jié)數(shù)為128。在網(wǎng)絡(luò)建立成功后，協(xié)調(diào)器將其地址傳送給控制中心STM32F103，然后程序進(jìn)入主循環(huán)。首先判斷是否有終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的新數(shù)據(jù)，如果有，則直接把這個(gè)數(shù)據(jù)傳送至控制中心STM32F103；判斷控制中心STM32F103是否有指令下傳，如果有則將下傳的指令發(fā)送到相應(yīng)的終端節(jié)點(diǎn)。整個(gè)CC1101協(xié)調(diào)器程序流程圖如下圖4.4所示。開始1協(xié)議初始化建立網(wǎng)絡(luò)傳送設(shè)備監(jiān)控

53、數(shù)據(jù)向控制中心注冊接收控制中心的指令并轉(zhuǎn)發(fā)命令到相應(yīng)的節(jié)點(diǎn) 圖4.4 CC1101協(xié)調(diào)器程序流程圖 4.2.4 CC1101監(jiān)控節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)CC1101監(jiān)控節(jié)點(diǎn)是指由CC1101協(xié)調(diào)器控制的無線節(jié)點(diǎn)，在系統(tǒng)中主要是監(jiān)控節(jié)點(diǎn)和控制溫濕度等參數(shù)的控制器。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的初始化同樣包括協(xié)議棧中的應(yīng)用層初始化，打開打開全局中斷并初始化無線連接端口，并嘗試加入網(wǎng)絡(luò)。再加入網(wǎng)絡(luò)的過程中：只有和協(xié)調(diào)器設(shè)置一致時(shí)，監(jiān)控節(jié)點(diǎn)才能加入到網(wǎng)絡(luò)中。如果監(jiān)控節(jié)點(diǎn)嘗試加入網(wǎng)絡(luò)失敗，則每兩秒重新嘗試一次，直至順利加入到網(wǎng)絡(luò)中。入網(wǎng)成功后，監(jiān)控節(jié)點(diǎn)將其注冊信息發(fā)送至協(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)至控制中心STM32F103。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)完成入

54、網(wǎng)注冊后，則初始化傳感器和相應(yīng)的控制器，然后程序進(jìn)入死循環(huán)，定時(shí)的將監(jiān)控節(jié)點(diǎn)測量的數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器；若收到協(xié)調(diào)器控制命令，則控制相應(yīng)的控制器調(diào)節(jié)參數(shù)，如收到溫度控制命令，溫度監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，則調(diào)節(jié)溫度控制器使養(yǎng)殖場的溫度設(shè)定在新的溫度范圍內(nèi)。CC1101監(jiān)控節(jié)點(diǎn)程序流程圖如圖4.5所示。YesYes開始獲取傳感器數(shù)據(jù)協(xié)議初始化根據(jù)控制命令設(shè)置控制器向協(xié)調(diào)器發(fā)送入網(wǎng)請求初始化傳感器和控制器入網(wǎng)成功？延時(shí)一定時(shí)間后再次發(fā)送入網(wǎng)請求1延時(shí)一定時(shí)間后數(shù)據(jù)上傳至協(xié)調(diào)器收到協(xié)調(diào)器的控制命令？No 圖4.5 CC1101監(jiān)控節(jié)點(diǎn)程序流程圖4.3 通信協(xié)議分析通信協(xié)議可以根據(jù)設(shè)備實(shí)際運(yùn)用的需求，并為設(shè)備的功能擴(kuò)展留

55、有足夠的空間，本通信協(xié)議包含了設(shè)備控制、參數(shù)監(jiān)控以及設(shè)備參數(shù)設(shè)置等內(nèi)容。通信協(xié)議嚴(yán)格規(guī)定了各信息幀格式和幀中數(shù)據(jù)的位數(shù)，協(xié)議分為四類幀結(jié)構(gòu)：握手類幀結(jié)構(gòu)、控制類幀結(jié)構(gòu)、監(jiān)測類幀結(jié)構(gòu)、維護(hù)類幀結(jié)構(gòu)。各類幀充分考慮了與硬件的優(yōu)化結(jié)合9。4.3.1 握手類幀結(jié)構(gòu)握手類幀結(jié)構(gòu)是設(shè)備與主機(jī)聯(lián)機(jī)的一類幀結(jié)構(gòu)。主機(jī)向設(shè)備發(fā)送詢問幀,如果設(shè)備開機(jī),則設(shè)備向接口發(fā)送應(yīng)答幀,接口接收到設(shè)備發(fā)送的應(yīng)答幀后,握手成功,可以進(jìn)行下一步操作。握手類幀結(jié)構(gòu)為： 無效字 幀頭 設(shè)備IDCRC-8校驗(yàn) 幀尾 4(Byte) 2(Byte) 2(Byte) 2(Byte) 2(Byte)無效字作用：在中斷接收過程中第一個(gè)字容易丟

56、失，無效字能提高幀接收的正確性。幀頭作用： 數(shù)據(jù)幀的開始，用于區(qū)分幀的類型。設(shè)備ID： 設(shè)備的身份，用于通信中區(qū)分各設(shè)備。CRC-8校驗(yàn)：提高數(shù)據(jù)通信的正確性。幀尾： 數(shù)據(jù)幀的結(jié)束，用于判斷數(shù)據(jù)幀的結(jié)束4.3.2 監(jiān)測類幀結(jié)構(gòu)監(jiān)測類幀結(jié)構(gòu)是對(duì)于需要實(shí)現(xiàn)監(jiān)測類功能而制定的幀結(jié)構(gòu),監(jiān)測類幀可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備各參數(shù)與狀態(tài)的監(jiān)測。當(dāng)設(shè)備接收到主設(shè)備發(fā)送的監(jiān)測類信息幀后,根據(jù)信息幀中要求,向主設(shè)備發(fā)送包含監(jiān)測內(nèi)容的響應(yīng)幀。監(jiān)測類幀結(jié)構(gòu)為：無效字幀頭設(shè)備ID監(jiān)測標(biāo)識(shí)CRC-8校驗(yàn)幀尾4(Byte)2(Byte)2(Byte)2(Byte)2(Byte)2(Byte)當(dāng)設(shè)備接收到主設(shè)備發(fā)送的監(jiān)測類信息幀后,向主

57、設(shè)備發(fā)送響應(yīng)幀其幀結(jié)構(gòu)為：無效字 幀頭 設(shè)備ID監(jiān)測數(shù)據(jù)包CRC-8校驗(yàn) 幀尾 4(Byte)2(Byte) 2(Byte) 12(Byte) 2(Byte)2(Byte)4.3.3 控制類類幀結(jié)構(gòu) 控制類幀結(jié)構(gòu)是對(duì)于需要實(shí)現(xiàn)控制類功能而制定的結(jié)構(gòu),控制類幀可以實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的開、關(guān)機(jī)等控制。主機(jī)向設(shè)備發(fā)送控制類幀,設(shè)備接收到控制類幀,并執(zhí)行該制類幀中所包含的命令,同時(shí)向主機(jī)發(fā)送響應(yīng)幀,主機(jī)接到響應(yīng)幀后,得知操作正確?？刂祁悗Y(jié)構(gòu)：無效字幀頭設(shè)備ID命令字CRC-8校驗(yàn)幀尾4(Byte)2(Byte)2(Byte)8(Byte)2(Byte)2(Byte)控制響應(yīng)幀結(jié)構(gòu)： 無效字 幀頭 設(shè)備ID

58、控制響應(yīng)字CRC-校驗(yàn) 幀尾 4(Byte)2(Byte) 2(Byte) 4(Byte) 2(Byte) 2(Byte)4.3.4 數(shù)據(jù)傳輸過程在數(shù)據(jù)傳輸過程中，當(dāng)主機(jī)向設(shè)備發(fā)送請求信息時(shí),設(shè)備對(duì)信息幀進(jìn)行解碼,按照協(xié)議規(guī)定,從存儲(chǔ)器調(diào)取相關(guān)信息,經(jīng)過處理,再按照協(xié)議規(guī)定的格式,通過串口,以信息幀方式向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù),主機(jī)接收到設(shè)備發(fā)送的信息幀,主機(jī)控制系統(tǒng)按照協(xié)議規(guī)定的格式對(duì)信息幀進(jìn)行解碼,提取所需信息,并最終在對(duì)應(yīng)顯示區(qū)域內(nèi)顯示。4.3 聯(lián)機(jī)調(diào)試將主機(jī)通過串口和電腦相連，各個(gè)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)通過433無線網(wǎng)絡(luò)連接和主機(jī)相連。打開PC客戶端軟件，設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)，相主機(jī)發(fā)送各組命令，查看調(diào)試結(jié)果，測試系

59、統(tǒng)的在不同環(huán)境下長時(shí)間穩(wěn)定運(yùn)行的丟包率。 第五章 數(shù)據(jù)測試以及分析5.1 測試儀器本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)測試包括三個(gè)部分：1. RF模塊測試：包括輸出功率、靈敏度、傳輸距離等；2. 環(huán)境因子測試：包括環(huán)境溫濕度、光照強(qiáng)度CO2濃度等；3. 自動(dòng)控制測試：包括恒溫控制、自動(dòng)報(bào)警等。測試使用的儀器有：1. Tektronix TDS1012數(shù)字示波器；2. 勝利VC890數(shù)字萬用表；3. Agilent E4438C 3G信號(hào)源；4. 南京新聯(lián)EE1251數(shù)字化掃頻儀。5. OMEGA 多功能環(huán)境測量儀5.2 數(shù)據(jù)測試及結(jié)果分析5.2.1 RF模塊測試RF測試主要是測量RF模塊的相關(guān)參數(shù)，這些對(duì)我們這個(gè)都將

60、直接影響著RF模塊的性能，是本設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)保證。測試方法：使用上述測量一起，分別對(duì)RF模塊參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的測試和記錄。RF模塊參數(shù)測試結(jié)果如下表5.1所示。表5.1 RF模塊參數(shù)測試結(jié)果項(xiàng)目測試結(jié)果備注工作電壓1.8V3.6V，推薦使用3V。電壓過低將導(dǎo)致通訊錯(cuò)誤； 電壓超過3.6V會(huì)損壞模塊；工作溫度-2080正常工作工作濕度10%90%無冷凝工作頻段433頻段可編程配置發(fā)射功率2dBm可編程配置功耗發(fā)射狀態(tài)40mA433MHZ頻段，2dBm輸出接受狀態(tài)23mA433MHz頻率,2400bps波特率睡眠狀態(tài)2uA睡眠狀態(tài)接收靈敏度-98dBm433MHZ ，GFSK，0.1誤包率， 14.3 kHz偏差， 58 kHz數(shù)字信道濾波器帶寬調(diào)制方式2-FSK、GFSK、MSK、ASK/OOK用戶可編程通信速率1.2/2.4500Kbps用戶可編程接口電平0VCC與MCU IO接口應(yīng)電平匹配可靠傳輸距離300m測試條件：433M頻段；2400bps；空曠地離地兩米；金屬小彈簧天線外形尺寸2717 mm不含天線由測試數(shù)據(jù)可以看出，整個(gè)無線模塊性能穩(wěn)定，各項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)到設(shè)計(jì)要求，完全能夠滿足系統(tǒng)需求，如需增加傳輸距離可外加PA+LNA芯片進(jìn)行升級(jí)。5.2.2 環(huán)境因子測試環(huán)境因子測試主要是測試本系統(tǒng)檢測環(huán)境因子的準(zhǔn)確度。測試方式為：將本套系統(tǒng)的檢測