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摘要
本文以单片机CC2531为核心，设计了一种低功耗、多功能的温室环境监控系统。针对传统温棚监控设备成本高、功耗大、扩展性差等问题，系统采用模块化设计方案，集成温湿度、光照强度及土壤湿度传感器，通过ZigBee无线通信技术实现数据实时传输。数据采集终端以CC2531单片机为主控芯片，结合低功耗传感器网络完成环境参数采集与预处理；嵌入式显示终端采用LCD液晶屏与按键交互设计，实现本地数据可视化及阈值报警功能。文中详细分析了CC2531的片上资源、ZigBee协议栈移植方法，并优化了电源管理策略以降低系统功耗。实验结果表明，该系统具备稳定的环境监测能力、灵活的扩展性及低功耗特性，可为现代农业温棚的智能化管理提供低成本解决方案。

关键词：CC2531单片机；温棚监控系统；ZigBee无线通信；嵌入式显示；低功耗设计；环境数据采集

Abstract
This article designs a low-power and multifunctional greenhouse environment monitoring system based on the microcontroller CC2531. In response to the problems of high cost, high power consumption, and poor scalability of traditional greenhouse monitoring equipment, the system adopts a modular design scheme, integrates temperature and humidity, light intensity, and soil moisture sensors, and achieves real-time data transmission through ZigBee wireless communication technology. The data acquisition terminal uses CC2531 microcontroller as the main control chip, combined with a low-power sensor network to complete environmental parameter acquisition and preprocessing; The embedded display terminal adopts an LCD screen and button interaction design to achieve local data visualization and threshold alarm function. The article provides a detailed analysis of the on-chip resources and ZigBee protocol stack porting method of CC2531, and optimizes the power management strategy to reduce system power consumption. The experimental results show that the system has stable environmental monitoring capabilities, flexible scalability, and low power consumption characteristics, which can provide a low-cost solution for the intelligent management of modern agricultural greenhouses.

Keywords: CC2531 microcontroller; Warm shed monitoring system; ZigBee wireless communication; Embedded display; Low power design; Environmental data collection

目录
1 绪论 3
1.1课题研究背景 3
1.2国内外研究动态 3
1.3 研究内容 4
2 系统方案设计 5
2.1 温棚环境数据采集终端设计 5
2.2 嵌入式显示终端设计 5
2.3主要芯片及方案简介 6
2.3.1温棚环境数据采集终端设计方案 6
2.3.2嵌入式显示终端设计方案简介及重要芯片选择 7
参考文献 9

1 绪论
1.1课题研究背景
传统的温室大棚测控操作都是在人工情况下进行的，耗费了大量的人力物力。现在，农业化水平在不断地提高[1]，对生产的环境要求也越来越高，传统的温室大棚虽然数量足够多，但是大部分都存在一定的局限性。而随着生产技术水平的不断提高，人们对生产效率(农业生产)的要求也不断地提高，对温室大棚的自动化程度以及对大棚的监测技术上的要求也不断地提高[2]。智能温室大棚环境监测系统通过传感器来获取实际生产环境的参数，并且通过将实际参数与目标参数进行对比，经过计算机系统进行温度调节(加热、冷却)湿度调节(加湿、去湿)、光照调节(补光、遮阴)、CO2溶度调节(通风、人工增施CO2)。
根据农业政策要求:基层财政应给予农村合作社、种植大户资金扶持，技术扶持。我们深入安溪等地温棚蔬菜种植大户进行考察，发现大部分温棚只是简单的塑料温棚，只有防风雨和保温的作用，不能及时了解温棚中作物的生长环境[3]，尤其是作物生长所需的温度湿度、光照情况等。于是根据实际需求情况和现有技术，我们提出温室大棚智能监测系统设计项目。系统主要功能是自动对大棚里的常用植物所需的动态指标(温度、湿度和光照强度)数据的进行实时采集，并集中显示，方便种植户对蔬菜生长环境实时掌控
1.2国内外研究动态
温室大棚监测技术在西方国家的发展要早于因内,最早的对人工温室的研究是在1949年美国完成的，通过工程技术实现了一些基础研究，包括植物的适应能力和抵御能力。随着工程技术的发展，人工气候室逐渐投入到实际的生产中[4]，在20实际60年代，奥地利建成了一所番茄生长高级温室;在接下来的十几年内，美国、英国等国家都先后开发了温室园艺技术，广泛地将该技术应用到实际的生产当中，如畜牧业、物种植业以及水产养殖业等。随着智能技术的不断发展[5]，温室大棚技术在世界各地都有了很好的应用和发展，尤其是微型计算机的出现，对温室大棚技术的改进产生了举足轻重的作用”。20世纪80年代，以微机为核心技术的温室综合环境控制系统在西方发达国家得到了较好的应用，也标志着温室监测技术进入了一个智能化阶段[6]。
国外一些发达因家在温室监测方面的技术和设施水平目前都已经达到了比较完善的程度，并且在很多设施方面都形成了一定的标准。温室中的各种环境因素都是通过计算机进行控制的，且传感器的配置也较为齐全[7]。例如对于一个温室内的温度、光照、湿度以及二氧化碳浓度、营养度等的检测，通过温室中的传感器基本上能够自动地对这些因素进行控制，温室中包含天窗通风系统，可对温室内的温度和湿度进行调节，降温系统通过湿帘和风扇来对温室进行降温，而升温系统则通过热水炉和热风机来进行调节:另外，还有溉系统和二氧化碳施肥系统等的设计，都为温室大棚的实际应用提供了更好的支撑。通过微机来实现对温室大棚的控制[8]，不是通过简单的静态数字来实现的，而是通过对大棚中物生长所需的环境因子建立模型以及采用多种人工智能方法进行控制，目前一些国家在自动化的基础上正不断地向自动化的方向发展
国内的现代温室技术起源于20世纪70年代，在政府的大力推广下，塑料大棚和节能日光温室为我国主要的农业设施[9]，对蔬菜的种植起到了较好的作用，有效地解决了果蔬季节性短缺的问题。后来我因不断地引进西方发达因家的现有技术，包括温室加温、降温、灌溉以及施肥技术等[10]，为我国的温室监测系统的发展奠定了基础。引进的先进技术在很大程度上提高了温室的生产效率和资源利用率，有效地改善了传统的温室技术。目前温室仍然存在着一些不足之处，例如:
1、国外先进技术在价格上较为昂贵，超出了农业生产的接受范围:
2、国内外生产条件存在较大的差异，因此国外的技术并不能够很好地适应我国的气候特点，监测软件所采集的环境参数并不能有效地解决实际生产问题:
3、目前的温室控制技术较为机械化，且软件实现模式较为固定，不具备较好的扩展性 。
国内也有相关产品[11]，在实验环境中具备一定的成效，实际的生产使用推广价值有一定局限。例如吉林工业大学研究的温室环境自动检测实验系统，能够自动检测温室中的温度，但该智能型温室环境控制器功能也有限[12]，仅仅实现了温室内的喷水自动控制，对于多种环境因子并没有采集到:江苏工学院研究的环境检测系统可用于无土栽培环境，实际的使用意义并不太大。这些产品主要都是用于实验研究环境，并不能够广泛地应用到我国的农村土地生产中，且这些系统的工程造价也因较为昂贵而无法进入商业化。因此，我国大部分农村地区仍然采用较为传统的方式来进行温室控制[13]，例如通过温湿度计来检测温室内的温度和湿度，通过人工操作的方式来改善温室内的温度和湿度等”综上所述，我国的温室监测水平与国外相比，仍然存在较大的差距，缺少对环境的体研究和技术实现。实际上，温室内的几个环境因素存在着相互影响的关系，例如二氧化碳浓度与光照度的关系[14]，温度与湿度的关系等，都是相互制约且相互影响的。环境要素的变化对植物生长的影响是很复杂的，因此，我国应该要尽快研究出适合我因农业生产发展的仪器仪表[15]，建立控制设施设备，并能够广泛地用于实际的农业生产和产能中，提高我国农作物的生产量和植株质量等。
1.3 研究内容
本设计对大棚育秧培养的境进行检测，主要检测温度，湿度，二氧化碳浓度，培养液液位，光照等参数，通过按键设置闯值，进行自动调节，通过加热或降温来保证温度，通过加湿除湿来保证湿度，通过排风来降低二氧化碳浓度，通过液位传感器保证培养液的分量，当液位降低，启动水泵加培养液，通过检测光强进行夜晚补光等功能，还可以显示到屏幕上。

2 系统方案设计
2.1 温棚环境数据采集终端设计
数据采集终端所要完成的任务是对温室大棚的数据采集、数据显示和数据传输[16]。先使用各类传感器将温室大棚中的温度、湿度、光照度这些模拟量转换为单片机可以处理的数字量。然后通过单片机控制，将各个数据显示在数码管上，方便使用者当场查询。同时还要将数据远程传输出去，本文所设计的系统框架如图2-3所示。

图2-3远程温棚数据采集终端系统框图
2.2 嵌入式显示终端设计
嵌入式显示终端所要完成的任务是一个完整的嵌入式系统，根据实际研究需求，系统设计可分为两类技术，技术一为RS485有线数据传输，技术二为NRF905无线数据传输。RS485接口和NRF905接口用于系统的输入[17]，触摸屏及LCD接口用于系统的输出。在显示终端上，采用液晶触摸屏，并基于该设备的轻便直观、方便灵活的特点，作为本系统的人机交流工具”。在本系统它们将是重要组成部分。
从低功耗出发，本系统所有器件均选用低功耗器件,同时设计电路时也利用该性能为先的原则，进行合理的电路设计，努力提高电路芯片之间的转换效率，进而降低功耗。因此，本系统要利用有限的硬件资源，在缺少MU的低端CPU上设计并开发出性能接近高端的硬件性能，实现低设备高性能的温棚环境显示终端系统"

2.3主要芯片及方案简介
2.3.1温棚环境数据采集终端设计方案
（1）主控芯片选择
本次设计的温棚环境数据采集，需要使用到A/D转换来将采集到的环境模拟数据数字化。采用单片机cc2531，只需要制作一个简单的RS-232串口电路，就可以实现在系统编程，节省成本的同时也大大缩短了开发周期。同时单片机cc2531的一部分单片机内部自带A/D转换器，如果有用到A/D时，可以省去外围复杂的A/D电路，节省单片机接口、减小作品体积的同时也大大缩短了开发周期。
本设计将主控芯片定为自带A/D转换器的单片机cc2531。
（2）温度和湿度的采集方案
目前国内在温室的温度监测技术上较为成熟和完善，而对湿度的监测仍然处于较为落后的水平。对湿度的监测一般是通过湿度传感器进行的，这部分湿度传感器将检测结果以数字作为输出，而湿度传感器大多具备温度测量的功能。因为本设计湿度和温度需要采集，就选择一体化数字温湿度传感器DHT90。DHT90是一种插针型的传感器属于数字温湿度传感器系列。传感器包括一个电容性聚合体测湿敏感元件、一个能隙材料制成的测温元件，并在同一芯片上，与14位的A/D转换器以及串行接口电路实现无缝连接
其具体技术参数如下:
1)测湿范围:0~100%RH;
2)测温范围:-40~123.8℃;
3)响应时间:湿度:<8s，温度:<30s;
4)分辨率:湿度:0.03%RH，温度:0.01℃:
5)重复性:湿度:0.1%RH，温度:0.1℃;
6)迟滞:±1%RH;
7)长期稳定性:<0.5%RH/年;
8)安装方式:插针。
（3）光照度采集方案
因为本次设计没有对测得的光照值做严格的要求，只需要让查询者能够了解到温棚中的光照情况就够了。测得的光照值只要有数值显示，且显示数值能够随着温棚光照情况的改变而改变，不用校准为以国际单位Lux来显示的数值。因此，光照度采集上使用光敏电阻，通过A/D转换来采集光照数据，既节省成本也可以缩短开发时间2
（4）A/D转换方案
单片机cc2531的A/D转换口在P1口(P1.0-P1.7)，作为AD转换的口只要将相应位置中的特殊功能寄存器进行模拟设置，同时利用具备的8路10位高速转换器可以让转换速度可以达到25万次每秒。电压输入A/D能够实现电压检测、温度监测、按键扫描以及频谱监测等;而I/0口可以是上电复位后的P1口，也可以将无用的 A/D口当做 I/0且8路高速转换器也可以通过程序设定为A/D口。，因此，在A/D转换方案上，使用单片机自带的A/D转换器，使用一个I/0口作为A/D转换口使用，然后编写内部程序即可实现。
（5）数据显示方案
因本次设计中需要的仅仅是数字，考虑到通过数码管动态显示的方法，使用到的I/0口和LCD1602液晶显示屏的差不多，编程却要方便许多，可以节省很多单片机内部存储容量;更何况数码管显示出来要比LCD1602清晰得多了，查询起来直观明了。同时，数码管使用动态扫描的驱动方法，就可以利用单片机显示需要的数值"。综合考虑，数据显示方案中使用数码管来动态显示数据。
（6）远程传输方案
本设计的远程传输方式为通过 UART串行传输。在接收过程中,UART利用通信的RS-232或者RS-485总线，从接收到的信息中筛选出数据位和奇偶校验位，首先通过奇偶校验位来验证消息帧的准确性。与此同时，UART会将数据位的数据转换为并行进行输出和通信。另外，UART也会额外地产生接收和发送的信号来指示收发状态。由于RS-232抗干扰能力差，且传输距离较短，而农业上，温室大棚本身的大小就有十几米一个，更别说几个大棚之间的通信了，为了解决通信距离不够远的问题，本设计采用RS-485作为远程传输的通讯方式。
（7）无线传输方案
无线传输中主要涉及到nRF24L01传输和NRF905传输技术。由于nRF24L01源要求低功耗3.3V，连与控制芯片通信的各个接口都要求不能超过3.6V，但是所采用的单片机 I/0口输出高电平为5V，为防止nRF24L01相连后由于电压过高容易烧坏模块，本文就设计制作一个电平转换电路。电平转换电路不但要耗费更多资金，更因其电路设计麻烦，大大长了开发周期，所以本设计决定使用能够兼容与单片机I/0口通信的NRF905模块。
2.3.2嵌入式显示终端设计方案简介及重要芯片选择
（1）主要芯片及模块选型
芯片选型基于以下考虑:
1)出于后期的维护考虑，尽量考虑选择国内较好的芯片。
2)尽量选择国内比较成熟稳定的工业级的芯片，可以更好地确定系统的温度工作
范围。
（2）系统MCU 芯片
MCU是系统核心控制部件，是实现系统功能的关键，主要特性:
1)32位ARM7TDMI-S微控制器，LQFP64封装;
2)具有实现高频率工作的条件，例如128位的接口加速器，以及静态存储器和闪存等;
3)通过片内boot 装载程序可实现系统和应用编程，且实现时间非常短，flash扇区擦除仅需400毫秒，256字节编程仅需1毫秒:
4)能够进行实时调试和指令跟踪;
5)具有2kB的终端RAM，和8KB的片内RAM，可被USB全速设备控制器的DMA控制器访问;
6)具有两个ADC转换器，14个模拟输入通道的平均转换时间为2.44微秒;
7)DAC转换器可输出不同模拟信号值;
8)2个32位定时器/外部事件计数器:
9)具备特定的电源和频率来标识低功耗的时钟输入;
10)多个串行接口，包括2个UART、2个高速I2C总线(400 kbit/s)、SPI和具 SSP,其中SSP能够起到缓冲作用，且可控制数据长度的变化;
11)具有向量中断控制器，能够对向量的地址和优先级进行配置;
12)具有45个输入输出口，能够承受5伏的电压值:
13)多达9个边沿或电平触发的外部中断管脚:
14)实现最大为60MHz的CPU操作频率，通过100微秒内置时间的PPL来实现:(15)单电源，具有上电复位和掉电检测电路进行电话保护:
16)包含空闲模式和掉电模式这两种低能耗的状态:
17)可以通过部分器件的仅用和程序编程实现额外功耗的优化，主要通过外围时钟分频和禁止外围功能来实现;
(18)CPU操作电压范围为3.0V~3.6V
(19)片内集成振荡器与外部品体的操作频率范围为1~30MHz，与外部振荡器的操作频率范围高达50MHz;
20)掉电保护机制，通过外部中断、USB、掉电检测或实时时钟将处理器从掉电模式中唤醒并能够继续运行:
采用LPC2148处理器的另一个原因在于其在国内的使用已经很成熟，并且具备较为丰富的开发资料和参考解决方案，因此主控芯片采用LPC2148降低开发难度的同时也能够缩短开发周期。
综上所述，所以本系统采用该芯片为主控制芯片。
（3）液晶触摸屏模块
触摸屏作为一种最新的电脑输入设备，它是目前最简单、方便、自然的一种人机交互方式。触摸屏在使用过程中更为方便，且具有较好的灵敏度，反应速度快，能够有效地节省工作时间和空间。这些优点是得系统的设计师们更多地选择触摸屏来作为电脑输入设备触摸屏的主要类型。从技术角度来看，触摸屏可以被分为五种类型:1、电容技术型:2、红外线技术型;3、表面声波型;4、矢量压力传感技术型;5、电阻技术型。
本系统的液晶屏模块采用3.2寸TFT彩屏触摸模块,该触摸屏模块属于电阻技术触摸屏，模块的液晶控制器采用ILI9320控制器，触摸屏控制器采用ADS7843控制器，具有320*240的分辨率，支持16/8位并行接口模式，转接板上R7开路时选择16位模式,R7短路时选择8位模式，(8位模式时数据线接高8位,低8位悬空),模块可以180度任意旋转使用，可以直接用AVR，PIC，C51，ARM，STM32等单片机驱动。该模块具有功能强大，性价比高的特点。
（4）各模块主要功能介绍
1)ARM 中央处理器模块
中央处理器模块主要实现液晶触摸屏的驱动控制、MAX485芯片的控制和NRF905模块的控制。其中，MAX485芯片的控制采用UARTO口，NRF905模块的控制采用SPI接口。 2)液晶触摸屏模块
液晶触摸屏是目前操作简单、反应速度快、方便自然的一种人际交互方式，是目前最新的一种输入设备，可以实现显示功能和人机交互两大功能。显示功能:实时显示当前时间，各温棚环境的参数，包括温度、湿度和光照强度，同时将环境数据以曲线的形式显示方便观察各数据的变化情况。触摸功能:触摸屏可以代替键盘等输入设备，节省空间的同时也为使用者提供了简洁方便的设备操作方式。
3)RS485通信模块
RS485通信模块主要完成温棚环境数据的远程传输，将温棚环境数据以有线的传输方式送到ARM中央处理器模块，实现远程数据的传输。
4)NRF905传输模块
NRF905传输模块主要完成温棚环境数据的远程传输,将温棚环境数据以无线的传输方式送到ARM中央处理器模块，实现远程数据的传输:

3 硬件电路设计

3.1单片机工作系统
3.1.1单片机接口
单片机CC2531的封装、接口和51系列单片机一样，为40个引脚接口，如图3-1。

图3-1单片机接口
在制作实物时，可以将32个I/O口全部通过排针引出，之后若有其他应用也可以通过 排针接到单片机接口来使用I/O口，如图3-2所示。

图3-2单片机I/O口排针引出

3.1.2电源稳压电路

要将市电转换为稳压直流电源，如果使用分立式元件来搭建模块，不但成本高，制作出来的外形也不够美观，因此在本设计中，选择直接购买变压器来作为供电模块。虽然购买来的变压器可以直接给出稳定的电压，但是单片机需要的工作电源电压为5V，如果加载的是5V以上的电源，系统将无法正常工作。为了让系统在任意5V以上的电源下都能正常工作，需要设计一个简单的5V稳压电路。如图3-3所示，VIN为变压器的输入插座。在本设计中采用三端集成稳压芯片7805进行5V稳压，输入端以2200uf和104电容作为输入滤波，输出端以470uf和104电容作为输出滤波，从而在VCC提供稳定的直流5V电源。注意当输入VIN或输出电流负载较大时，要给7805加上散热片进行散热。

图3-3 7805稳压电路

3.1.3复位电路
本设计中系统的复位方式为人工手动复位，按下复位按键后，单片机复位。设计的人工复位方式为当RST复位引脚两个以上周期出现高电平时，则手工按下复位按键执行复位操作；若连续不断地出现高电平，则表明单片机在循环复位。复位电路如图3-4所示。当复位开关SRST闭合时，RST引脚电平被拉高使得单片机复位。如果由于开关抖动，SRST在闭合还没有达到两个机器周期时就被断开，这时候电容CRST和电阻RRESET将提供一个RC充电延时，单片机的复位端将维持高电平直到延时结束。复位后，单片机重置所有数据段，并从0000H开始执行程序段。

图3-4系统复位电路
3.1.4振荡时钟电路
本文所选的单片机的内部已经配置了一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器， 该放大器可以构成自激振荡器，为单片机提供频率稳定的11.0592MHz振荡信号。如图， 本设计中振荡电路使用的是11.0592MHz的无源晶振（因为波特率的计算不能使用12MHz 的晶振，只能使用11.0592MHz的晶振保证接收方可以识别），外接两个电容进行匹配，使 其能够起振。在允许范围内，这两个电容的取值越低越好，其值偏大虽有利于振荡器的 稳定，但是会增加起振时间，故本设计中选用30pf的电容。如图3-5所示。注意单片机的工作频率是有范围的，一般情况下都是选用12MHz的晶振，频率过高会 造成单片机无法稳定运行。

图3-5系统时钟电路
3.2温棚数据采集电路
3.2.1 DHT90控制电路
DHT90共包含电源脚，地脚。SCK以及DATA四个脚，除了电源和地脚之外，另外两个 脚接到I/O扣，即可实现对DHT90的数据读写。在本设计中将DATA接P2.0口，SCK接P2.1口，如图3-7所示。

图3-7 DHT90接口电路

3.2.2光敏电阻+A/D转换采集光照度电路
本文采用单片机自带的A/D转换器来实现模数转换，单片机中的P1口可以得到最后 的数字数据。实验通过万用电表来测试光敏电阻的阻值，实验发现，当光敏电阻接收到的光源大小 与节能灯的光照相近时，测得光敏电阻的阻值为2.1K；当光明电阻处于黑暗条件下是，测 得的阻值为166K。因此，通过计算，与光敏电阻串接一个阻值为1K的电阻最适宜，能够 有效的实现分压，从而测出光照度的值。A/D采集则接在光敏电阻与分压电阻之间，如图3-8所示。