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系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)的論文
系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方法主要包括結(jié)構(gòu)化生命周期法(又稱瀑布法)、原型化方法(迭代法)、面向?qū)ο蠓椒�。按時(shí)間過程來分，開發(fā)方法分為生命周期法和原型法，實(shí)際上還有許多處于中間狀態(tài)的方法。
第一篇
1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)
從邏輯結(jié)構(gòu)上可以將系統(tǒng)分成3個(gè)部分:農(nóng)田環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理系統(tǒng)，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。
農(nóng)田環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng)是由大量的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。
傳感器節(jié)點(diǎn)分為農(nóng)田參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)兩種節(jié)點(diǎn)類型。
農(nóng)田參數(shù)傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集農(nóng)田環(huán)境中的各種參數(shù)，所得參數(shù)通過WIA-PA無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。
網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)作為整個(gè)農(nóng)田環(huán)境采集系統(tǒng)的核心節(jié)點(diǎn)，接受農(nóng)田參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)整理打包通過Internet網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至遠(yuǎn)程的Web主機(jī)。
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理系統(tǒng)由SQLServer2008數(shù)據(jù)庫服務(wù)器平臺(tái)和數(shù)據(jù)分析處理軟件組成。
該系統(tǒng)接收來自網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的各種數(shù)據(jù)信息，并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中。
此外該數(shù)據(jù)庫中存儲(chǔ)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的配置信息及人員操作記錄等。
遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是負(fù)責(zé)監(jiān)測整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行情況的窗口，該系統(tǒng)是基于B/S架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。
操作人員可以在不同地點(diǎn)，以不同的方式(如LAN、Internet)對系統(tǒng)進(jìn)行訪問，監(jiān)測傳感器節(jié)點(diǎn)的工作情況，并且可以發(fā)送指令使傳感器節(jié)點(diǎn)完成相應(yīng)的任務(wù)。
2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
農(nóng)田參數(shù)采集系統(tǒng)中的農(nóng)田參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)在結(jié)構(gòu)上大體相似，主要由主控制器模塊、參數(shù)采集模塊、電源模塊構(gòu)成。
2.1農(nóng)田參數(shù)采集模塊電路設(shè)計(jì)主控制器模塊是農(nóng)田參數(shù)采集模塊的核心器件，模塊電路所采用的處理器為意法半導(dǎo)體(ST)公司的具有ARMCortex-M3核的STM32F107，負(fù)責(zé)連接各個(gè)參數(shù)傳感器。
農(nóng)田環(huán)境參數(shù)主要由土壤水分、空氣溫度、濕度等，所采用傳感器分別為SHT10溫濕度傳感器、TDR-3土壤水分傳感器、BYT20YSCGJ光照度傳感器。
SHT10傳感器使用簡單，只需將SCK引腳、DATA引腳分別于STM32F107的IO口連接即可。
TDR-3測定土壤水分是通過測定電磁波沿插入土壤的探針傳播時(shí)間來確定土壤的介電常數(shù)進(jìn)而計(jì)算出土壤水分含量。
TDR-3的電路連接圖如圖3所示，Vout引腳通過信號(hào)放大電路、采樣保持放大器AD783、A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC549連接到STM32F107的IO口。
本設(shè)計(jì)采用MG811CO2傳感器采集CO2含量，該傳感器采用固體電解質(zhì)電池原理測試CO2含量。
CO2傳感器電路連接圖如圖4所示，采集電路由3個(gè)部分構(gòu)成:即溫度補(bǔ)償部分、放大部分以及電壓比較部分。
溫度補(bǔ)償部分電路主要采用溫感電阻構(gòu)成，放大部分電路主要采用芯片CA4140。
比較輸出部分采用比較器LM393實(shí)現(xiàn)比較輸出。
2.2射頻模塊電路設(shè)計(jì)射頻模塊電路主要負(fù)責(zé)將傳感器模塊所采集的參數(shù)信息通過WIA-PA無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至數(shù)據(jù)存儲(chǔ)管理系統(tǒng)。
射頻模塊電路主要采用Chipcon公司推出的符合2.4GHzIEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的射頻芯片CC2430。
CC2430與主控制器STM32F107連接簡單，電路如圖5所示，CC2430與STM32F107通過SPI接口連接。
2.3電源模塊電路設(shè)計(jì)由于農(nóng)田環(huán)境參數(shù)節(jié)點(diǎn)中的處理器需要3.3V電源，傳感器模塊需要12V和5V電源供電，所以在電源模塊供電方式上采用12V的鋰電池供電。
3.3V和5V電源主要采用電平轉(zhuǎn)換芯片LP2590-3.3和LP2590-5。
3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3.1節(jié)點(diǎn)部分軟件設(shè)計(jì)農(nóng)田環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng)的軟件部分采用模塊化編程，如圖6所示，以協(xié)議棧、板級支持包、應(yīng)用程序相結(jié)合的方式，程序模塊間采通過接口函數(shù)通信，軟件中的任務(wù)調(diào)度器對3個(gè)模塊進(jìn)行調(diào)度。
在協(xié)議棧方面，WIA-PA無線傳感器網(wǎng)絡(luò)遵循ISO/OSI的七層結(jié)構(gòu)，通過基于80215.4標(biāo)準(zhǔn)格式的超幀結(jié)果，以TDMA的介入方式實(shí)現(xiàn)各個(gè)時(shí)段各個(gè)層次間的通信。
在板級支持包方面，根據(jù)處理器STM32F107的內(nèi)核及外設(shè)模塊進(jìn)行硬件抽象，編寫統(tǒng)一的接口函數(shù)方便上層應(yīng)用程序直接調(diào)用，從而使應(yīng)用程序間接操作各個(gè)外設(shè)模塊。
應(yīng)用程序?qū)⑼寥篮省貪穸鹊葏?shù)采集、以及節(jié)點(diǎn)ID信息發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。
網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)間協(xié)議轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)WIA-PA無線網(wǎng)絡(luò)和Internet之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和處理。
網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)軟件部分調(diào)用嵌入式Linux的socket接口編程函數(shù)建立網(wǎng)關(guān)和遠(yuǎn)程主機(jī)之間的網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)和遠(yuǎn)程主機(jī)間的Internet通信。
3.2遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用基于J2EE的B/S構(gòu)架，該應(yīng)用構(gòu)架集成了Struts應(yīng)用框架技術(shù)和Hibernate應(yīng)用框架技術(shù)，可以有效的.保證系統(tǒng)長時(shí)間在大負(fù)荷量的情況下工作，軟件框圖如圖7所示。
該系統(tǒng)架構(gòu)分為4個(gè)模塊，分別是節(jié)點(diǎn)管理、用戶管理、數(shù)據(jù)管理、日志管理。
節(jié)點(diǎn)管理模塊:該模塊負(fù)責(zé)對農(nóng)田環(huán)境參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)的情況進(jìn)行管理，諸如記錄節(jié)點(diǎn)ID，發(fā)射功率等情況。
用戶管理模塊:該模塊是系統(tǒng)安全性保障的一個(gè)重要模塊，負(fù)責(zé)對訪問系統(tǒng)的用戶進(jìn)行合法性判斷，權(quán)限判斷。
使得用戶只能在其權(quán)限范圍內(nèi)對系統(tǒng)進(jìn)行操作和調(diào)用特定的數(shù)據(jù)資源。
數(shù)據(jù)管理模塊:該模塊主要是對節(jié)點(diǎn)所采集的農(nóng)田環(huán)境參數(shù)信息進(jìn)行處理和存儲(chǔ)，方便操作人員分析數(shù)據(jù)。
本部分具有對數(shù)據(jù)的參數(shù)、打印、備份與統(tǒng)計(jì)等操作。
日志管理模塊:該模塊會(huì)對整個(gè)系統(tǒng)中的事件進(jìn)行記錄，有助于操作人員了解整個(gè)系統(tǒng)在無人值守的情況下的運(yùn)行狀態(tài)。
4系統(tǒng)性能測試
整個(gè)系統(tǒng)在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)附近農(nóng)田進(jìn)行了測試，通過在農(nóng)田內(nèi)部署8個(gè)環(huán)境參數(shù)采集節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，參數(shù)采樣間隔時(shí)間設(shè)置為30min，采樣數(shù)據(jù)經(jīng)過WIA-PA網(wǎng)絡(luò)傳輸給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，再經(jīng)過網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)傳送至遠(yuǎn)程的Web主機(jī)。
每個(gè)節(jié)點(diǎn)每天發(fā)送數(shù)據(jù)包48個(gè)，通過查詢Web主機(jī)內(nèi)的存儲(chǔ)信息來計(jì)算數(shù)據(jù)包的發(fā)送成功率。
節(jié)點(diǎn)發(fā)送成功率統(tǒng)計(jì)表如表1所示。
通過表1可以得知，節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的成功率隨著通信距離的增加而減小，并且在發(fā)送耗時(shí)方面隨著通信距離增加而增加。
5結(jié)論
本論文主要針對目前微灌技術(shù)的研究，將WIA-PA無線網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)庫等技術(shù)應(yīng)用于微水監(jiān)控系統(tǒng)。
采用WIA-PA標(biāo)準(zhǔn)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對農(nóng)田環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集，上傳到數(shù)據(jù)庫中，為系統(tǒng)管理人員提供參考，方便做出灌溉決策和措施。
本系統(tǒng)采用的WIA-PA無線數(shù)據(jù)傳輸方式可以有效的降低成本，系統(tǒng)可靠性高，節(jié)點(diǎn)布局方面，實(shí)時(shí)性好，將會(huì)有非常好的應(yīng)用前景。
第二篇
1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
基于Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)的溫室監(jiān)控系統(tǒng)的總體框架是由溫室采集層、數(shù)據(jù)匯集層、監(jiān)控中心層3層構(gòu)成。
部署在溫室內(nèi)大量的微型終端節(jié)點(diǎn)能夠獨(dú)立完成對溫度、濕度、CO2濃度、光照強(qiáng)度的測量，并且把收集到的數(shù)據(jù)，使用Wi-Fi無線通信形式發(fā)送到數(shù)據(jù)AP節(jié)點(diǎn)進(jìn)行匯集，最后由AP節(jié)點(diǎn)傳回到監(jiān)測中心，如圖1所示。
2Wi-Fi無線通信系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)
Wi-Fi又稱802.11b標(biāo)準(zhǔn)，IEEE802.11b無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)范是對IEEE802.11的改進(jìn)，其最高帶寬為11Mbps。
在信號(hào)較弱或有干擾的情況下，帶寬可調(diào)整為5.5，2，1Mbps[3-4]。
本系統(tǒng)中帶寬為11Mbps。
本系統(tǒng)需要完成基于Wi-Fi的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)與制作，包括終端節(jié)點(diǎn)和AP節(jié)點(diǎn)，并以無線傳輸?shù)姆绞綖樯衔粰C(jī)提供室內(nèi)溫度、濕度、CO2濃度及光照傳感器參數(shù)值。
2.1電源模塊本系統(tǒng)的各個(gè)模塊工作電壓都為3.3V，因此供電采用2節(jié)AA電池，提供的工作電壓為3.3V。
電源電路如圖2所示。
2.2Wi-Fi無線通信模塊Wi-Fi無線通信模塊采用GainSpan公司的超低功耗模塊—GS1011MEP。
該模塊芯片中包括2個(gè)32位ARM7處理器，一個(gè)用于處理無線發(fā)送數(shù)據(jù)，一個(gè)用于軟件應(yīng)用。
芯片內(nèi)嵌的Flash和SRAM用于保存程序和數(shù)據(jù);可用USB轉(zhuǎn)串口對模塊進(jìn)行編程和調(diào)試;ADC，GPIO，I2C總線等接口用于接收來自傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息[5]，工作電壓為3.3V;通過串口與單片機(jī)通信。
Wi-Fi模塊電路圖，如圖3所示。
2.3處理器模塊終端節(jié)點(diǎn)采用低功耗STC89LE52RC單片機(jī)。
該單片機(jī)IO口可模擬I2C接口和傳感器模塊進(jìn)行通信，供電電壓為3.3V。
AP節(jié)點(diǎn)無需處理器。
2.4串口模塊Wi-Fi模塊和單片機(jī)通過串口通信，并通過USB轉(zhuǎn)串口進(jìn)行程序配置，如圖4所示。
2.5傳感器模塊本設(shè)計(jì)中采用瑞士Sensirion公司生產(chǎn)的SHT11數(shù)字式溫濕度傳感器，工作電壓為3.3V;通過串行數(shù)據(jù)線SDA和串行時(shí)鐘線SCK與單片機(jī)的P1.2，P1.3相連進(jìn)行通信，SDA需接一個(gè)10kΩ上拉電阻，實(shí)現(xiàn)SHT11的控制，以讀寫溫濕度的數(shù)據(jù)[6]。
光照強(qiáng)度傳感器采用ISL29010數(shù)字型光照強(qiáng)度傳感器，工作電壓為3.3V，工作電流為0.25mA，待機(jī)電流0.1μA，測量精度±50lux，連接單片機(jī)的P2.0及P2.1[7]。
CO2傳感器采用C20紅外CO2傳感器，精度可達(dá)10×10-6，功耗<100mW，工作電壓3.3V，連接單片機(jī)的P2.6及P2.7[8]。
傳感器與單片機(jī)連接電路原理圖，如圖5所示。
3Wi-Fi無線通信系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
IEEE802.11標(biāo)準(zhǔn)定義了兩種基本操作模式:In-frastructure模式和Ad-hoc自組織網(wǎng)絡(luò)模式。
在本設(shè)計(jì)方案中，以Infrastructure組網(wǎng)模式為基礎(chǔ)，TCP/IP為通信協(xié)議，將多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)通過AP節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)奖O(jiān)測中心。
本系統(tǒng)中，首先使用gs_flashprogram軟件對GS1011模塊進(jìn)行燒寫Wi-FiProtectedSetup(WPS)程序，該程序內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議;然后，采用KeiluV4軟件對單片機(jī)進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，軟件結(jié)構(gòu)由AT指令、各傳感器的程序和API接口組成。
在系統(tǒng)中，終端節(jié)點(diǎn)定時(shí)向AP節(jié)點(diǎn)發(fā)送采集到的數(shù)據(jù)，AP節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)把收到終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送到的數(shù)據(jù)幀傳送給監(jiān)控主機(jī)，最終為應(yīng)用程序提供諸如溫濕度、光照、CO2等參數(shù)信息。
系統(tǒng)中所有的節(jié)點(diǎn)都工作在同一信道，同一時(shí)刻只能有一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)和AP節(jié)點(diǎn)通訊，在定時(shí)器的'控制下，各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)在不同的時(shí)間被喚醒后，開始工作，采集數(shù)據(jù)后分別向與其配置的AP節(jié)點(diǎn)發(fā)送5次數(shù)據(jù)。
發(fā)送數(shù)據(jù)后，定時(shí)器滿，傳感器休眠。
其他時(shí)間雙方都處于未連接狀態(tài)，不同的IP地址有效避免了數(shù)據(jù)的沖突，降低了系統(tǒng)功耗。
其軟件流程如圖6和圖7所示。
4管理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
上位機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的管理核心，主要由串口接收程序及上位機(jī)管理程序等功能模塊組成，采用Mi-crosoftVisualStudio2010里的MSCOMM控件設(shè)計(jì)串口接收程序，采用MicrosoftVisualStudio2010里的MFC應(yīng)用程序框架設(shè)計(jì)上位機(jī)程序。
監(jiān)控中心程序主要進(jìn)行傳感器設(shè)置查詢、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)存放及歷史數(shù)據(jù)查詢等，當(dāng)監(jiān)控人員在客戶端登入并查詢相關(guān)資料時(shí)，系統(tǒng)可以將數(shù)據(jù)庫中已處理過的數(shù)據(jù)調(diào)出，并以視圖的形式提供給用戶，以實(shí)現(xiàn)對溫室大棚的遠(yuǎn)程監(jiān)測。
監(jiān)測人員根據(jù)數(shù)據(jù)可以調(diào)整溫室內(nèi)的溫濕度等數(shù)據(jù)。
5系統(tǒng)測試
在某基地對本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行了測試。
在4個(gè)溫室中各自放置2個(gè)節(jié)點(diǎn)，其中終端節(jié)點(diǎn)8個(gè)，路由節(jié)點(diǎn)2個(gè)。
溫濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、CO2傳感器集成在終端節(jié)點(diǎn)上。
終端節(jié)點(diǎn)僅需2節(jié)普通5號(hào)電池就可以工作6～12個(gè)月。
節(jié)點(diǎn)固定在溫室大棚內(nèi)離地面1.5m處，兩節(jié)點(diǎn)相互間隔50m。
終端節(jié)點(diǎn)每隔30min進(jìn)行一次采樣，完成數(shù)據(jù)采集、發(fā)送之后，自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，直至下一個(gè)采樣周期喚醒。
表1所示為光照、溫度、濕度和CO2濃度監(jiān)測結(jié)果。
系統(tǒng)部署示意如圖8所示。
6結(jié)束語
本文設(shè)計(jì)的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)具有良好的應(yīng)用前景，能夠正確地采集溫濕度、光照強(qiáng)度和CO2濃度數(shù)據(jù)，并可通過Wi-Fi協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸[6]。
但無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展也面臨許多技術(shù)難題，如在本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，對于監(jiān)控的數(shù)據(jù)無法對溫室進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，只能進(jìn)入溫室調(diào)節(jié)。
為了改進(jìn)系統(tǒng)，可以在監(jiān)控中心增加智能調(diào)控系統(tǒng)，如在后臺(tái)以遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)溫室內(nèi)的溫濕度等。
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