系統整體設計的論文

　　系統設計的方法主要包括結構化生命周期法(又稱瀑布法)、原型化方法(迭代法)、面向對象方法。按時間過程來分，開發方法分為生命周期法和原型法，實際上還有許多處于中間狀態的方法。

　　第一篇

　　1系統整體設計

　　從邏輯結構上可以將系統分成3個部分:農田環境參數采集系統，數據存儲管理系統，遠程監控系統。

　　農田環境參數采集系統是由大量的傳感器節點構成。

　　傳感器節點分為農田參數采集節點和網關節點兩種節點類型。

　　農田參數傳感器節點負責采集農田環境中的各種參數，所得參數通過WIA-PA無線網絡發送給網關節點。

　　網關節點作為整個農田環境采集系統的核心節點，接受農田參數采集節點發送過來的數據，并將數據整理打包通過Internet網絡發送至遠程的Web主機。

　　數據存儲管理系統由SQLServer2008數據庫服務器平臺和數據分析處理軟件組成。

　　該系統接收來自網關節點的各種數據信息，并存儲到數據庫中。

　　此外該數據庫中存儲了無線傳感器網絡的配置信息及人員操作記錄等。

　　遠程監控系統是負責監測整個系統運行情況的窗口，該系統是基于B/S架構的網絡系統。

　　操作人員可以在不同地點，以不同的方式(如LAN、Internet)對系統進行訪問，監測傳感器節點的工作情況，并且可以發送指令使傳感器節點完成相應的任務。

　　2系統硬件設計

　　農田參數采集系統中的農田參數采集節點和網關節點在結構上大體相似，主要由主控制器模塊、參數采集模塊、電源模塊構成。

　　2.1農田參數采集模塊電路設計主控制器模塊是農田參數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體(ST)公司的具有ARMCortex-M3核的STM32F107，負責連接各個參數傳感器。

　　農田環境參數主要由土壤水分、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間來確定土壤的介電常數進而計算出土壤水分含量。

　　TDR-3的電路連接圖如圖3所示，Vout引腳通過信號放大電路、采樣保持放大器AD783、A/D轉換芯片TLC549連接到STM32F107的IO口。

　　本設計采用MG811CO2傳感器采集CO2含量，該傳感器采用固體電解質電池原理測試CO2含量。

　　CO2傳感器電路連接圖如圖4所示，采集電路由3個部分構成:即溫度補償部分、放大部分以及電壓比較部分。

　　溫度補償部分電路主要采用溫感電阻構成，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實現比較輸出。

　　2.2射頻模塊電路設計射頻模塊電路主要負責將傳感器模塊所采集的參數信息通過WIA-PA無線網絡發送至數據存儲管理系統。

　　射頻模塊電路主要采用Chipcon公司推出的符合2.4GHzIEEE802.15.4標準的射頻芯片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電源模塊電路設計由于農田環境參數節點中的處理器需要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換芯片LP2590-3.3和LP2590-5。

　　3系統軟件設計

　　3.1節點部分軟件設計農田環境參數采集系統的軟件部分采用模塊化編程，如圖6所示，以協議棧、板級支持包、應用程序相結合的方式，程序模塊間采通過接口函數通信，軟件中的任務調度器對3個模塊進行調度。

　　在協議棧方面，WIA-PA無線傳感器網絡遵循ISO/OSI的七層結構，通過基于80215.4標準格式的超幀結果，以TDMA的介入方式實現各個時段各個層次間的通信。

　　在板級支持包方面，根據處理器STM32F107的內核及外設模塊進行硬件抽象，編寫統一的接口函數方便上層應用程序直接調用，從而使應用程序間接操作各個外設模塊。

　　應用程序將土壤含水率、溫濕度等參數采集、以及節點ID信息發送給網關節點。

　　網關節點負責網絡間協議轉換，實現WIA-PA無線網絡和Internet之間的數據轉換和處理。

　　網關節點軟件部分調用嵌入式Linux的socket接口編程函數建立網關和遠程主機之間的網絡連接，實現網關和遠程主機間的Internet通信。

　　3.2遠程監控系統設計與實現遠程監控系統采用基于J2EE的B/S構架，該應用構架集成了Struts應用框架技術和Hibernate應用框架技術，可以有效的.保證系統長時間在大負荷量的情況下工作，軟件框圖如圖7所示。

　　該系統架構分為4個模塊，分別是節點管理、用戶管理、數據管理、日志管理。

　　節點管理模塊:該模塊負責對農田環境參數采集節點的情況進行管理，諸如記錄節點ID，發射功率等情況。

　　用戶管理模塊:該模塊是系統安全性保障的一個重要模塊，負責對訪問系統的用戶進行合法性判斷，權限判斷。

　　使得用戶只能在其權限范圍內對系統進行操作和調用特定的數據資源。

　　數據管理模塊:該模塊主要是對節點所采集的農田環境參數信息進行處理和存儲，方便操作人員分析數據。

　　本部分具有對數據的參數、打印、備份與統計等操作。

　　日志管理模塊:該模塊會對整個系統中的事件進行記錄，有助于操作人員了解整個系統在無人值守的情況下的運行狀態。

　　4系統性能測試

　　整個系統在河南農業大學附近農田進行了測試，通過在農田內部署8個環境參數采集節點與網關節點，參數采樣間隔時間設置為30min，采樣數據經過WIA-PA網絡傳輸給網關節點，再經過網關節點傳送至遠程的Web主機。

　　每個節點每天發送數據包48個，通過查詢Web主機內的存儲信息來計算數據包的發送成功率。

　　節點發送成功率統計表如表1所示。

　　通過表1可以得知，節點發送數據的成功率隨著通信距離的增加而減小，并且在發送耗時方面隨著通信距離增加而增加。

　　5結論

　　本論文主要針對目前微灌技術的研究，將WIA-PA無線網絡和數據庫等技術應用于微水監控系統。

　　采用WIA-PA標準的無線傳感器網絡對農田環境參數進行采集，上傳到數據庫中，為系統管理人員提供參考，方便做出灌溉決策和措施。

　　本系統采用的WIA-PA無線數據傳輸方式可以有效的降低成本，系統可靠性高，節點布局方面，實時性好，將會有非常好的應用前景。

　　第二篇

　　1系統總體設計

　　基于Wi-Fi無線網絡的設計的溫室監控系統的總體框架是由溫室采集層、數據匯集層、監控中心層3層構成。

　　部署在溫室內大量的微型終端節點能夠獨立完成對溫度、濕度、CO2濃度、光照強度的測量，并且把收集到的數據，使用Wi-Fi無線通信形式發送到數據AP節點進行匯集，最后由AP節點傳回到監測中心，如圖1所示。

　　2Wi-Fi無線通信系統節點硬件設計

　　Wi-Fi又稱802.11b標準，IEEE802.11b無線網絡規范是對IEEE802.11的改進，其最高帶寬為11Mbps。

　　在信號較弱或有干擾的情況下，帶寬可調整為5.5，2，1Mbps[3-4]。

　　本系統中帶寬為11Mbps。

　　本系統需要完成基于Wi-Fi的無線傳感器網絡節點的設計與制作，包括終端節點和AP節點，并以無線傳輸的方式為上位機提供室內溫度、濕度、CO2濃度及光照傳感器參數值。

　　2.1電源模塊本系統的各個模塊工作電壓都為3.3V，因此供電采用2節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32位ARM7處理器，一個用于處理無線發送數據，一個用于軟件應用。

　　芯片內嵌的Flash和SRAM用于保存程序和數據;可用USB轉串口對模塊進行編程和調試;ADC，GPIO，I2C總線等接口用于接收來自傳感器采集到的數據信息[5]，工作電壓為3.3V;通過串口與單片機通信。

　　Wi-Fi模塊電路圖，如圖3所示。

　　2.3處理器模塊終端節點采用低功耗STC89LE52RC單片機。

　　該單片機IO口可模擬I2C接口和傳感器模塊進行通信，供電電壓為3.3V。

　　AP節點無需處理器。

　　2.4串口模塊Wi-Fi模塊和單片機通過串口通信，并通過USB轉串口進行程序配置，如圖4所示。

　　2.5傳感器模塊本設計中采用瑞士Sensirion公司生產的SHT11數字式溫濕度傳感器，工作電壓為3.3V;通過串行數據線SDA和串行時鐘線SCK與單片機的P1.2，P1.3相連進行通信，SDA需接一個10kΩ上拉電阻，實現SHT11的控制，以讀寫溫濕度的數據[6]。

　　光照強度傳感器采用ISL29010數字型光照強度傳感器，工作電壓為3.3V，工作電流為0.25mA，待機電流0.1μA，測量精度±50lux，連接單片機的P2.0及P2.1[7]。

　　CO2傳感器采用C20紅外CO2傳感器，精度可達10×10-6，功耗<100mW，工作電壓3.3V，連接單片機的P2.6及P2.7[8]。

　　傳感器與單片機連接電路原理圖，如圖5所示。

　　3Wi-Fi無線通信系統節點軟件設計

　　IEEE802.11標準定義了兩種基本操作模式:In-frastructure模式和Ad-hoc自組織網絡模式。

　　在本設計方案中，以Infrastructure組網模式為基礎，TCP/IP為通信協議，將多個終端節點采集到的數據通過AP節點傳輸到監測中心。

　　本系統中，首先使用gs_flashprogram軟件對GS1011模塊進行燒寫Wi-FiProtectedSetup(WPS)程序，該程序內嵌TCP/IP協議;然后，采用KeiluV4軟件對單片機進行軟件設計，軟件結構由AT指令、各傳感器的程序和API接口組成。

　　在系統中，終端節點定時向AP節點發送采集到的數據，AP節點主要負責把收到終端節點發送到的數據幀傳送給監控主機，最終為應用程序提供諸如溫濕度、光照、CO2等參數信息。

　　系統中所有的節點都工作在同一信道，同一時刻只能有一個終端節點和AP節點通訊，在定時器的'控制下，各個終端節點在不同的時間被喚醒后，開始工作，采集數據后分別向與其配置的AP節點發送5次數據。

　　發送數據后，定時器滿，傳感器休眠。

　　其他時間雙方都處于未連接狀態，不同的IP地址有效避免了數據的沖突，降低了系統功耗。

　　其軟件流程如圖6和圖7所示。

　　4管理系統的實現

　　上位機是整個系統的管理核心，主要由串口接收程序及上位機管理程序等功能模塊組成，采用Mi-crosoftVisualStudio2010里的MSCOMM控件設計串口接收程序，采用MicrosoftVisualStudio2010里的MFC應用程序框架設計上位機程序。

　　監控中心程序主要進行傳感器設置查詢、數據接收、數據存放及歷史數據查詢等，當監控人員在客戶端登入并查詢相關資料時，系統可以將數據庫中已處理過的數據調出，并以視圖的形式提供給用戶，以實現對溫室大棚的遠程監測。

　　監測人員根據數據可以調整溫室內的溫濕度等數據。

　　5系統測試

　　在某基地對本文設計的系統進行了測試。

　　在4個溫室中各自放置2個節點，其中終端節點8個，路由節點2個。

　　溫濕度傳感器、光照強度傳感器、CO2傳感器集成在終端節點上。

　　終端節點僅需2節普通5號電池就可以工作6～12個月。

　　節點固定在溫室大棚內離地面1.5m處，兩節點相互間隔50m。

　　終端節點每隔30min進行一次采樣，完成數據采集、發送之后，自動進入休眠狀態，直至下一個采樣周期喚醒。

　　表1所示為光照、溫度、濕度和CO2濃度監測結果。

　　系統部署示意如圖8所示。

　　6結束語

　　本文設計的溫室環境監測系統具有良好的應用前景，能夠正確地采集溫濕度、光照強度和CO2濃度數據，并可通過Wi-Fi協議進行網絡傳輸[6]。

　　但無線傳感器網絡的發展也面臨許多技術難題，如在本文設計的系統中，對于監控的數據無法對溫室進行實時調節，只能進入溫室調節。

　　為了改進系統，可以在監控中心增加智能調控系統，如在后臺以遠程調節溫室內的溫濕度等。

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