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1、工程硕士学位论文 基于 Wi-Fi Direct的果园监控系统设计 Design of Monitoring system of Orchard based on Wi-Fi Direct 指导教师 _ 赵不贿 _ 作者姓名 _ 周炜彬 _ 申请学位级别 工程硕 士 学科 (专业 ) _ 控制工程 论文提 交日期 2016年 6月 论女答辩 日期 2016年 6月 8日 学 位 授 予 单 位 和 日 期 江 苏大学 2016年 6月 _ 答辩委员会主席_ 评阅人 二 0_六 年 六 月 分类号 TP29 密 级 公 开 UDC 621.3 编号 10299Z1307073 学位论文版权使用授
2、权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊（光 盘版）电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以 采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文 的内容相一致，允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所 将本论文编入中国学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学 术期刊（光盘版）电子杂志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文 数据库并向社会提供查询。论文的公布（包括刊登）授权江苏大学研究生 院办理。 本学位论文属于不保密 。 学位 论文作者签名： 2016年月日 指导教师签名： 2016年月日 独创性申明 本人郑重声明
3、：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除文中己注明引用的内容以外，本论文不包含任何 其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果，也不包含为获得江苏大学或 其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的 个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结 果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 2016年月日 江苏大学硕士学位论文 摘 要 利用物联网技术对果园内的环境因子、果树生长情况及周边环境状况进行实时检测， 并及时传送并处理相关数据和图像，控制田间农业设施自动工作并做到对果园无人看管是 果园智能监控技术的发展方向，对
4、提高果园的生产效率和经济效益具有重要意义。 论文深入研宄了国内外果园监控技术的现状和发展趋势，针对当前监控系统不能快速 地传输图像和深山野外通信不稳定的问题，提出了基于 Wi-Fi Direct的果园监控系统设计 方案，将Wi-Fi Direct、 433MHz通信、传感器技术与嵌入式系统结合，搭建出一套的果园 监控系统，实现了果园图像和环境因子的监控。 系统硬件设计分成两部分，以 STC12LE5A16S2单片机为核心，结合 433MHz通信模 块 SI4432、温湿度传感器和电磁阀组成了环境因子监控节点；以 ARM微控制器 STM32F103RET6为核心，结合 Wi-FiDirect模块
5、 MR09、 OV2640摄像头模块组成图像监 控节点。 系统软件设计包括将 pC/OS-m操作系统的移植、 TCP/IP协议栈移植到 ARM中，建 立起多线程开发平台，设计了摄像 头、 Wi-HDirect模块的驱动程序和图像传输通信程序； 在单片机系统中，设计了土壤温、湿度采集程序、 433MHz通信模块的驱动程序以及数据 传输和电磁阀控制程序，数据在节点路径传输过程中，采取后一节点数据连接在前一节点 数据之后，形成一个数据链的传输方式，提高了通信效率。用 C#语言开发了上位机监控界 面和与下位机之间的通信程序。 完成了对整个系统的硬件、软件调试，测试结果表明，本课题设计的果园监控系统运
6、行基本稳定，数据通信效率高，达到了预定的设计目标。进一步的工作是将数据和图像传 送至云平台，让果农使 用更加方便和经济。 关键词：果园监控，嵌入式系统， Wi-FiDirect， 433MHz通信， （ xC/OS-III， TCP/IP I 基于 Wi-Fi Direct的果园监控系统设计 Abstract A development direction to orchard intelligent monitoring technology is that using the IoT to detect the environmental elements, situation of th
7、e fruit tree and surrounding environment real-timely, delivering and processing related data and images timely, controlling agricultural facilities in farmland automatically, reaching the aim of unattended orchard. Also, it is meaningfully that the monitoring system can increase the production effic
8、iency and economic benefits of the orchard. This paper study the present situation and development trend of the orchard monitoring technology where in inland and abroad deeply, aiming at the presented monitoring systems problems that cannot transfer the images fleetly and the wireless communication
9、in field unsteadily, proposing a project of designing of monitoring system of orchard based on Wi-Fi Direct The project use the Wi-Fi Direct, 433MHz communication and embedded system to build a new orchard monitoring system, realizing the function that monitoring the images and environmental element
10、s. The design of the hardware of the system has two parts, one of it is the environment monitoring node, which consists of the single-chip microcomputer named STC12LE5A16S2, 433MHz communication module named SI4432, temperature and humidity sensor named SHT71 and DC solenoid valve. The other one is
11、the image monitoring node, which consists of the microcontroller named STM32F103RET6 which based on ARM, Wi-Fi Direct module named MR09, camera module named OV2640. The design of the software of the system include the |xC/OS-III operating system, TCP/IP communication protocol stack, driver program o
12、f the camera and Wi-Fi Direct module, communication program of the image monitoring node. They are all transplanted into the microcontroller based on ARM, building the multithreading developmental platform. In the environmental elements monitoring node system, the paper has designed the program of s
13、oil temperature and humidity acquisition, driver program of the 433MHz communication module, data transmission program and solenoid valve controlling program. In data transmission program, this paper use a new way to transfer data, which is a data chain transmission way, using the data of the letter
14、 node connect to the tail of the front one, improving the communication efficiency. Last but not least, the paper has completed the upper computer program which communicating between upper computer and lower computer. 江苏大学硕士学位论文 Finishing the test of all the hardware and software of the orchard moni
15、toring system, the result of the test shows that the orchard monitoring system which the paper has designed is stable when it is working, and the communication efficiency is higher than before. So the orchard monitoring system has reached the predetermined designed aim. The futher work is, transferr
16、ing the image and data to the cloud platform, to facilitate the farmers enjoying the convenient and economical from the orchard montoring system. Keywords： orchard monitoring； embedded system； Wi-Fi Direct； 433MHz communication； iC/OS-III； TCP/IP HI 基于 Wi-Fi Direct的果园监控系统设计 目录 m .I ABSTRACT . II m-M
17、 . i 1.1课题背景及意义 . 1 1.2国内外研宄现状与发展趋势 . 2 1.2.1智能果园的研宄现状与发展趋势 . 2 1.2.2 Wi-Fi Direct技术的研宄现状与发展趋势 . 5 1.2.3 433MHz通信技术的研宄现状与发展趋势 . 8 1.3论文研宄内容与创新点 . 9 1.4论文章节安排 . 9 1.5本章小结 . 10 第二章 Wi-Fi Direct技术与系统整体方案设计 . 11 2.1 Wi-Fi Direct技术 . 11 2.2 Wi-Fi Direct通信协议 . 11 2.2.1 P2P网络拓扑结构 . 12 2.2.2设备发现 . 12 2.2.3设
18、备组网 . 13 2.2.4网络通信与管理 . 15 2.3系统整体方案的设计 . 15 2.3.1需求分析 . 15 2.3.2功能与技术指标 . 16 2.3.3系统整体方案 . 17 2.3.4系统关键问题的研宄 . 20 2.4本章小结 . 22 第三章系统硬件设计 . 23 IV _ 江苏大学硕上学位论文 _ 3.1系统硬件框架 . 23 3.2硬件电路设计 . 24 3.2.1 Wi-Fi Direct 模块 . 24 3.2.2 433MHz 模块 . 27 3.2.3摄像头模块 . 29 3.2.4串口电路的设计 . 31 3.2.5传感器模块 . 32 3.2.6控制电路的设
19、计 . 33 3.2.7电源电路的设计 . 34 3.2.8系统 PCB板的设计 . 36 3.3本章小结 . 37 第四章系统软件设计 . 38 4.1系统软件架构 . 38 4.2|iC的编程 . 39 4.2.1 (iC 的移植 . 40 4.2.2 (iC的文件修改 . 42 4.2.3多线程运行 . 44 4.3 LWIP协议栈的编程 . 45 4.3.1 LwIP协议栈的初始化 . 47 4.3.2 LwIP协议栈的应用 . 48 4.4驱动程序 . 49 4.4.1 MR09驱动程序 . 49 4.4.2 SI4432 驱动程序 . 52 4.4.3 OV2640 驱动程序 .
20、53 4.4.4 SHT71 驱动程序 . 53 4.4.5 GY-302 驱动程序 . 56 4.5图像监控节点通信程序 . 57 4.6环境因子监控节点程序 . 60 4.7控制程序的设计 . 62 4.8上位机软件的设计 . 63 V _ 基于 Wi-Fi Direct的果园监控系统设计 _ 4.8.1上位机界面的设计 . 63 4.8.2上位机软件的设计 . 64 4.9本章小结 . 68 第五章系统测试 . 69 5.1测试方案 . 69 5.2系统 的硬件测试 . 69 5.3系统的软件测试 . 72 5.3.1图像监控节点测试 . 72 5.3.2环境因子监控节点和控制程序测试
21、. 75 5.3.3系统通信软件测试 . 76 5.4本章小结 . 79 第六章总结与展望 . 80 6.1总结 . 80 6.2 廳 . 80 参考文献 . 81 VI 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1.1课题背景及意义 自美国微软公司第一次提出物联网 （ Internet of Things， Tol)的概念以来，物与物之 间的信息交互成为可能。随着时间的推移以及技术的发展，国际互联网和无线通信网络的 不断完善为物联网的迅猛兴起奠定了基础 1。如今，物联网遍及全球，它的巨大优势正在 世界各国中逐渐体现。 国内外十分重视物联网的发展和应用，物联网使得世界各国的经济水平有了显著的提 高。社
22、会各个领域，包括农业开始应用物联网来提高生产效率和效益。果园是农业的重要 组成部分，也是社会日常生活中不可缺少的一部分。 2015年，全国水果产量为 2.5亿吨， 居民的水果及其加工制品消费总量达到 1.46亿吨，预计在 2020年，全国居民的水果及其 加工制品消费总量能够达到1.59亿吨 2。如何使得果园的生产效率和效益进一步提高，己 成为国内外相关专家学者们的研宄重点。物联网的出现给果园的现代化发展增添了活力， 利用物联网可以使果园的生产效率和效益进一步提高，具体表现为： 节约水资源。使用物联网的果园做到了精准、定时、定量灌溉，相比于传统的灌 溉方式，物联网能够为果园每年节省约 40%的用
23、水量 3。 提高果园的水果产量。基于物联网的智能检测系统能够代替人工测量果树的生长 环境和评估果树的生长状态，并将相关数据上传至专家系统进行分析。相比于传 统 的人工检测，能够提高 20% 30%的水果产量 3。 节约成本。物联网使果园的日常维护和果树的诊断变得简单，减少了人工投入并 节约了人工成本。 因此，在果园中应用物联网技术不仅可以提高水果产量，还可以拓宽新兴物联网技术 的应用面，具有现实意义。 如今，物联网技术高度发达，人们足不出户即可对重要的生产设施进行远程监控，然 而对于一个监控系统来说其最重要的部分就是无线通信。目前应用在果园中的无线通信技 术有 SgBee、RF以及 Wi-Fi
24、。 ZigBee和 RF可以组建 WSN (无线传感器网络），无线发送 传感器采 集的原始数据和接收控制信号； Wi-Fi可以通过路由器接入公网，将数据发送至 公网，接收公网发来的控制信号。其中 ZigBee应用最为广泛，该网络具有独立的通信协议 栈且低功耗，不仅可以应用于农业，还可以应用于智能家居。然而 ZlgBee和一般的 RF通 1 基于 Wi-Fi Direct的果园监控系统设计 信一样，不能够快速地传输农业图像， Wi-H也只能连接路由器才能和外界通信且不能和 ZigBeeH1羊拥有 P2P的连接方式。因此，为了突破传统物联网的技术瓶颈， Wi-FiDirect 应运而生。 Wi-F
25、i Direct意为直连 Wi-Fi， 与传统 Wi-Fi不同的是， Wi-Fi Direct既有 Wi-Fi 的全部功能，也有和 ZigBee网络相似的连接方式，所以 Wi-FiDirect可以组建 WSN。 虽 然 Wi-Fi Direct与 ZigBee同处于一个通信频段，但其通信速率之快是 ZigBee无法达到的， 所以 Wi-Fi Direct又可以轻松地传输图像、视频。 为了充分发挥 Wi-Fi Direct在图像传输方面的优势，论文使用 Wi-Fi Direct和 433MHz 通信来实现果园的图像监控和土壤温湿度检测。综合应用物联网通信技术可以使得监控系 统变得更具有效率，具体
26、表现在： 数据的分开传输。使用 Wi-Fi Direct实现图像或视频的传输，结合 433MHz通信实 现控制信号或传感器测量数据的传输。数据分开传输的方式可以使得监控系统设 计简单、传输效率高。 相对于 2.4GHz通信， 433MHz通信的传输距离更远。同时 Wi-Fi Direct传输方式 多变、传输速率更快，并且能够传输一些 2.4GHz网络无法快速传输的图像、视频。 因此，论文从开发具有较高通信效率的果园监控系统出发，结合使用多种物联网通信 技术，应用新兴的 Wi-Fi Direct技术，以嵌入式为基础，设计基于 Wi-Fi Direct的果园监控 系统，有助于提高果园的生产效率和效
27、益，具有实际意义。 1.2国内外研究现状与发展趋势 1.2.1智能果园的研究现状与发展趋势 基于物联网的智能果园，能够自动收集光、热、电、化学、声音、物理、位置以及力 学等信息，并结合互联网进行信息的交互、分析、计算与处理，各类信息经过处理后被转 化为控制信号，控制园间的设备进行作业。智能果园主要由远程监控系统、 WSN、 专家分 析系统组成，是集移动通信、物联网、互联网以及云计算为一体，能够实现智能预警、智 能感知等功能的现代化农业模式 4，它对果园的增收具有极为重要的贡献。 美国是最早发展智能果园的发达国家，该国 Intel公司利用 WSN在俄勒冈建立起了世 界第一座无线葡萄园，形成了集
28、“ 环境采集 一一 信息处理 一 信息发布 ” 为一体的智能果园 监控系统。目前，美国在农业物联网的普及率上遥遥领先于世界各国，该国成立了世界最 大的农业计算机系统，可供数亿万记的用 户同时共享网络中的信息资源。其它发达国家， 2 江苏大学硕士学位论文 例如荷兰、日本、法国等同样重视智能果园的发展，它们应用先进的物联网技术构建果园 环境监控系统，利用计算机、云服务器对传感器采集的果园环境参数进行处理，指导园间 设备自动进行灌溉、施肥和报警，以信息化的方式促进果园智能化发展 5,6。国外应用了 多种先进的物联网技术对果园进行监控，发展了各种基于不同技术的智能果园监控模式， 这些先进的物联网监控技
29、术有： (1) WSN技术 国外研宄人员在果园中使用 WSN技术，测量果树的生长环境温湿度、光照度、 C02 浓度等，这些数据通 SZigBee、 RF等网络无线发送至汇聚节点，汇聚节点通过 RS232或 者 RS485与上位机通信，将数据一并发送至上位机进行显示和处理，上位机将处理过后的 数据转换成控制信号，经串口和无线通信反馈给各个数据采集节点，控制与这些数据采集 节点连接的设备工作，实施精准灌溉和施肥，节约资源和成本 7。 1GHz以上频段的 WSN具有布置方便，传输速率快、使用简单的特点，但本身抗干扰 性较差、通信距离较短，因此并不适用于极端恶劣的通信环境，只能适用于农业、智能家 居等
30、领域。而 1GHz以下频段（例如 433MHz)的 WSN通信距离远，能够适应恶劣的通信 环境，因此既适用于农业和智能家居，也适用于工业。另外，现有的 WSN通信速率较低， 传输图像或视频比较吃力， Wi-Fi Direct传输速率快，能够传输图像、视频，应用在 WSN 中能够出色的完成图像、视频的传输任务。 (2) 移动通信技术 GPRS是移动通信技术的代表，该类网络支持 TCP/IP协议，能够将传感器节点测量和 发送的原始数据传送至公网，公网服务器和专家系统接收到这些信息后进行分析和处理， 得到结果后反馈信息至传感器节点、 Web以及用户手机上，实现远程监控。国外研究者将 这一技术应用于环
31、境保护 83。在果园种植的过程中，不可避免地会造成环境污染，这些环 境污染绝大部分会被忽视，因此积少成多最终影响果园产量。使用移动通信技术将传感器 测量的果园环境参数及时地反馈给专家系统，可以尽早地预警，自动控制排污和环保设施 有效运作，最大程度地应用相关设备和减少因污染而造成的损失，缓解污染现状。 移动通信技术不受距离限制，通信 简单、使用方便，能够应用于嵌入式设备，深得国 内外研宄者们的热捧。然而该通信极易受到外界干扰，性能相对不稳定且成本较高。 Wi-H Direct既能够组建 WSN， 又能够通过路由器连接公网，发送和接收数据且性能相对稳定， 可以在一定程度上替代移动通信。 (3) F
32、PGA 3 基于 Wi-Fi Direct的果园监控系统设计 不同于以往使用微控制器进行控制和通信的 WSN,国外研究人员使用 FPGA作为主 控单元组建WSN， 驱动传感器和 GPRS模块进行数据采集和通信 1()。使用 FPGA组建 WSN 突破了传统的设计思维，无疑是一种创新。 FGPA (Field-Programmable Gate Array)即现场可编程门阵列，它使用 VHDL 和 HDL 语言进行编程。不同于微控制器的是， FPGA核心频率高，能够处理复杂的高频信号，因 此 FPGA能够驱动更为精密的传感器和设备，并且对于图像处理， FPGA要比微控制器具 有绝对的优势。在果园
33、中利用 FPGA组建 WSN可以很好地利用这些优势和特点，实现更 为精密的监控。 (4) 云计算技术 云计算技术是一种基于互联网的计算方式，它可以存储和共享网络资源，所有在云网 络中的设备都可以参与和处理用户数据。如今，云计算技术应用广泛，工作效率高，经常 被国内外研宄者应用于果园，它可以将 WSN所采集和发送的原始数据以云计算的方式进 行处理，迅速得出方案并自动控制园间设备作业 11。 与以往的专家系统相比，采用云计算技术的专家系统由于使用了互联网大数据，因此 解决问题的方式更加全面，发现和处理问题的速度也更加迅速且具有效率。 国外借助先进的物联网技术提高了果园的生产效率和效益，达到了集 “
34、 种植 管理 ” 为一体的水平，极大地提高了资源的利用率，符合甚至超过了智能果园现有的发展要求。 然而反观国内，虽然在一些技术上实现了突破和创新，但总体的水平仍然大幅落后于国外。 不过国内智能果园的发展紧跟国外步伐，政府部门也积极发布和制定相应的政策支持国内 发展智能果园。目前，国内研宄者己经研究出多种物联网监控方案并成功地应用于果园中。 (1) WSN技术与移动通信网络技术 WSN技术与移动通信网络技术相结合的果园监控系统已成为现如今最为常见的应用 方案之一。其中文 12使用 3G网络和 ZlgBee远程监控苹果园内果树的生长环境。 ZlgBee 子节点负责使用传感器采集原始数据并发送至 S
35、gBee协调器，与 ZlgBee协调器连接的 3G 网络模块再将存储在汇聚节点中的原始数据发送至公网，远程监控苹果树的生长状态。 (2) Web技术 Web能够很好地将各种数据发布至网页上，所有人都可以通过网页实时监控。这种监 控方式不受距离限制，可使用以太网或者 Wi-Fi通过 HTTP和 TCP/IP发送数据。目前，国 内研宄者已有将Web应用于果园视频监控的方案，并可同时监控多点 13。监控节点的微控 制器嵌入 Lumx操作系统，控制摄像头拍摄视频并进行编码压缩， 最终通过以太网或者 4 江苏大学硕士学位论文 Wi-Fi发送至 Web页面上。用户可以控制 Web页面分别对每一个监控节点进行视频监控， 方便、快捷和实用。 (3) 人工神经网络和 WSN技术 人工神经网络模仿动物神经网络的行为和特征，具有强大的自学能力和自适应能