挑战杯技术报告0330定稿Word格式文档下载.docx
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Zigbeetechnology;
Controlsystem
目录
第一章绪论1
1.1问题的提出1
1.2研究现状1
1.3研究目的和意义2
第二章系统硬件设计3
2.1系统概述3
2.2采集节点设计4
2.3协调器节点设计4
第三章系统软件设计5
3.1协调器节点设计5
3.2传感器节点软件设计7
3.2.1数据传输8
3.2.3数据采集9
3.3ZigBee自组网10
3.4一次喷水量的确定
11
第四章系统测试13
4.1系统测试步骤13
4.2系统测试结果13
4.2.1系统硬件测试13
4.2.2采集点测试14
4.2.3上位机测试15
4.3系统测试结果分析16
结论17
参考文献18
第一章绪论
1.1问题的提出
随着人们生活水平的提高，城市绿地以其提高城市品质，改善、美化城市环境等多方面的的功能，越来越受到政府的重视。
城市绿地被喻为城市的“绿肺”，对维护城市的生态平衡起着重大的作用。
2001年国务院发布的《关于加强城市绿地建设的通知》中规定“到2005年，全国城市规划建成绿地率达30%以上，绿化覆盖率达到35%以上，人均公共绿地达到8平米以上，城市中心人均公共绿地达到4平米以上；
到2010年，上述4项指标分别达到35%，40%，10平米和6平米。
国外资料表明，当一个城市的绿化覆盖率达到或超过30%-50%时，其生态环境才有望朝良性循环发展，因此我国主要城市在今后一段时期内，绿化覆盖率将大幅提高。
同时，为使已有绿地尽可能发挥其生态效益，其改造步伐势必加快，无论改造现有绿地还是新建绿地，水资源的供应是必不可少的。
我国水资源人均占有量仅为2200立方米不足世界人均占有量的四分之一，是世界上第13个贫水国，全国670个城市中，有50%的城市不同程度的缺水。
因此随着城市绿地面积的增加，城市绿地浇水势必使城市水资源日益短缺的现状雪上加霜，除此而外，现有的城市绿地灌溉系统还存在布线复杂、维护困难，可控性差，不能做到智能、精准的养护等问题。
因此，为了实现水资源的持续利用，保证城市的可持续发展，我们必须改变传统的、不经济、效率低下的不精准灌溉方式，转而釆用自动化、智能化的浇灌系统。
1.2研究现状
国外一些国家运用计算机技术、控制技术和电子通信技术，在节水灌溉方面已趋于成熟。
具有代表性的应用有ElgalAground是目前计算机控制领域最先进的控制系统，适用于较大面积的农田、草场、公园绿地、高尔夫球场等自动节水灌溉中。
澳大利亚的HardieIrigation公司的HR6100系列灌溉控制器，是一种小型化的自动灌溉控制器，主要面对家庭院落和商业绿化场地的浇灌；
而MicrooMaster系列产品为进行大面积灌溉而开发的控制器，该产品采用分布式布置，可与上位机进行双向通信，用微机对其进行编程操作和对子控制器进行控制，并能用微机随时查看监测区域灌溉系统的工作状态。
我国的智能灌溉系统起步较晚，但也用许多成功而有意的探索和应用，如用8031单片机为核心的自动灌溉控制器，其可以任意设定周期进行灌溉，也可据检测的土壤水分进行闭环控制，能控制多路灌溉系统进行多种方式的灌溉，该系统已应用于北京航空航天大学体育场。
北京奥特斯达科技有限公司研制的WT-O2型微喷灌定时自动控制器，是一种供农业、草坪、果园、温室场合给水的电子灌溉控制器。
还用针对节水灌溉而开发的系统，它在系统上下位机采用GSM短信或485总线通信方式，通过各类传感器（土壤水分、土壤温度、空气温湿度、风速等）实时采集环境参数，在上位机形成原始数据库，并通过专家专家知识系统决策灌溉量的多少，以达到节水目的，目前该系统已在北京海淀区苏家屯绿地精确灌溉示范区、北京南五环京开立交桥高速公路中央隔离带及北京大兴庞各庄温室中部署应用。
而ZigBee技术在城市绿地灌溉系统中也有一些论文。
总之，分析目前我国在城市绿地灌溉方面的探索研究和成功应用，总有一些不尽人意的地方，如采用无线电传播方式，在整个信息传递过程中，其功耗高、时延长等因素会限制城市绿地灌溉系统能否快速有效地获取环境信息，另外通信费用高将影响推广性。
同时，国内外一些成功的商用产品以其高昂的价格，使许多单位望而却步。
1.3研究目的和意义
随着城市绿地面积的增加，城市绿地浇水势必使城市水资源日益短缺的现状雪上加霜，除此而外，现有的城市绿地灌溉系统还存在布线复杂、维护困难，可控性差，不能做到智能、精准的养护等问题。
ZigBee技术的出现，从根本上改变了信息传递的方式，实现了随时随地的信息采集、处理和传输。
另外采用ZigBee技术，可以灵活方便地组网，能以更低的功耗实现多点、可靠地数据传输和分布式管理。
因此本设计采用Zigbee作为无线组网的关键技术，使得大面积城市绿地环境参数的获取在数据采集节点的控制下进行，该系统在实现精确、及时、低功耗和无线、自动控制的同时，也符合未来城市绿地发展的要求。
第二章系统硬件设计
2.1系统概述
基于ZigBee技术的无线测温系统由ZigBee无线通信模块、湿度传感器和上位PC监控计算机，电磁阀和喷头等构成，系统总框图如图1所示。
上位PC机主要负责测量数据的存储、分析。
ZigBee通信模块分为主机模块和从机模块，网络拓扑采用星型网络,即一个网络协调器和若干个从机终端模块。
与PC机相连的模块作为网络协调器，它的主要任务有两个：
①负责组织无线网络,即自动搜寻网络中的终端节点；
②从终端机节点取得PC主机需要的数据,实现终端节点与上位PC机之间的通信。
ZigBee终端模块与湿度传感器相连,一个终端节点模块可以根据需要连接多个测湿度的探头。
本文的设计目标是在滴灌控制系统中通过加入一个协调器和若干个终端节点，搭建一个ZigBee网络，从而将由田间传感器测得的信息采集后用于优化精确灌溉。
软件基
于ZigBee协议栈，达到测量植株滴灌依据参数的要求，解决当前一般滴灌系统精确度
低，人为失误，适应性不强等问题，实现滴灌管理的自动化、科学化。
图1系统结构总框图
2.2采集节点设计
无线传感器网络节点由数据采集模块（传感器、A／D转换器）、数据处理模块（微处理器、存储器）、数据传输模块（无线收发器）和电源模块（电池、DC／DC能量转换器）四部分组成，如图2所示。
数据采集单元负责监测植物生长环境参数采集和数据转换,本设计中数据采集单元主要是土壤温、湿度传感器、光照传感器；
数据处理单元负责控制整个节点的处理操作、路由协议、同步定位、功耗管理、任务管理等；
数据传输单元负责与其他节点进行无线通信，交换控制消息和收发采集数据；
数据传输单元主要由相应的通信协议（主要是MAC协议）及低功耗、短距离的无线通信模块CC2530组成；
电源部分主要给传感器模块、处理模块、无线通讯模块供电。
继电器控制电磁阀，电磁阀的吸合和打开依赖脉冲信号，平时不耗电，电磁阀的开闭，可控制灌溉。
图2无线传感器网络节点的结构框图
2.3协调器节点设计
协调器节点和PC机相连接，并和终端节点无线传输数据。
协调器是实现组星型网的关键。
协调器节点由电源模块、电压转换模块、按键模块、串口模块、LED指示灯、处理器CC2530模块、天线模块7部分组成。
CC2530的工作电压为3～3.3V，所以要用电压转换模块把电压从5V降低到3.3V左右；
用户通过按键来选择功能菜单，确定采集哪个监测区域的数据。
处理器处理采集的数据后，通过串口模块传给上位机，进行进一步处理。
协调器节点的应用电路如图3所示。
第三章系统软件设计
系统软件设计任务包括实现无线网络组网、环境参数的采集和上传、数据处理和存储、控制电磁阀开闭、上位机软件设计。
CC2530所用的开发环境是IAREmbeddedWork-bench7.20，采用TI的Z-STACK[5]协议栈。
协调器通过串口RS232和上位机PC相连，通过人机交互的方式可以对监测区域的传感器进行数据采集监测并绘制温湿度变化曲线，也可对整个监测区域的数据进行融合，便于对整个监测区域实现合理浇灌。
为此，必须知道每个传感器节点的网络地址，这就需要每个传感器设备在加入网络后把网络地址发送给协调器，协调器收到传感器网络地址后建立地址表存储起来，以便用户要求采集数据时依据地址表来采集每个传感器的数据。
环境参数采集和上传、数据处理和存储、电磁阀开闭控制等程序由C语言编写，经编译后没有错误就可以下载到CC2530芯片中。
上位机软件采用VB编写人机交互界面，可以实时采集、显示绿地温、湿度、阀门状态等参数，并根据显示值绘制变化曲线，也能向采集点下发参数，实现节点阀门的控制功能。
3.1协调器节点设计
当协调器收到信息时，根据数据的第1个标识字符来判断是传感器的网络地址还是传感器采集的数据。
若是传感器的网络地址，则把该网络地址存储在地址表里，然后把网络地址通过串口发给上位机，由上位机做进一步处理；
若是传感器采集的数据信息，则需通过标识符进一步判断；
如果用户是局部监测区域数据采集请求，则把该数据显示给用户，否则就是用户采集整个监测区域的融合后的数据。
这时，需要把该数据存到临时数组里，依据地址表采集下一个传感器的数据信息，待把整个监测区域的传感器数据采集完毕后，根据临时数组里的数据做融合，并把最终结果显示给用户。
当用户通过上位机监测系统发送局部监测区域数据请求时，该区域传感器的网络地址会通过串口发给协调器，协调器会根据该网络地址进行数据采集；
当用户发送整个监测区域加权平均的数据请求时，协调器会根据地址表中的网络地址，依次采集传感器的数据后做数据融合。
协调器节点软件设计的流程如图4所示。
图4协调器程序流程图
本设计采用的是星状网络拓扑，它包括一个数据中心（AccessPoint），数据中心主要负责网络管理。
数据中心为终端节点（EndDevices）提供数据存储、转发等，并管理网络内设备成员权限、连接权限以及安全等。
数据中心还可以支持终端设备的功能扩展，如在网络中它可以自动实例化终端设备的传感器。
一个网络地址由两个部分构成：
一个物理地址（由程序设置）和一个应用层地址即PORT。
物理地址是在程序编译的时候就已经设定，网络中每一个设备必需要分配网络中唯一的硬件物理地址。
物理地址的长度限制在四个无符号字节以内。
而且CC2530第一个地址字节不能是0x00或者0xff。
在这两个射频芯片工作时帧格式已经定了第一个字节0X00和0xff会被认为是广播帧。
应用程序接口地址（PORT）是在设备加入网络，网络连接的过程序中分配，是不受用户干涉的。
下面介绍协调器建立网络时用到的关键程序函数。
nwk_join.c：
程序块。
sLinkToken=0xDEADBEEF：
连接标志。
staticvoidsmpl_send_join_reply（mrfiPacket_t*frame）：
加入应答。
voidsaveAddress（mrfiPacket_t*frame）：
AP存放加入进来的终端设备地址。
uint8_tisJoined（mrfiPacket_t*frame）：
判断设备是不是重复加入网络。
smplStatus_tnwk_join（void）：
网络加入函数。
nwk_globals.c：
voidnwk_globalsInit（void）：
初始化该设备网络中的四字节地址，将存放于ROM中的地址调入RAM中方便以后调用。
addrtconst*nwk_getMyAddress（void）：
取出本机地址返回指向地址的指针。
voidnwk_setMyAddress（addr_t*addr）：
用户程序手动设置该设备在网络中的地址。
voidnwk_setAPAddress（addr_t*addr）：
设置加入到的网络的地加入过程中读回的AP的地址。
addr_tconst*nwk_getAPAddress（void）：
取回设备网络的地址，即设备所在AP的地址。
MRFI_SetRxAddrFilter（（uint8_t*）nwk_getMyAddress（））：
设置接收匹配地址。
MRFI_EnableRxAddrFilter（）：
打开接收地址匹配。
3.2传感器节点软件设计
传感器节点上电后，首先进行系统的初始化，然后选择信道并加入现有的ZigBee无线网络，休眠等待接收信号，当接收到网关节点发出的查询信号后，进行数据的采集并发送回协调器节点。
设备上电后将扫描信道，加入合适的网络，加入网络后将把16位网络地址发给协调器。
设备工作时将周期地轮询路由器，看是否有采集数据的命令信息。
若有，则采集数据并把数据发给协调器，否则继续侦听信道。
传感器节点软件设计的流程如图5所示。
图5传感器程序流程图
3.2.1数据传输
ZigBee技术的数据传输模式分为3种数据传输类型:
第1种是从设备向主协调器送数据；
第2种是主协调器发送数据，从设备接收数据；
第3种是在两个从设备之间传输数据。
对于星型拓扑结果的网络来说，由于该网络结构只允许在主协调器和从设备之间交换数据，因此，只有两种数据传输类型。
下面分别介绍数据发送和接收程序中用的主要函数：
应用程序通过调用aplSendMSG（）函数发送消息包。
此函数的定义如下:
aplSendMSG（）
BYTEdstMode, //目标地址的地址模式
LADDR_UNION*dstADDR,//目的地址的指针
BYTEdstEP,//目标端点（直接消息方式不用）
BYTEcluster,//簇号（仅用于直接消息）
BYTEscrEP,//消息源端点
BYTE*pload,//用户数据缓冲区指针
BYTEplen,//缓冲区字节数
BYTEtsn,//消息的事务队列数
BYTEreqack//如果非0则要求确认）
消息从源节点的源端点发送到目标节点的目标端点。
消息分直接消息（指定了目标地址）和非直接消息（仅定义了源节点、源端点和簇,没有指定目标地址）。
端点号从1到255由应用程序设置（端点0由栈保留使用）。
消息发送以,协议栈会向父节点路由此消息。
如果收到APS的ack确认,协议栈就会将消息发送给目标端点。
协议栈使用以下APL访问函数接收数据包。
aplGetRxDstEp（） 返回目的端点
aplGetRxCluster（） 返回簇号
aplGetRxSrcEp（） 返回源端点
aplGetRxSADDR（） 返回源端点的短地址
aplGetRxMsgLen（） 返回消息长度
aplGetRxMsgData（） 返回消息数据的指针
aplGetRxRSSI（） 返回收到消息的信号强度
而后用户回调函数usrRxPacketCallback（）将被调用。
这个函数将使用用户数据结构保存数据,设置已收到数据的标志位。
此函数结束后消息数据的指针将会被释放,所以在函数结束之前要将数据保存以防止下一个包将数据覆盖掉。
3.2.3数据采集
以湿度的采集为例进行介绍。
从节点使用片内湿度传感器检测土壤湿度首先要定义宏函数，配置ADC：
参考电压位内部1.25V基准，转换精度为12位，转换通道位内部湿度传感器。
#defineSAMPLE_TEMP_SENSOR（v）\
do{\
ADCCON2=0X3E;
\
ADCCON1=0X73;
while（!
ADCCON1&
0X80））;
v=ADCL;
v|=（（（unsignedint）ADCH）<
}while（0）
//湿度采集及换算函数
//返回值：
实际的湿度数值
floatgetTemp（void）
{unsignedintdacvalue;
floatoutputVolage;
SAMPLE_TEMP_SENSOR（adcValue）;
adcValue>
>
=4;
//取12位精度
outputvoltage=adcValue*0.61065;
//换算成电压值
return（（outputvoltage-779.75）/2.43//转换成实际湿度数值
}
3.3ZigBee自组网
ZigBee技术所采用的自组织网是怎么回事？
举一个简单的例子就可以说明这个问题，当一队伞兵空降后，每人持有一个ZigBee网络模块终端，降落到地面后，只要他们彼此间在网络模块的通信范围内，通过彼此自动寻找，很快就可以形成一个互联互通的ZigBee网络。
而且，由于人员的移动，彼此间的联络还会发生变化。
因而，模块还可以通过重新寻找通信对象，确定彼此间的联络，对原有网络进行刷新。
这就是自组织网。
ZigBee技术为什么要使用自组织网来通信？
网状网通信实际上就是多通道通信，在实际工业现场，由于各种原因，往往并不能保证每一个无线通道都能够始终畅通，就像城市的街道一样，可能因为车祸，道路维修等，使得某条道路的交通出现暂时中断，此时由于我们有多个通道，车辆（相当于我们的控制数据）仍然可以通过其他道路到达目的地。
而这一点对工业现场控制而言则非常重要。
ZigBee技术具有强大的组网能力,可以形成星形、簇状和MESH网状型。
根据需要,选用适用于点对多点、近距离通信场合的星形网络。
即使用一个全功能设备（FFD）担任网络协调器即主控节点,其余设备设置为精简功能设备（RFD）充当从机节点。
主从之间的通信协议及组网方式如下:
主控节点的MCU首先进行信道扫描,采用一个其他网络没有使用的空闲信道,同时创建一个从机的注册信息列表。
列表内容包括从机的ID号、连接状态、注销与否等信息。
主控节点上电后,先对注册信息列表进行检查,若发现有未使用的ID号,则发送搜索命令,如果接收到从机回应,则为其分配这个ID号,然后切换到工作信道,等待从机的应答包,若ID号匹配,则表示分配成功,主机将更新该ID的注册信息列表。
然后主机分别对注册信息列表中的每个有效ID发送数据请求,以获取温度信息。
若某ID在最大通信时间内未响应,主机将修改该ID的注册信息列表,直到认为已与该从机失去联系,则将该ID号注销。
从机节点上电后首先监听默认信道,如果收到主机发送的搜索命令,则回应主机,并附上自己的随机码。
在收到主机的注册命令后,先对比随机码,进行匹配时则切换到工作信道,并使用注册命令中分配的ID号发送应答包,以完成注册。
随后使用传感器探头采集土壤的数据,等待主机索取土壤数据的命令,发送完数据后进入休眠,一定时间后醒来再次采集数据,如此循环。
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