完整版基于ZigBee的农业灌溉流量监测计价系统设计毕业论文.docx
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完整版基于ZigBee的农业灌溉流量监测计价系统设计毕业论文
毕业论文
基于ZigBee的农业灌溉流量监测计价系统设计
摘要
系统以ZigBee无线技术为核心，基于若干个无线传感器节点和非接触式IC读写器组成无线网络灌溉计价系统，以CC2430芯片作为处理器,着重讲解了zigbee模块和水流量器等基本硬件组成及无线网络的通信方式，另外还有非接触式IC卡及对应的读写器的理论知识和用法。
中心节点和路由节点还有传感器节点，他们之间的通信是靠ZigBee无线网进行数据的传递的，具备信息发送和接收功能的传感器节点对流量数据进行采集，然后传送给路由器节点以及中心节点，中心节点汇总并分析处理此信息，最后中心节点处理器对IC读写器发出读写命令。
关键词：
ZigBee；流量监测；计价；IC卡；节点
Abstract
Astheveryimportantsectionofthissystem,ZigBeewirelessnetsystemforirrigationisbasedonsomewirelesssensornodesandnon-contactingICreader-writer,CC2430slugactaCPUpartofthissystem.WhatasthekeyentitiesareZigBeemodulebody,waterflowmeterandno-wirecorrespondencemethods,alsolearningtheknowledgeofnon-contactingICficheandread-writedeviceisimportant.Thecommunicationofcentralnode,routenodesandsensornodesisuponthisZigbeeno-wirenet.First,thesensornodesgathersdataandthensendthisinformationstonodesofrouterandthecentralnode.Laterthecentralnodegatherandanalysisthedata,andeventuallythecentralprocessorsendread-writeinstructiontotheread-writedevice.
Keywords:
ZigBee,FlowMonitoring,pricing,IC-card,nod
前言
虽然我国的水资源总量在全球所有国家中的排名是第六位，但平均仅有2500立方米，相对来说较少，而且有较多的水旱灾害，水资源南北分布不均。
在我国，有80%的水是用在农业中的，但是农业用水的利用率相对很多国家70%-80%的利用率来说是很低的，仅有45%左右。
因此，采用现代科学技术进行农业智能化灌溉建设是非常有必要的，本文即是研究农业智能化灌溉建设其中一重要环节，即农业灌溉流量监测计价系统。
采用这种系统有诸多优点，农业灌溉流量监测计价系统是由传感器技术，无线网络通信技术，非接触式IC卡技术，自动化技术综合在一起的灌溉计价系统，系统设计的目的是对用于农业灌溉的水进行刷卡计费，利用现代科学技术，减少劳动力的浪费，提高农业生产效率，而且方便快捷。
本设计的设计重点是ZigBee无线模块，利用这一无线网络，位于农田内的多个水流量计将采集到的灌溉用水流量信息传输到中心处理器，处理器通过分析处理发出对IC读写器进行读写操作的指令，这样便实现了农业灌溉流量监测计价。
ZigBee技术在很多领域已经广泛使用，特别是工农业领域。
作为短距离无线通信网络标准，ZigBee网络与已经存在的无线网络，例如WIFI，蓝牙等作对比，它有如下几个特点：
高稳定性，低功耗，短延迟，自组网自修复能力强，电池寿命长，移动灵活等诸多优点。
因此，在农业智能化建设中，Zigbee发挥的作用日益重要。
第1章无线传感器网络概述
1.1无线传感器网络的现状与前景
21世纪，随着科学技术的的不断发展前进，信息化社会已经形成，传感器技术——获取信息的首要和基本途径，也取得了飞速的发展。
而在采集信息的方法上，传感器采集数据信息由原来的单独采集一步步发展到集成型和网络型，通过结合无线通信和自动控制，这种集成化的网络传感器技术肯定将获得普遍的应用。
第一代传感器网络运用的是点对点的传送方式，把早先的传感器与控制器直接相接，这种传感器网络在上个世纪七十年代的时候产生。
随着时代的进步，通过与其他技术相结合的传感器，逐渐形成一个能够进行信息分析和信息运算的集成网络，这既是第二代传感器网络。
在上个世纪末，现场总线技术就在传感器网络当中整个运用了，通过不断的发展和与各种技术相互组合，特别是与无线技术的结合，大量多功能传感器共同构成了具有智能化的传感器网络结构，这中最新形成的技术便是新一代无线传感器网络[1]。
作为新一代网络技术，它拥有十分广阔社会运用前景，它快速发展将会给整个人类社会带来重大影响。
这种新技术在发展较好的国家一直受到特别的关注，在波士顿大学，教师和学生共同创建了一个组织——传感器网络协会，这一协会期待可以增进传感器联网技术的研究和应用。
作为未来的新兴技术，《技术评论》将这一技术评作第一，因此可知，未来无线传感器网络必将迅速应用并给全社会带来重大变化。
如今在农业的生产过程中无线传感器技术已经有很多使用，通常是把许多的传感器节点集合成一个网络监督环境，如此一来，可以将各传感器采集到的信息分析处理，从而辅助农人迅速发现农业操作中的各种难题，甚至自动处理这些难题，这样农业生产操作便可以逐步从以人力为核心的劳动方式转到以信息和软件为核心的自动方式，一步步形成智能化的农业系统。
这样的无线传感器网络技术在农业的生产和运用有中有很多，除了本文将要设计的灌溉计价系统，另有大棚的监控系统，田地的灌溉系统，动物的生理监测系统以及农田虫害监测系统等多种多样的系统。
除了农业上的广泛运用以外，无线传感器网络在其他各领域也都有广泛的运用，例如产品检测、智能家居和空间探索等，基于本文是研究农业灌溉计价系统，所以在其他领域的广泛应用便不再详细介绍。
在可预见的未来，将无线传感器网络应用的地方将越来越广泛，并将给人类社会带来显著的效益[2]。
1.2ZigBee无线网络技术
1.2.1ZigBee技术简介
在通信技术的迅速发展过程中，作为通信技术之一，无线通信短距离通信技术越来越成为研究的焦点。
随着多种多样网络终端的产品的产生，在农业和工业领域，为了便于生产发展，人们急需一中优秀的无线通信标准，并基于此标准进行互联，这种标准应具有近距离，低消耗，低费用，自动成网和自动修复的本领强这些优势。
为了满足这种需求，ZigBee技术出现了。
蜜蜂（Bee）在觉察到口食的时候会进行Zigzag形跳舞，以此方式告诉其他蜜蜂，蜜蜂们运用这种方式实现口食方向，位置等信息的交换，完成了“无线”信息的传递。
因此，人们便将这种近距离，低费用和低消耗的无信息传递技术形象的称谓Zigbee技术。
这种短距离，低速度，低功率无线通信网络技术已取得广泛和重要的应用。
例如，如果用户间的距离比较近，当数据通信需求小，并且需要实时传输，如果使用服务器，基站设备来进行这种通信，通信速度可以得到保证，但是会浪费设备利用率且增加通信的成本，显然这种方式是不恰当的。
除了这以外，有些地方是不方便更换电源的，这样低功耗的通信技术就有着显然的优点。
ZigBee技术是无线个域网当中一种低速度的通信技术，它有不少技术上的优点：
低成本，低复杂度，低功耗，等。
它的发展潜力也是十分巨大的，正变得越来越受到人们的重视。
ZigBee无线传感器网络是一种分布式系统，它具有无中心，灵活，重量轻，节点体积小等特征，具有相当大的运用范围，在此优点之上，这种无线传感器网络与ZigBee相结合后，其在技术方面的优点更加显现。
与现在各种各样的无线通信技术做对比，ZigBee成为了低费用，低消耗无线通信技术的首选。
因此ZigBee将在很多地方取得普遍运用。
作为Zigbee联盟建议的一个简洁好用的无线通信方法——低消耗，低费用，高质量，稳定的无线网络通信标准是ZigBee联盟的最终目标。
1.2.2ZigBee技术优点
ZigBee作为一种无线通信技术，具有以下多点优势：
（1）低功耗：
ZigBee设备节能很低因为ZigBee传输速度快，传输功率仅为1mW，而且还采取了睡眠模式，功耗成为低。
依据预算，ZigBee装置仅仅使用两节5号电池用的寿命就能够维持6个月甚至大概2年,这是别的无线设备瞠乎其后。
（2）低费用：
ZigBee模块最原先制造费用仅大约6美元，大概非常迅速就可以降为1.5—2.5美元,而且ZigBee订定合同的专利费是无偿方式。
成本低依然是ZigBee的一个重要的原因。
（3）短延时:
由静止情形到工作情形延时特别短，移动仪器信息通道开通延时是15ms,静止到工作情形延时是15ms。
（4）网络空间大：
一像星星形状布局的Zigbee网络体系至多能够囊括254个从仪器和一个主仪器，一个区域内能够一并拥有至少一百多个ZigBee网络体系,并且网络体系构成非常多变。
（5）可靠:
使用了避免相撞的方式，一并给需求不动带宽的通讯交易提前留了独用时间空晰,躲开了传递数据信息的矛盾和相互争夺。
MAC层选用了十分肯定的数据信息传递方式。
在传递过程当中一旦出现问题能够进行重新发送。
（6）安全：
ZigBee供应周期其他额外的检查（CRC）基于检测数据包的完整性，身份认证和授权，AES-128加密算法的使用。
除了这以外，ZigBee作为无线通信形式，能够在915MHz、868MHz和2.4GHz这3个频率区域上用,一次拥有无上20kbit/s，40kbit/s，250kbit/s的传递速度，它的传递间隔对各个网络节点间的间隔能够由标准的75m，能够继续增加到扩充后的几百米，甚至几公里，依据使用方式和发射功率的大小决定，l台ZigBee仪器能够连结至少254个类似的仪器。
此外，由于ZigBee具有低电特性的优势和一批高消费环节，感应式网络（传感器）的使用，有一个非常大的潜力，例如，保护检测，水电煤气计量数据记录，操作温度测量等，制造商不需要建立供电网络或更换电池。
1.2.3ZigBee发展前景
ZigBee技术也已经在局部智能传感器情景中发挥着其价值作用。
譬如在很多地铁建造中的位置确定体系即使用的是ZigBee，传统的RFID考勤体系由ZigBee代替完成了方向判别精确、定位路线精确、没有漏读和能够查询，提升了隧道安全施工的管理标准;基于ZigBee网络的定位功能，在一些高等档次的老年住宅区域中，我们可以在老年社区或疗养院内得到全区随时定位及求助作用。
每一个老年人都携一个可移动报警器在身上，在碰到危险情况的时候，能够快速及时的按下告急钮。
不仅仅能够使在户外活动时的老年人的救助情况及安全控制得到化解，而且，在使用的过程中方便简单，可靠性高。
由我国电信副总工程师讲解，在2015年时候大概海内物联网运用会在7500亿元，每年的增长率为30%以上。
智慧城市构建将成为运营商首先使用物联网的选择。
曾报道，在2013年投入的专项资金的投入预算与2012年相比有所增加，将要超过5亿元。
行业内的人们估计在未来的10年内物联网将会大规模的在国内普及开来，它的产业范围将会远远超过互联网行业。
1.2.4基于ZigBee芯片的无线传感器网络
在Zigbee基础上形成的这种无线形式传感器网络，它按照AdHoc形式来传递信息的，这样可以互助地接收和分析整合所监测到的数据信息，观测器和传感器之间的通信是无线的方法，建立了观测器和传感器之间的通信路径，网络基础的作用是共同收集，分析，处理信息。
多个传感器组成传感器网络，共同协作进行信息的加工是这一网络的主要特点，这个组成网络的传感器节点可以自动组网，且在网络发生故障或者是变化时可以进行网络的自我修复。
节点间以AdHoc方式进行通信。
这种网络能与以太网，GSM网络，还有CDMA网络等连接，利用这些网络完成远距离无线通信。
这种网络可以在需要通信的时候唤醒网络节点来完成数据通信，这种特点能够最大限度的降低能源的浪费[3]。
ZigBee用于通讯仪器的联网构造主流有三种，即，网状型网络，星型网络，另外还有混合型网络。
此中，星形网络是一种经常使用而且使用在于较长时间运转使用操纵的网络；Mesh网络是一种可靠性比较高的检测网络，它通过无线网络连接可以提供比较多个数据通信渠道方式，也就是说它是一个级别比较高的冗杂多余性的网络体系，如果仪器数据信息传递出现问题，那么有另一个方法能够提供数据传递，这一点类似Star／Mesh的混合型网络构造，具有上面介绍的两种网络体系构造的优势。
如图1.1即为网络拓扑构造。
图1.1网络拓扑结构
网状网络通常由几个部分相互连接在一起形成的，他们是对等的通信形式，每个节点是能够与无线通信范围内的其他节点通信。
作为一种稳定性比较高的网络结构，Mesh网络能够进行自我的修补，其中一节点的损坏不会影响整个网络的正常通信。
通过大量的FFD节点，网状网络可以无限延伸，网状网和星形网可以通过扩展的混合网络的形成。
在混合网通信过程中，终端节点通过传感器采集信息，采集的信息传输到自身所属子网的中继节点，进而传输到中心节点不。
混合网适用覆盖范围比较大的网络。
该设计采用的是混合型。
如图1.2。
图1.2混合型网络结构
第2章系统总体架构
2.1系统硬件结构设计
2.1.1通信处理芯片CC2430
ZigBee无线通信处理单元使用的是CC2430单片机，这个单片机是Chipcon公司（现属于TI公司）制造的，是由一只精良小巧且效率高的8051处理器和一性价比大的2.4GHzDSSS的RF收发器构成，利用它开发的无线通讯设备能够完成多个点对多个点的迅速成网。
CC2430选择使用的拼装度量是7×7mm48-pin，使的要求标准是0.181μm的CMOS，且内部含有闪存结构。
如此以来在一个硅晶片上，将体系的储存仪器，射频，模拟的电路，及基带处理仪器这些元件一起装。
如图2.1
图2.1CC2430芯片的里面布局框图
对于协议栈来说，还有网络应用软件运转对处理器处理本领的一些规定，CC2430囊括有一个极小的控制仪器，是加强类型的工业化要求的8051，32MHz是其运转时钟。
因为更加快速执行速度和除去多余总体方法，它能够使运用要求8051命令信号集的CC2430加强类型8051处理仪器，而拥有要求的8倍的8051处理仪器的本领。
CC2430包括一只8051CPU。
不动态的8kBRAM存储器，这里面的4kB是耗能极小的SRAM存储器。
128kB，64kB，32kB存储空间的Flash内部闪存都是能够进行写入程序的无易失性的存储单元。
CC2430整合用在体系的定时和时钟功用是有4个振荡器：
一只16MHzRC振荡器，一只32MHz晶体振荡器，一只备选的晶振，其频率为32.768kHz
CC2430同时整合了用户可以自定义应用的外接设备。
一只AES协处理仪器被整合成于CC2430内部，用于维护IEEE802.15.4MAC安全和可靠运转，可得到最少的对微控制器的占有。
共有18个中断源是由中断控制器来提供中断服务，这些中断源中的每一个中断源都被赋予了4个中断优先级其中的一个。
其中21个普通I/O接口的按需分配和稳定控制由I/O控制器来控制。
CC2430共有用于定时的器件四只：
一只MAC定时仪，是16位的，用来对IEEE802.15.4MAC层供给定时帮助及对IEEE802.15.4的CSMA-CA供给定时帮助。
一只普通16位和两只8位定时器，可支持通常的定时/计数功能。
为了网络和应用操作的带宽的更好处理，CC2430集合成了大量的对定时要求比较苛刻的一连串IEEE802.15.4MAC协定，用于减小微型控制器的责任。
CC2430接收仪器的布局是低-中频率的布局，收到无线信号经处理后变为2MHz中频率的信号。
经过放大、滤波和A/D转换器转换后的中频的信号转变为数字的信号。
设置过滤仪模拟合成路线可以发挥作用，在2.4GHzISM频段的区域不同的系统具有相对高的相容性[4]。
在样式处于发射样式情况时，按照IEEE802.15.4的标准来实现位与调制的映射目的。
按照数字的方法来实现调制。
通过基带信号的D/A转换器调制，然后通过单边带调制器的低通滤波器和直接转换为射频信号。
最后，高频信号放大，通过功率放大器实现设计水平。
输入和输出接口是独立的，他们有两种常见的引脚。
在芯片电路结构的天线是由一个平衡/非平衡和少量的电容和电感，平衡的天线，如折叠偶极子天线也能实现其功能。
频率合成器是整合在板子上的，能够除去外部振荡器和滤波器。
集成在晶片内的电容压控振荡器运行在本地的振荡频率范围内，而且还配有二分频的电路结构，目的是使振荡信号维持上，下变频整体混频器运行。
在CC2420芯片的基础上设计的CC2430芯片，集合成了ZigBee射频端、内部存储器和微小控制处理器是在一个处理芯片内。
它使用1个8位单片机（8051），128kb能够进行写程序的Flash加8KB的RAM，另外包括有A/D转换器、若干定时器、看门狗定时器、上电复位电路、断电自检电路、32kHz晶体振荡器，另外还有21只可编程的输入输出引脚。
P0、P1引脚是八位，P2引脚具有五位可使用。
软件在订制的SFR寄存仪器的字节和位状况下，这几个引脚可以当作通常的输入输出口或者当作接到ADC、定时计数器或USART模块的外部设备输入输出接口。
2.1.2硬件结构设计
一．网络节点硬件结构
基于CC2430的ZigBee技术的片内资源丰富，功能强大，无论是位于处理器位置的中心节点还是位于农田内的传感器节点，他们硬件的组成都很简单，方便。
如图2.2。
图2.2传感器节点的结构框图
二．中心节点硬件结构
中心节点由CC2430和IC读写器构成，CC2430数据处理和控制读写器对IC卡的读写。
如图2.3。
图2.3中心节点结构框图
三．外围模块硬件结构
外部的模块主要有电源构成，负责对整个体系的供电。
如图2.4是外部模块结构框架图。
图2.4外部模块结构框图
本章介绍了系统总体硬件结构设计，基于模块化的思想，系统硬件设计的各个模块关系，展示了各自的硬件原理图，并说明了各部分的作用及硬件模块工作原理。
着重对数据采集模块的硬件电路、中心节点电路和外围电源模块电路进行了设计[5]。
2.2方案和模块设计
2.2.1系统方案设计
首先在灌溉区域用CC2430架设出无线Mesh网，每一个CC2430连接一个流量传感器，以便传感器节点将采集到的流量信息通过Mesh传送到中心节点，从而实现以流量为基准的刷卡计费。
本系统是一个自动化的刷卡计费系统，采用刷卡计费的方式实现对农田灌溉方便快捷的管理，这个系统具备很好的实用性能和便捷性能，在农业智能化中拥有广泛的应用前景[6]。
系统功能：
数据采集：
通过ZigBee传感器体系得到田地灌溉用水流量信息。
数据通信：
把传感器节点测到的数据经过多跳传递经ZigBee传感器网络发送到中心节。
数据处理：
中心节点处理器收集传来的数据并进行分析处理。
刷卡计费：
非接触型IC卡读写器与中心节点处理器连接，根据用水流量对IC卡进行刷卡计费。
2.2.2系统模块设计
基于ZigBee的农业灌溉流量监测计价系统包含田地信息收集模块，数据通信模块，数据处理模块和刷卡计费模块等组成。
该系统通过置于田间的流量传感器实现农田信息的采集工作，信息传输模块将采集到的数据传输到中心节点，由中心节点处理器处理信息并控制读写器对IC刷卡计费，全过程为自动处理，用户只需刷IC卡即可实现灌溉取水[7]。
1.数据信息接受模块是由CC2430处理仪器和位于田间的流量传感仪器组成，这个模块的作用是实时接收灌溉区域各个流量传感仪器所测信息，并且是经过ZigBee无线网传递到中央节点的处理单元。
CC2430模块设计原理图如图2.5。
图2.5CC2430模块设计原理图
2.数据通信模块由分布在农田区域内的各个水流量传感器构成，每一个流量传感器都与一个低成本的ZigBee终端节点相连接，用于采集各个水管的流量信息，农田内能够根据距离的不同来构建ZigBee路由节点，一起构成ZigBee无线网络环境，各个终端节点把收集到的流量数据信息上传到ZigBce中心节点，这一网络的包括广度可以很大的扩充，并且不需要进行网络的规划、很少需要维修，这一网络可以根据不同的建网要求进行网络结构的不同设计[8]，如图2.6。
图2.6ZigBee通信模块原理图
3.数据处理模块由组成CC2430的各个8051单片机来完成，中心节点通过对数据的整合分析，最终控制IC卡读写器。
4.刷卡计费模块由IC读写器根据中心节点处理器的指令实现对非接触式IC卡的刷卡计费。
三．系统设计特点
系统特点[9]：
（1）这一计价系统的每一个模块都有集成度和可靠性高，并且功耗和成本都低，此外体积小也是其一大优点，这样可以很方便的对其进行维护，出现问题时更换相应节点即可解决问题，这样可以很大程度的降低购买设备的成本，以及安装和维护设备的成本。
（2）该系统具有较强的自我组织，自我修复能力，系统自我组织能力：
不用人为干涉，某一节点可以自动识别位于同一系统的其他节点并进行连接，形成一个整体的网络；系统自我修复能力：
加入或者去掉其中某一节点，或者某一节点的位置发生变动，网络能够自动进行自我修复，而且自动对网络结构进行对应的改变，不用人为对其干涉，使整个系统继续正常运行。
（3）实时采集与刷卡计费相结合，升高了治理的标准。
便于用户方便快捷的对农田进行灌溉。
第三章系统软件设计与测试
3.1系统软件设计
该系统使用C语言来进行软件的设计。
这有诸多优点：
具有较高效率的程序代码，能够方便快捷的对系统进行升级维护，其代码能够方便的跨平台移植[10]。
在节点组成的Zigbee无线网络中，每一个组成节点都具有固定的一个网络地址。
采集到的信息由终端节点传递到中心节点。
中心节点作为系统的主节点，从节点是位于农田中的传感器节点，在传递数据时，传感器节点先向中心节点发送请求，待中心节点应答后即可进行数据信息的传递[11]。
在ZigBee无线传感仪器体系中。
传达的内容大多是短信息内容。
节点所传送的信息形式包含帧头、目标位置、数据信息多少、数据信息内容及校正检验位。
作为目的地址的是路由节点或者是中心节点的地址。
数据传递应用简单的异或校验，如果信息检验发生错误，会将该信息丢掉，并不进行信息纠错。
中心节点能够要求传感器节点重新发送该信息。
1.传感器节点的水流量传感器SHT11与CC2430之间使用IIC总线串口通信形式，CC2430的程序编写如下：
初始化IIC总线，初始化SHT11，等待接受数据，接受数据并暂存，数据接受完后发送数据到中心节点。
如图3.1。
图3.1通信程序流程图
2.中心节点是无线网络的中心部分，主要用于结点间网络环境的建立。
同时还要向读写器发送读写命令。
中心节点在加电进行初始化以后，第一步要进行网络建立。
然后对网络进行监听，在接到进网要求以后，对传感器节点进行入网信息确认，从而建立起网络的连接。
此外中心节点对入网的传感器节点物理地址与已经储存的节点物理地址做比较，检验有没有未接入网络的传感器节点。
中心节点处理器接收到传感器节点的数据，将数
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