基于ZigBee的農(nóng)業(yè)灌溉流量監(jiān)測(cè)計(jì)價(jià)系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

1、畢業(yè)論文基于zigbee的農(nóng)業(yè)灌溉流量監(jiān)測(cè)計(jì)價(jià)系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要系統(tǒng)以zigbee無(wú)線技術(shù)為核心，基于若干個(gè)無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)和非接觸式ic讀寫(xiě)器組成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)灌溉計(jì)價(jià)系統(tǒng)，以cc2430芯片作為處理器,著重講解了zigbee模塊和水流量器等基本硬件組成及無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的通信方式，另外還有非接觸式ic卡及對(duì)應(yīng)的讀寫(xiě)器的理論知識(shí)和用法。中心節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)還有傳感器節(jié)點(diǎn)，他們之間的通信是靠zigbee無(wú)線網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳遞的，具備信息發(fā)送和接收功能的傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，然后傳送給路由器節(jié)點(diǎn)以及中心節(jié)點(diǎn)，中心節(jié)點(diǎn)匯總并分析處理此信息，最后中心節(jié)點(diǎn)處理器對(duì)ic讀寫(xiě)器發(fā)出讀寫(xiě)命令。 關(guān)鍵詞： zigbee；流量

2、監(jiān)測(cè)；計(jì)價(jià)；ic卡；節(jié)點(diǎn)abstractas the very important section of this system, zigbee wireless net system for irrigation is based on some wireless sensor nodes and non-contacting ic reader-writer ,cc2430 slug act a cpu part of this system. what as the key entities are zigbee module body, water flowmeter and no-w

3、ire correspondence methods, also learning the knowledge of non-contacting ic fiche and read-write device is important. the communication of central node, route nodes and sensor nodes is upon this zigbee no-wire net. first, the sensor nodes gathers data and then send this informations to nodes of rou

4、ter and the central node. later the central node gather and analysis the data, and eventually the central processor send read-write instruction to the read-write device.key words: zigbee, flow monitoring, pricing, ic-card, nod前 言雖然我國(guó)的水資源總量在全球所有國(guó)家中的排名是第六位，但平均僅有2500立方米，相對(duì)來(lái)說(shuō)較少，而且有較多的水旱災(zāi)害，水資源南北分布不均。在我國(guó)，

5、有80%的水是用在農(nóng)業(yè)中的，但是農(nóng)業(yè)用水的利用率相對(duì)很多國(guó)家70%-80%的利用率來(lái)說(shuō)是很低的，僅有45%左右。因此，采用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)進(jìn)行農(nóng)業(yè)智能化灌溉建設(shè)是非常有必要的，本文即是研究農(nóng)業(yè)智能化灌溉建設(shè)其中一重要環(huán)節(jié)，即農(nóng)業(yè)灌溉流量監(jiān)測(cè)計(jì)價(jià)系統(tǒng)。采用這種系統(tǒng)有諸多優(yōu)點(diǎn)，農(nóng)業(yè)灌溉流量監(jiān)測(cè)計(jì)價(jià)系統(tǒng)是由傳感器技術(shù)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，非接觸式ic卡技術(shù)，自動(dòng)化技術(shù)綜合在一起的灌溉計(jì)價(jià)系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的是對(duì)用于農(nóng)業(yè)灌溉的水進(jìn)行刷卡計(jì)費(fèi)，利用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，減少勞動(dòng)力的浪費(fèi)，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，而且方便快捷。本設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)是zigbee無(wú)線模塊，利用這一無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，位于農(nóng)田內(nèi)的多個(gè)水流量計(jì)將采集到的灌溉用水

6、流量信息傳輸?shù)街行奶幚砥?，處理器通過(guò)分析處理發(fā)出對(duì)ic讀寫(xiě)器進(jìn)行讀寫(xiě)操作的指令，這樣便實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)灌溉流量監(jiān)測(cè)計(jì)價(jià)。zigbee技術(shù)在很多領(lǐng)域已經(jīng)廣泛使用，特別是工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。作為短距離無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，zigbee網(wǎng)絡(luò)與已經(jīng)存在的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，例如wifi，藍(lán)牙等作對(duì)比，它有如下幾個(gè)特點(diǎn)：高穩(wěn)定性，低功耗，短延遲，自組網(wǎng)自修復(fù)能力強(qiáng)，電池壽命長(zhǎng)，移動(dòng)靈活等諸多優(yōu)點(diǎn)。因此，在農(nóng)業(yè)智能化建設(shè)中，zigbee發(fā)揮的作用日益重要。第1章 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)概述1.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀與前景21世紀(jì)，隨著科學(xué)技術(shù)的的不斷發(fā)展前進(jìn)，信息化社會(huì)已經(jīng)形成，傳感器技術(shù)獲取信息的首要和基本途徑，也取得了飛速的發(fā)展。而在

7、采集信息的方法上，傳感器采集數(shù)據(jù)信息由原來(lái)的單獨(dú)采集一步步發(fā)展到集成型和網(wǎng)絡(luò)型，通過(guò)結(jié)合無(wú)線通信和自動(dòng)控制，這種集成化的網(wǎng)絡(luò)傳感器技術(shù)肯定將獲得普遍的應(yīng)用。第一代傳感器網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用的是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的傳送方式，把早先的傳感器與控制器直接相接，這種傳感器網(wǎng)絡(luò)在上個(gè)世紀(jì)七十年代的時(shí)候產(chǎn)生。隨著時(shí)代的進(jìn)步，通過(guò)與其他技術(shù)相結(jié)合的傳感器，逐漸形成一個(gè)能夠進(jìn)行信息分析和信息運(yùn)算的集成網(wǎng)絡(luò)，這既是第二代傳感器網(wǎng)絡(luò)。在上個(gè)世紀(jì)末，現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)就在傳感器網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中整個(gè)運(yùn)用了，通過(guò)不斷的發(fā)展和與各種技術(shù)相互組合，特別是與無(wú)線技術(shù)的結(jié)合，大量多功能傳感器共同構(gòu)成了具有智能化的傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這中最新形成的技術(shù)便是新一代無(wú)線傳感

8、器網(wǎng)絡(luò)1。作為新一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它擁有十分廣闊社會(huì)運(yùn)用前景，它快速發(fā)展將會(huì)給整個(gè)人類(lèi)社會(huì)帶來(lái)重大影響。這種新技術(shù)在發(fā)展較好的國(guó)家一直受到特別的關(guān)注，在波士頓大學(xué)，教師和學(xué)生共同創(chuàng)建了一個(gè)組織傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)會(huì)，這一協(xié)會(huì)期待可以增進(jìn)傳感器聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的研究和應(yīng)用。作為未來(lái)的新興技術(shù)，技術(shù)評(píng)論將這一技術(shù)評(píng)作第一，因此可知，未來(lái)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)必將迅速應(yīng)用并給全社會(huì)帶來(lái)重大變化。如今在農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)線傳感器技術(shù)已經(jīng)有很多使用，通常是把許多的傳感器節(jié)點(diǎn)集合成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)督環(huán)境，如此一來(lái)，可以將各傳感器采集到的信息分析處理，從而輔助農(nóng)人迅速發(fā)現(xiàn)農(nóng)業(yè)操作中的各種難題，甚至自動(dòng)處理這些難題，這樣農(nóng)業(yè)生產(chǎn)操作便可以逐步

9、從以人力為核心的勞動(dòng)方式轉(zhuǎn)到以信息和軟件為核心的自動(dòng)方式，一步步形成智能化的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。這樣的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)和運(yùn)用有中有很多，除了本文將要設(shè)計(jì)的灌溉計(jì)價(jià)系統(tǒng)，另有大棚的監(jiān)控系統(tǒng)，田地的灌溉系統(tǒng)，動(dòng)物的生理監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以及農(nóng)田蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等多種多樣的系統(tǒng)。除了農(nóng)業(yè)上的廣泛運(yùn)用以外，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在其他各領(lǐng)域也都有廣泛的運(yùn)用，例如產(chǎn)品檢測(cè)、智能家居和空間探索等，基于本文是研究農(nóng)業(yè)灌溉計(jì)價(jià)系統(tǒng)，所以在其他領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用便不再詳細(xì)介紹。在可預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的地方將越來(lái)越廣泛，并將給人類(lèi)社會(huì)帶來(lái)顯著的效益2。1.2 zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)1.2.1 zigbee技術(shù)簡(jiǎn)介在通信

10、技術(shù)的迅速發(fā)展過(guò)程中，作為通信技術(shù)之一，無(wú)線通信短距離通信技術(shù)越來(lái)越成為研究的焦點(diǎn)。隨著多種多樣網(wǎng)絡(luò)終端的產(chǎn)品的產(chǎn)生，在農(nóng)業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域，為了便于生產(chǎn)發(fā)展，人們急需一中優(yōu)秀的無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)，并基于此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行互聯(lián)，這種標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)具有近距離，低消耗，低費(fèi)用，自動(dòng)成網(wǎng)和自動(dòng)修復(fù)的本領(lǐng)強(qiáng)這些優(yōu)勢(shì)。為了滿足這種需求，zigbee技術(shù)出現(xiàn)了。蜜蜂（bee）在覺(jué)察到口食的時(shí)候會(huì)進(jìn)行zigzag形跳舞，以此方式告訴其他蜜蜂，蜜蜂們運(yùn)用這種方式實(shí)現(xiàn)口食方向，位置等信息的交換，完成了“無(wú)線”信息的傳遞。因此，人們便將這種近距離，低費(fèi)用和低消耗的無(wú)信息傳遞技術(shù)形象的稱(chēng)謂zigbee技術(shù)。這種短距離，低速度，低功率無(wú)線通信網(wǎng)

11、絡(luò)技術(shù)已取得廣泛和重要的應(yīng)用。例如，如果用戶間的距離比較近，當(dāng)數(shù)據(jù)通信需求小，并且需要實(shí)時(shí)傳輸，如果使用服務(wù)器，基站設(shè)備來(lái)進(jìn)行這種通信，通信速度可以得到保證，但是會(huì)浪費(fèi)設(shè)備利用率且增加通信的成本，顯然這種方式是不恰當(dāng)?shù)?。除了這以外，有些地方是不方便更換電源的，這樣低功耗的通信技術(shù)就有著顯然的優(yōu)點(diǎn)。zigbee技術(shù)是無(wú)線個(gè)域網(wǎng)當(dāng)中一種低速度的通信技術(shù)，它有不少技術(shù)上的優(yōu)點(diǎn)：低成本，低復(fù)雜度，低功耗，等。它的發(fā)展?jié)摿σ彩鞘志薮蟮?，正變得越?lái)越受到人們的重視。zigbee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種分布式系統(tǒng)，它具有無(wú)中心，靈活，重量輕，節(jié)點(diǎn)體積小等特征，具有相當(dāng)大的運(yùn)用范圍，在此優(yōu)點(diǎn)之上，這種無(wú)線傳感器

12、網(wǎng)絡(luò)與zigbee相結(jié)合后，其在技術(shù)方面的優(yōu)點(diǎn)更加顯現(xiàn)。與現(xiàn)在各種各樣的無(wú)線通信技術(shù)做對(duì)比，zigbee成為了低費(fèi)用，低消耗無(wú)線通信技術(shù)的首選。因此zigbee將在很多地方取得普遍運(yùn)用。作為zigbee聯(lián)盟建議的一個(gè)簡(jiǎn)潔好用的無(wú)線通信方法低消耗，低費(fèi)用，高質(zhì)量，穩(wěn)定的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)是zigbee聯(lián)盟的最終目標(biāo)。1.2.2 zigbee技術(shù)優(yōu)點(diǎn)zigbee作為一種無(wú)線通信技術(shù)，具有以下多點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：(1) 低功耗：zigbee設(shè)備節(jié)能很低因?yàn)閦igbee傳輸速度快，傳輸功率僅為1mw，而且還采取了睡眠模式，功耗成為低。依據(jù)預(yù)算，zigbee裝置僅僅使用兩節(jié)5號(hào)電池用的壽命就能夠維持6個(gè)月甚至大概2

13、年,這是別的無(wú)線設(shè)備瞠乎其后。(2) 低費(fèi)用： zigbee模塊最原先制造費(fèi)用僅大約6美元，大概非常迅速就可以降為1.52.5美元, 而且zigbee訂定合同的專(zhuān)利費(fèi)是無(wú)償方式。成本低依然是zigbee的一個(gè)重要的原因。(3) 短延時(shí): 由靜止情形到工作情形延時(shí)特別短，移動(dòng)儀器信息通道開(kāi)通延時(shí)是15ms,靜止到工作情形延時(shí)是15ms。(4) 網(wǎng)絡(luò)空間大： 一像星星形狀布局的zigbee網(wǎng)絡(luò)體系至多能夠囊括254個(gè)從儀器和一個(gè)主儀器， 一個(gè)區(qū)域內(nèi)能夠一并擁有至少一百多個(gè)zigbee網(wǎng)絡(luò)體系, 并且網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)成非常多變。(5) 可靠: 使用了避免相撞的方式，一并給需求不動(dòng)帶寬的通訊交易提前留了獨(dú)用

14、時(shí)間空晰,躲開(kāi)了傳遞數(shù)據(jù)信息的矛盾和相互爭(zhēng)奪。mac層選用了十分肯定的數(shù)據(jù)信息傳遞方式。在傳遞過(guò)程當(dāng)中一旦出現(xiàn)問(wèn)題能夠進(jìn)行重新發(fā)送。(6) 安全：zigbee供應(yīng)周期其他額外的檢查（crc）基于檢測(cè)數(shù)據(jù)包的完整性，身份認(rèn)證和授權(quán)，aes-128加密算法的使用。除了這以外，zigbee作為無(wú)線通信形式，能夠在915 mhz、868mhz和2.4ghz這3個(gè)頻率區(qū)域上用,一次擁有無(wú)上20 kbit/s，40 kbit/s，250 kbit/s的傳遞速度，它的傳遞間隔對(duì)各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的間隔能夠由標(biāo)準(zhǔn)的75m，能夠繼續(xù)增加到擴(kuò)充后的幾百米，甚至幾公里，依據(jù)使用方式和發(fā)射功率的大小決定，l臺(tái)zigbee

15、儀器能夠連結(jié)至少254個(gè)類(lèi)似的儀器。此外，由于zigbee具有低電特性的優(yōu)勢(shì)和一批高消費(fèi)環(huán)節(jié)，感應(yīng)式網(wǎng)絡(luò)（傳感器）的使用，有一個(gè)非常大的潛力，例如，保護(hù)檢測(cè)，水電煤氣計(jì)量數(shù)據(jù)記錄，操作溫度測(cè)量等，制造商不需要建立供電網(wǎng)絡(luò)或更換電池。1.2.3 zigbee發(fā)展前景zigbee技術(shù)也已經(jīng)在局部智能傳感器情景中發(fā)揮著其價(jià)值作用。譬如在很多地鐵建造中的位置確定體系即使用的是zigbee，傳統(tǒng)的rfid考勤體系由zigbee代替完成了方向判別精確、定位路線精確、沒(méi)有漏讀和能夠查詢，提升了隧道安全施工的管理標(biāo)準(zhǔn);基于zigbee網(wǎng)絡(luò)的定位功能，在一些高等檔次的老年住宅區(qū)域中，我們可以在老年社區(qū)或療養(yǎng)院內(nèi)

16、得到全區(qū)隨時(shí)定位及求助作用。每一個(gè)老年人都攜一個(gè)可移動(dòng)報(bào)警器在身上，在碰到危險(xiǎn)情況的時(shí)候，能夠快速及時(shí)的按下告急鈕。不僅僅能夠使在戶外活動(dòng)時(shí)的老年人的救助情況及安全控制得到化解，而且，在使用的過(guò)程中方便簡(jiǎn)單，可靠性高。由我國(guó)電信副總工程師講解，在2015年時(shí)候大概海內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)運(yùn)用會(huì)在7500億元，每年的增長(zhǎng)率為30%以上。智慧城市構(gòu)建將成為運(yùn)營(yíng)商首先使用物聯(lián)網(wǎng)的選擇。曾報(bào)道，在2013年投入的專(zhuān)項(xiàng)資金的投入預(yù)算與2012年相比有所增加，將要超過(guò)5億元。行業(yè)內(nèi)的人們估計(jì)在未來(lái)的10年內(nèi)物聯(lián)網(wǎng)將會(huì)大規(guī)模的在國(guó)內(nèi)普及開(kāi)來(lái)，它的產(chǎn)業(yè)范圍將會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)。 1.2.4 基于zigbee芯片的無(wú)線傳感

17、器網(wǎng)絡(luò)在zigbee基礎(chǔ)上形成的這種無(wú)線形式傳感器網(wǎng)絡(luò)，它按照adhoc形式來(lái)傳遞信息的，這樣可以互助地接收和分析整合所監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)信息，觀測(cè)器和傳感器之間的通信是無(wú)線的方法，建立了觀測(cè)器和傳感器之間的通信路徑，網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)的作用是共同收集，分析，處理信息。多個(gè)傳感器組成傳感器網(wǎng)絡(luò)，共同協(xié)作進(jìn)行信息的加工是這一網(wǎng)絡(luò)的主要特點(diǎn)，這個(gè)組成網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)可以自動(dòng)組網(wǎng)，且在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障或者是變化時(shí)可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的自我修復(fù)。節(jié)點(diǎn)間以adhoc方式進(jìn)行通信。這種網(wǎng)絡(luò)能與以太網(wǎng)，gsm 網(wǎng)絡(luò)，還有cdma網(wǎng)絡(luò)等連接，利用這些網(wǎng)絡(luò)完成遠(yuǎn)距離無(wú)線通信。這種網(wǎng)絡(luò)可以在需要通信的時(shí)候喚醒網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)來(lái)完成數(shù)據(jù)通信，這種特點(diǎn)

18、能夠最大限度的降低能源的浪費(fèi)3。zigbee用于通訊儀器的聯(lián)網(wǎng)構(gòu)造主流有三種，即，網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)，星型網(wǎng)絡(luò)，另外還有混合型網(wǎng)絡(luò)。此中，星形網(wǎng)絡(luò)是一種經(jīng)常使用而且使用在于較長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)使用操縱的網(wǎng)絡(luò)；mesh網(wǎng)絡(luò)是一種可靠性比較高的檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)，它通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接可以提供比較多個(gè)數(shù)據(jù)通信渠道方式，也就是說(shuō)它是一個(gè)級(jí)別比較高的冗雜多余性的網(wǎng)絡(luò)體系，如果儀器數(shù)據(jù)信息傳遞出現(xiàn)問(wèn)題，那么有另一個(gè)方法能夠提供數(shù)據(jù)傳遞，這一點(diǎn)類(lèi)似starmesh的混合型網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造，具有上面介紹的兩種網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)造的優(yōu)勢(shì)。如圖1.1即為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)造。 圖1.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)通常由幾個(gè)部分相互連接在一起形成的，他們是對(duì)等的通信形式，

19、每個(gè)節(jié)點(diǎn)是能夠與無(wú)線通信范圍內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)通信。作為一種穩(wěn)定性比較高的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，mesh網(wǎng)絡(luò)能夠進(jìn)行自我的修補(bǔ)，其中一節(jié)點(diǎn)的損壞不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的正常通信。通過(guò)大量的ffd節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)可以無(wú)限延伸，網(wǎng)狀網(wǎng)和星形網(wǎng)可以通過(guò)擴(kuò)展的混合網(wǎng)絡(luò)的形成。在混合網(wǎng)通信過(guò)程中，終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)傳感器采集信息，采集的信息傳輸?shù)阶陨硭鶎僮泳W(wǎng)的中繼節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而傳輸?shù)街行墓?jié)點(diǎn)不?；旌暇W(wǎng)適用覆蓋范圍比較大的網(wǎng)絡(luò)。該設(shè)計(jì)采用的是混合型。如圖1.2。圖1.2 混合型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)第2章 系統(tǒng)總體架構(gòu)2.1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1.1 通信處理芯片cc2430zigbee無(wú)線通信處理單元使用的是cc2430單片機(jī)，這個(gè)單片機(jī)是chipc

20、on公司（現(xiàn)屬于ti公司）制造的，是由一只精良小巧且效率高的8051處理器和一性價(jià)比大的2.4ghz dsss的rf收發(fā)器構(gòu)成，利用它開(kāi)發(fā)的無(wú)線通訊設(shè)備能夠完成多個(gè)點(diǎn)對(duì)多個(gè)點(diǎn)的迅速成網(wǎng)。cc2430選擇使用的拼裝度量是77mm 48-pin，使的要求標(biāo)準(zhǔn)是0.181m的cmos，且內(nèi)部含有閃存結(jié)構(gòu)。如此以來(lái)在一個(gè)硅晶片上，將體系的儲(chǔ)存儀器，射頻，模擬的電路，及基帶處理儀器這些元件一起裝。如圖2.1 圖2.1 cc2430芯片的里面布局框圖對(duì)于協(xié)議棧來(lái)說(shuō)，還有網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件運(yùn)轉(zhuǎn)對(duì)處理器處理本領(lǐng)的一些規(guī)定，cc2430囊括有一個(gè)極小的控制儀器，是加強(qiáng)類(lèi)型的工業(yè)化要求的8051，32mhz是其運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)鐘

21、。因?yàn)楦涌焖賵?zhí)行速度和除去多余總體方法，它能夠使運(yùn)用要求8051命令信號(hào)集的cc2430加強(qiáng)類(lèi)型8051處理儀器，而擁有要求的8倍的8051處理儀器的本領(lǐng)。cc2430包括一只8051 cpu。不動(dòng)態(tài)的8kb ram存儲(chǔ)器，這里面的4kb是耗能極小的sram存儲(chǔ)器。128kb，64kb，32kb存儲(chǔ)空間的flash內(nèi)部閃存都是能夠進(jìn)行寫(xiě)入程序的無(wú)易失性的存儲(chǔ)單元。 cc2430整合用在體系的定時(shí)和時(shí)鐘功用是有4個(gè)振蕩器：一只16mhz rc振蕩器，一只32mhz晶體振蕩器，一只備選的晶振，其頻率為32.768khz cc2430同時(shí)整合了用戶可以自定義應(yīng)用的外接設(shè)備。一只aes協(xié)處理儀器被整

22、合成于cc2430內(nèi)部，用于維護(hù)ieee802.15.4 mac 安全和可靠運(yùn)轉(zhuǎn)，可得到最少的對(duì)微控制器的占有。共有18個(gè)中斷源是由中斷控制器來(lái)提供中斷服務(wù)，這些中斷源中的每一個(gè)中斷源都被賦予了4個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)其中的一個(gè)。其中21個(gè)普通i/o接口的按需分配和穩(wěn)定控制由i/o控制器來(lái)控制。cc2430共有用于定時(shí)的器件四只： 一只mac定時(shí)儀，是16位的，用來(lái)對(duì)ieee802.15.4 mac層供給定時(shí)幫助及對(duì)ieee802.15.4的csma-ca供給定時(shí)幫助。一只普通16位和兩只8位定時(shí)器，可支持通常的定時(shí)/計(jì)數(shù)功能。為了網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用操作的帶寬的更好處理，cc2430集合成了大量的對(duì)定時(shí)要求比較

23、苛刻的一連串ieee802.15.4 mac協(xié)定，用于減小微型控制器的責(zé)任。cc2430接收儀器的布局是低-中頻率的布局，收到無(wú)線信號(hào)經(jīng)處理后變?yōu)?mhz中頻率的信號(hào)。經(jīng)過(guò)放大、濾波和a/d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的中頻的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字的信號(hào)。設(shè)置過(guò)濾儀模擬合成路線可以發(fā)揮作用，在2.4ghz ism頻段的區(qū)域不同的系統(tǒng)具有相對(duì)高的相容性4。在樣式處于發(fā)射樣式情況時(shí)，按照ieee 802.15.4的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)位與調(diào)制的映射目的。按照數(shù)字的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)制。通過(guò)基帶信號(hào)的d / a轉(zhuǎn)換器調(diào)制，然后通過(guò)單邊帶調(diào)制器的低通濾波器和直接轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)。最后，高頻信號(hào)放大，通過(guò)功率放大器實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)水平。輸入和輸出接口是

24、獨(dú)立的，他們有兩種常見(jiàn)的引腳。在芯片電路結(jié)構(gòu)的天線是由一個(gè)平衡/非平衡和少量的電容和電感，平衡的天線，如折疊偶極子天線也能實(shí)現(xiàn)其功能。頻率合成器是整合在板子上的，能夠除去外部振蕩器和濾波器。集成在晶片內(nèi)的電容壓控振蕩器運(yùn)行在本地的振蕩頻率范圍內(nèi)，而且還配有二分頻的電路結(jié)構(gòu)，目的是使振蕩信號(hào)維持上，下變頻整體混頻器運(yùn)行。在cc2420芯片的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的cc2430芯片，集合成了zigbee 射頻端、內(nèi)部存儲(chǔ)器和微小控制處理器是在一個(gè)處理芯片內(nèi)。它使用1個(gè)8位單片機(jī)（8051），128 kb能夠進(jìn)行寫(xiě)程序的flash加8 kb的ram，另外包括有a/d轉(zhuǎn)換器、若干定時(shí)器、看門(mén)狗定時(shí)器、上電復(fù)位電路

25、、斷電自檢電路、32 khz晶體振蕩器，另外還有21只可編程的輸入輸出引腳。p0、p1 引腳是八位，p2 引腳具有五位可使用。軟件在訂制的sfr 寄存儀器的字節(jié)和位狀況下，這幾個(gè)引腳可以當(dāng)作通常的輸入輸出口或者當(dāng)作接到adc、定時(shí)計(jì)數(shù)器或usart 模塊的外部設(shè)備輸入輸出接口。2.1.2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)基于cc2430的zigbee技術(shù)的片內(nèi)資源豐富，功能強(qiáng)大，無(wú)論是位于處理器位置的中心節(jié)點(diǎn)還是位于農(nóng)田內(nèi)的傳感器節(jié)點(diǎn)，他們硬件的組成都很簡(jiǎn)單，方便。如圖2.2。 圖2.2 傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)框圖二中心節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)中心節(jié)點(diǎn)由cc2430和ic讀寫(xiě)器構(gòu)成，cc2430數(shù)據(jù)處理和控制讀寫(xiě)

26、器對(duì)ic卡的讀寫(xiě)。如圖2.3。 圖2.3 中心節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖三外圍模塊硬件結(jié)構(gòu)外部的模塊主要有電源構(gòu)成，負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)體系的供電。如圖2.4是外部模塊結(jié)構(gòu)框架圖。圖2.4 外部模塊結(jié)構(gòu)框圖本章介紹了系統(tǒng)總體硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，基于模塊化的思想，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的各個(gè)模塊關(guān)系，展示了各自的硬件原理圖，并說(shuō)明了各部分的作用及硬件模塊工作原理。著重對(duì)數(shù)據(jù)采集模塊的硬件電路、中心節(jié)點(diǎn)電路和外圍電源模塊電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)5。2.2 方案和模塊設(shè)計(jì)2.2.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)首先在灌溉區(qū)域用cc2430架設(shè)出無(wú)線mesh網(wǎng)，每一個(gè)cc2430連接一個(gè)流量傳感器，以便傳感器節(jié)點(diǎn)將采集到的流量信息通過(guò)mesh傳送到中心節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)

27、以流量為基準(zhǔn)的刷卡計(jì)費(fèi)。本系統(tǒng)是一個(gè)自動(dòng)化的刷卡計(jì)費(fèi)系統(tǒng)，采用刷卡計(jì)費(fèi)的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田灌溉方便快捷的管理，這個(gè)系統(tǒng)具備很好的實(shí)用性能和便捷性能，在農(nóng)業(yè)智能化中擁有廣泛的應(yīng)用前景6。系統(tǒng)功能：數(shù)據(jù)采集：通過(guò)zigbee傳感器體系得到田地灌溉用水流量信息。數(shù)據(jù)通信：把傳感器節(jié)點(diǎn)測(cè)到的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)多跳傳遞經(jīng)zigbee傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到中心節(jié)。數(shù)據(jù)處理：中心節(jié)點(diǎn)處理器收集傳來(lái)的數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析處理。刷卡計(jì)費(fèi)：非接觸型ic卡讀寫(xiě)器與中心節(jié)點(diǎn)處理器連接，根據(jù)用水流量對(duì)ic卡進(jìn)行刷卡計(jì)費(fèi)。2.2.2 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)基于zigbee的農(nóng)業(yè)灌溉流量監(jiān)測(cè)計(jì)價(jià)系統(tǒng)包含田地信息收集模塊，數(shù)據(jù)通信模塊，數(shù)據(jù)處理模塊和刷卡計(jì)費(fèi)模

28、塊等組成。該系統(tǒng)通過(guò)置于田間的流量傳感器實(shí)現(xiàn)農(nóng)田信息的采集工作，信息傳輸模塊將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街行墓?jié)點(diǎn)，由中心節(jié)點(diǎn)處理器處理信息并控制讀寫(xiě)器對(duì)ic刷卡計(jì)費(fèi)，全過(guò)程為自動(dòng)處理，用戶只需刷ic卡即可實(shí)現(xiàn)灌溉取水7。1.數(shù)據(jù)信息接受模塊是由cc2430處理儀器和位于田間的流量傳感儀器組成，這個(gè)模塊的作用是實(shí)時(shí)接收灌溉區(qū)域各個(gè)流量傳感儀器所測(cè)信息，并且是經(jīng)過(guò)zigbee無(wú)線網(wǎng)傳遞到中央節(jié)點(diǎn)的處理單元。cc2430模塊設(shè)計(jì)原理圖如圖2.5。 圖2.5 cc2430模塊設(shè)計(jì)原理圖2.數(shù)據(jù)通信模塊由分布在農(nóng)田區(qū)域內(nèi)的各個(gè)水流量傳感器構(gòu)成，每一個(gè)流量傳感器都與一個(gè)低成本的zigbee終端節(jié)點(diǎn)相連接，用于采集

29、各個(gè)水管的流量信息，農(nóng)田內(nèi)能夠根據(jù)距離的不同來(lái)構(gòu)建zigbee路由節(jié)點(diǎn)，一起構(gòu)成zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)把收集到的流量數(shù)據(jù)信息上傳到zigbce中心節(jié)點(diǎn)，這一網(wǎng)絡(luò)的包括廣度可以很大的擴(kuò)充，并且不需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃、很少需要維修，這一網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)不同的建網(wǎng)要求進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的不同設(shè)計(jì)8 ，如圖2.6。圖2.6 zigbee通信模塊原理圖3.數(shù)據(jù)處理模塊由組成cc2430的各個(gè)8051單片機(jī)來(lái)完成，中心節(jié)點(diǎn)通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的整合分析，最終控制ic卡讀寫(xiě)器。4.刷卡計(jì)費(fèi)模塊由ic讀寫(xiě)器根據(jù)中心節(jié)點(diǎn)處理器的指令實(shí)現(xiàn)對(duì)非接觸式ic卡的刷卡計(jì)費(fèi)。三系統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)系統(tǒng)特點(diǎn)9：(1)這一計(jì)價(jià)系統(tǒng)的每一個(gè)模

30、塊都有集成度和可靠性高，并且功耗和成本都低，此外體積小也是其一大優(yōu)點(diǎn)，這樣可以很方便的對(duì)其進(jìn)行維護(hù)，出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)更換相應(yīng)節(jié)點(diǎn)即可解決問(wèn)題，這樣可以很大程度的降低購(gòu)買(mǎi)設(shè)備的成本，以及安裝和維護(hù)設(shè)備的成本。(2)該系統(tǒng)具有較強(qiáng)的自我組織，自我修復(fù)能力，系統(tǒng)自我組織能力：不用人為干涉，某一節(jié)點(diǎn)可以自動(dòng)識(shí)別位于同一系統(tǒng)的其他節(jié)點(diǎn)并進(jìn)行連接，形成一個(gè)整體的網(wǎng)絡(luò)；系統(tǒng)自我修復(fù)能力：加入或者去掉其中某一節(jié)點(diǎn)，或者某一節(jié)點(diǎn)的位置發(fā)生變動(dòng)，網(wǎng)絡(luò)能夠自動(dòng)進(jìn)行自我修復(fù)，而且自動(dòng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的改變，不用人為對(duì)其干涉，使整個(gè)系統(tǒng)繼續(xù)正常運(yùn)行。(3)實(shí)時(shí)采集與刷卡計(jì)費(fèi)相結(jié)合，升高了治理的標(biāo)準(zhǔn)。便于用戶方便快捷的對(duì)農(nóng)田

31、進(jìn)行灌溉。第三章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與測(cè)試3.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)該系統(tǒng)使用c語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行軟件的設(shè)計(jì)。這有諸多優(yōu)點(diǎn)：具有較高效率的程序代碼，能夠方便快捷的對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)維護(hù)，其代碼能夠方便的跨平臺(tái)移植 10。在節(jié)點(diǎn)組成的zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，每一個(gè)組成節(jié)點(diǎn)都具有固定的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址。采集到的信息由終端節(jié)點(diǎn)傳遞到中心節(jié)點(diǎn)。中心節(jié)點(diǎn)作為系統(tǒng)的主節(jié)點(diǎn)，從節(jié)點(diǎn)是位于農(nóng)田中的傳感器節(jié)點(diǎn)，在傳遞數(shù)據(jù)時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)先向中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求，待中心節(jié)點(diǎn)應(yīng)答后即可進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的傳遞11。在zigbee無(wú)線傳感儀器體系中。傳達(dá)的內(nèi)容大多是短信息內(nèi)容。節(jié)點(diǎn)所傳送的信息形式包含幀頭、目標(biāo)位置、數(shù)據(jù)信息多少、數(shù)據(jù)信息內(nèi)容及校正檢驗(yàn)位。

32、作為目的地址的是路由節(jié)點(diǎn)或者是中心節(jié)點(diǎn)的地址。數(shù)據(jù)傳遞應(yīng)用簡(jiǎn)單的異或校驗(yàn)，如果信息檢驗(yàn)發(fā)生錯(cuò)誤，會(huì)將該信息丟掉，并不進(jìn)行信息糾錯(cuò)。中心節(jié)點(diǎn)能夠要求傳感器節(jié)點(diǎn)重新發(fā)送該信息。1.傳感器節(jié)點(diǎn)的水流量傳感器sht11與cc2430之間使用iic總線串口通信形式，cc2430的程序編寫(xiě)如下：初始化iic總線，初始化sht11，等待接受數(shù)據(jù)，接受數(shù)據(jù)并暫存，數(shù)據(jù)接受完后發(fā)送數(shù)據(jù)到中心節(jié)點(diǎn)。如圖3.1。圖3.1 通信程序流程圖2.中心節(jié)點(diǎn)是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的中心部分，主要用于結(jié)點(diǎn)間網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的建立。同時(shí)還要向讀寫(xiě)器發(fā)送讀寫(xiě)命令。中心節(jié)點(diǎn)在加電進(jìn)行初始化以后，第一步要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)建立。然后對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，在接到進(jìn)網(wǎng)要求以

33、后，對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行入網(wǎng)信息確認(rèn)，從而建立起網(wǎng)絡(luò)的連接。此外中心節(jié)點(diǎn)對(duì)入網(wǎng)的傳感器節(jié)點(diǎn)物理地址與已經(jīng)儲(chǔ)存的節(jié)點(diǎn)物理地址做比較，檢驗(yàn)有沒(méi)有未接入網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn)。中心節(jié)點(diǎn)處理器接收到傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)處理后發(fā)送指令到讀寫(xiě)器，實(shí)現(xiàn)對(duì)ic卡的刷卡計(jì)費(fèi)。中心節(jié)點(diǎn)程序流程圖如圖3.2。圖3.2 中心節(jié)點(diǎn)程序流程圖3.2 系統(tǒng)測(cè)試前面章節(jié)的設(shè)計(jì)詳細(xì)地講述了系統(tǒng)的總體方案、軟硬件的具體設(shè)計(jì)。但為了使系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，應(yīng)該進(jìn)行驗(yàn)證系統(tǒng)的操作11。在硬件上該體系的測(cè)試采用cslrf-3無(wú)線zigbee平臺(tái)，此平臺(tái)帶有相應(yīng)的示例演示系統(tǒng)，重點(diǎn)說(shuō)明了cc2430在實(shí)際工作中的運(yùn)用。該系統(tǒng)的軟件平臺(tái)主要由iar

34、 embedded wordbench，zigbee協(xié)議棧和其它若干仿真軟件構(gòu)成。體系運(yùn)行測(cè)試的結(jié)果為顯示是由安裝在windows操作系統(tǒng)下的串口調(diào)試助手scomassistantv2.1軟件。測(cè)試zigbee網(wǎng)絡(luò)的加入和斷開(kāi)問(wèn)題是網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試的目的。中心節(jié)點(diǎn)在設(shè)備初始化以后即自動(dòng)的建立網(wǎng)絡(luò)、并進(jìn)行檢測(cè)，同意流量傳感器節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)按下控制按鈕“sw2以后，傳感器節(jié)點(diǎn)即斷開(kāi)網(wǎng)絡(luò)連接，在軟件窗口中會(huì)出現(xiàn)“unhanded primitive”的提示。使用鍵盤(pán)進(jìn)行終端設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的斷開(kāi)，應(yīng)使用鍵盤(pán)掃描函數(shù)。原程序如下：unsignedcharkeyscan(void)unsignedcharkey=0；if(!keyl)while(!keyl)；key=l；if(!key2)while(!key2)；key=2；return key；網(wǎng)絡(luò)加入連接的測(cè)試實(shí)驗(yàn)顯示如圖3.3。 圖3.3 網(wǎng)絡(luò)連接測(cè)試實(shí)驗(yàn)上面的檢測(cè)實(shí)驗(yàn)可以看出，體系只是實(shí)現(xiàn)了zigbee網(wǎng)絡(luò)的通信和對(duì)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的接收功能的檢測(cè)，但是體系功能總體上可以達(dá)到設(shè)計(jì)要求。系統(tǒng)不足之處在于由于本設(shè)計(jì)軟硬件均需個(gè)人來(lái)設(shè)計(jì)，任務(wù)量較大，導(dǎo)致系統(tǒng)中用到的很多軟、硬件功能模塊的設(shè)計(jì)都不能非常完美，所以最終的測(cè)試處于小范圍和有限的功能模塊的測(cè)試，僅是完成了對(duì)系統(tǒng)基