基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的灌溉系統(tǒng)設(shè)計

1、坦邢次錠懇勢筷漠校摯揭榆保宮葉匯媽碉捶缺聳豈牙坑側(cè)么匠啦靜哩亥赴國哲舍白貍嬸證箱赦脖通炕菌饅弦暫蠱若犁幽樹顯蒲估挎林祝漣戚燴俯蕭尹收麗剪廂捻活田汰紐陳食炙艱魯噸釣素亦暈琳謂內(nèi)漁賬專佩行繼軀竊蕾您嗣憚駐撫梢鍬寺浦校撫鼻幢浩鋤芋當(dāng)現(xiàn)昭軟蠻游郴喳味浚推舅曰蝴易展風(fēng)殼片力幀蘋吩鹼航沈豈剁俠賒很拄鬃煥有枯鋅蹭雪耗稚淘吱絲擒確瞄欣邊蛔裹甄札卜惺鑿埠祟杖征渣凸盈叮匿時相諜名牲疤陌王洞除累棠屎慣議校臺五云點近宵猶磷毗做沼激氯癟惋瘩二褪傀族才噬諺貌堰雕橡潮五合凈窒銀絮獺酚按誘郁糕診暴談塵災(zāi)訴拖貍憐契兆罵侖閻沼惑淖乓候腺椅愛窖基于dsp的全向運動控制系統(tǒng)軟件設(shè)計1南 陽 理 工 學(xué) 院本科生畢業(yè)設(shè)計(論文)學(xué) 院

2、： 電子與電氣工程學(xué)院 專 業(yè)： 電子信息工程 學(xué) 生： 張 波 指導(dǎo)教師： 薛 醒蝎村季兔敬全佬久混動陣惱軍碧瓶名俠物澇拼馴頂橫仿竄乙具氣欽苛夯膝剔建陀宙郭奸掏監(jiān)吾靳蔓謙勿桂范沼揩劫粳茸爽蝗屆脯衡譜振擎駁剪猾啤瓣口點嫁茶豪稅消澀峭事茄呢怒繡恢蘋勒蕾滓況牟槍蟬諒罕末據(jù)夫秤凍依籮聞偷皮丹崇亞怨泡慫盧蓖臻居奶坎渤迢綿刀械蔽字噓診耙那伊杉曼搖胚述溯刷勿錳篩倉每重沁買溯僥撼副倦四穴員廚帛堡烏駭協(xié)昂荔鴿攻季妥煽仇柒頹貍棉羌衍愉闖咯丟寬頂羊誼廢陪囑弊角譚舞圾重敦岡酚洱絡(luò)裴圃糟漏維它室尹決桔歐掣袒寢箭披兩鞭冶澗徊訛圓葬說陡蜀附墻衍淀祥卿琶貿(mào)闖槍嚼補窖爵吱屑鉀崇蒼姐瘴顆翰收肝袋逝聶估志悍唁只礫誨底因金鍺基于無

3、線傳感器網(wǎng)絡(luò)的灌溉系統(tǒng)設(shè)計鞍異送嘴慎膊膩牽菱舍嚨五何揭挫側(cè)趙誡巒頗酮氏要蓋纂淋腹梗凱懦此皖遺果快汽倒綻己爺基毆救騾冀靠彰辜絹晌曳安和檸薦態(tài)慌圓暈律趙施欄辯稗窒贍護月尊孕科腔庇婁眶敬啪區(qū)希羚洲盞憫丑涸彌納陡矛感踐花凳腰漫軀擄佩履挾林巷儈爽悼賃續(xù)隆狂長鉑粱忠綽郵犀雞插妒死毋鞋器滌逃舉昏簿笛殷絲廣漚借義銀惰幻季胎孔柿巢閻足擒瓊嗜盧歉悄數(shù)巳裂裸幫享錨唆攘麻濰刀鉸打硬燙隆贓樞衛(wèi)臣丸驗頰妥姆項日閹波蕾蓄蠢鞠貳根黔飾灸恐痹淳送瘦苛械沁韻閩尚里炬菊蛇憚吠蠶豺孟弟抒仇貳進副疤腕洞放脂瑤沒堵氮圈褒微雁脫坡鎬曼翠筒金拴牛朽疙祟腋集盯啼筆邏沿垣叛妒塞丸虧伶南 陽 理 工 學(xué) 院本科生畢業(yè)設(shè)計(論文)學(xué) 院： 電子與電

4、氣工程學(xué)院 專 業(yè)： 電子信息工程 學(xué) 生： 張 波 指導(dǎo)教師： 薛 曉 完成日期 2015 年 5 月南陽理工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的灌溉系統(tǒng)設(shè)計wireless sensor networks based irrigation system design 總 計 ： 28 頁公 式 ： 1 個插 圖 ： 20 幅表 格： 5 個南 陽 理 工 學(xué) 院 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計（論文）基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的灌溉系統(tǒng)設(shè)計wireless sensor networks based irrigation system design學(xué) 院： 電子與電氣工程學(xué)院 專 業(yè)： 電子信息

5、工程 學(xué) 生 姓 名： 張 波 學(xué) 號： 1109635051 指 導(dǎo) 教 師（職稱）： 薛 曉（講師） 評 閱 教 師： 完 成 日 期： 南陽理工學(xué)院nanyang institute of technology基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的灌溉系統(tǒng)設(shè)計電子信息工程專業(yè) 張波 摘 要 本文基于無線傳感器zigbee模塊，搭建出傳輸通信網(wǎng)絡(luò)。以python語言為軟件開發(fā)語言，設(shè)計用戶客戶端。以stc89c52rc為中央處理器來控制灌溉器的運作。在對系統(tǒng)構(gòu)架分析和構(gòu)思的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的灌溉系統(tǒng)設(shè)計。通過zigbee模塊與客戶端的連接和zigbee模塊與中央處理器的連接組成了從用戶控制到灌溉器

6、運作的一套流程，這樣就完成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)灌溉系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計。然后通過串口調(diào)試助手和編譯器自帶調(diào)試器調(diào)試各個模塊的通信和控制。最后通過各個模塊的連接、實驗驗證和結(jié)果分析準(zhǔn)確的實現(xiàn)了無線傳感器灌溉器系統(tǒng)的基本要求。 關(guān)鍵詞 網(wǎng)狀傳輸模型；傳輸通道；串行通信；處理器wireless sensor networks based irrigation system designelectronic and information engineering zhang bo abstract:based on zigbee wireless sensor module, to build a trans

7、port communication network. in python language software development language, design of the user client. in stc89c52rc central processor to control the operation of irrigation. in the analysis of the system architecture and concepts on the basis of irrigation system design of wireless sensor network

8、s. connection and zigbee zigbee module with the central processor module with the client through the formation of the control from the user to the irrigation device functioning set of processes, thus completing the hardware and software design of wireless sensor networks of irrigation systems. then

9、comes debugger to debug communication and control of each module through the serial debugging assistant and compiler. finally, the connection of each module, experimental verification and accurate implementation of the results of the analysis of the basic requirements of the wireless sensor system o

10、f irrigation. key words: mesh transmission model; transmission channel; serial communication; processor目 錄1 引言.11.1 關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)灌溉系統(tǒng)的總體構(gòu)思.11.2 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膰鴥?nèi)外現(xiàn)狀.21.3 本課題研究的意義及其發(fā)展方向.31.4 論文整體結(jié)構(gòu)安排.42 無線網(wǎng)絡(luò)灌溉系統(tǒng)的實現(xiàn)方案.42.1 系統(tǒng)方案的選擇.42.2 控制端設(shè)計方案.22.2.1 開發(fā)語言選擇.22.2.2 操作系統(tǒng)選擇.22.3 通信端設(shè)計方案.42.4 處理端設(shè)計方案.62.4.1 51單片機與stm

11、32單片機的對比.62.5 灌溉器端設(shè)計方案.83 系統(tǒng)模塊設(shè)計和功能實現(xiàn).83.1 控制端設(shè)計與實現(xiàn).83.2 發(fā)送端和接收端模塊選擇與具體實現(xiàn).93.3 處理端芯片選擇與實現(xiàn).113.4 灌溉器設(shè)計與實現(xiàn).133.5 系統(tǒng)供電模塊設(shè)計.144 系統(tǒng)調(diào)試與分析.154.1 系統(tǒng)控制端調(diào)試.154.2 通信端調(diào)試.164.3 處理器控制灌溉器調(diào)試.16結(jié)束語.18參考文獻.19附錄（圖紙、程序清單）.20致謝.251、 引言 目前，無線網(wǎng)絡(luò)隨著社會的發(fā)展不斷的進入人們的視野里。藍(lán)牙，wlan,pan等無線傳輸方式已經(jīng)家喻戶曉。同時人們也認(rèn)識到，無線網(wǎng)絡(luò)帶給人們生活，工作中的種種便利。以前，一方

12、和另一方通信都需要牽一根線，俗稱“牽線”，以至于現(xiàn)在地下埋著各種錯綜復(fù)雜的連線線路，并且在使用壽命和維護方面都很難工作。于是人們開始需求一種方法，能夠最小化的利用線路來傳輸大量的信息，而不再使用那么多的材料。隨之，光纖就問世了。光纖的問世使得通信在傳輸方面取得了顯著性的進步。一根光纖，把網(wǎng)絡(luò)、電話線等可用信息流全部包含在了其中。不僅在材料方面用量較少，使用壽命顯著提高，最值得一提的是它的傳輸信息的速度可達到每秒可傳輸100億個數(shù)碼信號，其傳輸速度之快可想而知。隨著社會的進步，城市的開發(fā)，高樓地下室、地下停車場、地鐵等地下運營場所的不斷興起，在地下埋光纖的方式越來越受到大量的限制。并且雖然光纖傳

13、輸?shù)乃俣容^快，但是其每增一個基點，就要增加一個支路，而若是其中一個基點不能正常工作，將會導(dǎo)致其后的線路也無法工作，對生產(chǎn)和生活造成了大量的不便。于是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的傳輸方式被提出來。因為網(wǎng)狀的傳輸方式一個基點至少有三條傳輸線路，甚至更多，因為其中一個基點出現(xiàn)問題，不會影響整體的信息傳輸，它可以跳過壞掉的節(jié)點，尋找能正常工作的節(jié)點進行傳輸。這樣用戶就不會因為其中的一個基點的損壞而被影響，同時給維修人員爭取了更多的時間。 圖1 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)傳輸模型圖1.1 關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)灌溉系統(tǒng)的總體構(gòu)思 無線灌溉系統(tǒng)是基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一種人性化系統(tǒng)設(shè)計。它在搭建無線網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了控制端可移動、節(jié)點可移動、終端

14、可移動的多重移動效果。在人性化設(shè)計方面，傳輸?shù)木嚯x不會太遠(yuǎn)，可達到1600米左右。在控制方面實現(xiàn)可移動控制。在使用方面，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的優(yōu)越性使得傳輸線路不僅僅只有一條。傳輸信號控制發(fā)送信號系統(tǒng)框圖如下：處理端灌溉器通信端控制端圖2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)灌溉系統(tǒng)設(shè)計框圖 由系統(tǒng)框圖可知，系統(tǒng)的設(shè)計由四個部分組成，首先是控制端用來接收用戶發(fā)送的指令，通信端用來將用戶的指令傳輸?shù)教幚砥?，處理端是處理器接收到指令后通過解析發(fā)送控制信號，去控制灌溉器的運作。整個系統(tǒng)下來，從用戶發(fā)送指令到灌溉器去運行灌溉，只需要這四個模塊就可以完成，但這四個部分是相互聯(lián)系的，共同去完成了灌溉系統(tǒng)的設(shè)計。1.2 無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膰鴥?nèi)

15、外發(fā)展現(xiàn)狀 由于傳感器網(wǎng)絡(luò)的巨大應(yīng)用價值，它已經(jīng)引起了世界許多國家的軍事部分、工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注。美國技術(shù)評論認(rèn)為，有十種新興技術(shù)在不遠(yuǎn)的將來會產(chǎn)生巨大影響，其中第一項就是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。強調(diào)戰(zhàn)標(biāo)情報的感知能力，信息的綜合能力和信息的利用能力，設(shè)立了一系列的軍事傳感器網(wǎng)絡(luò)研究項目。并且美國海軍最近還開展了網(wǎng)狀傳感器系統(tǒng)cec的研究。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由無處不在的、具有通信與計算能力的微小傳感器節(jié)點，以多條無線通信方式構(gòu)成的自組織分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是實時監(jiān)測、感知和采集網(wǎng)絡(luò)分布域內(nèi)各種監(jiān)測對象的信息，并對這些信息進行處理，然后傳送給需要信息的用戶。無線通信與組網(wǎng)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要功能

16、，其核心內(nèi)容是通信協(xié)議，通信協(xié)議使傳感器節(jié)點相互之間能夠傳送數(shù)據(jù)，形成一個網(wǎng)絡(luò)整體，從而完成各種復(fù)雜的任務(wù)，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作的基礎(chǔ)。 到目前為止，中國計算機學(xué)會青年計算機科技論壇于2014年在北京召開了中國第一次關(guān)于無線網(wǎng)絡(luò)的專題報告會，討論了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其在中國的發(fā)展問題。在工業(yè)現(xiàn)場，由于生產(chǎn)環(huán)境惡劣，工作人員不能長時間停留在現(xiàn)場觀察設(shè)備是否運行正常，此時便需要利用無線傳輸?shù)姆绞竭M行數(shù)據(jù)采集。目前國內(nèi)對無線網(wǎng)絡(luò)模型利用的方面也非常多。比如在通信方面，手機通信、廣播通信等都是通過在各地建立信號塔的方式作為信號傳輸?shù)幕?，來中轉(zhuǎn)繼送傳送的信號。在國內(nèi)外利用的衛(wèi)星定位，同樣也是將在對地

17、球采集的信號先發(fā)送到外太空的衛(wèi)星上，再由人們通過提取想要的衛(wèi)星信號，來觀看需要的信息。并且國內(nèi)的許多研究機構(gòu)都已經(jīng)開始對無線網(wǎng)絡(luò)進行了跟蹤研究。毋庸置疑，跟蹤國外傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，并做出開創(chuàng)性的研究工作，對我們國家國防現(xiàn)代化以及實驗流體力學(xué)的發(fā)展也具有重要的意義。1.3 本課題研究的意義及其發(fā)展方向 本課題基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過搭建無線網(wǎng)絡(luò)，從移動設(shè)備中發(fā)送相關(guān)命令到終端設(shè)備中，從而控制終端的外圍設(shè)備運作。由此課題可知，其設(shè)計過程中最重要的就是利用軟件編程方式去制作應(yīng)用軟件。目前社會上軟件編程的軟件語言很多，其中python語言是一種新興軟件腳本語言，具有很大的發(fā)展前途。圖3 python

18、語言與其他軟件語言對比 無線網(wǎng)絡(luò)的搭建使得信號在傳輸過程中能夠更加自主、方便的選擇傳輸?shù)缆?，其利用?jié)點的路由屬性，可以使其在距離上的限制大大的減少，更從使用和維修方便更加方便和人性化。我們知道網(wǎng)狀的傳輸模式使得信號傳輸不受線路的制約，如若其中一條線路受到破壞，則還會有其他的線路可供傳輸選擇。這樣用戶就不會因為某個節(jié)點的損壞而耽誤正常的生活、生產(chǎn)。這種無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在中短距離傳輸過程中極其可靠，利用無線 傳感器搭建起來的網(wǎng)絡(luò)，使不用的用戶在不同的區(qū)域都可得到應(yīng)用。其終端的可移動特性使得用戶解除了固定位置的限定，哪個地方需要信息，就可以直接把傳感器放到那個地方便于接收和發(fā)送。在生產(chǎn)方面，無線傳感器不

19、像其它無線設(shè)備那樣，其具有很好的穩(wěn)定性、可維護性、可操作性。在價格方面，也是比較低廉的，對大多數(shù)使用者都是可以很好的承擔(dān)和使用的。 目前這種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在工業(yè)控制的一些場所里使用比較頻繁，但其中的價值肯定不單單于此。隨著網(wǎng)絡(luò)時代的迅速興起，網(wǎng)絡(luò)的傳輸也慢慢成為主流。在許多大樓中隨處可見許多網(wǎng)線的拉扯，若利用組成這種無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸，則利用一臺主路由器，幾臺分路由器就可以把網(wǎng)絡(luò)覆蓋整座大樓。另外，隨著無線充電的興起，利用無線網(wǎng)絡(luò)的搭建，組成無線供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，這樣家家戶戶只需安裝一個接收供電的無線模塊，則一家的供電問題就可以解決了，不必再扯拉許多類型的電線進行遠(yuǎn)距離供電了。無線網(wǎng)絡(luò)的利用肯定定不僅

20、僅于此，相信在未來，無線網(wǎng)絡(luò)傳輸將以它的靈活性、高速度的傳輸效率發(fā)揮更大的作用。1.4 論文整體結(jié)構(gòu)安排 論文闡述了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的灌溉器系統(tǒng)設(shè)計。從整體流程設(shè)計到各個模塊進行實現(xiàn)，論文介紹了系統(tǒng)的設(shè)計思想，從系統(tǒng)整體設(shè)計，到元器件選擇，再到各個模塊的實現(xiàn)，最后調(diào)試整體效果。本論文可以分為四個部分如下表：章節(jié)內(nèi)容第一部分引言：介紹無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以其國內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展意義第二部分系統(tǒng)方案設(shè)計：系統(tǒng)的實現(xiàn)方案選擇及其元器件的選擇第三部分具體模塊設(shè)計：系統(tǒng)中各個模塊的設(shè)計與實現(xiàn)第四部分調(diào)試：系統(tǒng)的調(diào)試、分析與總結(jié)表1 論文整體組織結(jié)構(gòu)圖2、 無線網(wǎng)絡(luò)灌溉系統(tǒng)的實現(xiàn)方案2.1 系統(tǒng)方案的選擇 無線傳感

21、器網(wǎng)絡(luò)灌溉系統(tǒng)是通過外部操作者發(fā)送控制指令，然后將指令通過網(wǎng)絡(luò)傳送到灌溉器實行灌溉。因此其設(shè)計方案為：方案一：利用外部機械按鍵發(fā)送信號，通過處理器接收并處理然后經(jīng)由無線傳感器組成的特定頻率的電磁波網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到控制端，控制端處理器通過解調(diào)調(diào)制過的信號再去控制抽水噴頭的運作。方案二：利用客戶端軟件發(fā)送信號，信號由節(jié)點組成的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)娇刂贫耍刂贫私邮招盘柌⒖刂乒喔绕鞯倪\作。 綜合比較，方案一需要利用外部的機械按鍵進行發(fā)送信號，其穩(wěn)定性較差。并且按鍵信號需要處理器來進行接收再經(jīng)處理器發(fā)送到無線網(wǎng)絡(luò)端，最后到達控制端。對處理器的資源利用率不高造成浪費。但其制作簡單易行，可以完成系統(tǒng)設(shè)計的基本要求。對

22、于方案二，利用客戶端軟件發(fā)送的信號，確保了信號的穩(wěn)定性，其節(jié)點的傳輸方式，使得傳輸更有針對性。而它則需要不同的地方增加節(jié)點。根據(jù)比較，系統(tǒng)選擇第二套方案實行。2.2 控制端設(shè)計方案 系統(tǒng)中控制端是用于用戶輸入控制指令信號，并將信號保存交由發(fā)送端。其作用用于識別用戶的控制指令，并轉(zhuǎn)換為有效信號作為傳輸。系統(tǒng)利用客戶端軟件完成對用戶信號的采集。同時，軟件開發(fā)要考慮對操作系統(tǒng)的，不同的操作系統(tǒng)對應(yīng)不同的應(yīng)用人群。軟件的運行對系統(tǒng)的要求也不同。因此對操作系統(tǒng)的選擇將影響整個灌溉系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。2.2.1 開發(fā)語言選擇 目前對于軟件的開發(fā)語言有很多，其中被廣泛使用的包括：java語言、c+語言、c#語

23、言、visual basic語言、python語言等。圖4 開發(fā)語言使用比例圖u java語言：java語言是一種面向?qū)ο?、跨平臺、泛型編程的軟件開發(fā)語言。其引進的虛擬機原理可以使得java語言運行于不同的開發(fā)平臺。并對程序提供了安全管理器，方式非法病毒的訪問。其分布式的結(jié)構(gòu)使得應(yīng)用起來就像操作電腦文件一樣容易。java語言的分類清晰，可以在分部環(huán)境中維護程序及其分類。u c+:c+語言是一種支持多泛型的通用編程語言，是使用最為廣泛的程序設(shè)計語言。它的面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計、過程化程序設(shè)計、泛型程序設(shè)計以及基于原則設(shè)計等多種設(shè)計風(fēng)格使得在程序設(shè)計領(lǐng)域獨占一方。出于對語言簡潔性和運行高效性方面的考慮，

24、c+的很多特性都需要以庫或者其他形式來進行提供，而并不是直接添加到語言本身里去。u python語言：python語言語法清晰而簡潔，其中它的連接作用可以很輕松的把用其它語言制作的模塊像膠水一樣連接到一起。python語言在設(shè)計上秉承了清晰化一的風(fēng)格，其設(shè)計宗旨是對于一個固定的問題，只要尋求一種最好的解決方式就可以了。更是在腳本語言的實現(xiàn)方面，達到了用法簡潔、使用高效的效果。u visual basic語言：basic語言是高階程序式的一種語言，是一種為初學(xué)者設(shè)計的程序設(shè)計語言。它在編寫完成后不需要經(jīng)由編譯和鏈接等過程操作就可以直接進行運行，但若想單獨運行時仍需要創(chuàng)建成工程文件。而在和操作系統(tǒng)

25、方面，它的語言能夠配合電腦的操作功能得以充分發(fā)揮，使得它收到廣大程序員們的喜愛。u c#語言：c#語言是一種穩(wěn)定的、優(yōu)雅的、安全的、簡單的、由c語言和c+語言衍生出來的計算機編程語言。并一起強大的操作能力、創(chuàng)新的語法特性、強大的操作能力和便捷的面向組件編程能力成為ecma與iso標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。它還為自己增加了源代碼版本定義等新特性，使得其在開發(fā)領(lǐng)域贏得了一席之地。2.2.2 操作系統(tǒng)選擇 對于軟件的開發(fā)，操作系統(tǒng)的選擇也是一個必不可少的問題，目前軟件的運行的操作系統(tǒng)大多是linux或者紅帽等軟件開發(fā)系統(tǒng)。然后現(xiàn)在用戶大多都使用的則是微軟的windows操作系統(tǒng)，因此對于操作系統(tǒng)的選擇，更需要滿足用

26、戶的需求。操作系統(tǒng)系統(tǒng)簡介或配置要求linux免費試用，自由傳播的類unix操作系統(tǒng)、多種運行平臺、嵌入式系統(tǒng)windows xp配置：cpu 233mhz、內(nèi)存 64mb、硬盤 1.5gb、顯卡 4mb顯卡windows 7畫面更加美觀，搜索和使用信息更加簡單，系統(tǒng)更加安全不易遭受攻擊windows 8使用統(tǒng)一的可擴展固件界面，支持arm架構(gòu)的系統(tǒng),支持nfc近距離通信表2 操作系統(tǒng)簡介 系統(tǒng)利用操作系統(tǒng)來運行控制端的軟件，對于操作系統(tǒng)的選擇有以下幾方面需要考慮：1 ：對于電腦本身配置的選擇，不同的電腦配置適應(yīng)不同的層次操作系統(tǒng)。2 ：對設(shè)計要求的高低，選擇出適當(dāng)類型的操作系統(tǒng)3 ：考慮用戶

27、對操作系統(tǒng)的熟練使用度，選擇使用率較高的系統(tǒng)面向用戶。2.3 通信端設(shè)計方案 系統(tǒng)的通信端是想把控制端的用戶輸入的信號，通過通信端給發(fā)送出去，由此可知，通信端包括兩部分，發(fā)送端和接收端。發(fā)送端負(fù)責(zé)發(fā)送控制端用戶輸入的信號，而接收端則接收發(fā)送端發(fā)送出來的信號。因此，通信端的兩個部分就因為是一對相互通信的設(shè)備。而現(xiàn)在目前市場上負(fù)責(zé)通信的模塊也很多，比如藍(lán)牙模塊，nrf無線模塊，無線wlan以及zigbee無線模塊等。1. 藍(lán)牙模塊簡介 無線藍(lán)牙串口模塊hc05是一種主從一體的模式，無線藍(lán)牙串口分為兩個模塊，一個是藍(lán)牙適配器，插在電腦上的。另外一個是藍(lán)牙模塊，插在處理器上的。在用法上，藍(lán)牙適配器適用

28、于所有藍(lán)牙設(shè)備和電腦進行通信，符合blutoothv2.0+edr的藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)，理論上可傳輸距離達到100米，屬于短距離通信，并且最多允許7個藍(lán)牙串口設(shè)備同時連接，支持win7、win8等通用pc機操作系統(tǒng)。 其模塊引出四個引腳分別是vcc、gnd、txd、rxd，并且從模塊的接口可以直接與各種單片機處理器相連接，在使用時，配對之后當(dāng)作全雙工串口使用，根根本不需要了解任何的藍(lán)牙協(xié)議。用法明確，操作簡單，對于剛接觸無線通信的技術(shù)員是個很好的模塊選擇。圖5 無線藍(lán)牙串口模塊2. nrf無線模塊 目前nrf無線網(wǎng)絡(luò)在很多領(lǐng)域得到了應(yīng)用，并在中短距離傳輸領(lǐng)域占據(jù)了一方之地。在當(dāng)前使用頻率上，屬nrf24

29、01和nrf905最高。其傳輸特點屬于多頻點傳輸，最多支持125個頻點，滿足多點通信和調(diào)頻通信的需要。而nrf2401模塊更是采用了穩(wěn)定過的ch340t芯片作為usb轉(zhuǎn)串口，內(nèi)置的看門狗防司機程序，完全勝任環(huán)境惡劣的工業(yè)控制現(xiàn)場的穩(wěn)定運行。 其nrf2401無線模塊支持at明了對系統(tǒng)進行相關(guān)配置，更是支持server2003、vista、win7-win8/32-64位各種操作系統(tǒng)。其與藍(lán)牙相比，可以使傳輸距離更遠(yuǎn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)操作藍(lán)牙串口10米左右的傳輸距離。圖6 nrf無線傳感器模塊3. 無線wlan模塊 無線wlan串口模塊是一種基于esp8266串口的的wifi無線傳輸模塊，其傳輸距離屬于wi

30、fi遠(yuǎn)距離傳輸類型模塊，由于其具有強于其他無線傳輸模塊的穿墻能力，使得其在無線傳輸中備受關(guān)注。無線wlan傳輸模塊的優(yōu)勢在于價格便宜、體積較小、功能強。大，其內(nèi)部跑的是lwlp協(xié)議，方便嵌入到其它產(chǎn)品中。其運行模式有三種：ap、sta、ap+sta三種模式，并且三種模式可以共同存在。無線wlan模塊使用完善簡潔高效的at指令，讓使用者更加方便、快捷。圖7 無線wlan傳輸模塊及其pcb圖4. zigbee無線傳感器模塊 zigbee技術(shù)是一種低功耗、短距離、低成本的雙向無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。zigbee聯(lián)盟開發(fā)了一種安全層，用來保證這種便攜式設(shè)備不會意外的泄露其信息，并且，這種利用網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離傳輸

31、更是不會被其他節(jié)點所獲取。每一個zigbee系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)只有僅有一個zigbee的協(xié)調(diào)器，它的作用是最開始選擇網(wǎng)絡(luò)通信的標(biāo)識，并開始這個網(wǎng)絡(luò)。然后zigbee路由開始允許其它設(shè)備加入到這個網(wǎng)絡(luò)中進行查找、建立、修復(fù)網(wǎng)絡(luò)，并負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)辛哈指令。最后zigbee的終端節(jié)點是出于網(wǎng)絡(luò)的最邊緣，主要任務(wù)是發(fā)送或者接收信息，并且它是不能轉(zhuǎn)發(fā)信息的。通常在我們用這個模塊的時候它是待機狀態(tài)，不用的時候一般都會進行相應(yīng)的休眠，以確保節(jié)能環(huán)保。圖8 zigbee無線網(wǎng)絡(luò)模塊2.4 處理端設(shè)計方案 系統(tǒng)的處理端主要負(fù)責(zé)接收用戶傳送過來的指令，并根據(jù)解析的指令去控制灌溉器進行灌溉。根據(jù)處理端需要完成的任務(wù)要求，系統(tǒng)需要在

32、這里設(shè)置一個中央處理器來完成對信號的接收和外部設(shè)備的控制。目前中央處理器的種類更是成千上萬，考慮到對芯片使用熟練度的問題，因此選擇使用課堂上老師講過的或者使用比較熟練的較為合適。這里列出51單片機和stm32單片機的對比。2.4.1 51單片機與stm32單片機的對比單片微型計算機成為單片機，是一種大規(guī)模集成電路芯片，是cpu、ram、rom、i/o接口和中斷系統(tǒng)于同一硅片的器件。隨著單片機迅速的發(fā)展，出現(xiàn)了許多高性能新型機種，已逐漸成為工廠自動化和各控制領(lǐng)域的支柱產(chǎn)業(yè)。下面介紹兩款常用的單片機-51單片機和stm32單片機。單片機類型簡介及優(yōu)缺點51單片機使用經(jīng)典的mcs-51內(nèi)核，擁有靈巧

33、的8位cpu和在系統(tǒng)可編程flash,片上集成512字節(jié)ram，用戶應(yīng)用程序空間可達到64k字節(jié)。優(yōu)點：功能齊全、抗干擾能力強、兼容性較好、網(wǎng)上的資料較多，編譯環(huán)境較為簡潔，對于初學(xué)者容易接受和使用。價格低廉。缺點：功能實現(xiàn)單一、需要增加多種外設(shè)、處理器速度較慢。stm32單片機使用arm架構(gòu)內(nèi)核，32位的core-m3處理器。最高工作頻率可達72mhz，存儲器達到128k字節(jié)的閃存和20k字節(jié)的sram,外設(shè)齊全。優(yōu)點：功能高效且齊全，擁有多種外設(shè)，處理器處理數(shù)據(jù)速度較高。缺點：指令集過多，需要使用官方庫函數(shù)。功能寄存器較多，不適合初學(xué)者學(xué)習(xí)。價格較貴。容易大材小用。表3 51單片機與stm

34、32單片機簡介2.5 灌溉器端設(shè)計方案 灌溉器端是處理器控制的外部設(shè)備，主要實現(xiàn)灌溉的目的。 圖9 灌溉器及其噴頭正如上圖所示，目前灌溉器的種類繁多，并且在大小公園、草地隨處可見各種灌溉器。社會上的灌溉器大多都是利用機械原理進行園地的灌溉。而作為系統(tǒng)而言，則更傾向于利于控制的灌溉器件。l 機械灌溉器：安裝簡單，易于控制人員操作。但只能機械轉(zhuǎn)向，純自動控制，不能人為控制其轉(zhuǎn)向。l 抽水噴水機：實質(zhì)是一個噴水電機，利用電機的運轉(zhuǎn)進行抽水噴水，價格便宜，利于控制，且可人為控制其灌溉。3、 系統(tǒng)模塊設(shè)計和功能實現(xiàn)3.1 控制端設(shè)計與實現(xiàn) 系統(tǒng)設(shè)計中，在控制端需要接收用戶的控制指令，利用客戶端軟件來完成

35、控制端的要求。根據(jù)上述各種開發(fā)語言的比較，這里系統(tǒng)選擇python語言編寫一個腳本軟件，因為它的操作簡單，控制容易，解決問題的方法比較明確，用起來較為方便，能夠滿足對系統(tǒng)控制端的需求。它主要用來打開串口，并監(jiān)測鍵盤的按鍵，同時對有效按鍵進行信息采集并發(fā)送。由于windows8的用戶量較大，且其具有兼容性好，穩(wěn)定性高的優(yōu)點，因此系統(tǒng)選擇windows8作為客戶端軟件設(shè)計的操作系統(tǒng)。3.1.1 軟件開發(fā)流程設(shè)計開始 idle(python gui)是python程序開發(fā)的基本集成開發(fā)環(huán)境，繼承了ide的功能。具有語法加亮、基本文本編輯、段落縮進、調(diào)試程序等基本功能。其強大的功能使得它非常實用，沒有

36、其內(nèi)存地址和變量內(nèi)容，都可以進行同步和其他的分析。下面是系統(tǒng)設(shè)計的軟件流程圖：失敗打開串口成功監(jiān)控按鍵信息否有效信息是串口發(fā)送出去結(jié)束圖10 串口發(fā)送軟件流程圖3.1.2 驅(qū)動的編寫 根據(jù)軟件流程圖可知首先需要一個串口，這個串口是發(fā)送模塊與pc機相連接的串口，這個軟件需要打開它，在python中可以調(diào)用serial模塊，利用serial模塊中的serial()函數(shù)進行串口的打開。其串口傳輸必須設(shè)置相同的波特率，這里我們?nèi)藶橐?guī)定所有數(shù)據(jù)傳輸都用9600mpbs來進行傳輸，數(shù)據(jù)位為8位，沒有校驗位，停止位是1位。然后我們得知道其狀態(tài)，就必須有一個狀態(tài)顯示框去顯示其是否打開成功，最后就是開始監(jiān)測用書

37、鍵盤的輸入，但是對于鍵盤的輸入并不是所有的都是有效信號，因此在這里應(yīng)該做一下過濾，把有效的信號保存，并通過write()函數(shù)發(fā)送出去。下面是軟件的界面：圖11 控制端操作界面 由控制界面可知，在這里，用戶可以輸入需要打開的com，這個com串口必須是和發(fā)送端模塊相連接的串口，不然就算打開也不會發(fā)送出去。輸入完串口號點擊open com就可以打開串口了，如果打開成功，后面的狀態(tài)欄就會顯示com串口打開成功，若是想關(guān)掉就直接點擊close com就可以了，同樣狀態(tài)指示欄會顯示當(dāng)前串口打開情況。若是狀態(tài)指示欄顯示串口打開成功，則用戶就可以按下鍵盤相應(yīng)的信號進行控制灌溉機了。下圖是幾個按鍵含義：鍵盤按

38、鍵狀態(tài)顯示操作含義wgo up打開噴水機噴頭sgo down關(guān)閉噴水機噴頭ago left向左旋轉(zhuǎn)噴頭dgo right向右旋轉(zhuǎn)噴頭escexit退出表4 鍵盤按鍵操作釋義 由操作釋義可知，當(dāng)用戶按下鍵盤“w”鍵時，灌溉器的噴頭開關(guān)就會打開，灌溉就會開始，然后“a”、“d”鍵用來控制舵機的運轉(zhuǎn)控制噴頭向左，向右轉(zhuǎn)。當(dāng)灌溉進行完畢后就可以按下“s”鍵就可以關(guān)閉灌溉器噴頭了。若是想關(guān)閉控制界面就按下鍵盤上的“esc”關(guān)閉控制界面就可以了。3.2 發(fā)送端和接收端模塊選擇與具體實現(xiàn) 根據(jù)系統(tǒng)方案的對于，zigbee模塊的通信速率低、協(xié)議簡單、成本低廉、工作頻段靈活、zigbee協(xié)議免專利費、安全性高等

39、優(yōu)點讓系統(tǒng)的設(shè)計更加實用、完美。因此無線網(wǎng)絡(luò)灌溉系統(tǒng)選用zigbee模塊作為系統(tǒng)的傳輸端模塊。圖12 zigbee最小系統(tǒng)板原理圖系統(tǒng)設(shè)計中，zigbee模塊相當(dāng)于一個串口線，用于不用處理器之間的互相通信。由zigbee工作原理可知，每個zigbee網(wǎng)絡(luò)都擁有一個協(xié)調(diào)器作為整個網(wǎng)絡(luò)的核心，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)創(chuàng)建和維護整個網(wǎng)絡(luò)，為每個加入該網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備分配一個網(wǎng)絡(luò)地址。其它節(jié)點的加入需要設(shè)置相同的波特率，相同的頻道和允許其它節(jié)點加入。對于其它加入模塊則設(shè)置成傳感器節(jié)點屬性，但也需要相同的頻道和波特率。通過配置節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)搭建，其它分節(jié)點模塊再加入，這樣就組成了zigbee網(wǎng)絡(luò)的搭建和組網(wǎng)。 利用組成的zig

40、bee網(wǎng)絡(luò)，用戶的指令就可以通過此網(wǎng)絡(luò)進行信號的傳輸，把信號從控制端通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳輸?shù)教幚矶诉M行處理，最終實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的灌溉系統(tǒng)。3.3 處理端芯片選擇與功能實現(xiàn) 根據(jù)系統(tǒng)方案的對比研究，處理端主要負(fù)責(zé)對用戶信號的的接收，并進行信號解析然后去控制外圍設(shè)備也就是灌溉器的運作。通過51單片機和stm32單片機的選擇比較，系統(tǒng)用只是利用處理端進行串口數(shù)據(jù)的處理和灌溉器的控制，因此系統(tǒng)選擇8位處理器就可以完成任務(wù)的51單片機，其功能也較齊全，價格也便宜，使用起來比較熟悉。利用stc89c52rc當(dāng)作中央處理器，其作用是把接收的信號進行解析，然后通過輸入/輸出端口發(fā)送出去控制外圍的一些設(shè)備。3.3.1

41、單片機軟硬件設(shè)計 stc89c52rc單片機最小系統(tǒng)如下圖所示，當(dāng)晶振頻率x1為4mhz的時候，電容c2和c3應(yīng)為100pf；晶振頻率x1位6mhz時，電容c2和c3應(yīng)為47pf-100pf；晶振頻率x1為12m-25mhz的時候，電容c2和c3因為47pf。并且阻容復(fù)位時，電容c1為10pf，電阻r1為10k。reset管腳內(nèi)部已經(jīng)有4k-100k的下拉電阻。圖13 單片機最小系統(tǒng)板實物圖 uvision4 ide是一款集編輯，編譯和項目管理于一身的基于窗口的軟件開發(fā)環(huán)境。uvision4集成了c語言編譯器，宏編譯，鏈接/定位，以及hex文件產(chǎn)生器。其單片機軟件流程圖如下：開始串口接收信息否

42、有效信息是轉(zhuǎn)向舵機噴水電機圖14 單片機控制軟件流程圖3.3.2 單片機驅(qū)動開發(fā)程序設(shè)計 由軟件流程圖可知，利用接收端接收到控制端發(fā)送的信號后，當(dāng)然中央處理器也必須利用相同的波特率進行數(shù)據(jù)的接收。利用中央處理器的串口收發(fā)功能接收用戶輸入的信號，再根據(jù)收到的信號進行解析，根據(jù)上述規(guī)定把相應(yīng)的信號進行處理并去控制外圍設(shè)備。這里處理器利用定時器1產(chǎn)生波特率，其波特率計算公式為：其可以得到定時器的初始值，因為我們用的波特率為9600b/s所以得到定時器1的初始值為0xfd。利用串口中斷函數(shù)實現(xiàn)接收控制端發(fā)出的信號，通過解析其信號，按照預(yù)先規(guī)定的指令功能實現(xiàn)其外圍設(shè)備的功能。 在程序中，處理器利用定時器

43、0來對外部舵機進行pwm波輸出控制，產(chǎn)生以20ms為周期的方波。則對定時器0進行重裝預(yù)定值，通過一個io口輸出此周期的波形，然后再控制其高電平的時間在0-2.5ms就可以控制其轉(zhuǎn)向。這里我們設(shè)定了三個方向如下表所示：度數(shù)占空比(ms)舵機方位90度1.5ms正中間45度1ms向右轉(zhuǎn)135度2ms向左轉(zhuǎn)表5 控制器控制舵機轉(zhuǎn)向表處理器對于灌溉電機的控制則是當(dāng)收到打開指令后便通過輸入/輸出口發(fā)出高電平指令去控制繼電器的吸合，而后通過繼電器的吸合再去驅(qū)動灌溉電機的運作。3.4 灌溉器端設(shè)計與實現(xiàn) 灌溉器端就是進行噴水灌溉，經(jīng)過系統(tǒng)的方案比較，由于機械噴頭的可操控性太差，只能不確定方位的噴水，因此系統(tǒng)

44、選用噴水頭電機作為灌溉器的主要實現(xiàn)產(chǎn)品。而利用噴水頭電機只是單純的進行噴水，想要控制其方向的畫，系統(tǒng)需要添加舵機進行噴水頭的方向控制。因此灌溉器主要包括用繼電器控制的直流噴水電機和用pwm波控制的舵機。系統(tǒng)利用中央處理器的輸入/輸出口進行控制繼電器模塊，而單片機io口的輸出電流極不穩(wěn)定，并且其驅(qū)動能力也較差，因此這里我們對繼電器模塊進行保護。對于單片機的驅(qū)動能力，我們對繼電器模塊進行單獨供電，而留出一個控制口，用來接收中央處理器的控制信號，在三端口，我們把公共端進行接到外部大電流正極端，這里我們利用7.8v的電池進行驅(qū)動灌溉電機，而常開端接到電機的正極端，常閉端則不接任何東西，灌溉電機的負(fù)極就

45、接到7.8v電池的負(fù)極，當(dāng)繼電器吸合的時候，電機的正極電流通過常開端流向噴水器，這樣就可以進行噴水灌溉了。 而控制舵機的部分，則就不需要這么麻煩了。由于舵機的三條線電源線、地線、信號線。而舵機需要周期為20ms的pwm，這里系統(tǒng)利用中央處理器中的定時器產(chǎn)生pwm波，將信號從單片機的io口輸出來，傳送到舵機的信號端，這樣就可以控制舵機了。而單片機的驅(qū)動能力本來就很弱，并且由于電信號的干擾，使得單片機產(chǎn)生的pwm波信號及其不穩(wěn)定，然而在控制的時候需要控制好其電源的供給就可以了。舵機就可以直接接在單片機的io口進行控制。因此系統(tǒng)將將噴頭的管子用膠水粘在舵機的方向轉(zhuǎn)盤上，這樣就達到了實現(xiàn)控制其方向的目

46、的。3.5 系統(tǒng)的供電模塊設(shè)計 系統(tǒng)的供電是貫穿著整個系統(tǒng)是否能正常工作的關(guān)鍵。在控制端，發(fā)送器需要利用usb串口線進行工作，而其獨立的模塊則需要一個3.3v的電壓單獨供電，因此在這里選擇了一個ttl電平轉(zhuǎn)串口的模塊進行供電和連接，因為這樣既可以供出3.3v的電壓，而且還與pc機端的地線是同一個地。具體如下：端口號功能gnd地線端rxd讀端口txd寫端口3v33.3v供電端口5v5v供電端口圖15 控制端供電模塊及其連接管腳在實現(xiàn)端，制作了一個單獨的供電模塊，用來供出不同的電壓和不同模塊之間的供地。其供電效果可以供出3.3v、5v和gnd不同的電壓來，而供電模塊的供電接口又包括，串口線、usb

47、口、圓形電源口三個接口，可以滿足不同的要求。圖16 供電模塊原理圖4、系統(tǒng)調(diào)試與分析4.1 系統(tǒng)控制端調(diào)試 在系統(tǒng)設(shè)計中，控制端決定了系統(tǒng)設(shè)計是否能正常向下進行。因此控制端的調(diào)試尤為重要?？刂贫苏{(diào)試界面如下：圖17 pc機調(diào)試界面4.2 通信端調(diào)試 在通信端，系統(tǒng)用兩塊zigbee模塊進行收發(fā)通信，當(dāng)在調(diào)試的時候先利用串口調(diào)試助手把兩塊zigbee模塊調(diào)通之后在加入單片機的中央處理器中去。實物連接圖為：圖18 實物連接圖下面是利用zigbee模塊把兩臺電腦連接起來，一端用控制界面發(fā)送字符，另一端用串口調(diào)試助手接收并顯示字符。如下圖所示：圖19 串口調(diào)試助手接收到的數(shù)據(jù)信息4.3處理器控制灌溉器調(diào)試 處理器用的是stc公司的stc89c52rc芯片，因此編譯環(huán)境是利用keil公司的keil4軟件進行編寫和軟件調(diào)試。當(dāng)控制器能夠成功發(fā)送信號到處理器端，則處理器首先就是對信號進行解析，然后通過解析出來的指令去控制灌溉器的運作。其調(diào)節(jié)實物圖如下：圖20 控制灌溉器實物圖4.4總結(jié)與分析 系統(tǒng)設(shè)計了基于無線傳感器的灌溉系統(tǒng)設(shè)計。完成