基于ZigBee及GPRS的小型风电场数据采集系统软件设计-本科毕业论文Word文件下载.doc
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本文以小型风电场的数据采集系统为课题背景,论述了ZigBee软件平台的开发过程,主要完成课题中数据采集系统软件部分设计。
首先介绍了ZigBee技术的发展现状和应用前景。
其次,介绍了TIZ-Stack的软件架构。
另外,本文还介绍了应用层任务处理函数及自定义事件。
关键词:
风电场 ZigBee技术 数据采集
SoftwareDesignofSmallWindFarmsDataCollectionSystem
BasedonZigbeeandGPRS
Abstract
Toachievethegoalofthewindfarmsitedateacquisitiontomonitorthewinfdfarm,butthetraditionalmonitoringsystemistheuseofEthernetfiber-opticcommunications.Forlargewindfarms,alongwiththeincreaseinthenumberofgeneratingunits,certainlywillincreasewiringfee,andwhenthewindpowerexpansion,toomuchcommunicationlineswillcausetheconstructionandmaintenancedifficultiesandsoonaseriesofproblems.ThispaperisbasedontheZigBeetechnologyandGPRSwirelesspacketswitchingtechnology.Bycollectingrelevantdateonsmallwindfarms,includingwindfarms,temperature,humidity,winddirection,windspeedandatmosphericpressure,itfinallyachievesthepurposeofreal-timemonitoringoftheoperaturestatusofthewindfarm.
Withthesubjectbackgroundofusingthedateacquisitionsystemforsmall-scalewindfarm,thispaperdiscussesthedevelopmentprocessoftheZigBeesoftwarepart,mainlytocompletethesoftwarepartdesignofthedataacquisitionsysteminthesubject.FirstlyitintroducesthecurrentsituationofthedevelopmentofZigBeetechnologyanditsdevelopmenttrend.Secondly,itintroducesthesoftwarearchitectureofTIZ-Stack.Inaddition,thispaperalsodescribestaskhandleroftheapplicationlayeranditscustomevents.
Keywords:
windfarm;
ZigBeetechnology;
datacollector
目 录
摘 要 I
Abstract II
第一章绪论 1
1.1概述 1
1.2ZigBee技术简介 1
1.3GPRS技术 6
1.4本文的主要工作 6
第二章系统软件总体方案设计 7
2.1系统总体方案设计 7
2.2软件编程的设计说明 8
2.2.1终端节点 8
2.2.1路由节点 8
2.2.1协调器节点 9
第三章软件系统具体实现方案 10
3.1Z-Stack协议栈 10
3.3.1系统初始化 10
3.3.2操作系统的执行 11
3.3.3Z-Stack文件结构 13
3.2应用层初始化程序 15
3.3事件处理程序 16
第四章系统调试 21
4.1IAR编译环境设置 21
4.2系统调试与结果 25
结语 27
参考文献 28
致谢 29
附录1:
应用层程序清单 30
南京工业大学本科生毕业设计(论文)
第一章绪论
1.1概述
当前,全球能源供应紧张,环境问题日益突出,风能具有储量巨大、分布广泛、清洁无污染和可再生的特点,符合人类可持续发展的要求,越来越受到世界各国和地区的广泛关注。
世界风电产业近来迅速发展,风力发电已经成为解决世界能源短缺的重要途径之一。
由于风力发电的本身条件限制,风力发电机一般在恶劣的环境下工作,在无人值守的情况下长年运行,因此要保证对其进行实时、可靠的控制。
在大型风力发电场,通常需要对几十台或上百台风力发电机进行集群控制,这就要求采用先进的控制技术和通信手段。
微机控制以其高可靠性、高性能价格比为这一实现提供了现实依据。
传统的监控系统多采用以太网光纤通讯,而对于大型风电场,随着发电机组数量的增加,势必增加布线费用,且当风电场扩充时,过多的通信线路会造成施工与维护困难等一系列问题。
因此,采用基于ZigBee无线传感器网络和GPRS技术相结合的无线监控系统,来实现各风力发电机之间的互联、各风力发电机组与监控中心的通讯是一种很好的方法。
1.2ZigBee技术简介
1、无线传感器网络
无线传感器网络(WSN)是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域[3]。
它综合了传感器、嵌入式计算、现代网络以及无线通信和分布式信息处理等技术,能够通过各类集成化的微型传感器协同完成对各种环境或监测对象的信息的实时监测、感知和采集,这些信息通过无线方式被发送,并以自组多跳的网络方式传送到用户终端,从而实现物理世界、计算世界以及人类社会这三元世界的连同。
无线传感器网络是由大量体积小、成本低。
具有无线通信、传感、数据处理能力的线感器节点组成的[2]。
在无线传感器网络中,大量传感器节点被分布在整个观测区域中,各个传感器节点讲探测的有用信息经过初步的数据处理和信息融合后传送给用户。
数据传送的过程是通过相邻的路由节点接力传送回基站,然后再以卫星通信或者有线网络连接的方式传送给终端用户。
1)传感器节点体系结构
传感器节点一般由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四个功能模块组成。
传感器模块又称数据采集模,包括传感器、A/D转换器,负责监测区域内信息的采集和数据转换;
处理器模块又称数据处理和控制模块,包括微处理器、存储器,负责控制整个传感器节点的操作,存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据;
无线通信模块通过无线收发器负责与其他传感器节点进行无线通信,交换控制信息和收发采集数据;
能量供应模块(电池、DC/AC能量转换器)为传感器节点提供运行所需的能量,通常采用微型电池。
2)无线传感器网络协议
无线传感器网络的网络体系具有二维结构,即横向的通信协议层和纵向的传感器网络管理面。
通信协议层可以划分为物理层、链路层、网络层、传输层和应用层。
网络管理面则划分为能耗管理面、移动性管理面以及任务管理面。
3)无线传感器网络拓扑结构
包括星型网、网状网和混合网。
随着数字通信和计算机技术的发展,许多短距离无线通信的要求被提出。
目前,五种短距离无线网络技术正在成为业界谈论的热点,分别是无线局域网(Wi-Fi)、超带宽通信(UWB)、近场通信(NFC)、蓝牙(Bluetooth)、红外线数据通IrDa和ZigBee。
而本系统运用的正是ZigBee无线通信技术。
2、ZigBee技术简介
ZigBee是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术。
蜜蜂在发现花丛后,会通过一种特殊的肢体语言——ZigZag行舞蹈,来告知同伴食物源位置的信息,这是蜜蜂之间传达信息的一种简单方式[1]。
借此意义ZigBee作为新一代无线通讯技术的命名。
ZigBee也被称为“HomeRFLite”、“RF-EasyLink”或“firefly”无线电技术,目前统称为ZigBee技术。
ZigBee技术可使用的频段有3个:
(1)2.4GHz的ISM频段(全球流行),可使用16个信道,最高传输速率达250kbit/s
(2)欧洲的868频段,仅可使用1个信道,最高传输速率达20kbit/s(3)美国的915频段,可使用10个信道,最高传输速率达40kbit/s。
中国采用的是2.4GHz频段,是免申请和免费使用的频率,带宽为250K。
作为一种无线通信技术,ZigBee一下主要特点:
1)数据传输速率低:
只有10K字节/秒到250K字节/秒,专注于低传输应用
2)功耗低:
在低耗电待机模式下,两节普通5号干电池可使用6个月到两年,免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。
这是ZigBee的支持者所一直引以为豪的独特优势;
3)成本低:
因为ZigBee数据传输速率低,协议简单,所以大大降低了成本,且ZigBee协议免收专利费。
4)网络容量大:
可支持节点达65000个;
每个ZigBee网络最多课支持255个设备,即每个ZigBee设备可与另外254台设备相连接;
5)时延短:
通常时延都在15毫秒至30毫米之间;
6)安全:
ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能,加密算法采用AES-128,同时可以灵活确定其安全属性;
7)有效范围小:
有效覆盖范围10—75米之间,具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定,基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境;
8)工作频段灵活:
使用的频段分别为2.4GHz、868MHz(欧洲)及915MHz(美国),均为免执照频段。
3、ZigBee协议栈
ZigBee无线传感器网络通信标准是的IEEE802.15.4,这是IEEE无线个人网络工作组的一项标准,被称作IEEE802.15.4(ZigBee)技术标准。
IEEE802.15.4包括用于低速无线个人网络的物理层和媒体接入控制层[6]。
ZigBee协议栈采用分层结构,每个层都有一套特定的服务方法和上一层连接,称为协议,每一层也为上一层提供一系列特殊的服务。
数据实体提供数据的传输服务,而管理实体提供所有的服务类型。
每个层的服务实体通过服务接入点(SPA)和上一层相接,每个SPA提供大量服务方法完成相应的操作
图1-1协议栈结构
如图1-1所示,协议栈的体系结构从上至下包括:
应用层(APL层)
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