基于物联网的信息采集系统智能灌溉演示统Word格式文档下载.docx
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4.2灌溉测控系统模块设计20
4.3RFD节点的硬件设计23
4.4GPRS数据终端硬件模块设计24
4.5灌溉自动控制模块设计26
第5章软件设计与实现27
5.1软件设计27
5.2RFD节点软件工作流程28
5.3协调器软件设计29
5.4无线测温系统的软件设计29
5.5协调器和RFD节点通信软件设计30
5.6GPRS程序设计30
5.7终端服务器管理平台的设计33
参考文献34
附录35
附录1:
数据采集主程序部分35
附录2:
协调器程序清单39
致谢44
摘要
本文设计出一种基于ZigBee智能无线传感网络的系统,来监测土壤的水分、温度、PH值等各影响农作物生长的元素,实现节水灌溉高效率灌溉的自动化实施。
设计完成了通过实时采集土壤温度、湿度,PH数据,由信息分析和处理系统自动控制节水灌溉系统来实现节水灌溉技术的智能化和自动化。
这种实现在现行节水灌溉系统中是一种新的思想。
系统以ZigBee无线技术为核心,结合自动化技术、GPRS技术、Internet和节水灌溉技术。
本文主要阐述了智能无线传感器网络技术的节水灌溉系统的总体设计思路,ZigBee技术分析、技术特征、网络架构、通讯协议、智能灌溉系统的硬件功能部件构成,研究了ZigBee传感器节点的关键技术,以及硬件系统的实现过程。
论述了传感器的节点软件结构,介绍了节水灌溉自动控制系统的过程;
阐述了节点应用程序,GPRS、Internet远程监控应用程序的软件平台建立,开发环境,程序的开发流程,以及系统应用软件的开发过程。
无线传感器节点的硬件设计以及数据管理系统的组成。
其中通讯协议采用基于IEEE802。
15.4的ZigBee协议,整个系统的实现为无线传感器网络在水利信息系统的应用提供了实践依据。
重点介绍了运用系统工程与软件工程自顶向下的设计方法,设计并实现不同规模形式下的节水灌溉系统软件设计:
实现智能节水灌溉控制中对阀门执行机构控制方式设计;
远程监测系统部分软件结构设计及利用通信网络实现数据监测及控制的协议设计的实现;
系统控制监测中心的软件设计实现。
以及智能灌溉系统的网络设计,对智能灌溉系统网络系统通信过程,网络拓扑结构进行分析,研究了ZigBee监测及控制的王作流程,最后是对论文工作的总结和今后展望。
关键词:
ZigBee;
智能灌溉;
自动化;
第1章背景和意义
a.意义
水资源是人类赖以生存的基础性资源,我国虽然水资源的总量居世界第6位,但人均占有量只有2500m3,约为世界人均水量的1/4,属于全球贫水国家之一。
一方面水资源十分紧缺。
另一方面农业用水浪费又十分严重,就全国范围而言,水资源的利用率仅为45%,而水资源利用率高的国家已达70%到80%,由于农
业灌溉用水的利用率低下,因此,提高节水灌溉的利用率,对于解决我国农业灌
溉用水,缓解水资源的紧缺非常重要。
我国的节水灌溉技术,在经过近几十年的快速发展,在总结相关成果的基础上,初步形成了其技术体系,在某些方面已达到或接近国际先进水平。
但由于受我国经济发展水平及科研体制的限制,我国的节水灌溉技术与发达国家还有很大的差距。
随着我国水资源供需矛盾日益尖锐,农业用水分配额减少的问题势必日益突出,同时为了缓解我国水资源短缺对我国农业发展的压力,如何快速发展我国的节水灌溉技术及其配套设备,从而缓解我国农业用水压力已经成为一个不容忽视的严峻问题。
信息化是当今经济和社会发展的大趋势,深入开发广泛利用信息化,全面提升水资源利用效率意义重大,本系统的研究就是应用基于ZigBee无线传感器网络技术,实现了节水灌溉管理自动化控制的信息系统。
在灌溉系统中,合理地推广自动化控制,不仅可以提高水资源的利用率,缓解水资源日趋紧张的矛盾,还可以增加农作物的产量,降低农产品的生产成本。
灌溉系统自动化的水平较低,是制约我国高效农业发展的主要原因。
以色列、日
本、美国等一些国家已经采用了先进的节水灌溉系统,使传统灌溉向自动化和高
智能化的灌溉方向发展,对灌溉区域用水进行监测预报,实行动态管理采用传感器来监测土壤的墒情和农作物的生长,实现灌溉管理的自动化。
高效农业和精准农业要求我们必须提高水资源的利用率。
要真正实现水资源的高效利用,仅凭单项节水灌溉技术是不可能解决的,必须将水源开发、输配水、灌水技术和降雨、蒸发、土壤墒情和农作物需水规律等方面统一考虑,做到降雨、灌溉水、土壤水和地下水联合调用,实现按期、按需、按量自动供水。
b.背景
随着全球性水资源供需矛盾的日益加剧,世界各国,特别是发达国家都把发
展节水灌溉高效农业作为现代农业可持续发展的重要措施。
发达国家在农业生产
实践中,把提高灌溉水的利用率、单方水的利用效率、水资源再生利用率作为研
究重点和主要目标。
在研究节水灌溉农业基础理论的基础上,将生物、信息、计
算机、高分子材料等高新技术与传统的农业节水灌溉技术相结合,提升节水灌溉
农业技术的高科技含量,建立适合各自国情的节水灌溉农业技术体系,加快由传
统的粗放农业向现代化的精准农业转型的进程。
近年来,发达国家十分重视节水灌溉技术的研究和应用。
在田间灌水技术中能够做到对作物进行精量灌溉。
美国、以色列、澳大利亚等国家特别重视对灌溉系统的配套性、可靠性和先进性的研究,将计算机模拟技术、自控技术相结合开发高水力性能的灌溉系统。
目前,我国在一些地方应用了从国外引进的农业节水灌溉监控系统,对于灌溉水平的提高和节约水资源起到了一定的积极作用,但由于系统成本过高、参数标定不完整、缺乏相对应的高级决策功能、系统维护和更新难以保证等众多的问题限制了农业节水灌溉监控系统的使用和大面积推广,有些从国外巨资引进的“洋系统’’甚至出现了“水土不服"
的状况。
针对目前的现状,开发基于ZigBee的智能节水灌溉系统,对提升节水灌溉农业技术的高科技含量,建立适合我国国情的节水灌溉农业技术体系,加快由传统的粗放农业向现代化的精准农业转型的进程。
开发和研制具有自主知识产权、适应性强、兼容性好、成本低、性能稳定、具有高级决策功能的节水灌溉自动控制管理决策支持系统,为加快我国精确农业发展的步伐显得尤为重要和迫切。
第2章ZigBee技术综述
2.1ZigBee简介
a.Zigbee技术起源
各种网络终端的出现、工业控制自动化和农业自动化控制等都迫切需要一种具备低成本、近距离、低功耗、组网能力强等优点的无线互联标准,随着通信技术的快速发展,在无线通信领域,短距离无线通信技术已经成为通信技术中的热点。
在这样的背景下ZigBee技术就应运而生。
ZigBee一词源自蜜蜂通过跳ZigZag形舞蹈来告知同伴发现了新食物源的位
置、距离和方向等信息,达到交换信息的目的。
蜜蜂通过这样一种简捷的方式实
现了“无线’’的信息沟通。
人们借此寓意称呼一种专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近程无线网络通信技术。
低速率,低功耗,短距离的通信网络技术有着重要的应用,在很多领域发挥了不可忽视的作用。
比如对于距离很近的用户之间需要小量的数据通信,并要求实时传送,如果采用经过基站,服务器等设备的方式进行通信,通信的速率固然能得到保障,但是用户的终端及设备功耗和通信成本也必然会增加。
另外,在不易更换电源的应用场合,低功耗的通信技术有着明显的优势,因为高速率,大带宽的通信技术往往意味着需要复杂的设备,很大的功耗。
ZigBee技术作为LR.WPAN(低速率无线个域网)中的一种技术,凭借着自身拥有很多技术上的优势,如:
低功耗,低成本,低复杂度等特点。
鉴于ZigBee技术的特点,使得它在很多无线控制领域有着广泛的应用。
而且发展的潜力也是非常巨大的,越来越受到人们的极大关注。
ZigBee无线传感器网络是一种无中心全分布系统,具有节点体积小,重量轻,灵活的优点,有着广泛的应用,而ZigBee技术与无线传感器网络的结合使它的技术优势进一步突显。
相对于现有的各种无线通信技术,ZigBee技术将是最低功耗和成本的技术。
所以ZigBee联盟预测的主要应用领域包括工业控制、消费性电子设备、汽车自动化、农业自动化和医用设备控制等。
b.ZigBee的定义
ZigBee技术是由ZigBee联盟(ZigBeeAlliance)提出的一种简单有效的无
线控制方式,ZigBee联盟的最终目标是制订一个可靠,高性价比,低功耗的无
线监控网络全球性公开标准。
2001年8月ZigBee联盟成立。
2002年下半年,英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司四大巨头公司共同宣布,它们将加盟“ZigBee联盟"
,以研发名为“ZigBee"
的下一代无线通信标准,这一事件成为ZigBee技术发展过程中的里程碑。
到目前为止,除了Invensys、三菱电子、摩托罗拉和飞利浦等国际知名的大公司外,该联盟大约已有80多家成员企业,并在迅速发展壮大。
其中涵盖了半导体生产商、IP服务提供商、消费类电子厂商及OME商等领域,例如Honewyell、Eaton和InvensysMeteringSystems等工业控制和家用自动化公司都参/JnT负责开发ZigBee物理和媒体控制层技术标准的IEEE802.15.4工作组。
IEEE802.15.4工作组定义了一种供廉价的固定,便携或移动设备使用的低复杂度,低成本和低功耗的低速率无线连接技术,其商业名称为ZigBee。
ZigBee过去又称为“HomeRFLite"
、“RF—EasyLink”或“FireFly”无线电技术,目前统一称为ZigBee技术。
2.2ZigBee技术分析
ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双
向无线通信技术,主要适合于自动控制和远程控制领域,可将ZigBee嵌入各种
设备中,同时支持地理定位功能。
相对于现有的各种无线通信技术,ZigBee技
术将是最低功耗和成本的技术。
低功耗、实现简单。
设备可以在使用电池驱动下,运行数月甚至数年,低功耗意味着较高的可靠性和可维护性。
ZigBee设备可以简化内部自动可配置和减少网络设备的冗余,提供了较低的维护费用。
单个网络中可容纳更高密度的节点。
ZigBee通过使用IEEE802.15.4标准的PHY和MAC层支持几乎任意数目的设备数目,这一点对于大规模传感器阵列和控制尤其重要。
弟2币ZigBee技术练述协议简单,国际通用。
ZigBee协议栈平均不到Bluetooth或其他IEEE802.11的1/4,这种简化对低成本、可交互性和可维护性非常重要。
IEEE802.15.4的PHY层的使用可以支持欧洲的868MHz的频段、全球美洲和澳洲的915MHz的频段和现在已经被广泛使用的2.4GHz的频段,这使得该协议具有旺盛的生命力。
ZigBee是为低速率控制网络设计的标准无线网络协议。
ZigBee协议的一些应用包括建筑自动化网络、建筑安防系统、工业控制网络、远程抄表以及PC外设。
与其他无线协议相比,ZigBee无线协议提供了低复杂性、缩减的资源要求,最重要的是它提供了一组标准的规范,并提供了三个工作频带,以及一些网络配
置和可选的安全功能。
a.ZigBee技术的主要特征
ZigBee技术特征主要包括以下几个部分:
(1)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2
年以上,这也是ZigBee独特的优势;
(2)数据传输速率低:
只有868MHz.20Kbit/s;
915MHz.40Kbit/s;
2.4GHz.
250Kbit/s,专注于低传输应用。
(3)成本低:
ZigBee数据传输速率低,协议简单,大大降低了成本,应用
于主机端的芯片成本和其它终端产品的成本比其它无线技术更具有价格竞争力。
(4)可靠:
采用了碰撞避免机制,同时为需要固定带宽的通信业务预留了专
用时隙,避免了发送数据时的竞争和冲突;
节点模块之间具有自动动态组网的功
能,信息在整个ZigBee网络中通过自动路由的方式进行传输,从而保证了信息
传输的可靠性。
(5)时延短:
针对时延敏感的应用做了优化,通信时从休眠状态激活的时延
都非常短。
(6)网络容量大:
每个ZigBee网络最多可支持255个设备,即每个ZigBee
设备可以与另外256台设备相连接。
(7)有效范围小:
有效覆盖范围10---20M,具体根据实际发射功率大小和
各种不同的应用模式而定,基本上能覆盖普通家庭或办公室环境。
(8)工作频段灵活:
使用的频段分别为2H6=IJK、L:
L=MJK(欧洲)及
N450MJK(美国),均为免执照频段。
(9)安全:
ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能,加密算法采用通用
的AES.128。
高保密性:
64位出厂编号和支持AES.128加密。
此外,ZigBee作为一种无线连接,可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz
(欧洲流行)和915MHz(美国流行)3个频段上,分别具有最高至250kbit/20
kbit/s、40kbit/s的传输速率,它的传输距离为每个网络节点间的距离可以从标准的75m,可以继续增加到扩展后的几百米,甚至几公里,依据发射功率的大小和应用模式而定,l台ZigBee设备可以连接多达254个同类的设备。
此外,由于ZigBee具备高链接数与低耗电的特性,在感应式网络(SensorNetwork)上使用,
具有相当大的优势,例如作业温度测量、水电煤气计量数据记录、保卫防护的监
控等方面,厂商无需经常更换电池或布建供电网络,即可方便地取得所需的信息。
b.ZigBee协议概述
ZigBee协议使用IEEE802.15.4规范作为介质访问层(MAC)和物理层(PHY)。
IEEE802.15.4总共定义了3个频带:
2.4GHz、915MHz和868MHz。
每个频带提供固定数量的信道。
例如,2.4GHz频带有16个信道(信道11--26)、915MHz频带提供lO个信道(信道l一10)而868MHz频带提供1个信道(信道0)。
协议的比特率由所选择的工作频率决定。
2.4GHz频带提供的数据速率为250kpbs,915MHz频带提供的数据速率为20kbps。
由于数据包开销和处理延迟,实际的数据吞吐量会小于规定的比特率。
IEEE802.15.4MAC数据包的最大长度为127字节。
每个数据包都由头字节和16位CRC值组成。
16位CRC值验证帧的完整性。
此外,IEEE802.15.4还可以选择使用应答数据传输机制。
使用这种方法,所有特殊ACK标志位置1的帧
均会被它们的接收器应答。
这就可以确定帧实际上已经被传递了。
如果发送帧的
时候置位了ACK标志位而且在一定的超时期限内没有收到应答,发送器将重复进行固定次数的发送,如仍无应答就宣布发生错误。
注意接收到应答仅仅表示帧被MAC层正确接收,而不表示帧被正确处理,这是非常重要的。
接收节点的MAC层可能正确地接收并应答了一个帧,但是由于缺乏处理资源,该帧可能被上层丢弃。
因此,很多上层和应用程序要求其他的应答响应。
2.3基于ZigBee的无线传感器网络
a.无线传感器网络
无线传感器网络是指在特定应用环境中,由布置在监测区域内大量的传感器
节点以无线通信方式组织成网络,传感器节点完成指定的数据采集工作,节点通
过无线传感器网络将数据发送到网络中,并最终由特定的应用接收。
传感器节
点集成传感器件、数据处理单元和通信模块,并通过自组织的方式构成网络。
借
助于传感器节点中内置的形式多样的传感器件,可以测量所在周边环境的温度、
湿度、噪声、光强度、压力、土壤成份、移动物体的大小、速度和方向等等众多
的物质现象。
无线传感器网络是一种全新的信息获取和信息处理模式。
分布在监测区域内大量的传感器节点,可以协作地感知,采集和处理网络覆盖区域里被监测对象的信息,并且发送给观察者。
它是一种无中心全分布系统,节点采用随机投放方式,可以实时感知四周物理世界的变化,能够使人们在任何时间任何地点任何环境条件下获得大量翔实的信息。
这些节点体积小,重量轻,有的甚至可以像灰尘一样在空气中浮动,这样使得无线传感器网络的应用范围很广。
在军事方面,利用它能够对敌军的地形,兵力部署,武器装备等进行侦察;
在环境应用上,监视农作物,土壤,空气等的变更,珍稀野生动物的跟踪用来对濒危动物种群进行研究。
无线传感器网络的节点之间有良好的协作能力,并且具有自组织能力,由于节点数量庞大,部分节点可能因为能量耗尽而死亡或者发生故障而失效,但同时可能又有新的节点会加入网络,所以要求网络系统必须能够适应拓扑变化。
无线传感器网络在某些方面和无线自组织网(Ad—Hoc)有很多相似之处,但是无
线自组织网以传输数据为目的,而无线网以数据为中心,即它不关心具体某个节
点上的数据是什么,只会关心某个区域的某个观测数据,当然这也就要求这一区
域的节点有良好的协作能力,能够分布地进行数据处理数据融合等。
综上所述,我们可以看到,鉴于无线传感器网络数据传输特点(突发性的小量数据),节点分布的特点(节点复杂度低,体积小,重量轻,成本低,能对数据进行较为灵活的分布式处理,灵活的组网方式),另外各节点的能耗也应尽可能低,因为实际应用中,节点一般靠电池供电,而频繁地更换电池是人们所不希望的,也是不现实的,因此ZigBee技术更适合于构建无线传感器网络。
b.基于ZigBee芯片的无线传感器网
基于ZigBee芯片构建的无线传感器网是由一组ZigBee节点以AdHoc方式构成的无线网络,其目的是协作地感知、采集和处理网络覆盖的地理区域中感知对象的信息,并发布给观察者传感器、感知对象和观察者,它们是传感器网络的三个基本要素;
传感器与观察者之间的通信方式是无线,用于在传感器与观察者之间建立通信路径;
协作地感知、采集、处理、发布感知信息是传感器网络的基本功能。
一组功能有限的传感器协作地完成大的感知任务是传感器网络的重要特点,传感器网络中的部分或全部节点可以移动,传感器网络的拓扑结构也会随着节点的移动而不断地动态变化。
节点间以AdHoc方式进行通信。
每个节点都可以充当路由器的角色,并且每个节点都具备动态搜索、定位和恢复连接的能力。
基于ZigBee芯片构建的无线传感器网可以利用GSM(全球移动通信系统)网络、CDMA(码分多址)网络、以太网等来实现数据的传输与控制。
网络可以采用星形或者混合型拓扑和需求时唤醒ZigBee模块的通信方式,有效降低每个ZigBee传感器节点的功耗,减少传感器节点向汇节点上报数据时相互碰撞的概率。
中央控制中心通过网络与多个汇节点连接,汇节点和传感器节点之间通过ZigBee技术实现无线的信息交换,带有射频收发器的无线传感器节点负责对数据的感知和处理并传送给汇节点;
控制中心通过网络获取采集到的相关信息,实现对现场的有效控制和管理。
分布在传感器网络中的汇节点主要用于接收传感器节点的数据上报,并将其进行融合处理,传给无线通信数据传输模块,通过网络传递给中央信息控制中心。
c.ZigBee网络配置
ZigBee无线网络可采用多种类型的配置。
星型网络配置由一个协调器节点(主设备)和一个或多个终端设备(从设备)组成。
协调器是实现了一组很多ZigBec服务的一种特殊的全功能设备(FFD)。
终端设备可能是FFD或简化功能设备(RFD)。
RFD是最小而且最简单的ZigBee节点。
它只实现了一组最小的ZigBee服务。
在星型网络中,所有的终端设备都只与协调器通信。
如果某个终端设备需要传输数据到另一个终端设备,它会把数据发送给协调器,然后协调器依次将数据转发到目标接收器终端设备。
群集网络配置也是ZigBee使用的一种网络配置结构。
在群集网络中,终端设备既可以选择和协调器通信,也可以和路由器(Router)通信。
路由器有两个功能;
一是增加网络中的节点数量,二是扩大网络的物理范围。
有了路由器后,终端设各就不必安装在协调器的有效射频范围内。
和任何网络一样,ZigBee网络也是多点接入网络,这意味着网络中的所有节点对通信介质的访问是同等的。
有两种类型的多点接入机制。
在没有使能信标的网络中,只有信道是空闲的,在任何时候都允许所有节点发送。
在使能了信标的网络中,仅允许节点在预定义的时隙内进行发送。
协调器会定期以一个标知为信标帧的超级帧开始发送,并且希望网络中的所有节点与此帧同步。
在这个超级帧中为每个节点分配了一个特定的时隙,在该时隙内允许节点发送和接收数据。
超级帧可能还含有一个公共时隙,在此时隙内所有节点竞争接入信道。
d.zigBee网络数据传输机制
传输数据到终端设备和从终端设备传输数据的确切机制随网络类型的不同而有所不同。
在无信标的星型网络中,当终端设备想要发送数据帧时,它只需等待信道变为空闲。
在检测到空闲信道条件时,它将帧发送到协调器。
如果协调器如果协调器想要将此数据发送到终端设备,它会将数据帧保存在其发送缓冲器中,直到目标终端设备明确地来查询该数据为止。
此方法确保终端设备的接收器是被开启的,而且可从协调器接收数据。
在点对点网络中,每个节点必须一直保持它们的接收器为开启状态或者同意在一个时间段内开启它们的接收器。
这将允许节点发送数据帧并确保数据帧会被其它节点接收。
2.4ZigBee的协议栈和网络拓扑结构
a.ZigBee的协议栈
ZigBee协议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和物
理层组成,ZigBee的协议结构如图2-4所示,由高层应用规范、会聚层、网络层、
数据链路层和物理层组成126]。
IEEE802.15.4工作组主要负责制定物理层和MAC层协议,其余协议主要参照和采用现有的传统无线技术的标准。
ZigBee的协议结构
物理层。
IEEE802.15.4定义了2.4GHZ和868/915MHz两个物理层,它
们基于直接序列扩频数据包格式,两者的区别在于工作频率、调制技术、扩频码
片长度和传输速率。
无线信号传播损耗较小,可降低对接收机灵敏度的要求,获
得较远的通信距离,即可用较少的设备覆盖较大的区域。
MAC层。
IEEE802系列标准将数据链路层分成逻辑链路控制和媒介接入控制两个子层。
其中,LLC子层在IEEE802.6中定义,为IEEE802标准系列共用,而MAC子层协议依赖于各自的物理层。
通过SSCS业务相关会聚子层协议承载IEEE802.2类型的LLC标准,且允许其他LLC标准直接使用IEEE802.15.4MAC层的服务。
ZigBee采用了简单灵活的协议,数据发送时采用载波侦听多址冲突(CSMA/CD)的信道接入方式和完全握手协议。
其帧有4种类型:
数据帧、标志帧、命令帧和确认帧。
b.ZigBee的网络拓扑结构
ZigBee支持通信设备的网络拓扑结构主要有三种,即星型网、网状(mesh)
网和混合网。
其中,星形网络是一种常用且适用于长期运行使用操作的网络;
Mesh网络是一种高可靠性检测网络,它通过无线网络连接可提供多个数据通信
通道,即它是一个高级别的冗余性网络,一
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