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范文
毕业设计
学生姓名
曹从庆
学号
240803046
学院
物理与电子电气工程学院
专业
电子信息工程
题目
水产养殖水质参数测量仪的设计
指导教师
俞阿龙教授/博士
2012
年
5
月
论文原创性声明内容
本人郑重声明:
本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
本论文除引文外所有实验、数据和有关材料均是真实的。
尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。
其他同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
学位论文作者签名:
日期:
年月日
摘要:
基于水产养殖监测环境具有区域内监测点数量多、监测情况复杂等特点,本文针对传统环境监测方案遇到的布线困难、成本高等问题,设计了一种基于ZigBee协议的水产养殖监控系统。
采用低功耗低成本的CC2430芯片作为无线网络的数据处理及通讯单元,实现了对溶解氧、PH值、温度等多参数的采集、处理和显示。
该系统在IAR开发环境下编写和编译传感器节点程序,可以实现无线传感器网络采集水体参数信息及传感器节点之间的数据传输功能。
本系统结构简单,功能易扩展,网络自组织能力强,适用于工厂化水产养殖、水环境监测、智能温室等诸多领域。
关键词:
水产养殖,ZigBee,CC2430,无线传感器网络
Abstract:
Basedonthecharacteristicsthattheaquaculturemonitoringenvironmentiscomplicatedandalargenumberofpointshavetobemonitored,inordertosolvedifficultiesofwiringandreducingcostinthetraditionalenvironmentmonitoring,anaquaculturemonitoringsystembasedontheZigBeeprotocolisputforwardinthispaper.Themonitoringsystemimplementsthedataacquisition,process,displayofdissolvedoxygen,PH,temperatureandotherparameterswhichusingtheCC2430chipwithlowpowerconsumptionandlowcostasthenetworkdataprocessingandcommunicationunit.ThesensornodeprogramiswrittenandcompiledundertheIARdevelopedenvironment.Itcancollectwaterparameterinformationinthewirelesssensornetworkandtransmitthedatabetweenthesensornodes.Thesystemhasadvantagesofsimplestructure,easyfunctionexpandability,networkstrongself-organization,whichissuitableforfactory-aquaculture,waterenvironmentmonitoring,intelligentgreenhouseandotherfields.
Keywords:
Aquaculture,ZigBee,CC2430,Wirelesssensornetworks
目录
1前言4
2无线传感器网络4
2.1无线传感器网络体系结构4
2.2无线传感器网络特点5
2.3无线传感器网络的发展趋势6
3ZigBee技术简介6
3.1ZigBee的技术特点6
3.2ZigBee网络拓扑结构8
3.3ZigBee协议栈8
4系统总体方案设计10
4.1系统总体框架10
4.2无线传感网络节点设计10
4.3CC2430芯片11
4.4RS-485总线14
4.4.1RS485总线简介14
4.4.2RS485总线应用场合14
4.4.3RS485总线电气性能15
4.4.4RS485总线特点15
5系统硬件设计16
5.1数据采集单元16
5.2数据处理及通讯模块17
5.3电源模块18
6系统软件设计18
7实验测试结果及分析19
7.1系统测试结果20
7.1.1组网测试结果20
7.1.2数据传输测试结果21
结论22
参考文献23
致谢24
1前言
在我国,水污染已经成为严重的环境问题。
国家每年要花费大量的金钱人力来治理水污染,但是我们何不在源头上面就彻底断绝水体污染呢。
举其中一个例子来说明,在水产养殖的领域,水温,酸碱度,溶氧量等一些参数对水产养殖有着至关重要的影响,如何测量和控制这些参数就是我们首要关注的问题。
水产养殖对这些参数有着严格的要求,我们淮安的洪泽湖大闸蟹闻名天下,更是为淮安荣获了“中国蟹都”、“中华国蟹”、“中国洪泽湖大闸蟹美食之乡”称号,其原因就是在洪泽湖的水体溶氧量高达到6mg/L,酸碱度为7。
政府大力投入资金用于改善水质,近几年,相比其它湖泊的蓝藻大面积爆发等水体富营养化,洪泽湖水质好的优势越来越明显。
[1]
但是我们监测水体的时候如果还一味的靠人工,那将对资金和人力都是很大的考验,一般在半夜凌晨的时候,鱼类活动较迟缓,此时会发生水体缺氧酸碱度升高等问题;人工监测的话,存在很大的误差。
综上来说,仅仅依靠人工的方式,不仅投入较大,而且不太现实。
因此我们提出以ZigBee技术结合嵌入式技术来完成水体监测,在较少投入的同时提高系统的准确率。
这是很值得推广的一个好办法。
[2]
本文设计的系统采用Chipcon公司生产的无线收发芯片CC2430,可以很好的构建无线网络,无需布设任何线路,自动实现多点对多点组网,成本低廉,采集的数据可以通过液晶和监控画面实时直观的监控,可有效实现对水体环境和水产养殖中各种参数的检测。
2无线传感器网络
2.1无线传感器网络体系结构
无线传感器网络由大量高密度分布的处于被观测对象内部或周围的传感器节点组成、其节点不需要预先安装或预先决定位置,这样提高了动态随机部署于不可达或危险地域的可行性、传感器网络具有广泛的应用前景,范围涵盖医疗、军事和家庭等很多领域。
例如,传感器网络快速部署、自组织和容错特性使其在军事指挥、控制、通信、计算、智能、监测、勘测方面起到不可替代的作用;在医疗领域,传感器网络可以用来监测病人身体情况并辅助残障病人;其他商业应用还包括跟踪产品质量、监测危险地域等。
[3]
无线传感器网络拥有和传统的无线网络不同的体系结构。
一般而言,传感器节点由四部分组成:
采集单元、处理单元、通讯单元和电源单元。
它们各自负责自己的工作:
采集单元负责监测区域内的信息采集,并进行数据格式的转换,将原始的模拟信号转换成数字信号,将交流信号转换成直流信号,以供后续模块使用;处理单元又分成两部分,分别是CPU和存储器,它们分别负责处理节点的控制和数据存储的工作;通讯单元专门负责节点之间的相互通信;电源单元负责为传感器节点提供能量,一般采用微型电池供电。
2.2无线传感器网络特点
目前常见的无线网络包括移动通信网、无线局域网、蓝牙网络等,它们和无线传感器网络在通信方式、动态组网以及多跳通信等存在许多相似之处,但同时也存在很大的差别。
无线传感器网络具有许多其独有的特点:
(1)电源能量有限
传感器节点体积小,通常只能携带能量有限的电池。
由于传感器节点数目庞大,成本低廉,分布区域广,而且部署环境复杂,所以让传感器节点通过更换电池的方式来补充能源是不现实的。
如何在使用中节约能源,最大化网络的生命周期,是传感器网络面临的首要挑战。
(2)通信能量有限
传感器网络的通信带宽窄而且经常变化,通信覆盖范围只有几十到几百米。
传感器节点之间的通信断接频繁,经常容易导致通信失败。
由于传感器网络更多地受到高山、建筑物、障碍物等地势地貌以及风雨雷电等自然环境的影响,传感器可能会长时间脱离网络,离线工作。
如何在通信能力有限的条件下高质量地完成信息的处理与传输,是传感器网络面临的挑战之一。
(3)计算能力有限
传感器节点是一种微型嵌入式设备,它价格低功耗小,这些限制必然导致其处理能力比较弱,存储容量比较小。
为了完成各种任务,传感器节点需要完成数据的采集和转换、数据的管理和处理、汇聚节点的任务请求和节点控制等多种工作。
如何利用有限的计算能力和存储资源完成诸多协同任务成为传感器网络设计的挑战。
(4)网络规模大,分布广
传感器网络中的节点分布密集,数量巨大。
此外,传感器网络可以分布在很广泛的地理区域。
传感器网络的这一特点使得网络的维护十分困难甚至不可维护,因此传感器网络的软、硬件必须具有健壮性和容错性,以满足传感器网络的功能要求。
(5)自组织、动态性网络
在传感器网络应用中,节点通常被放置在没有基础结构的地方。
传感器节点的位置不能预先精确设定。
这就对传感器节点自组织能力提出了要求,节点要能够自行配置和管理,通过拓扑控制机制和网络协议自动形成转发监控数据的多跳无线网络系统。
同时,由于部分传感器节点能量耗尽或环境因素造成失效,以及经常有新节点加入,这就要求传感器网络必须具有很强的动态性,以适应网络拓扑结构的动态变化。
(6)以数据为中心的网络
传感器网络的核心是感知数据。
观察者感兴趣的是传感器产生的数据,而不是传感器本身。
因为观察者不会提出这样的查询:
“从甲地到乙地如何实现连接?
”,他们经常会提出如下的查询:
“网络覆盖区域中什么地区出现异常?
”。
在传感器网络中,传感器节点不需要地址之类的标识。
所以说传感器网络是一种以数据为中心的网络。
(7)应用相关的网络
传感器网络用来感知客观物理世界,获取物理世界的数据。
不同的传感器网络应用联系到不同的物理量,因此对传感器的应用系统也存在多种多样的要求。
不同的应用环境对传感器网络的要求都不同,其硬件支持、软件环境和网络协议必然有很大差别,在开发传感器网络应用中,应更关心不同传感器网络的差异。
针对每个具体应用来研究传感器网络技术,这是传感器网络设计不同于传统网络的显著特征。
2.3无线传感器网络的发展趋势
现代信息技术的三大支柱是传感器技术、通信技术、计算机技术。
它们的任务分别是数据的采集、传输和处理。
传感器网络将这三种技术很好地结合在一起,以实现信息的采集、传输和处理的统一。
也正因为这样,传感器网络被认为是21世纪最重要的技术之一。
就目前现状,国内有许多关于传感器网络方面的重要的研究成果,但总体上来讲还只是处于起步阶段。
传感器网络技术的发展对整个国家的社会、经济都具有重大的战略意义。
现在来说,无线传感器网络还是一个新兴的无线通信网络,可应用到我们生活的每个领域。
因此将来的无线传感器网络将是一个十分庞大产业,需要各种周边技术的支撑,目前我们所用到的各种成熟的通信技术通过一定的改进都可以用到传感器无线通信网络之中,更好地推动无线网络的发展,带动巨大的产业。
[5]
3ZigBee技术简介
3.1ZigBee的技术特点
ZigBee技术是一种具有低速率、近距离、低功耗、低成本、通信可靠、网络容量大等特点的无线网络通信技术。
是一种主要针对小型设备的无线联网和控制而制定的协议。
ZigBee拥有一套非常完整的协议层次结构。
它工作于免付费和免申请的2.4GHzISM频段,具有电池寿命长、应用简单、可靠性高及组网能力强等特点。
2.4GHz是波段为全球统一的ISM波段,目前阶段处于免费开放阶段,这有助于ZigBee技术的推广以及生产成本的降低。
868MHZ是欧洲附加的ISM频段,915MHZ是美国附加的ISM频段。
这两个频段的ZigBee设备可以有效的避开来自2.4GHz频段中其他无线通讯设备以及家用无线电的干扰,且这两个频段上的无线信号的传播损耗比较小,可以降低接收设备对灵敏度的要求,从而获得更远的有效通讯距离,可以达到用更少的设备来覆盖更多的区域的要求,在需要快速组网的领域,ZigBee具有不可替代的优势。
表3.1.1列出了几种短距离的通讯协议。
名称
ZigBee
蓝牙
NFC
Wi-Fi
UWB
传输速度
20-250kbps
1Mbps
424kbps
11-110Mbps
54-480Mbps
传输距离
10-75m
10m
20m
20-200m
40m
频段
2.4G
2.4G
13.56G
2.4G
3.1-10.6G
安全性
高
中等
极高
低
高
国际标准
802.15.4
802.15.X
______
802.11b/g/n
ISO18092
功耗
5mA
20mA
10mA
10-50mA
10-50mA
成本
2-5$
2-5$
2.5-5$
25$
20$
主要应用
无线传感
通信、IT
手机、近场通信技术
无线上网、PDA
多媒体、数字电视
表3.1.1几种常用短距离通信协议
图3.1.2ZigBee无线网络的组成结构图
基于ZigBee的无线传感器网络通常由下面几种节点设备组成:
协调器、路由器和终端设备。
网络中只有一个节点作为协调器,负责网络的组织和维护,其他节点可作为路由器和终端设备。
路由器负责网内信息的路由,终端设备是实现传感功能的节点,其中协调器和路由器还具有允许设备加入或离开网络的功能,图3.2为ZigBee无线网络的组成结构图。
3.2ZigBee网络拓扑结构
ZigBee网络由ZigBee协调器,ZigBee路由器,ZigBee终端设备组成。
ZigBee协调器是必须的,它负责管理和维护网络,主要包括网络的路由,安全性,节点的加入和离开。
ZigBee协议中定义了三种拓扑结构:
星形结构,簇形结构,网形结构。
图3.2为三种基本的ZigBee网络拓扑结构。
在簇形和网形网络中,ZigBee协调器负责启动网络并设置一些关键的参数,其网络可以通过ZigBee路由器进行扩展。
在星形网络中,网络由ZigBee协调器控制。
ZigBee协调器负责初始化并维护网络中其他设备,这些设备均作为终端设备与ZigBee协调器直接通信。
[6]
图3.2三种基本的ZigBee网络拓扑结构
3.3ZigBee协议栈
ZigBee协议栈结构是基于标准OSI七层模型的,包括高层应用规范、应用汇聚层、网络层、媒体接入层和物理层,其结构如下图所示。
图3.3ZigBee协议栈
IEEE802.15.4定义了两个物理层标准,分别是2.4GHz物理层和868/915MHz物理层。
两者均基于直接序列扩频(DirectSequenceSpreadSpectrum,DSSS)技术。
868MHz只有一个信道,传输速率为20kb/s;902MHz~928MHZ频段有10个信道,信道间隔为2MHz,传输速率为40kb/s。
以上这两个频段都采用BPSK调制。
2.4GHz~2.4835GHz频段有16个信道,信道间隔为5MHz,能够提供250kb/s的传输速率,采用O-QPSK调制。
为了提高传输数据的可靠性,IEEE802.15.4定义的媒体接入控制(MAC)层采用了CSMA-CA和时隙CSMA-CA信道接入方式和完全握手协议。
应用汇聚层主要负责把不同的应用映射到ZigBee网络上,主要包括安全与鉴权、多个业务数据流的会聚、设备发现和业务发现。
4系统总体方案设计
4.1系统总体框架
图4.1水产养殖系统框架图
在实际水产养殖中,可能出现的水塘数目很多,我们在每个水塘中都放置大量的传感器,传感器负责接收水塘之中所有数据。
所有传感器数据通过ZigBee无线传感器网络汇聚到一个节点,再由这个汇聚节点通过RS485总线送到现场监控中心,由现场监控人员对其接收到数据分析,再发出调整命令,以达到智能监测的目的。
4.2无线传感网络节点设计
如图4.2所示,传感器节点一般由数据采集单元,数据处理单元,通讯单元即射频模块和电源单元分组成。
本系统数据采集单元由若干个参数传感器组成,数据处理单元和通讯单元我们采用CC2430芯片来完成。
在数据采集单元中的传感器将采集到的水温、PH值、溶氧量等参数进行初步处理之后,这些参数将经过CC2430芯片中的模数转换器转换为数字信号,所得到的信号通过单片机处理后再经过射频模块发射出去。
图4.2无线传感器网络节点图
4.3CC2430芯片
在该系统中,我们选用CHIPCON公司推出的符合IEEE802.15.4标准的片上系统芯片CC2430,它支持2.4GHzIEEE802.15.4的ZigBee协议。
CC2430内含有模数转换器ADC,一片8位8051微控制器,ZigBee射频收发模块,它是一个完整的系统级芯片。
只要外接简单的外围器件和天线便可以在2.4GHz上很好的工作,性能稳定而且功耗很低,可以实现多点对多点的快速组网。
CC2430内部结构如图4.3.1。
图4.3.1CC2430内部结构
CC2430芯片的主要特点如下:
●高性能、低功耗的8051微控制器内核;
●适应2.4GHzIEEE802.15.4的RF收发器;
●极高的接收灵敏度和抗干扰性能;
●32/64/128KB闪存;
●8KBSRAM,具备在各种供电方式下的数据保持能力;
●强大的DMA功能;
●只需极少的外接元件;
●只需一个晶体,即可满足组网需要;电流消耗小;
●掉电方式下,电流消耗只有0.9uA,外部中断或者实时钟(RTC)能唤醒系统;
●挂起方式下,电流消耗小于0.6uA,外部中断能唤醒系统;
●硬件支持避免冲突的载波侦听多路存取(CSMA/CA);
●电源电压范围宽(2.0~3.6V);
●支持数字化的接收信号强度指示器/链路质量指示(RSSI/LQI);
●电池监视器和温度传感器;
●具有8路输入8~14位ADC;
●高级加密标准(AES)协处理器;
●2个支持多种串行通信协议的USART;
●看门狗;
●1个IEEE802.15.4媒体存取控制(MAC)定时器;1个通用的16位和2个8位定时器;
●支持硬件调试;
●21个通用I/0引脚,其中2个具有20mA的电流吸收或电流供给能力;
●提供强大、灵活的开发工具;
●小尺寸QLP48封装,7mm×7mm。
CC2430芯片采用7mm×7mmQLP封装,共有48个引脚。
全部引脚可分为I/O端口线引脚、电源线引脚和控制线引脚三类。
CC2430引脚如图4.3.2所示。
图4.3.2CC2430引脚
图
1)I/O口有下面的关键特性:
(1)可设置为通常的I/O口,也可设置为外围I/O口使用。
(2)在输入时有上拉和下拉能力。
(3)全部21个数字I/O口引脚都具有响应外部的中断能力。
如果需要外部设备,可对I/O
口引脚产生中断,同时外部的中断事件也能被用来唤醒休眠模式。
1~6脚(P1_2~P1_7):
具有4mA输出驱动能力。
8~9脚(P1_0~P1_1):
具有20mA的驱动能力。
11~18脚(P0_0~P0_7):
具有4mA输出驱动能力。
43,44,45,46,48脚(P2_4,P2_3,P2_2,P2_1,P2_0):
具有4mA输出驱动能力。
2)电源线引脚功能
7脚(DVDD):
为I/O提供2.0~3.6V工作电压。
20脚(AVDD_SOC):
为模拟电路连接2.0~3.6V的电压。
23脚(AVDD_RREG):
为模拟电路连接2.0~3.6V的电压。
24脚(RREG_OUT):
为25,27~31,35~40引脚端口提供1.8V的稳定电压。
25脚(AVDD_IF1):
为接收器波段滤波器、模拟测试模块和VGA的第一部分电路提供1.8V电压。
27脚(AVDD_CHP):
为环状滤波器的第一部分电路和充电泵提供1.8V电压。
28脚(VCO_GUARD):
VCO屏蔽电路的报警连接端口。
29脚(AVDD_VCO):
为VCO和PLL环滤波器最后部分电路提供1.8V电压。
30脚(AVDD_PRE):
为预定标器、Div2和LO缓冲器提供1.8V的电压。
31脚(AVDD_RF1):
为LNA、前置偏置电路和PA提供1.8V的电压。
33脚(TXRX_SWITCH):
为PA提供调整电压。
35脚(AVDD_SW):
为LNA/PA交换电路提供1.8V电压。
36脚(AVDD_RF2):
为接收和发射混频器提供1.8V电压。
37脚(AVDD_IF2):
为低通滤波器和VGA的最后部分电路提供1.8V电压。
38脚(AVDD_ADC):
为ADC和DAC的模拟电路部分提供1.8V电压。
39脚(DVDD_ADC):
为ADC的数字电路部分提供1.8V电压。
40脚(AVDD_DGUARD):
为隔离数字噪声电路连接电压。
41脚(AVDD_DREG):
向电压调节器核心提供2.0~3.6V电压。
42脚(DCOUPL):
提供1.8V的去耦电压,此电压不为外电路所使用。
47脚(DVDD):
为I/O端口提供2.0~3.6V的电压。
3)控制线引脚功能
10脚(RESET_N):
复位引脚,低电平有效。
19脚(XOSC_Q2):
32MHz的晶振引脚2。
21脚(XOSC_Q1):
32MHz的晶振引脚1,或外部时钟输入引脚。
22脚(RBIAS1):
为参考电流提供精确的偏置电阻。
26脚(RBIAS2):
提供精确电阻,43kΩ,±1%。
32脚(RF_P):
在RX期间向LNA输入正向射频信号;在TX期间接收来自PA的输入正向射频信号。
34脚(RF_N):
在RX期间向LNA输入负向射频信号;在TX期间接收来自PA的输入负向射频信号。
43脚(P2_4/XOSC_Q2):
32.768kHzXOSC的2.3端口。
44脚(P2_4/XOSC_Q1):
32.768kHzXOSC的2.4端口。
[8]
4.4RS-485总线
4.4.1RS485总线简介
RS-485标准是由EIA—电子工业协会和TIA—通讯工业协会共同制订和开发的。
EIA协会曾经在它所有标准前面加上RS前缀(RecommendedStandard的缩写)。
这种名称被许多工程师一直延用。
4.4.2RS485总线应用场合
RS-485总线作为一种多点差分数据传输的电气规范,已成为行业内应用最为广泛的标准通信接口之一。
这种通信接口允许在一对双绞线上进行多点双向通信,它所具有的噪声抑制能力、数据传输速率、电缆长度及可靠性是其他标准无法比拟的。
也正因为此,许多领域都采用RS-485总线进行数据传输。
例如:
汽车电子、局域
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