毕业设计（论文）-无线控制演示系统.doc

毕业设计（论文）开题报告（含文献综述、外文翻译）题 目 无线控制演示系统姓 名 学 号 专业班级 自动化0703 所在学院 信息与电气工程学院 指导教师（职称） 二一 年 十一 月 十 日32毕业设计（论文）开 题 报 告（包括选题的意义、可行性分析、研究的内容、研究方法、拟解决的关键问题、预期结果、研究进度计划等）浙江大学城市学院毕业论文开题报告1. 选题的背景和意义1.1 选题的背景近年以来，通信技术快速发展，短距离无线通信技术已经成为通信技术中的一大热点。各种网络终端的出现、工业控制的自动化和家庭的智能化等迫切需要一种具备低成本、低距离、低功耗和组网能力强等优点的无线互连标准。其中随着各种便携式个人通信设备与家用电器设备的增加，人们享受蜂窝移动通信系统带来的便利的同时，对短距离的无线与移动通信又提出了新的需求，使得短距离无线通信异军突起，包括无线局域网(wlan)、蓝牙(bluetooth)技术、无线保真(wifi)、超宽带(uwb)以及zigbee技术等各种热点技术相继出现，均展现出各自巨大的应用潜力。zigbee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。zigbee作为一种新兴的短距离无线通信技术，正有力地推动着低速率无线个人区域网络lrwpan(lowratewireless personal area network)的发展，可以广泛应用于工业控制、家庭自动化、医疗护理、智能农业、消费类电子和远程控制等领域，将拥有广阔的应用前景。预计随着zigbee技术以及相关技术的发展，低速率应用将日益广泛，在我们的生活中扮演越来越重要的角色1。zigbee的提出弥补了短距离无线通信技术应用研究的空白，现在该技术已经成为研究的新热点，在不久的未来，基于zigbee技术的产品将会形成一个新的浪潮，势不可挡地席卷全球，而它的发展前景将同计算机、互联网一样融入人们生活的每一个角落，给人们的生活带来方便和快捷。本次实验将基于评估套件zicm2410针对cel公司zigbee模块的开发及学习。1.2 国内外研究现状国外对zigbee技术的研究起步较早，研究也较成熟。zigbee联盟成立于2002年8月，为了推动zigbee技术的发展，chad&con、ember、freescale、honeywll、motorala、philaddrs和sansung等公司共同成立了zigbee联盟，如今已经吸引了上百家芯片公司、无线节点公司和开发商的加入，包括有许多ic设计、家电、通讯节点、addr服务提供、玩具等厂商，目前该联盟已经包含了150多家会员。并且还有许多厂商已将zigbee纳入产品中15l。国内zigbee的研究起步较晚，国内zigbee模块生产厂家一般都受芯片厂家数量等限制价格，国内市场主要由国外仪器所占领，国内未见成熟的自主研制的zigbee产品，只有一些研究性和简单应用的文章出现于期刊杂志。不过随着无线技术大趋势的发展，很多高校和研究机构都已经着手无线组网、无线技术应用方面的研究。中科院计算所的宁波分所就在专门从事无线技术的研究，主要侧重于无线网络化智能传感器，计算所自行开发可低功耗的cpu、多点网络动态组网拓补协议、网络节点管理软件、无线网络化智能传感器操作系统。国内的一些大学，也在搞zigbee组网和应用的研究，利用国外厂商的开发平台和芯片建立zigbee网络，并应用于智能家居，无线抄表和物流管理方面。相信随着无线技术研究的深入，会有更多的国产zigbee和其他无线产品投入市场1-2。1.3 发展趋势zigbee技术的研究现状来看，zigbee规范及其应用仍在不断的发展和完善之中，众多厂商、高校和研究机构都对zigbee技术展现了极大的研究兴趣，进行了大量的研究工作。当前研究的重点主要集中在zigbee技术应用研究和产品设计、zigbee协议规范的研究及其完善两个方面，主要集中在以下几个方面：（1）zigbee芯片和产品的设计不少厂商推出了zigbee的产品和全套解决方案。如freescale公司的第三代paddr晶片mcl322x；helicomm公司推出的addr link 1200 zigbee开发套件；jennic公司的jn5121513x等。（2）zigbee技术的具体应用研究目前，不管国内国外，已有大量的研究者和厂商提出了zigbee可能的应用。如智能家居、智能公交车、嵌入式方面的应用。另外，jennie公司的jennet应用在路灯控制、环境监控、生产线数据收集，以及zigbee结合rfid等。（3）zigbee技术扩展研究zigbee技术和其它技术的结合也是目前研究的一个热点。如zigbee技术和webgprs构成的无线网关系纠和 linuxdsp构成的无线通信系引等。（4）和其它技术共存研究对zigbee网络与其它无线网络共存的问题也有大量的研究，如zigbee网络和蓝牙网络共存、wifi的共存与干扰问题。（5）网络性能评估对zigbee网络性能的研究也是一大热点，如研究zigbee底层的802154标准在竞争时期(cap)的网络吞吐量和能量消耗、zigbee网络在不同的通信参数下，网络的通信量及稳定性1291、在zigbee网络的低负载的情况下，调整其活动时期节点的能量消耗，使得网络的生命延长等。（6）路由算法zigbee的路由是基于ad hoe按需距离矢量(aodv算法)路由算法，这样zigbee的网状网络建立与数据传播方式和ad hoe网络很类似。而传统的aodv算法的路由开销和路由发现可能会干扰网络性能，特别是节点密集的网络，会直接影响端到端时延和数据包的传递的时延，因此很有必要提高路由算法的高效性和可扩展性，目前一些国内外期刊和论文针对aodv路由算3。2研究的基本内容2.1 基本框架基本框架包括以下几个方面：（1）学习和了解无线控制演示套件zicm2410和芯片zic2410本次设计具体研究的基于套件zicm2410实现无线演示功能；了解zicm2410套件中zigbee技术的基本理论、研究现状和发展趋势，以及在商业和工业领域的应用。zic2410具有业界顶尖的+6dbm输出功率，使得它无需进行外部放大即可支持广泛的应用。结合了灵敏度高达-97dbm的接收器，zic2410以103db的链路预算成为zigbee行业领行者。zic2410除了在zigbee数据速率（250kbps）下所体现出的卓越射频性能外，它还添加了高速模式：turbo（500kbps）和premium（1mbps），用以满足网络使用高带宽的需求。设备提供众多通用i/o管脚、外设功能（如定时器和uart），且它是首批提供内嵌语音编码解码器设备的zigbee芯片之一。（2）学习和应用zicm2410中的基本功能-点对点功能套件zicm2410中的芯片zic2410中已经包含和囊括协议，点对点功能是其中最基本的功能。使用评估套件配送的usb通讯电缆分别连接pc和2块评估板，打开2个串口调试软件。选择对应的串口号，设置波特率为115200，数据位为8，停止位为1，校验位无，流控制为无，在发送窗口填一些数据并按“发送”，在另一个串口软件中将收到刚发送的数据，可互相发送和接收数据。（3）学习和应用语言pythonpython是一种面向对象的解释性的计算机程序设计语言， 也是一种功能强大而完善的通用型语言，类似于java但是更简单，它在虚拟机上运行，应用程序是有python脚本来完成。使用该技术的一个特点是，可以在应用程序开发的同时，部署zigbee硬件节点，部署完成，程序也同时完成，只需要使用连接电脑的网关节点进行空中升级即可，程序的更改非常方便。一个端节点的功能及行为，都是可以通过在连接网关的pc上编写，然后无线下载到目标设备里，之所 以使用“注入”而不使用“下载”，因为python脚本是设备全部代码的一部分（下层的虚拟机和底层驱动是不会被擦除的），类似无线的iap。（4）简单学习和了解协议snap的具体内容snap网络协议是一款由synapse公司开发的无线mesh网络协议，synapse公司是国际上专业的无线网状网软硬件解决方案提供商，snap为复杂的zigbee网络提供一个简单、可靠、智能的完整组网方案，同时，因为使用“对等网络”概念，功耗优化明显，冗余性能优异。snap使用的是对等网络，所有的节点都是路由节点，组网时，无“加入网络”过程，无中心节点，无需预先构架网络拓扑。由于snap使用了24位（3字节）网络地址，因此理论上单个网络可以拥有16m个节点，网络使用16位（2字节）地址，因此支持64k个网络。snap网络支持一种“集体协议睡眠”方式。（5）在整个无线控制演示系统实验中，进行两个演示系统：实现无线远距离灯控和无线温度控制运用套件zicm2410实现无线远距离灯控。无线远距离灯控是在pc上运用语言python对芯片内部封装的snap协议进行调用。将两枚芯片设计成输出端和接受端，从输出端传送信号，然后再接收端收到信号，进行远距离灯控实验。调用snap协议zic2410发射端zic2410接受端端pc外部显示无线传输图2.1 实验一简略说明图无线温度控制将由本人制版焊接和调试，在pc上运用语言python调用协议snap，最终将两片芯片zic2410实现温度的控制和显示。无线温度控制是将输出端中的一个管脚与可变电阻连接（等同于温度的变化），在接受端收到信号，并通过外部显示设备显示温度的变化。zicm2410pctempsenorpython无线传输温度显示zicm2410图2.2 实验二简略说明图查询资料，对无线控制zigbee技术的初步了解学习和了解套件zicm2410的基本功能学习开发软件python，并且熟练运用进行编程，熟练运用芯片中协议进行硬件的焊接和调试将调试完毕的程序，导入芯片中最后进行调试和检测图2.3 研究步骤框图2.2 研究的重点和难点（1）协议snap协议snap在整个大学四年中，没有在我们课本中出现过。而协议也是整个贯穿设计和应用的重点，这便对本人的设计产生了一定的难度和困难。这也是本人在设计中的重中之重。（2）应用软件python调用协议snap是整个设计最关键的部分，如何调用协议中的功能将关系到本设计最后的效果。而应用软件在四年的学习中从未出现，这也增加了设计环节中的难度。（3）硬件的焊接和调试无线温度控制演示系统将有本人独立完成，其中的焊接和调试整个实验最重要的部分。2.3 拟解决的关键问题本设计最关键的环节在于：（1）运用语言python，调用协议snap，实现本设计中的无线灯控和温度变化；（2）芯片zic2410外围接口电路的设计；（3）液晶显示模块的设计。3研究的方法及措施芯片制定方案方案一：运用ti公司的芯片cc2430或者cc2431芯片能够提高性能并满足以zigbee为基础的2.4ghz ism波段应用，及对低成本，低功耗的要求。它结合一个高性能2.4ghz dsss(直接序列扩频)射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器。 cc2430的设计结合了8kbyte的ram及强大的外围模块，并且有3种不同的版本，他们是根据不同的闪存空间32，64和128kbyte来优化复杂度与成本的组合。但是在运用芯片cc系列的芯片必须详细了解芯片中的底层协议，这对于初涉此类设计的本科毕业生增加了很大的难度。方案二：运用cel公司的芯片zic2410芯片zic2410内已经封装了协议snap，只要在语言python的调用下能快速简单的进行调试和实验。python是一种面向对象、直译式计算机程序设计语言，也是一种功能强大而完善的通用型语言，已经具有十多年的发展历史，成熟且稳定。这种语言具有非常简捷而清晰的语法特点，适合完成各种高层任务，几乎可以在所有的操作系统中运行。综上所述，方案二更适合本人进行操作和实验。4预期研究成果简单运用语言python调用协议snap;无线演示系统能实现远距离灯控功能，在输出端进行一次输出，接收端的小灯能接受到信号并且闪烁；在无线温度控制中实现温度的变化，并在外部显示屏上显示温度的实时变化。5研究工作进度计划设计初步分以下阶段来逐步加以细化：（1）第7学期第7周之前确定课题题目；（2）第7学期第7周至第12周完成外文查阅；外文翻译初稿；文献收集和查询，完成开题报告（包括文献综述、外文翻译等所有文档）；指导老师批阅开题报告、文献综述和外文翻译；完成设计方案初稿；（3）第7学期第13周进行开题报告答辩，完成设计方案修改稿；（4）第7学期第14周至第17周初步制作和完成课题的成果；（5）第8学期第1周至第6周制作和完成课题的成果并接受指导老师的中期检查，检查内容为毕业设计工作进展；交指导老师审阅后进行修改；（6）第8学期第7周课题的成果验收；（7）第8学期第8周至第12周完成毕业设计（论文）的终稿（包括内容、格式、撰写规范等），经指导老师审阅后，按照要求对论文设计进行装订（由分院统一封面）；（8）第8学期第13周完成毕业设计答辩；毕业设计结束前需上交：开题报告（包括文献综述、外文翻译）合订本一份；毕业设计论文二份（文字版和电子版）。毕业设计（论文）文 献 综 述（包括国内外现状、研究方向、进展情况、存在问题、参考依据等）浙江大学城市学院毕业论文文献综述zigbee技术的发展1. 国内外研究现状zigbee联盟正在发展一个极低成本、极低耗能、双向无线通信标准。适应zigbee标准的解决方案将嵌入在消费者电子学、家庭和建筑自动化、工业控制、pc外围设备。医学传感应用、玩具和游戏等领域。在zigbee每个pan中必须有一个协调器它有唯一的标识符。且最多可以同时和65536个子节点相连，加之其节点的最优通信质量距离在10m到75m之间从而可以形成广阔的网络覆盖范围适用于远距离的低速率识别系统4。国外对zigbee技术的研究起步较早，研究也较成熟。zigbee联盟成立于2002年8月，为了推动zigbee技术的发展，chad&con、ember、freescale、honeywll、motorala、philaddrs和sansung等公司共同成立了zigbee联盟，如今已经吸引了上百家芯片公司、无线节点公司和开发商的加入5-6。1.1 zigbee技术广泛应用于各个领域zigbee是一种易布建的低成本无线网络，同时其低耗电性将使产品的电池能维持6个月到数年的时间。在产品发展的初期，将以工业或企业市场的感应式网路为主，提供感应辨识、灯光与安全控制等功能，再逐渐将目前市场拓展至家庭中的应用。通常符合以下条件之一的应用，就可以考虑采用才技术：（1）设备成本很低，传输的数据量很小；（2）设备体积很小，不便放置较大的充电电池或者电源模块；（3）没有充足的电力支持，只能使用一次性电池；（4）频繁地更换电池或者反复地充电无法做到或者很困难；（5）需要较大范围的通信覆盖，网络中的设备非常多，但仅仅用于监测或控制7。 zigbee的应用领域有： （1）居家自动化使用具备zigbee功能的楼字控制装置，可轻松享受居家自动化的便利。住户利用zigbee居家网络，使用手机、pda、或遥控器等单一装置即可控制屋内电器；用户可以使用手机发送回家的讯号，网络系统即会运行自动识别装置，并执行开灯、改变安防系统警戒状态、切换温控模式等操作。屋主也可以使用居家控制系统调整环境条件，例如内建于花园灌溉系统的感应器会读取水位，视房屋周边泥土中的水位读数而自动关闭或开启；外部照明控制系统会在冬季白昼缩短时早一点动，而在夏季日照增加时会自动晚一点启动；许多国家鼓励人们在电力消耗的低峰时段。（2） 能源管理与效能应用zigbee技术可实现高效能源管理，实现节能减排。在家用方面，系统可以监测房间里是否有人住，并进行自动温度控制，如果房间里没人，系统可自动把空调温度调低。公共设施方面，zigbee技术可用于路灯亮度的管理，只要环境亮度足够，或者路灯旁边有比较明亮的广告牌，系统就可以自动把路灯亮度降低，实现电能的合理利用。（3）合理运用交通运输和工业安全利用zigbee技术能提高我们生活质量和减少工业中的安全隐患。在这方面杭州和各大城市中，合理利用了基于zigbee的公交自动报站系统，方便市民对于公交车的行进状况进行了解和选择合理的公交线路。zigbee也可以运用在车辆自动识别系统，可以用于对被盗车辆的监控和追踪。在工业中，运用zigbee的定位系统，严密监控在危险地带作业的工人和管理人员，也能运用zigbee的音频传输功能进行远距离通讯，减少工业作业中的安全隐患。（4） 医学运用目前随着医院患者的增多，现有的患者病情监控机制已经不能满足需要 由于不能实时对患者的状况进行监控，造成耽误救治、误诊等医疗事故时有发生。医生对患者情况进行实时监控已经成为治疗顺利进行中很重要的一环。因此。医疗行业现在迫切需要患者实时监控系统。实时获取患者生物数据，向监控中心传送其生物信息，使医护人员实时掌握每个患者的身体状况可加强医生和患者的沟，并在一定程度上减少误诊。（5）农业领域传统农业主要使用孤立的、没有通信能力的机械设备，主要依靠人力监测作物的生长状况。采用了传感器和zigbee网络后，农业将可以逐渐地向以信息和软件中心的生产模式，使用更多的自动化、网络化、智能化和远程控制的设备耕种。传感器可以收集包括土壤湿度、氮浓度、ph值、降水量、温湿度和气压等信息。这些信息和采集信息的地理位置经由zigbee网络传递到中央控制设备供农民决策和参考，这样就能够及早而准确的发现问题，从而有助于保持并提高农作物的产量7-8。1.2 zigbee技术与其他无线技术的比较很多人会把zigbee与其他无线技术，bluetooth或wibree等进行比较。对此，zigbee联盟主席bob heili博士表示，就应用曲线来讲，bluetooth已经在曲线的后面，而zigbee。zigbee之所以作为一项标准存在，是因为bluetooth不是一个传感器网络技术，只是一个无线通讯网络终端。相对bluetooth, zigbee的传输速率较低，这主要是其应用场景的需求决定的，zigbee面对wsn，用于数据传输，所以几百kb每秒已经足够，当然除数据之外，还可以进行声音和低帧率(15fps以下)图像信息的传输，只不过这两者目前都不是实时的；而wibree针对星型网络的设计并不适用于wsn的应用，而且只能实现不超过8个节9。1.3运用芯片zic2410(cel公司)的语言python在实验设计方案中，应用软件的使用起到了至关重要的作用，起到了其中芯片zic2410是否能正常合理的利用。其中有两个应用软件会运用到其中,python和c+（着重讲述python）10。python是一种面向对象、直译式计算机程序设计语言，也是一种功能强大而完善的通用型语言，已经具有十多年的发展历史，成熟且稳定。这种语言具有非常简捷而清晰的语法特点，适合完成各种高层任务，几乎可以在所有的操作系统中运行。目前，基于这种语言的相关技术正在飞速的发展，用户数量急剧扩大，相关的资源非常多。python是一种代表简单主义思想的语言，极其容易上手。当用python语言编写程序的时候，无需考虑诸如如何管理你的程序使用的内存一类的底层细节，并且他可以运用到绝大部分的平台，减少学习其他开发软件的实践。python语言写的程序不需要编译成二进制代码。你可以直接从源代码 运行 程序。在计算机内部，python解释器把源代码转换成称为字节码的中间形式，然后再把它翻译成计算机使用的机器语言并运行。python标准库确实很庞大。它可以帮助你处理各种工作，包括正则表达式、文档生成、单元测试、线程、数据库、网页浏览器、cgi、ftp、电子邮件、xml、xml-rpc、html、wav文件、密码系统、gui（图形用户界面）、tk和其他与系统有关的操作。在atmel,silab,cel等公司的产品中，都是运用python开发软件11-13。2研究方向（1）zigbee芯片和产品的设计：不少厂商推出了zigbee的产品和全套解决方案。如freescale公司的第三代paddr晶片mcl322x；telecomm公司推出的addr link 1200 zigbee开发套件；jennic公司的jn5121513x等14。（2）zigbee技术的具体应用研究：目前，不管国内国外，已有大量的研究者和厂商提出了zigbee可能的应用。如智能家居、智能公交车、嵌入式方面、传感器网络的应用。另外，jennie公司的jennet应用在路灯控制、环境监控、生产线数据收集，以及zigbee结合rfid等。（3）zigbee技术扩展研究：zigbee技术和其它技术的结合也是目前研究的一个热点。如zigbee技术和webgprs构成的无线网关系和linuxdsp构成的无线通信系等。（4）和其它技术共存研究：对zigbee网络与其它无线网络共存的问题也有大量的研究，如zigbee网络和蓝牙网络共存、wifi的共存与干扰问题15。3存在问题到目前为止，国内外许多厂商也都开发生产了各种各样的 zigbee产品，并在应用推广上做了大量的工作。zigbee作为一种新技术，它本身需要有一个技术改进和成熟，以及市场培育的过程外，我们在长期应用zigbee技术来解决实际问题的实践中，还发现如下几个十分重要，而在短期内我们认为十分难以解决的问题：（1）zigbee的核心技术之一，是动态组网和动态路由，需要扫描各种可能的路径，从最短的路经尝试起，这就涉及到无线网络的管理问题。而这些，都需要占用大量的带宽资源，并增加数据传输的时延。特别是随着网络节点数目的增加和中转次数增多。zigbee经过多次中转后的实际可用速率将大大降低，同时数据传输时延也将大大增加，无线网络管理也就变得越麻烦。这也就是目前zigbee网络在数据传输时的主要问题。（2）使用放大器来增加zigbee网络节点的传输距离，要大大增加网络节点的功耗和成本，失去了zigbee低成本低功耗的本来目的。而且，在室内使用这种方法来增加传输距离，效果也有限。（3）zigbee的核心技术之一，是每一个网络节点，除了自身作为信息采集点和执行来自中心的命令外，它还承担着随时来自网络的数据中转任务，这样，网络节点的收发机必须随时处于收发接收状态，这就是说它的最低功耗至少在20ma左右，一般使用放大器的远距离网络节点，其耗电量一般在150ma左右。这显然很难使用电池驱动来保证网络节点的正常工作。（4）由于zigbee中的每一个节点，都参与自动组网和动态路由的工作，因而每个网络节点的单片机也就相对复杂一些，成本自然也就高一些。zigbee网络，实际上在许多情况下，是牺牲了网络传输效率，带宽以及节点模块的功耗，来换取在许多实际应用中。当前zigbee技术尚未解决的节点耗电问题，网络数据传输的效率较低时延较长的问题，以及数据传输距离有限的问题，是当前zigbee 技术难于得到很好推广的更本原因15-16。浙江大学城市学院毕业论文参考文献参考文献（含开题报告和文献综述）1 金纯,罗凤,陈峰,许光辰.zigbee车辆自动识别系统的设计j .20072 施荣华,崔奕芳,江玲.ad hoe网络中qos的路由协议算法研究j .计算机科学,2008(7).3 詹杰,周仁龙,吴伶锡.基于zigbee的公交自动报站系统的设计j.2007.4 康跃明,吴燕清.基于zigbee的井下长距离无线通讯系统j.2007.5 刘媛,李纯,赵岩,姚远.基于zigbee技术的医院患者监控系统研究j.2007.6 周武斌. zigbee无线组网技术的研究j.2009.7 张令意,昂志敏,金海红.新型无线通信技术一zigbee j.现代通信.2007.8 andreas andersson,mattias thorena suitable base for embedded wireless developmentjsweden：chalmers university of technology,2004.9 张周,周剑扬,门沫.zigbee在智能家居系统中的应用研究j. 工业控制计算机,2006.10 罗超,杨卫,朱兵.双核无线传感器网络节点通信接口设计j. 仪表技术与传感器,2008(3).11 jo woon chong，ho young hwang，chang yong junganalysis ofthroughput and energy consumption in a zigbee network under the presence of bluetooth interfercencej global telecommunications conferenceieee2007.12 于斌,孙斌,温暖等.ns2与网络模拟j. 北京人民邮电出版社,2008.13 王达.网络工程基础m. 北京电子工业出版社,200614 瞿雷,刘盛德,胡成斌. zigbee技术及应用j. 北京航空航天大学出版社,2007.15 张宏亮zigbee软件开发人员指南(基于jennie mslx)j. 北京博讯科技,2007.16 蔡雨楠,王福豹,严国强.基于数据服务和能量控制的zigbee路由策略的研究j. 微型电脑应用,2008.毕业设计（论文）译文及原稿译文题目 开发一个用于种植森林基于cpld无线 遥控系统的修剪机 原稿题目 development of a cpld based wireless remote control system of pruning machine for plantation forest 原稿出处 school of technology, beijing forestry university, beijing, p.r. china school of technology, beijing forestry university, beijing, p.r. china 浙江大学城市学院毕业论文 外文翻译开发一个用于种植森林基于cpld无线遥控系统的修剪机章俊美1，李文斌1，萨超1，王戴明1，patrick s k chua2，f. l. tan21技术学院、北京林业大学、北京、中国公关, 2机械学院、航天工程、南洋理工大学、新加坡.sg, .sg摘要：用于种植森林而开发的一种无线遥控修剪机。新设计系统主要由两个部分组成:一个是以手控制器形式的传送系统，另一个是安装在机器框架里来驱动机械的接收系统。以下将详细讨论这种利用复杂可编程逻辑器件(cpld)来实现数字信号处理控制系统、机电设备结构的界面、传输系统及接收系统，以及从技术的角度分析每个零部件。整个远程控制系统具有可靠性强、操作简单、高性能和抗干扰功能的优势。它已成功应用于生产自动修剪机并达到了预期的结果。关键字：自动修剪机、无线、远程控制、cpld、电路仿真。1、 介绍用于商业、建筑、家具和家庭装饰的木材主要依靠以种植森林为中心的方法提供。修剪是其中一个最重要和必要的措施在培养种植森林上。目前,森林树木修剪工作完全由经营者自己运用修剪工具修剪。采用这种运行效率较低、高伤亡和有限高度的修剪方法很难满足大面积培养的商业种植园所需，在中国和其他一些国家就存在这样的现象1-2。所以最关键方法是开发自动修剪技术,这也是提高安全性和高效性的最好方法。然而,修剪的工作状况会随着森林的地形复杂程度而比较容易改变。因此，操作员在遥控修剪机器时要远离危害的环境，这是研究的最新的动态3、4、5、6、7。该系统主要由两个部分组成:一个是以手控制器形式的传送系统和一个安装在机器框架里来驱动机械的接收系统。手控制的机器和远程设备之间信号的传送是通过无线波。控制系统中最重要的设计就是以下两点：提高远程控制修剪机器功能的安全性、和发射信号的准确性。在过去的几十年,传统信号的处理是由电路控制，该电路由离散组件,中等规模的集成电路(msi)、小规模的集成电路(ssi)组成，有着可靠性差和抗干扰能力差的缺点。然而,整个控制系统的设计复杂、成本又昂贵。在最近研究进展中,我们展望了超大规模集成电路(vlsi)技术，并已经成功地利用cpld技术设计为专用的集成电路(asics)。本文基于远程控制系统cpld技术来研究修剪机的模型。自动修剪机的机电界面,控制系统的图示,传输系统、接收系统和仿真波形为代表的内部逻辑序列cpld结合数字信号处理的系列问题，我们都将在以下章节中一一描述。由于发射模块和接收模块采用这里的商业产品，因此只需对该模块的参数进行设置，忽略其设计和本文中的测试进程。然而最应该强调的是：在系统的总体设计上最为基础要求就是提供简单和可靠的硬件。虽然如此，标准设备的选用也是首选。这也在其它林业机械中比较盛行。2、 机电接口远程控制的自动修剪机工作时是靠螺旋运动爬上树干。开发新的控制系统涉及以下几点任务：1） 可以控制机器的三个方位：上、下、及暂停；2） 通过控制电力供应改变机器的三种工作方式：闲置、攀爬、及修剪。根据机器的机械运动分析，工作方向是由离合器的位置决定，以及电源的位置变化是受燃料注入二冲程循环的汽油发动机控制的8。对于这项工作的目的，两个直流发动机可定义为发动机的导向（dm）和发动机的引擎（em），适用于改变离合器的必要位置和汽油发动机的燃油喷射状态。直流发动机的接口和机械系统如图1。发动机的轴通过一轴销与推杆相连。当发动机驱动控制系统时，连接杆（与离合器相连）或扭转弹簧（与燃油喷射链接）通过l形梁控制离合器的位置或者汽油发动机的燃油喷射。1、推杆 2、l形梁 3、推杆 4、弹簧 5、轴销图1 对机电接口示意图3、远程控制系统该项目的目的是要找到在工作人员使用远程控制方法时，使自己远离危险的环境。控制系统是为了驱动两个直流发动机来控制在l形梁旋转的角，以达到间接地调控修剪机和电源的相对位置。3.1传输系统自动修剪机的发射系统示意图如图2所示。当操作员施加遥控器上的一个手控器来控制开关，这样控制指令（如模拟电压呈现“0v”或数字“0”）就产生了。在研究中，可能造成不必要噪音的振动信号需要避免，这些指令的数字信号处理需基于cpld的设计。如前所述，每个发动机有三个受控状态，这使遥控器上的手控器应该有六个开关来传输六个控制指令，具体为发动机的导向可命名为暂停、上、下，以及发动机的引擎可命名为闲置、修剪、攀登。然而在紧急情况下，例如电源为低功率的情况，发动机必须控制修剪机返回到初始状态，也就是说，进入发动机为暂停及引擎为闲置的模式。因此由另外一个紧急控制开关在输入电路中加入暂停指令。来自七个开关的控制信号会发送到基于cpld设计的电路中。开关信号能否被正确分析和处理，这对cpld内部电路结构要求较高，因此对其内部电路结构的研究是另一个同样重要的方面。图2无线传输系统的自动修剪机示意图图3用于远程控制传输系统的cpld的内部逻辑原理图图3显示了cpld电路原理图的发射系统。我们选择epm7128slc84 - 15，该芯片属于altera公司最大高密度的7000系列，高性能cpld可以实现信号处理电路的功能9。该开关信号的抗噪音电路处理，主要由rs触发器、bcd编码器电路组成。bcd编码器电路可以稳定的将输出反馈到10线至4线，并可以对开关信号进行不同的编码选择。然后从编码器输出的4位互补的bcd码可将输入数据锁存电路中，以保持控制信号的稳定，即使处于开关复位的状态。反相器可以将4位互补的bcd码变成正常bcd码，这样cpld输出信号就被创建出来，正如表1所示。由于最重要的d位是不会随着不同发动机的变化而变化，因此在接收系统中仿真的d位可以被忽略。在图2中，选择pt2262编码器可以对4位并行指令信号dcba进行编码，该4位信号由通信帧cpld的串行信号输出，其串行信号包含验证码，地址码，有效的数据代码10。然后，由发射电路模块的高频振荡器产生的315mhz的无线电波被调制为串行信号，并通过天线发射出去，实现多渠道的远程控制。基于cpld的控制开关电路可对数字信号的工作波形进行处理，并经过max + plus ii的仿真验证了波形设计的适当性，如下图4所示。由基本的开关信号输入序列依次是暂停，攀爬，和紧急情况。结果就是cpld的输出信号依次为0001，0110和0111，如表1所示。从而验证了控制asic的正常运行。表1遥控开关信号与cpld输出之间的对应关系开关信号输出信号dcba暂停0001上0010下0011闲置0100修剪0101攀爬0110紧急状态01113.2、接收系统在自动修剪机的接收系统中，由高频无线电波运载的控制数据的接收工作是由315mhz的遥控接收电路模块完成，以及指令信号的解码是由pt2272的解码器完成，如图5所示。这种八位地址的验证方法就运用在编码器和解码器pt2262/2272中，即有6561（或38）种的地址验证码，从而大大的提高了远程控制系统的抗干扰能力。在现实世界的运用中，当修剪机工作时，由操作员推动开关来控制机器的操作顺序是不固定的，以及每个操作的时间间隔也是不确定的。因此，控制逻辑的独立性和抗干扰的解决方案是提高发动机位置控制精度的关键。表2显示了所需的控制逻辑。当发动机的引擎处于控制的最后一个状态下，发动机的导向是保持不变的。当紧急开关打开或者整个控制系统的电源是不正确时，两发动机就会回到初始状态，即暂停，闲置的状态，正如表2最后两列所示。图4开关信号的仿真波形（依次为暂停、攀爬、紧急状态）图5自动修剪机中无线接收系统的原理图图6遥控接收系统cpld的内部逻辑示意图内部较复杂化的逻辑电路是由发动机控制，其设计也采用了altera公司最大7000系列cpld中epm7128slc84 - 15，电路的内部逻辑原理图如图6所示。在远程控制接收系统处理中，cpld的内部电路波形的模拟部分是由max + plus ii模拟说明的，如图7所示。其中，符号xj, zl, ss, zy, xz 和 ds分别代表在模拟状态下发动机的不同使用情况，分别为暂停、上、下、修剪，攀爬和闲置。正如图7所示，在输入开关信号之前，发动机导向的状态为zl，以及引擎状态为em，这些都是每个发动机所需的初始状态。在输入开关信号之后cba 依次为101,010,001,110,100, 和011，则有效输出信号依次为zy,ss,zl,xz,ds,和xj，这就是一台发动机受控制，另一台是保持原来的状态，正如图7所示。仿真的结果会合理地与所需的控制逻辑匹配，正如表2所示。以及输出信号之间不存在干扰。表2遥控接收系统cpld的逻辑功能电源控制输出信号dm 控制命令em 控制命令cba1000暂停闲置1001暂停握住1010上握住1011下握住1100握住闲置1101握住修剪1110握住攀爬1111暂停闲置0暂停闲置图7两个发动机的混合仿真波形4、结论根据目前的调查研究中，我们对自动修剪机中远程控制系统所需的控制逻辑进行了分析和基于cpld控制电路的设计提出新的思路。其电路设计非常灵活，具有可靠性高，抗干扰、开发周期短，及能力强的特点。基于cpld全遥控系统采用在自动修剪机生产和一系列的现场试验都进行地较成功。目前，对于远程控制自动修剪机的应用，我们正在中国潜在的工业中进行进一步的调查。感谢这项工作的经费是由国家自然科学基金（批准no.30471387）和“十五”期间国家重点工程项目的中国科学技术（批准no.2004ba524b09），其深受研究者的认同。作者还要感谢为这项研究提供了技术支持的北京林业大学技工学校。development of a cpld based wireless remote control system of pruning machine for plantation forestjunmei zhang1, wenbin li1, chao sa1, deming wang1, patrick s k chua2, f. l. tan21school of technology, beijing forestry university, beijing, p.r. c, 2school of mechanical and aerospace engineering, nanyang technologicaluniversity, s.sg, .sgabstract：a wireless remote control pruning machine was developed for plantation forest. the new designed system mainly consists of two parts: a transmitting system in the form of a hand controller and a receiving system mounted on the frame of the machine to drive the mechanical system. the idea of using the complex programmable logic device (cpld) to realize the digital signal processing for the control system was discussed in details. the structure of the electromechanical interface, the transmitting system and the receiving system were all presented in this paper. the point of technology for each part was analyzed. the whole remote control system has the advantages of simplicity, reliability of performance and function of anti-interference. it has been successfully used in the manufactured automatic pruning machine and the expected result is obtained.keywords: automatic pruning machine, wireless remote control, cpld, circuit simulation.1. introductionplantation forest is a central approach to provide timber for commerce, architecture, furniture and home decoration. pruning is one of the most important and necessary steps of cultivating plantation forest. currently, the tree pruning operation is performed by operators who carry or hold the pruning tools. this method has such low working efficiency, high casualty and limited pruning height that it is rather difficult to meet the requirement of fostering large areas of commercial plantation in china and other countries 1-2. so the key method is to develop an automatic pruning technology, which should be safe and