物联网技术应用赛项--技术方案农业环节(PDF 37页).pdf

文件名称 物联网智能追溯实训系统 食品安全 实训方案 Zigbee 子系统 版本 V2 3 日期 2012 年 3 月 技技 术术 文文 档档 智能农业生产 ZigBee 平台子系统技术介绍 2 智能农业生产 ZigBee 平台子系统技术介绍 第一章第一章 ZigBeeZigBeeZigBeeZigBee 概述概述 什么是 ZigBee ZigBee 是 IEEE 802 15 4 协议的代名词 根据这个协定规定的技术是一种短距离 低功耗的无线通信技 术 ZigBee 的命名 源自于蜜蜂的八字舞 由于蜜蜂 bee 是靠飞翔和 嗡嗡 zig 地抖动翅膀的 舞蹈 来与 同伴传递花粉所在方位资讯 也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网路 其特点是短距离 低复杂度 低功耗 低资料速率 低成本 主要应用的方向在于家庭装置自动化 环境安全与控制 个人 医疗照护 自动控制和远端控制领域 嵌入式各种设备 简而言之 ZigBee 就是一种便宜 低功耗的近距离无线组网通讯技术 ZigBee 的起源 ZigBee 在中国被译为 紫蜂 它与蓝牙相类似 是一种新兴的短距离无线技术 用于感测控制应用 sensor and control 此想法在 IEEE 802 15 工作组中提出 于是成立了 TG4 工作组 并制定规范 IEEE 802 15 4 2002 年 ZigBee Alliance 成立 2004 年 ZigBee V1 0 诞生 它是 ZigBee 第一个规范 但由于推出仓促 存在一些错误 2006 年 推出 ZigBee 2006 比较完善 2007 年底 ZigBee PRO 推出 ZigBee 的底层技术基于 IEEE802 15 4 物理层和 MAC 层直接引用了 IEEE802 15 4 在蓝牙技术的使用过程中 人们发现蓝牙技术尽管有许多优点 但仍存在许多缺陷 对工业 家庭自 动化控制和工业遥测遥控领域而言 蓝牙技术显得太复杂 功耗大 距离近 组网规模太小等 而工业自 动化 对无线资料通信的需求越来越强烈 而且 对于工业现场 这种无线资料传输必须是高可靠性的 并能抵抗工业现场的各种电磁干扰 因此 经过人们长期努力 ZigBee 协议在 2003 年正式问世 另外 ZigBee 使用了在它之前所研究过的面向家庭网路的通信协定 Home RF Lite 长期以来 低价 低传输率 短距离 低功率的无线通讯市场一直存在著 自从 Bluetooth 出现以后 曾让工业控制 家用自动控制 玩具制造商等业者雀跃不已 但是 Bluetooth 的售价一直居高不下 严重 影响了这些厂商的使用意愿 如今 这些业者都参加了 IEEE802 15 4 小组 负责制定 ZigBee 的物理层和 智能农业生产 ZigBee 平台子系统技术介绍 3 媒体介入控制层 IEEE802 15 4 规范是一种经济 高效 低资料速率 高 级 环境变量 选项 选择 系统变量 中的 PATH 选项 如下图所示 智能农业生产 ZigBee 平台子系统技术介绍 8 选编辑按钮 将 JDK 所在路径添加进入即可 句尾以分号结尾 如下图所 示 智能农业生产 ZigBee 平台子系统技术介绍 9 配置完成后 依次点选确定 配置完成后 打开 开始 选择 执行 在出现的对话框中输入 cmd 命令 打开cmd 窗口 在窗口 输入命令 java version 如果出现下图所示信息说明 JDK 安装成功 4 1 24 1 24 1 24 1 2安装 EclipseEclipseEclipseEclipse 安装好 JDK 后 就可以安装 Eclipse 了 打开 Eclipse 下载页面 网址为 http www eclipse org downloads 下载完成后 解压下载的压缩包档就可以使用 进入解压目录 可以 看到一个名为 eclipse exe 的可执行文件 点两下此档直接执行Eclipse 如果用户是第一次启动 Eclipse 将会看到选择工作空间的提示 如下图所示 选择工作空间路径 然后点选 OK 按钮即可 4 1 34 1 34 1 34 1 3安装 ADTADTADTADT 打开 ADT 下载页面 下载 ADT 0 9 6 网址为 智能农业生产 ZigBee 平台子系统技术介绍 10 下载完成后 启动 Eclipse 点选选择 Help Software Updates 进入如下图所示对话框 选择 Available Software 页面 然后点选 Add Site 按钮 然后在 Add Site 对话方块中输入 ADT 存放的路径 如下图所示 智能农业生产 ZigBee 平台子系统技术介绍 11 点选 OK 确定 然后勾选住 Developer Tools 选项 点选 Install 安装 如下图所示 按照预设的设置进行安装 安装完成后重新启动 Eclipse 即可 4 1 44 1 44 1 44 1 4安装 SDKSDKSDKSDK 首先得下载 SDK2 1 网址为 下载Windows 平台下的 SDK 包 android sdk r05 windows zip 解压后的路径为 F google android java windows android sdk windows tools 由于 Android SDK2 1 不再捆绑 platform和add on 因此这两部分需要手工下载 点选 SDK 里附带的 SDK Setup exe 如下图所 示 智能农业生产 ZigBee 平台子系统技术介绍 12 进入如下图界面 选择 Accept All 然后点选 Install 即可开始安装并下载 智能农业生产 ZigBee 平台子系统技术介绍 13 安装完成后 退出此页面 然后对 SDK 进行配置 需要将 Android SDK 安装目录中的 tools 档 案夹路径 F google android java windows android sdk windows tools 添加到环境变量 PATH 中 具体 配置过程在此不再讲述 请读者参看 JDK 环境配置过程 接着重新启动 Eclipse 并在 Eclipse 的 Preferences 中添加 Android SDK 的路径 如下图所 示 由 Windows 选单开启 Preferences 设定 然后会显示如下图所示的对话框 点选 Android 按下 Browse 按钮并选择 Android SDK 的路径 如下图所示 智能农业生产 ZigBee 平台子系统技术介绍 14 点选 Apply 按钮进行加载 加载完成后点选 OK 退出 4 1 54 1 54 1 54 1 5创建 AndroidAndroidAndroidAndroid 虚拟设备 AVD AVD AVD AVD 如下图所示 依次点选 Window Android SDK and AVD Manager 将进入下图所示界面 智能农业生产 ZigBee 平台子系统技术介绍 15 此时无任何 AVD 设备 AVD 虚拟设备是模拟了一套虚拟设备来执行 Android平台 这个平台有 自己的核心和资料分区 现在需要创建一个 AVD 设备 点选 New 按钮 出现下图所示对话框 Name 选项为创建的仿真器的名称 Target 为创建仿真器的版本 Size 为 SD卡的容量 在此对话框中填入 Name Target 等选项 创建完毕后点选 Create AVD 按钮即可 智能农业生产 ZigBee 平台子系统技术介绍 16 此时虚拟设备创建成功 选中创建的虚拟设备 然后点选 Start 按钮 启动模拟器 进入上图所示接口表示仿真器创建成功 4 1 64 1 64 1 64 1 6创建第一个 AndroidAndroidAndroidAndroid 项目 HelloEveryoneHelloEveryoneHelloEveryoneHelloEveryone 打开 Eclipse 依次选择 File New Android Project 如下图所示 智能农业生产 ZigBee 平台子系统技术介绍 17 填写完毕后点选 Finish 按钮即可 右键打开 HelloEveryone 依次选择 Run As Android Application 启动仿真器并执行此程 序 智能农业生产 ZigBee 平台子系统技术介绍 18 仿真器显示如下表明 Android 开发环境配置成功 点选 Android Project 后进入下图所示接口 需要填写相关工程信息 下图是已经填好的工程信息 第五章第五章 IARIARIARIAR 开发环境的搭建和开发流程开发环境的搭建和开发流程 5 15 15 15 1IARIARIARIAR 软件的安装 可至IAR官网 购买正版软件或到至首页下的Downloads下载30天试用版 记住要下载对应 C8051 的 IAR 软件 如下图所示 智能农业生产 ZigBee 平台子系统技术介绍 19 下面是以IAR 8051 7 51A 安装为例 点选 Next 进入如下图所示 点选 Accept 进入如下图所示 智能农业生产 ZigBee 平台子系统技术介绍 20 输入相关信息后点选 Next 点选 Next 如下图所示 点选 Next 如下图所示 智能农业生产 ZigBee 平台子系统技术介绍 21 点选 Next 如下图所示 点选 Next 如下图所示 点选 Next 如下图所示 智能农业生产 ZigBee 平台子系统技术介绍 22 安装完成后 如下图所示 点选 Finish 就完成了 IAR 软件的安装 下面将以光敏电阻传感器为实例介绍如何使用 IAR 软 件来编译源代码生成 HEX 档 并透过下载器将 HEX 档下载到CC2530 芯片的 RAM 中 这样就可以 执行相应的动作了 5 25 25 25 2在 IARIARIARIAR 环境下开发光敏电阻传感器的应用程序 1 固件库的使用 在利用 IAR 环境开发应用之前 先将关于 CC2530 单芯片的 ST 固件库 也可 以进入 ST 官 网自己下载 复制到自己创建的工程目录下 我们提供的固件库在光 碟根目录下 IAR CC2530 lib 的 档案夹中 如下图所示 智能农业生产 ZigBee 平台子系统技术介绍 23 2 利用 IAR 环境建立项目工程 以光敏电阻传感器为例 打开安装好的IAR IDE 如下图所示 智能农业生产 ZigBee 平台子系统技术介绍 24 用户可以向项目中添加 c 文件 也可以添加代码组 对代码进行分组可以很好的进行源代码的 管理 也有助于生成较好的目标代码 如下图所示 智能农业生产 ZigBee 平台子系统技术介绍 25 最后生成代码组结构 如下图所示 接着在对应代码组中添加我们已经准备好的库档和自己编写的代码 M4 GM添加的是 moudle 下的 dma m4 c 和 exp c 文件 如下图所示 在上图红色框地方鼠标右键 选择 Option 如下图所示 智能农业生产 ZigBee 平台子系统技术介绍 26 智能农业生产 ZigBee 平台子系统技术介绍 27 配置完成后 点选 OK 然后编译 成功如下图所示 智能农业生产 ZigBee 平台子系统技术介绍 28 最后生成的 M4 GM hex 在 M4 Debug Exe 下 如下图所示 最后将 hex 文件透过仿真器刻录进芯片内 3 源代码分析 以光敏电阻传感器为例 透过上一章节了解光敏电阻传感器模块的原理和模块的原理图后 我们知道模组采集的是模拟信号 需要透过 AD 转化成数字信号 这样就可以进行数据的提取 与传输 具体程序如下 AD 转换程序 Filename dma m4 c Description dma m4 library A D INCLUDES include hal defs h include hal cc8051 h include hal mcu h include hal board h include hal digio h include hal adc h include dma m4 h 智能农业生产 ZigBee 平台子系统技术介绍 29 fndma m4 Init briefSet up port dma m4 ad returnnone void dma m4 Init void MCU IO PERIPHERAL HAL BOARD IO ADC PORT HAL BOARD IO ADC CH fndma m4 GetValue briefGet this dma m4 module value paramnone returnnone uint16 dma m4 GetValue void uint16 adcValue adcValue adcSampleSingle ADC REF AVDD ADC 12 BIT HAL BOARD IO ADC CH return adcValue 数据的提取以及 ZigBee 无线发送数据程序 智能农业生产 ZigBee 平台子系统技术介绍 30 Application states define IDLE0 define SEND CMD1 LOCAL VARIABLES static uint8 pTxData APP PAYLOAD LENGTH 定义发送缓冲区的大小 static basicRfCfg t basicRfConfig zigbee 的配置信息 void main void uint16 val Config basicRF INCLUDES include hal defs h include hal cc8051 h include hal int h include hal mcu h include hal board h include hal led h include hal rf h include basic rf h include hal uart h include dma m4 h CONSTANTS define RF CHANNEL18 2 4 GHz RF channel BasicRF address definitions define PAN ID0 x1111 define SEND ADDR0 x2222 define RECV ADDR0 x3333 define APP PAYLOAD LENGTH32 智能农业生产 ZigBee 平台子系统技术介绍 31 basicRfConfig panId PAN ID zigbee 的 ID 号设置 basicRfConfig channel RF CHANNEL zigbee 的频道设置 basicRfConfig ackRequest TRUE 应答信号 ifdef SECURITY CCM basicRfConfig securityKey key endif Initalise board peripherals halBoardInit 初始化模块资源 halLedSet 1 basicRfConfig myAddr SEND ADDR 设置本机地址为 发送地址 if basicRfInit while 1 halLedClear 2 halMcuWaitMs 100 val dma m4 GetValue pTxData 0 2 光敏 pTxData 1 val 10000 pTxData 2 val 10000 100 pTxData 3 val 100 basicRfSendPacket RECV ADDR pTxData 4 halLedSet 2 halMcuWaitMs 100 其余的传感器模块开发环境的搭建与上相同在这里就不一一详解了 在附录光碟内有详细的介 绍 注意 由于模拟温度传感器 AD590 在硬件上我们没有使用精度高的电阻 以及 AD590 传感 器本身的精度非常高 因此透过 AD 值所算出来的温度值会与正确的温度有比较大的差距 但是我们可 以通过程序中算法的调节到正常的温度值 下面具体来介绍如何修正温度值 智能农业生产 ZigBee 平台子系统技术介绍 32 5 35 35 35 3仿真温度传感器的温度修正方法 首先 我们利用 IAR 软件打开 AD590 的工程目录 IAR source exp M2 AD590 如下图所示 其次 将以上的程序编译完后 将 M2 AD590 hex 烧写进 ZB2530 01 模块中去 然后记录下 在 android 接 口上显示的错误的温度值 比如 248 度 然后 根据代码中的温度算法 如下所示 进行修改 如果现在的正确温度是 28 度 那么将刚刚记录下的错误温度值 248 度 与正确温度值相减 248 28 220 就得到相差的值 220 最后将算法改成如下所示 这样修改后 编译 再将刻录文件烧写进模块中 就可以正常检测温度值了 第六章第六章 农业生产业务应用介绍农业生产业务应用介绍 一 一 整体介绍整体介绍 1 农业生产部分介绍 为匹配整个实训系统的主题 该部分设计仍以肉类溯源为主要内容 名称为 生猪养殖智能环境控制 内容主要通过各种传感器 控制器件 ZigBee 设备以及 Android 平台终端和配套的软件系统 实现对生猪 养殖环境智能控制的场景模拟 通过各种闭环控制过程实现对现实中的智能养殖的操作和演示 并与系统 智能农业生产 ZigBee 平台子系统技术介绍 33 的溯源部分进行业务操作上的数据对接 软件部分模块化设计 为方便以后教学等需要 2 原理示意图 农业生产软件子系统 猪 耳 标 数据对接模块 底 层 连 接 模 块 逻 辑 控 制 模 块 人机界面模块 各 个ZigBee节 点 传 感 器 控 制 器 件 等 中 心 服 务 器 食品溯源实训系统 查 询 界 面 入场出厂登记 数据 环 境 报 警 入 出 场 时间等数据的保存 查 询 数 据 通过溯源码查询该猪在农业生产环节的入 出 场 时 间 历史环境信息 历史报警信息 操 作逻 辑 控 制 采集 状态显示 设定控 制 设定控制 观察场景 触 发 传 感器 观 察 结果 二 二 业务操作对接设计业务操作对接设计 1 农业生产部分对接内容 生猪入场操作 通过扫描二位追溯码 进行生猪入场的登记 相关数据保存到中心数据库 环境数据记录 按照设定时间间隔对各传感器信息进行采集以及保存 报警信息记录 当发生报警事件时 将相关传感器信息 照片或视频信息等进行保存 生猪出场操作 同入场操作 2 溯源系统部分对接内容 相关数据结构 智能农业生产 ZigBee 平台子系统技术介绍 34 生猪入场出场表 养殖场地表 养殖环境信息表 报警信息表 养殖场及入场出场时间查询 历史环境信息查询 历史报警信息查询 三 三 环境控制闭环设计环境控制闭环设计 1 温度控制设计 生猪的生长需要适宜的温度 本场景加入了对温度的智能控制设计 温度范围设定 20 30 摄氏度 涉及的元器件 温湿度传感器测量温度 红色指示灯表示加热 电机模拟空调 控制过程 环境温度低于 20 摄氏度 红色指示灯亮 表示对场内加热 环境温度介于 20 摄氏度 到 30 摄氏度中间 无动作 环境温度高于 30 摄氏度 电机旋转表示空调制冷 2 湿度控制设计 本场景有对环境湿度的智能 湿度范围设定 40 90 涉及的元器件 温湿度传感器测量湿度 电机模拟空调 风扇模拟加湿器 控制过程 环境湿度低于 40 电机旋转 表示空调除湿 环境湿度介于 40 到 90 中间 无动 作 环境湿度高于 90 风扇旋转表示加湿器加湿 3 通风控制设计 养猪环境会产生有害气体 甲烷等 浓度过大会对猪的健康及环境的安全有所影响 本场景设计了对 通风的控制 甲烷等浓度设定 0 5 涉及的元器件 可燃气体浓度传感器 报警灯 风扇模拟排风扇 控制过程 环境二氧化碳浓度超出 0 5 时 报警信号灯闪亮 5 分钟 报警信息记录 控制摄像头 拍照及向手机通知报警 可选 风扇开启排风 5 分钟 4 照明控制设计 过多的光照可以增加猪的生长速度 本场景设计了对环境光照时间的补偿和控制 光照设定 光照高于 300 流明 涉及的元器件 光照传感器 指示灯代表照明灯 控制过程 在时间段 6 点到 21 点 光照低于 300 流明时 开启照明灯 高于 300 流明时 关闭照 明灯 再其它时间段关闭照明灯 时间调整可以在界面上模拟 5 门禁及防盗控制设计 对养殖场进场的刷卡门禁及防盗报警进行模拟 智能农业生产 ZigBee 平台子系统技术介绍 35 涉及的元器件 人体传感器 RFID 读卡器 电机模拟卷闸门 报警灯 控制过程 在人体传感器感应到人在附近保持 5 分钟 如没有进行 RFID 卡的验证 则报警灯亮 5 分钟 报警信息记录 控制摄像头拍照及向手机通知报警 可选 电机无动作 如在 5 分钟内刷 卡 则电机旋转 1 分钟表示开启卷闸门 人体传感器没有持续感应到人体 5 分钟 无动作 6 火灾控制设计 养猪场如发生火灾则启动报警 本场景设计对养殖场火灾报警控制进行模拟 可燃气体设定 1000ppm 涉及的元器件 火焰传感器 报警灯 风扇模拟排风扇 控制过程 当有害气体浓度超过 1000ppm 时 报警灯亮 5 分钟 报警信息记录 控制摄像头拍照 及手机通知报警 可选 排风扇开