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采用热传感器的水阀控制系统,设计
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无锡职业技术学院毕业设计说明书（论文）1摘要随着嵌入式计算、传感器、无线通信等技术的飞速发展，无线传感器被广泛应用于环境监测、军事国防和工农业控制等诸多领域，已成为电子信息技术发展的一个热点。CC2430是TI公司针对ZIGBEE的无线传感器芯片解决方案，具有功耗低，可靠性高，组网简单等优势。基于CC2430和ZIGBEE协议设计了温湿度数据采集系统，分别给出了协调器和普通节点的软件算法，单片机是随着大规模集成电路的出现极其发展，将计算机的CPU，RAM，ROM，定时/计数器和多种I/O接口集成在一片芯片上，形成了芯片级的计算机，因此单片机早期的含义称为单片微型计算机它拥有优异的性价比、集成度高、体积小、可靠性高、控制功能强、低电压、低功耗的显著优点主要应用于智能仪器仪表、工业检测控制、机电一体化等方面,并且取得了显著的成果随着工农业生产的发展,对温湿度环境的要求越来越高,使得温湿度的测量与控制应用更加广泛。许多产业对温湿度环境提出了较高要求在粮食储藏、生物化学制药、制造集成电路和温室环境等领域都需要精确的温湿度环境。因此,对温湿度的监测和控制已成为工业生产过程中非常重要的技术要求。温湿度环境参数远程无线监测系统可以连续、实时的对温湿度数据采集并处理。该系统能够实现对探测器周围的温度和湿度环境参数进行测量和采集,监测环境的温湿度参数的变化。系统主要由温湿度探测器部分、数据采集部分、无线传输部分及数据接收管理软件部分组成。关键词ZIGBEE通信协议，传感器，湿度采集1引言随着计算机网络技术及无线移动通信技术的迅速发展，各种新的无线网络通信技术不断涌现，如GSM，3G等无线移动通信技术以及蓝牙、WIFI等无线局域网技术,它们越来越被人们所熟悉和应用。然而，这些技术的设备系统非常复杂，且功耗较大、成本很高，不便于在一些低数据速率和通信范围较小的场合使用，例如数据、系统采集、智能家居等领域。近年来，无线传感器的出现为这些问题带来了更好的解决方法，其中ZIGBEE作为一种低复杂度、低成本的低速率无线连接技术越来越被人们所重视，开发应用ZIGBEE技术的无线设备已成为业界的一个热点。设计一种基于GPRS或ZIGBEE的温湿度数据采集系统作对比，利用小型无线传感器网络，实现传感器网络的软硬件设计。其的湿度数据采集系统，利用通信模块组建小型无线传感器网络，并实现了传感器网络的软硬设计。其算法经干扰环境下测试表明，网络具有较强的自主能力,ZIGBEE具有较灵活的工作评段，对于MCU的资源要求相对较低，安全、可靠地数据传输，极低的消耗，灵活的网络结构，但相比其他的通信协议在低信噪比的情况下，ZIGBEE技术具有较低的误码率，传统农业是一种粗放型的耕作方式，现代农业要求对局部的环境、土壤的成分、气候等进行全面的监控。无土栽培、大棚温室的环境控制等都需要有效的监测手段，ZIGBEE在现代农业中有广泛的应用前景；应用模拟电路和数字电路设计温度和湿度探测器,将电阻参量和电容参量转换成线性输出的电压信号。系统以单片机为微控制器,进行A/D转换以及无线模块的控制。采用无线数据通信模块实现数据的远程传输。运用KEIL软件开发平台完成数据接收管理软件设计,实现对数据的实时显示、数据曲线分析、历史查询等功能。本文设计的温湿度环境参数远程无线监测系统,经过实际实验验证,温湿度测量和数据采集准确,实时无线传输,系统工作稳定。通过无线传输数据,克服了传统方式传输的区域性和局限性,为远程监测温湿度环境提供了有力的手段。本文设计的重点就是利用ZIGBEE通信接口技术完成对远程农场湿度数据采集。11无线通讯方式无线通讯方式分为，无线局域网和无线广域网，无线局域网现有的技术包括蓝牙，WIFI，ZIGBEE，IRDA等，分别比较如图1无锡职业技术学院毕业设计说明书（论文）2图1无线局域网技术比较表无线广域网技术包括电台，无线集群通信方式，GMS短消息，CDMA通信方式和GPRS方式等。目前，GPRS无线通信技术，ZIGBEE无线网络技术和嵌入式操作系统都是当前处于飞速发展的前沿技术，本文的设计就是采用GPRS和ZIGBEE技术来实现对远程农场湿度数据的采集。12无线远程监控设计图2监控系统的逻辑层次图无锡职业技术学院毕业设计说明书（论文）3图3监控系统结框图数据监控中心是系统通讯，管理的枢纽，其主要功能如下网络管理监控整个系统中网络通讯状态和各个远端站的工作状态；通讯协议处理保证通讯可靠，高效；数据库管理根据用户需求对远端站采集的数据进行分类整理；网络安全防止外界对系统的恶意侵入，保证用户信息安全；数据处理对数据库中的数据进行统计分析和显示；121通信体制由无线收发部件构成的通信子系统负责节点的通信任务。无线收发部件采用的调制模式、数据率、发射功率和操作周期等都是影响通信子系统能量消耗的关键因素。另外，由于通信元器件本身的物理特性等原因，通信子系统即使处于空闲期，也有着与接收期几乎相近的能量消耗。因此，在没有通信任务时，应尽可能地使通信子系统进入休眠期，而不是让其处于空闲期。短距离无线通信和减少网络通信流量是通信子系统能量消耗控制的主要手段。传感器网络中普遍采用的级跳通信就是通过缩短通信距离，降低发射功率的方法实现能量节省的；数据融合则是通过减少网络流量达到降低能量消耗的目的。一个通信协议的制定要综合考虑实用性，高效性，准确性，高可靠性，低复杂度，可扩充性，兼容性，适用性等要求还要考虑实际智能设备监控模块的特性等。基于无线局域网信息库概念的引入，本系统主要的三种通信体制就有了自己的特色，分别是问询时，主动上传，定时上传。问讯式是由监控中心发起，直接对无线局域网信息库中感兴趣的节点进行查询。但是要维护无线局域网信息库的内容，这由网络协调器节点按设定的时间间隔来完成，如图所示无锡职业技术学院毕业设计说明书（论文）4图4问讯式通信方式主动上传式是指ZIGBEE节点数据采集模块在其数据发生异常报警时，主动传送相应数据给ZIGBEE网关无线局域网信息库，由无线局域网信息库的异常报警主动上传到监控中心的形式。如图22所示图5主动上传式通讯方式定时上传式是由网络协调器节点根据事先设置的发送数据间隔向监控中心发送数据，由监控中心发送结束命令后，则停止传送，如图23所示图6定时上传式通信方式13ZIGBEE网络拓扑结构ZIGBEE网络可以实现下面三种网络拓扑形式星型，树型，网状。（1）星型拓扑图7星型拓扑结构（2）树型拓扑无锡职业技术学院毕业设计说明书（论文）5图8树型拓扑结构（2）网状拓扑图9网状拓扑结构131ZIGBEE协议栈ZIGBEE堆栈是在IEEE802154标准基础上建立的，定义了协议的MAC和PHY层。ZIGBEE设备应该包括IEEE802154该标准定义了RF射频以及与相邻设备之间的通信的PHY和MAC层，以及ZIGBEE堆栈层网络层NWK、应用层和安全服务提供层。图34给出了这些组件的概况。图10ZIGBEE协议栈14GPRS基本网络结构GPRS实在GSM系统基础上引入新的部件而构成的无线数据传输系统，它采用分主交换技术，能兼容GSM网络并在网络上更有效地传输高效数据和信令。为了实现GPRS无锡职业技术学院毕业设计说明书（论文）6在现有的GSM中增加了三个节点，分别是GGSN，SGSN，PCU，GPRS的网络系统结构如图图11GPRS网络系统结构141GPRS协议模块移动台（MS）、SGSN、和GGSN之间的GPRS分层协议模型如图图12分层协议模型142GPRS终端协议GPRS有两个协议分别是TCP/IP和PPP协议（如图43和44所示）TCP/IP分为四个模块有应用层，传输层，网络层，网络接口层图14PPP链接连接的建立2方案论证无锡职业技术学院毕业设计说明书（论文）721方案一基于GPRS网络的远程农场湿度数据采集，区域可以通过基于802154协议的6LOWPAN网络进行自组网，网内的数据通过融合到SINK节点，再通过长距离无线网络的方式传输专网等，GPRS网络的覆盖区域非常的广，非常适合大范围的农田监测，所以一般选用GPRS网络作为系统长距离方式，GPRS系统具有以下特点可靠性高，实时性强，监控范围广，系统建设成本低，系统运营成本低，可对各监测点仪器设备进行远程控制，系统的传输容量，扩容性能好，传输功耗熊，适合野外供电环境。基于GPRS通信模块系统方图如图所示图15GPRS通信模块方图22方案二基于ZIGBEE通信协议的远程农场湿度数据采集，是建立在IEEE802154标准之上的，IEEE802154标准是IEEE确定的低速率无线局域网，PHY层MAC层的标准，ZIGBEE标准定义了网络层，ZIGBEE有以下特点，如数据传输率低，低功耗，成本低，延时短，网络容量大，近距离通信，工作在免许可无线通信频段，提供三级安全模式。基于ZIGBEE通信模块系统方图如图所示LM11173372V锂电池水分传感器温度传感器有效辅射传感器MC13224JTAG调试接口射频天线按键和LED灯充电管理模块太阳能电池板实时时钟模块RS232通信接口JN5121000M02模块传感器模拟信号采集接口驱动控制输出模块电源处理模块数据存储模块太阳能充电无锡职业技术学院毕业设计说明书（论文）8图16ZIGBEE通信模块方图23方案对比GPRS和ZIGBEE作为通信协议各自有各自的特点，GPRS优点比ZIGBEE数据率高，传输距离远,网络的覆盖区域非常广，适合大范围的农田监测，缺点功耗高，成本高，收费,而ZIGBEE优点功耗低、成本低、完全免费,缺点数据率低，单跳传输距离近，我设计的题目是关于远程农场湿度数据采集，来监控农田水分，便于农作物的生长，个人觉得应使用ZIGBEE通信协议，可以节约资源，成本不高3各电路设计和论证31电源电路设计和论证311方案一图17电源电压本文的节点设计主要运用到JN5121,其节点集成了射频模块和大量的外设，电源模块RT9161用于将5V的电眼转换成33V，网络协议器的作用是与采集控制模块的单片机嵌入式系统的串口项链并与之通信，其余电路的主要是为核心电路模块能够正常工作提供必需的辅助电路部分。312方案二无锡职业技术学院毕业设计说明书（论文）9图18电源电路由于系统主要用于电磁阀控制，所需电量比较大，为了确保无线测控系统维持至少一个生长季采用12V蓄电池位系统供电，系统电压是33V，为了获取最大电源转换效率，采用美信MAX1837ETT33TDC/DC降压芯片，该芯片能够将45V24V电压转换成33V，并能提供电流250MA，输入端采用3APTC自恢复熔丝，压敏电阻7D180、TVS1SMR26CAT3用于过压保护。图19电磁阀供电软件系统需要对12V电压进行开关控制，当打开或关闭电子阀时，开通12V电源输出脉冲信号，在不需要操作时将供电12V关闭，达到每路电源的管理，以降低系统功耗，采用软开关ATT4285实现管理。32各模块电路设计和论证321方案一基于GPRS通信模块一共分为JTAJ接口原理图，MC13224外部时钟源，MC13224射频天线接口，复位电路设计以及传感器接口电路，就不详细介绍。322方案二基于ZIGBEE通信模块分为JN5121000M02模块，存储电路模块，实时时钟模块，通信接口电路，电源处理电路，模拟与脉冲信号处理电路，驱动控制输出电路，太阳无锡职业技术学院毕业设计说明书（论文）10能供电。1存储电路模块图20FM25L256硬件连接图系统采用铁存储器FM25L256，具有先进铁电技术制造的32KB非易失性存储器，可以像RAM一样快速读写，数据在掉电后可以保存10年，FRAM具有系统可靠性高，结构简单等，FM25L256以总线速度进行写操作，无须延时，当数据写入芯片后，写操作仅仅需要几百纳秒，下一个总线周期可以立刻开始无须进行数据轮询。另外FM25L256具有无限次的读写次数，而且操作功耗非常低，采用高速SPI接口增强了贴点急速的高速写数据能力。2JN5121000M02模块无锡职业技术学院毕业设计说明书（论文）11CLK_OPTS1VBRXD2EN3AUIY4M0FJENIC5W6H78SRALFHMOYPTG9串/图21JN5121处理器电路及外围器件JN5121单片无线微控制器，将JN5121和外置天线连接端整合到一块模块上，并集成了所有的射频组件，而JN5121内置的ROM存储器集成了点对点通信与网状网通信的完整协议栈。JN5121是业界第一款兼容IEEE802154的低功耗、低成本无线微型控制器，它是16MHZ主频的32位RISC处理器，在功耗，代码效率、代码大小方面高度优化，其内置的64KB的ROM存储集成了点对点通信与网状网通信与网状网通信的完整协议栈，96KB的RAM存储可以支持网络路由和控制器功能，而不需要外部扩展任何的存储空间，另外，JN5121还有4路12位的模拟量输入、2路11位的模拟量输出、2个比较器、2个应用程序定时器、3个系统定时器、2个UART异步串口，SPI接口以及2线串型接口，还支持晶振休眠和系统节能。3实时时钟模块无锡职业技术学院毕业设计说明书（论文）12图22PCF8563的硬件连接图采用PCF8563时钟芯片作为实时时钟模块的主要器件，PCF8563是低功耗的CMOS实时时钟/日历芯片，他提供一个可编程时钟输出、一个中断输出和掉电检测器，所有的地址和数据通过I2C总线接口串行传递，。该芯片可以满足对实时时钟芯片的各种需要，比较适合这里的使用。4通信接口电路图23MAX3222的硬件连接图通信芯片选用的是MAX3222，MAX3222是MAXIM公司的一种RS232接口芯片，它使用单一电源电压VCC，电压值从33V55V都能正常工作，额定电流是300UA,可完成TTL与RS232两种电平之间转换，另外，它可以通过EN、SHEN引脚控制驱动器、接收器的工作状态，启动或禁止自动降低功能，从而使其工作在不同的功耗，达到降低功耗的目的。5模拟信号处理电路无锡职业技术学院毕业设计说明书（论文）13图24模拟信号采集电路JN5121内部有4路A/D转换器，为了使系统能够测量标准的电流，电压信号，采用低功耗运算放大器LMV324作为电压跟随器，当采集电流信号时，125欧姆的精准电阻将其转换为电压信号，当输入标准05V电压信号时，通过两个电阻进行分压，使输入电压低于参考电压。6脉冲信号处理电路图25脉冲测量电路采用简单电阻分压、滤波，然后采用施密特触发器74HC14进行整形，信号连接到JN5121模块的微处理器I/O接口上，通过模块内部的TIMER进行捕或计算，得到相应的脉冲测量，整体而言相当的简单，不需要浪费太多的时间，脉冲信号处理方式也不复杂。无锡职业技术学院毕业设计说明书（论文）147驱动控制输出模块图26驱动输出电路原理图在农田灌溉区域，面积大企鹅地形比较附加，很难采用有线电源系统进行供电，因此这里选用的电磁阀，这种电磁阀的主要特点是无需持续供电，通过瞬间的脉冲信号就能实现电磁阀的开关控制，放点油JN5121模块I/O接口通过一个限流电阻控制三极管D1691，D1691是可以通过大电流的NPN型的三极管，最大的导通电流为5A。二极管B340B的作用是电容放电时防止产生火花，进而对电路产生影响简单的介绍一下有关芯片JN5121模块构框图如图图27JN5121模块构框图在个电路模块下，GPRS与ZIGBEE的设计并没有本质上的区别，基本思路都一样，他们都有共同点，都需要太阳能提供电源，都用了时钟模块以及通信接口技术，唯一的区别就是采用的通信协议不同，进而通信接口也不相同，采用的微处理器也不同。333注意事项无锡职业技术学院毕业设计说明书（论文）15ZIGBEE协议中无线网络事前被定义的协调器的节点来建立的，在使用ZIGBEE协议时必须对网络层和应用层进行初始化的工作，它的标准网络建立过程如下图28标准网络建立过程4软件设计41程序流程411系统主程序流程图N初始化调用显示子程序1S到初次上电读出温度值温度计算处理显示数据刷新发温度转换开始命令NY主流程图Y主流程图初始化协议建立PANCOORDINATOR设置COORDINATOR的短地址设置网络PANID开始数据传输ZIGBEE子节点加入网络启动ZIGBEE网络选择射频通道无锡职业技术学院毕业设计说明书（论文）16图29主程序流程图412各子程序流程图图30串口通信的流程开始初始化处理收到数据包判断是否发送完毕发送数据包YNYMCU休眠向主节点发送测得数据和设备状态开始向主节点发送入网请求初始化硬件级协议各层入网成功接收主节点命令处理传感器测得数据并控制设备N无锡职业技术学院毕业设计说明书（论文）17图31子节点的软件流程图32主节点的软件流程图42程序421主程序VOIDMAIN/主函数UCHARAINIT_COM/初始化串口WHILE1YNN开机系统初始化是否与上位机连接启动ZIGBEE网络是否有子节点请求增加根据需要增加子节点并为其编号选择被测子节点发送测控命令，接收数据Y无锡职业技术学院毕业设计说明书（论文）18TMPCHANGE/温度转换FORA10A0ADISPLAYTMP/显示十次422各子程序INCLUDEDEFINEUCHARUNSIGNEDCHARDEFINEUINTUNSIGNEDINTSBITDSP22SBITFMP23/DEFINEINTERFACE定义ZIGBEE接口INTTEMP/温度变量UCHARFLAG1,COUNT/SIGNOFTHERESULTPOSITIVEORNEGATIVESBITDULAP26SBITWELAP27UNSIGNEDCHARCODETABLE0XC0,0XF9,0XA4,0XB0,0X99,0X92,0X82,0XF8,0X80,0X90/不带小数点编码。UNSIGNEDCHARCODETABLE10X40,0X79,0X24,0X30,0X19,0X12,0X02,0X78,0X00,0X10/带小数点编码。VOIDDELAYUINTX/DELAYUCHARI,JFORI0I0IDS1I4WHILEI0IBITTMPREADBITVOID/READABIT读一位INTIBITDATDS0I/I小延时一下DS1IIDATDSI8WHILEI0IRETURNDATUCHARTMPREADVOID/读一个字节UCHARI,J,DATDAT0FORI1I1/读出的数据最低位在最前面，这样刚好/一个字节在DAT里RETURNDAT/将一个字节数据返回VOIDTMPWRITEBYTEUCHARDAT/写一个字节到FRAM里INTICHARJBITTESTBFORJ1J1IFTESTB/写1部分DS0IIDS1I8WHILEI0IELSEDS0/写0部分I8WHILEI0IDS1II无锡职业技术学院毕业设计说明书（论文）21VOIDTMPCHANGEVOID/发送温度转换命令DSRESET/初始化DELAY1/延时TMPWRITEBYTE0XCC/跳过序列号命令TMPWRITEBYTE0X44/发送温度转换命令INTTMP/获得温度FLOATTTUCHARA,BDSRESETDELAY1TMPWRITEBYTE0XCC/跳过读取ROM命令TMPWRITEBYTE0XBE/发送读取数据命令ATMPREAD/连续读两个字节数据BTMPREADTEMPBTEMP30P0P0FMFMDELAY1I
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