畢業(yè)設(shè)計(jì)-zigbee灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)-全文預(yù)覽

　　

【正文】 第二節(jié) 系統(tǒng)軟件 的 實(shí)現(xiàn) 實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò) 組網(wǎng) 是系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)的主要人物 ，傳感器工作的控制以及數(shù)據(jù)的無(wú)線收發(fā)。 CC2430 芯片采用Z I GBEE自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng) ZIGBEE無(wú)線傳感器 灌溉水泵 數(shù)據(jù)庫(kù) 協(xié)調(diào)器 μ m CMOS 工藝生產(chǎn)，工作時(shí)的電流損耗為 27 mA；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于 27 mA 或 25 mA。 數(shù)據(jù)信息采集：顯示在操作員界面上的數(shù)據(jù)，比如：上次總灌溉量和累計(jì)灌溉量、已執(zhí)行的灌溉信息等，操作員可通過這些信息分析灌溉農(nóng)田的情況。總體設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要階段，它將一個(gè)比較籠統(tǒng)的項(xiàng)目逐步細(xì)化成為具體的工作，最終把這些工作綜合成一個(gè) 高技術(shù) 、 低成本 、 高效率 、能協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)的實(shí)際系統(tǒng) 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)定義系統(tǒng)和各個(gè)模塊之間的關(guān)系，根據(jù)系統(tǒng)需求分析中的功能分析便得到了系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖（圖 ） 用戶進(jìn)入 ZIGBEE 灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)，登錄后跳轉(zhuǎn)至操作員界面，進(jìn)入操作員界面后會(huì)顯示采集的數(shù)據(jù)，如：灌溉水量，灌溉信息及系統(tǒng)信息等。 在這個(gè)系統(tǒng)中，用戶輸入數(shù)據(jù)后，如圖 數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器分析處理數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)傳輸至 ZIGBEE 無(wú)線傳感器，再由傳感器控制水泵灌溉，之后傳感器收集環(huán)境信息和灌溉數(shù)據(jù)反饋給協(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器分析數(shù)據(jù)，如果異常則彈出警告，正常則傳輸至數(shù)據(jù)庫(kù) ，最后由數(shù)據(jù)庫(kù)將采集的信息顯示到操作員界面。顯示上一次的總灌溉水量和累計(jì)的灌溉水量。 第二節(jié) 需求分析 一、 功能需求 ZIGBEE 灌溉自動(dòng)控制系統(tǒng)是要以控制系統(tǒng)為核心來實(shí)現(xiàn)整個(gè)灌溉系統(tǒng)的運(yùn)行和操作。特別是經(jīng)過了 30 年的農(nóng)村改革，我國(guó)戶均擁有 公頃耕地的超小型家庭經(jīng)營(yíng)格局基本沒有得到改變，這樣就造成了發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)與小農(nóng)經(jīng)濟(jì)之間的矛盾、發(fā)展現(xiàn)代農(nóng)業(yè)投入大與農(nóng)業(yè)比較效益低之間的矛盾。總之，世界農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化是與工業(yè)化、城市化相伴而生的，其實(shí)質(zhì)和核心是化 “農(nóng) ”，就是農(nóng)民比重大幅減少、農(nóng)業(yè)比重大幅下降、城市化水平大幅提高的歷史演進(jìn)過程。采用無(wú)線數(shù)字通信模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田灌溉進(jìn)行無(wú)線監(jiān)測(cè)與控制，以提高水資源利用率，促進(jìn)農(nóng)業(yè)良性循環(huán)。 四、 ZIGBEE 應(yīng)用分析 作為一種低速率的短距離無(wú) 線通信技術(shù)， ZigBee 有其自身的特點(diǎn)，因此應(yīng)該有為它量身定做的應(yīng)用，盡管在某些應(yīng)用方面可能和其他技術(shù)重疊。首先是大規(guī)模的組 網(wǎng)能力 —— ZigBee 可以支持每個(gè)網(wǎng)絡(luò)多達(dá)六萬(wàn)多個(gè)節(jié)點(diǎn)，相比之下， Bluetooth 只支持每個(gè)網(wǎng)絡(luò) 8 個(gè)節(jié)點(diǎn)。在這種情況下， ZigBee 的網(wǎng)絡(luò)有可能依靠普通的電池連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)一兩年。而且由于發(fā)送沖突和多跳，使得時(shí)延變成一個(gè)不易確定的因素。據(jù)了解，在最新的ZigBee2021 協(xié)議棧規(guī)范當(dāng)中，將會(huì)引入一個(gè)新的特性 —— 頻率捷變(frequencyagility)，這也是 ZigBee 加強(qiáng)其可靠性的一個(gè)重要特性。 三、 ZIGBEE 性能分析 上面對(duì) ZigBee 協(xié)議棧作了一些介紹，要知道 ZigBee 能勝任什么工作，還需要作進(jìn)一步的分析，主要有幾個(gè)方面：數(shù)據(jù)速率、可靠性、時(shí)延、能耗特性、組網(wǎng)和路由。而綁定是用于把兩個(gè) “ 互補(bǔ)的 ” 應(yīng)用 聯(lián)系在一起，如開關(guān)應(yīng)用和燈的應(yīng)用。它可以用于較大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)，需要節(jié)點(diǎn)維護(hù)一個(gè)路由表，耗費(fèi)一定的存儲(chǔ)資源，但往往能達(dá)到最優(yōu)的路由效率，而且使用靈活。其實(shí)有很多地方仔細(xì)一想，就可以發(fā)現(xiàn) ZigBee 和蜂群的許多暗合之處。目前 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)層主要支持兩種路由算法— 樹路由和網(wǎng)狀網(wǎng)路由。 MAC層往上就屬于 ZigBee 真正定義的部分了，我們可以參看一下 ZigBee 的協(xié)議棧。信標(biāo)模式當(dāng)中規(guī)定了一種 “ 超幀 ” 的格式，在超幀的開始發(fā)送信標(biāo)幀，里面含有一些時(shí)序以及網(wǎng)絡(luò)的信息，緊接著是競(jìng)爭(zhēng)接入時(shí)期，在這段時(shí)間內(nèi)各節(jié)點(diǎn)以競(jìng)爭(zhēng)方式接入信道，再后面是非競(jìng)爭(zhēng)接入時(shí)期，節(jié)點(diǎn)采用時(shí)分復(fù)用的方式接入信道 ，然后是非活躍時(shí)期，節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)，等待下一個(gè)超幀周期的開始又發(fā)送信標(biāo)幀。ZigBee/ 的網(wǎng)絡(luò)所有節(jié)點(diǎn)都工作在同一個(gè)信道上，因此如果鄰近的節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)就有可能發(fā)生沖突。另一方面，我們可 以看到 的數(shù)據(jù)速率并不高，對(duì)于 頻段只有 250kb/s，而 868MHz 頻段只有 20kb/s， 915MHz 頻段只有40kb/s。直接序列擴(kuò)頻技術(shù)具有一定的抗干擾效果，同時(shí)在其他條件相同情況下傳輸距離要大于跳頻技術(shù)。不同頻帶的擴(kuò)頻和調(diào)制方式也有所區(qū)別，雖然都使用了直接序列擴(kuò)頻 (DSSS)的方式，但從比特到碼片的變換方式有比較大的差別 。 “ZigBee”可以看作是一個(gè)商標(biāo)，也可以看作是一種技術(shù)，當(dāng)把它看作一種技術(shù)的時(shí)候，它表示一種高層的技術(shù)，而物理層和 MAC 層直接引用 。此后 ZigBeeAlliance 又經(jīng)過兩年的努力，推出了新的規(guī)范 ZigBee2021，這是一個(gè)比較完善的規(guī)范。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。 第一章 ZIGBEE 概述 第一節(jié) ZIGBEE 技術(shù) 的發(fā)展歷史及趨勢(shì) Zigbee 是 IEEE 協(xié)議的代名詞。通過 ZIGBEE 無(wú)線傳感器測(cè)量農(nóng)田的周邊環(huán)境信息來實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌溉的自動(dòng)化控制。計(jì)算機(jī)化操作運(yùn)行精密、可靠、節(jié)省人力，對(duì)灌溉過程的控制可達(dá)到相當(dāng)?shù)木龋谝陨校呀?jīng)出現(xiàn)了在家里利用電腦對(duì)灌溉過程進(jìn)行全部控制 (無(wú)線、有線 )的農(nóng)場(chǎng)主。 日本，以色列以及歐美等農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都已實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)的自動(dòng)化， 而他們發(fā)展自動(dòng)化的一個(gè)重要途徑就是灌溉系統(tǒng)的自動(dòng)化控制。 我國(guó)的 自動(dòng) 灌溉控制 系統(tǒng) 的研制和使用尚處于起步階段，因此，作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，中國(guó)研究開發(fā)自 己的先進(jìn)的低成本、使用維護(hù)方便、系統(tǒng)功能強(qiáng)且擴(kuò)展容易的國(guó)產(chǎn)化 自動(dòng) 灌溉器是一項(xiàng)極有意義的工作。 ZIGBEE 無(wú)線傳感器是作為灌溉系統(tǒng)控制和管理的有效工具，它便于操作，又可以提高操作的精確性，并且只要實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)控制系統(tǒng)，對(duì)操作員也不需要過高的要求。 由傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn) 代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變，必須要求農(nóng)業(yè)科技有一個(gè)大的發(fā)展，進(jìn)行一次新的農(nóng)業(yè)技術(shù)革命。 自動(dòng)灌溉 。該系統(tǒng)通過 ZigBee 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集土壤水勢(shì)與環(huán)境氣 象信息 , 由農(nóng)田蒸散量和土壤水勢(shì)作為輸入 , 以作物需水量為輸出 , 采用模糊推理規(guī)則 , 使用分段模糊控制策略獲得 了作 物的需水量 ,構(gòu)成智能灌溉系統(tǒng) 。 針對(duì)節(jié)水灌溉受多種因素影響難以建立精確控制模型的特點(diǎn) , 為了 實(shí)現(xiàn) 作物的自動(dòng)、 適時(shí) 與適量灌溉 , 設(shè)計(jì)了基于 ZigBee 和模糊控制決策的全自動(dòng)灌溉系統(tǒng)。 【關(guān)鍵詞】 ZigBee。從農(nóng)業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展來看，灌溉 系統(tǒng)是一個(gè)很關(guān)鍵的問題。傳統(tǒng)的灌溉模式自動(dòng)化程度極低，基本上屬粗放的人工操作，即便對(duì)于給定的量，在操作中也無(wú)法進(jìn)行有效的控制，為了提高灌溉效率，縮短勞動(dòng)時(shí)間和節(jié)約水資源，必須發(fā)展自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)。即使部分地方有自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng)，但是并沒有實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能的自動(dòng)化，只是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來按時(shí)定量地進(jìn)行灌溉，這樣并不能實(shí)現(xiàn)向高效化為目標(biāo)發(fā)展的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化。 現(xiàn)在我需要設(shè)計(jì)的就是通過 ZIGBEE 無(wú)線傳感器建立的自動(dòng)灌溉控制系統(tǒng) ，它能 控制灌溉系統(tǒng) 對(duì)作物進(jìn)行適時(shí)、適量的灌水，起到高效灌溉，節(jié)水、節(jié)能的作用。北美、澳大利亞韓國(guó)等國(guó)家和地 區(qū)都已有發(fā)展成熟并形成系列的灌溉控制器產(chǎn)品，微灌方式普遍采用計(jì)算機(jī)控制，埋在地下的濕度傳感器可以傳回有關(guān)土壤水分的信息，還有的傳感器系統(tǒng)能通過檢測(cè)植物的莖和果實(shí)的直徑變化來決定對(duì)植物的灌水間隔。為灌溉系統(tǒng)合理地發(fā)展自動(dòng)化控制 ,不僅可以提高資源利用率 ,緩解水資源日趨緊張的矛盾 ,還可以增加農(nóng)作物的產(chǎn)量 ,降低農(nóng)產(chǎn)品的成本。 ZIGBEE 灌溉控制系統(tǒng)通過將傳感 器和芯片以網(wǎng)狀埋設(shè)于農(nóng)田各地，在通過無(wú)線傳輸將農(nóng)田信息傳遞至控制系統(tǒng)，然后再由控制系統(tǒng)分析數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉。 它的 特點(diǎn)是 低復(fù)雜度、 近距離 、自組織、 低數(shù)據(jù)速率、 低功耗、低成本。兩年之后， ZigBee 的第一個(gè)規(guī)范 誕生，但這個(gè)規(guī)范推出的比較倉(cāng)促，存在一些錯(cuò)誤，并不實(shí)用。實(shí)際上 ZigBee 和 的關(guān)系，有點(diǎn)類似于 WiMAX和 ， WiFi 和 ， Bluetooth 和 。 ZigBee工作在三種頻帶上，分別是用于歐洲的 868MHz 頻帶，用于美國(guó)的 915MHz 頻帶，以及全球通用的 頻帶，但這三個(gè)頻帶的物理層并不相 同，它們各自的信道帶寬分別是 ,2MHz 和 5MHz，分別有 1 個(gè)， 10 個(gè)和 16 個(gè)信道。可能我們會(huì)擔(dān)心它