【正文】 不但大為縮短了微觀事件的檢測時(shí)間，還可定性事件的類型。 因此，研究一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的棉田信息監(jiān)測系統(tǒng)，將其與棉田滴灌系統(tǒng)相結(jié)合可有效控制棉田土壤水分及溫度，并能準(zhǔn)確獲知棉花生長過程中必要信息，對提高兵團(tuán)棉花產(chǎn)量具有重要意義。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通常運(yùn)行在惡劣，甚至危險(xiǎn)的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中。加州大學(xué)伯克利分校提出了基于相關(guān)性的數(shù)據(jù)編碼模式、確定無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)位置的分布式算法及重構(gòu)傳感器節(jié)點(diǎn)位置的方法等，并研制了一個(gè)基于傳感器網(wǎng)絡(luò)的操作 系統(tǒng) Tiny OS。針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議的特殊性，康奈爾大學(xué)等高校開展了相關(guān)研究，先后提出了基于談判類協(xié)議、定向發(fā)布類協(xié)議、能量敏感類協(xié)議、多路徑類協(xié)議，傳播路由類協(xié)議、介質(zhì)存取控制類協(xié)議、基于集群的協(xié)議、以數(shù)據(jù)為中心的路由算法等新的通信協(xié)議。無線傳感器目前已經(jīng)開始逐步走向市場應(yīng)用和推廣。 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)針對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)定位問題進(jìn)行了研究， 提出了一種新的節(jié)點(diǎn)定位算法，該算法不需要任何額外的硬件支持，節(jié)點(diǎn)間通信 開銷少。 但從總體上來講，國內(nèi)關(guān)于傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究還僅僅處于起步階段，但傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是一門新興的綜合性技術(shù)，國內(nèi)外的差距還不是很大，及時(shí)開展對這項(xiàng)影響深遠(yuǎn)的前沿科學(xué)研究，對社會和經(jīng)濟(jì)都具有重大的意義。藍(lán)牙列入了 ，其規(guī)定了包括 PHY層、 MAC 層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的集成協(xié)議棧。 為對語音和特定網(wǎng)絡(luò)提供支持，藍(lán)牙需要協(xié)議棧提供 250kB 的系統(tǒng)開銷，從而增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性。 流行的幾個(gè)版本包括：“ a” (波段為 ，帶寬為54Mbps)、“ b” (波段為 ，帶寬為 11Mbps)和“ g” (波段為 ，帶寬為 22Mbps)。 WiFi 技術(shù)能讓無線用戶得到以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)性能及速率，且可無縫地將多種 LAN 技術(shù)集成起來，形成一種能最大限度地滿足用戶需求的網(wǎng)絡(luò)，具有部署方便、通信可靠、抗干擾能力強(qiáng)、成本低、靈活性好、移動性強(qiáng)、吞吐量高等特點(diǎn)。 IrDA 標(biāo)準(zhǔn)的無線設(shè)備傳輸速率已從 逐步發(fā)展到 4Mbps、 16Mbps。它具有移動通信所需的體積小、功耗低、連接方便、簡單易用、成本低廉、不需申請頻段及技術(shù)比較成熟的特點(diǎn)，但 IrDA 用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)上的最大問題在于只能在 2 臺設(shè)備之間連接，并且存在有視距角度等問題。根據(jù)最新的美國聯(lián)邦通信委員會 (FCC)的定義，超寬頻系統(tǒng)的中心頻率高于 ，并具有至少 500MHz 的 10dB 頻寬。 ZigBee 作為一種無線連接新規(guī)格，可工作在 (全球開放頻段 )868MHz(歐洲 )和 915MHz(美國 )這三個(gè)頻段上，并在這 三個(gè)頻段上分別具有250kbps、 20kbps和 40kbps的最高理論數(shù)據(jù)傳輸速率。而且，一臺ZigBee 設(shè)備可以連接多達(dá) 254 個(gè)其他 ZigBee 設(shè)備。 MAC 層可以采用完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息； 成本低 ：模塊的初始成本估計(jì)在 6 美元左右，很快就能 降到 美元到 美元之間，且 ZigBee 協(xié)議免專利費(fèi) . 時(shí)延短 ：針對時(shí)延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短。 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 12 技術(shù)方案比較 圖 21各種短距離無線通信技術(shù)的比較 如圖 21 所示，對比各技術(shù)及 綜合 考慮 各種因素之后，我們決定采用 ZigBee技術(shù)作為本系統(tǒng)的無線傳輸技術(shù)，主要原因有以下幾點(diǎn)： 成本低、功耗低、網(wǎng)絡(luò)容量大、安全可靠。 應(yīng)用軟件開發(fā)和完備的協(xié)議棧支持。 ZigBee 協(xié)議棧層次結(jié)構(gòu)主要由應(yīng)用層、應(yīng)用接口、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路 層和物理層組成，如圖 22 所示 ： 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 13 圖 22 ZigBee協(xié)議棧層次結(jié)構(gòu) 物理層：采用 DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum 直接序列擴(kuò)頻 )技術(shù)，可提供 27個(gè)信道用于數(shù)據(jù)收發(fā)。數(shù)據(jù)服務(wù)使 MAC 層協(xié)議數(shù)據(jù)單元的收發(fā)可以通過物理層數(shù)據(jù)服務(wù)。 子層支持多種 LLC標(biāo)準(zhǔn)。 網(wǎng)絡(luò)層：建立新的網(wǎng)絡(luò)，處理節(jié)點(diǎn)的進(jìn)入和離開網(wǎng)絡(luò)。這款芯片是從 CC2420 無線收發(fā)器的基礎(chǔ)上演變而來，在 CC2420 的基礎(chǔ)上， CC2430 加入了一個(gè)高速 51 兼容內(nèi)核 ,加入了片上 128KB Flash， 8KB SRAM 其中 4KB 可以在在極低功耗模式下保持?jǐn)?shù)據(jù)，擁有四個(gè)定時(shí)器，雙 USART,DMA 控制器，支持 18 個(gè)中斷源，有 6 種中斷優(yōu)先級。 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 15 總體 實(shí)施路線和方案 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)建立無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，確定初始參數(shù)，存儲轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)鏈路向上傳輸數(shù)據(jù)。 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 16 第三章、 詳細(xì)方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)抽象層次結(jié)構(gòu) 整個(gè)系統(tǒng)劃分為三層，最上層為控制表示層，中間為數(shù)據(jù)匯聚層，最底下為數(shù)據(jù)感知層 ，如 圖 31 所 示 。 數(shù)據(jù)感知層 (各 類數(shù)據(jù)采集終端節(jié)點(diǎn)） 數(shù)據(jù)匯聚層 （協(xié)調(diào)器，網(wǎng)關(guān)） 控制表示層 (PC 機(jī)監(jiān)控軟件，手持控制設(shè)備，手機(jī)等 ) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 17 控制表示層 . PC 端監(jiān)控軟件設(shè)計(jì) 概述 PC 端監(jiān)控軟件在 Visual C++ 環(huán)境下開發(fā)，共分 5 個(gè)主要功能模塊?？梢蕴砑有掠脩?，可以修改用戶屬性。本模塊功能尚未實(shí)現(xiàn)，正在構(gòu)建中。系統(tǒng)提示信息記錄和瀏覽。如果當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)數(shù)目超過了 12 個(gè)，則以分組的方式顯示，可以在各組之間切換。另外一個(gè)重要的作用就是安裝節(jié)點(diǎn)時(shí)，對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初始配置，因?yàn)榭紤]到靈活性，不可能將所有信息都寫入 Flash 中，有部分信息只有在使用時(shí)才能確定，比如使用地點(diǎn)，通過手持設(shè)備對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行配置，可以很方便的實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)位置屬性的調(diào)整，方便了日常管理。本方案中為了節(jié)約 IO 口，采用了串行方案連接，只需要 3 根數(shù)據(jù)線 (CLK,DATA,RS)，由于手持設(shè)備一般采用電池供電，為了延長電池壽命，增加了液晶的背光控制功能，能夠在空閑時(shí)自動關(guān)閉液晶的背光燈，詳見電路圖。 DS1302 實(shí)時(shí)時(shí)鐘： 本芯片主要為手持節(jié)點(diǎn)提供時(shí)間日期支持。 Max232 電平轉(zhuǎn)換電路： 由于 TTL 與 RS232 電平不兼容，為了實(shí)現(xiàn)程序的下載以及通信，必須進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，這里采用了 MAX232 電平轉(zhuǎn)換芯片，實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 22 數(shù)據(jù)匯聚層 網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計(jì) 協(xié)調(diào)器在網(wǎng)絡(luò)中處于中層。所以最好可以采用主電源供電。 液晶模塊： 使用 1602 液晶顯示屏，此屏自帶西文字庫和驅(qū)動芯片，可以通過并行方式與主控制器連接。 CAN 總線模塊： CAN 是一種非常常用的現(xiàn)場總線技術(shù)，具有抗各種環(huán)境下的電磁干擾、較高的數(shù)據(jù)傳輸速率、支持大量節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)、自動錯(cuò)誤檢測、優(yōu)先級和總線仲裁等優(yōu)良特性，非常適合在各種強(qiáng)干擾場合進(jìn)行分布式控制和數(shù)據(jù)傳輸。由于采用半雙工方式工作，任何時(shí)候網(wǎng)絡(luò)中只有一點(diǎn)可以發(fā)送數(shù)據(jù)、所以一般都是采用一主多從的方式，由主站發(fā)起通信、從站應(yīng)答。是對傳統(tǒng)的 GSM 業(yè)務(wù)的升級和延續(xù)， GPRS采用了分組交換方式而不是傳統(tǒng)的電路交換方式、并且使用的是一些不固定的空閑信道、所以影響用戶通話功能、數(shù)據(jù)采用包（ Packet）的方式進(jìn)行傳輸、通過SGSN GPRS 服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)和 GGSN GPRS 網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)的配合實(shí)現(xiàn)分組數(shù)據(jù)的傳輸。 網(wǎng) 關(guān)軟件設(shè)計(jì) 圖 36 典型的 RS485半雙工網(wǎng)絡(luò)示意圖 如圖 36 所示， 協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)在整個(gè)系統(tǒng)中扮演了數(shù)據(jù)匯聚和存儲轉(zhuǎn)發(fā)的功能，所以它的軟件部分主要以通信模塊為主，一方面與終端節(jié)點(diǎn)通過無線通信，另一方面通過 485[9]或者 CAN 總線或者 ZigBee 無線與其它協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)通信，所有的協(xié)調(diào)器中還有一個(gè)要通過 RS232 與上位計(jì)算機(jī)通信。共有四個(gè) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)以對應(yīng)的協(xié)調(diào)器為中心，每個(gè) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中采用樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)關(guān)部分作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中最為復(fù) 雜的一個(gè)部分，其內(nèi)部含有最多的硬件模塊，在網(wǎng)關(guān)主控制器程序中，需要驅(qū)動所有這些外部模塊協(xié)同工作，為了保證穩(wěn)定性和響應(yīng)速度，本系統(tǒng)中網(wǎng)關(guān)采用了基于事件驅(qū)動的模型進(jìn)行編程，參考了一些 RTOS（實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)）的設(shè)計(jì)理念，比如，將按鍵輸入處理、 LCD 界面顯示、網(wǎng)絡(luò)通信等分為多個(gè)任務(wù)，不同的任務(wù)之間通過消息來進(jìn)行通信和協(xié)調(diào)，比如，當(dāng)用戶按下按鍵時(shí)，按鍵中斷處理程序第一時(shí)間獲取到按鍵信息，如鍵值，并存入全局變量中，然后，設(shè)置按鍵標(biāo)志位，然后中斷返回。以上是整個(gè)網(wǎng)關(guān)部分程序設(shè)計(jì)的主要思路，即事件消息驅(qū)動，緊急任務(wù)在中斷中執(zhí)行并迅速返回，其余任務(wù)在主循環(huán)中執(zhí)行，各個(gè)任務(wù)只執(zhí)行自己的任務(wù)，分工明確。 , 本文件包含了與 CAN 總線硬件配置緊密相關(guān)的內(nèi)容，如復(fù)位引腳的位置、中斷引腳的位置、中斷函數(shù)的定義、還有一些輔助函數(shù)如 sja1000 復(fù)位函數(shù)， sja1000初始化函數(shù)，該初始化包含了 sja1000 正常工作所需的所有配置和初始化，其內(nèi)部調(diào)用 Zlg_can 中的一些函數(shù)，將它們封裝到一個(gè)函數(shù)中，本文件中的初始化函數(shù)由主函數(shù)進(jìn)行調(diào)用 ,men 主要包含菜單部分的內(nèi)容，所有菜單相關(guān)操作都在該部分進(jìn)行，包括菜 單上翻、下翻、返回、確定、顯示菜單等，該部分調(diào)用 lcd1602 部分的顯示函數(shù)進(jìn)行菜單顯示和更新，菜單顯示內(nèi)容等變量的定義和聲明都在該部分 ,gprs.h 該部分主要包括了 GPRS 模塊的相關(guān)操作，具體包括模塊開機(jī)狀態(tài)監(jiān)測，模塊開關(guān)機(jī)，信號質(zhì)量查詢、運(yùn)營商信息查詢、 SIM 卡信息查詢、短信的接受、發(fā)送、刪除、回復(fù)等（不支持中文短信）并且可以根據(jù)短信內(nèi)容進(jìn)行相應(yīng)操作， GPRS 網(wǎng)絡(luò)的連接初始化， GPRS網(wǎng)絡(luò)連接與斷開， TCPIP 連接的建立與維護(hù)， TCPIP連接狀態(tài)的查詢， TCPIP 數(shù)據(jù)包的收發(fā)，撥號掛機(jī) ，以及一般的 AT 指令的執(zhí)行。并且可以控制無線模塊的開關(guān)。某些情況下可以接受指令，控制繼電器或者其他執(zhí)行部件進(jìn)行動作。終端節(jié)點(diǎn)的天線部分采用 PCB印刷平衡差分天線或者單端天線。采集的相對濕度范圍是20%到 95%，并且支持低功耗模式，價(jià)格低廉 [10]。另外要與協(xié)調(diào)器通信，同時(shí)要監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)生異常時(shí)，需要嘗試自動恢復(fù)。編程時(shí)，需要通過協(xié)議棧的接口建立用戶任務(wù)，然后為目標(biāo)消息注信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 31 冊處理函數(shù)，對消息進(jìn)行捕獲處理。 下面通過對代碼的分析具體說明協(xié)議棧的工作原理和流程： 入口函數(shù) ZMain，調(diào)用各部分初始化函數(shù) 創(chuàng)建任務(wù)隊(duì)列，進(jìn)行任務(wù)初始化 上圖代碼是協(xié)議棧任務(wù)創(chuàng)建函數(shù)，其首先定義了一個(gè)任務(wù) ID 號變量，其值從 0void osalInitTasks( void ) { uint8 taskID = 0。 nwk_init( taskID++ )。 if defined ( ZIGBEE_FRAGMENTATION ) APSF_Init( taskID++ )。 } 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 32 開始，依次分配給各任務(wù) ，每次非配后自加 1，這樣所有的任務(wù)都得到了初始化，并且都有一個(gè)任務(wù) ID(TaskID)與之相關(guān)聯(lián)，這個(gè) TaskID 是全局范圍類分辨各任務(wù)的唯一標(biāo)示。首先向應(yīng)用程序框架注冊了一個(gè)端點(diǎn) (endpoint)，這里端點(diǎn) (endpoint)的概念類似于其他地方所說的端口的含義，然后向系統(tǒng)注冊了所有的按鍵消息，此處注冊時(shí)傳入了當(dāng)前任務(wù)的任務(wù)ID(TaskID)，按鍵觸發(fā)后首先是有 hal 任務(wù) (硬件抽象層任務(wù) )進(jìn)行處理的，硬件抽象層任務(wù)根據(jù) TaskID 將按鍵消息投遞到注冊了按鍵消息的任務(wù)的消息隊(duì)列中。 = (afAddrMode_t)AddrNotPresent。 = amp。 = noLatencyReqs。 ZDO_RegisterForZDOMsg( GenericApp_TaskID, End_Device_Bind_rsp )。 uint16 GenericApp_ProcessEvent( uint8 task_id, uint16 events ) { afIningMSGPacket_t *MSGpkt。 byte sentTransID。 while ( MSGpkt ) { switch ( MSGpkt ) { case GenericApp_ProcessZDOMsgs( (zdoIningMsg_t *)MSGpkt )。 //返回未處理的消息 return (events ^ SYS_EVENT_MSG)。通過完成這些硬件電路的設(shè)計(jì)和