【正文】 m of irrigation. Key words: Mesh transmission model。在對(duì)系統(tǒng)構(gòu)架分析和構(gòu)思的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 南 陽 理 工 學(xué) 院 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 學(xué) 院： 電子與電氣工程學(xué)院 專 業(yè)： 電子信息工程 學(xué) 生： 張 波 指導(dǎo)教師： 薛 曉 完成日期 20xx 年 5 月 南陽理工學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì) Wireless sensor works based irrigation system design 總 計(jì) ： 28 頁(yè) 公 式 ： 1 個(gè) 插 圖 ： 20 幅 表 格： 5 個(gè) 南 陽 理 工 學(xué) 院 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論文） 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì) Wireless sensor works based irrigation system design 學(xué) 院： 電 子與電氣工程學(xué)院 專 業(yè)： 電子信息工程 學(xué) 生 姓 名： 張 波 學(xué) 號(hào)： 1109635051 指 導(dǎo) 教 師（職稱）： 薛 曉 （ 講師 ） 評(píng) 閱 教 師： 完 成 日 期： 南陽理工學(xué)院 Nanyang Institute of Technology 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì) I 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì) 電子信息工程專業(yè) 張波 [摘 要 ] 本文 基于無線傳感器 zigbee 模塊，搭建出傳輸通信網(wǎng)絡(luò)。通過 zigbee模塊與客戶端的連接和 zigbee 模塊與中央處理器的連接組成了從用戶控制到灌溉器運(yùn)作的一套 流程，這樣就完成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)灌溉系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)。 transmission channel。同時(shí)人們也認(rèn)識(shí)到，無線網(wǎng)絡(luò)帶給人們生活，工作中的種種便利。光纖的問世使得通信在傳輸方面取得了顯著性的進(jìn)步。并且雖然光纖傳輸?shù)乃俣容^快，但是其每增一個(gè)基點(diǎn)，就要增加一個(gè)支路，而若是其中一個(gè)基點(diǎn)不能正常工作，將會(huì)導(dǎo)致其后的線路也無法工作，對(duì)生產(chǎn)和生活造成了大量的不便。 圖 1 網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)傳輸模型圖 關(guān)于無線 傳感器網(wǎng)絡(luò)灌溉系統(tǒng)的總體構(gòu)思 無線灌溉系統(tǒng)是基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一種人性化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在使用方面，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的優(yōu)越性使得傳輸線路不僅僅只有一條。美國(guó)《技術(shù)評(píng)論》認(rèn)為，有十種新興技術(shù)在不遠(yuǎn)的將來會(huì)產(chǎn)生巨大影響，其中第一項(xiàng)就是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。無線通信與組網(wǎng)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主要功能，其核心內(nèi)容是通信協(xié)議，通信協(xié)議使傳感器節(jié)點(diǎn)相互之間能夠傳送數(shù)據(jù)，形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)整體，從而完成各種復(fù)雜的任務(wù)，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)工作的基礎(chǔ)。比如在通信方面，手機(jī)通信、廣播通信等都是通過在各地建立信號(hào)塔的方式作為信號(hào)傳輸?shù)幕荆瑏碇修D(zhuǎn)繼送傳送的信號(hào)。 本課題研究的意義及其發(fā)展方向 本課題基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過搭建無線網(wǎng)絡(luò)，從移動(dòng)設(shè)備中發(fā)送相關(guān)命令到終端設(shè)備中，從而控制終端的外圍設(shè)備運(yùn)作。我們知道網(wǎng)狀的傳輸模式使得信號(hào)傳輸不受線路的制約，如若其中一條線路受到破壞，則還會(huì)有其他的線路可供傳輸選擇。在生產(chǎn)方面，無線傳感器不像其它無線設(shè)備那樣，其具有很好的穩(wěn)定性、可維護(hù)性、可操作性。在許多大樓中隨處可見許多網(wǎng)線的拉扯，若利用組成這種無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸，則利用一臺(tái)主路由器，幾臺(tái)基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4 分路由器就可以把網(wǎng)絡(luò)覆蓋整座大樓。從整體流程設(shè)計(jì)到各個(gè)模塊進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，論文介紹了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，從系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)，到元器件選擇，再到各個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn)，最后調(diào)試整體效果。 綜合比較，方案一需要利用外部的機(jī)械按鍵進(jìn)行發(fā)送信號(hào)，其穩(wěn)定性較差。對(duì)于方案二，利用客戶端軟件發(fā)送的信號(hào)，確保了信號(hào)的穩(wěn)定性，其節(jié)點(diǎn)的傳輸方式，使得傳輸更有針對(duì)性。其作用用于識(shí)別用戶的控制指令，并轉(zhuǎn)換為有效信號(hào)作為傳輸。因此對(duì)操作系統(tǒng)的選擇將影響整個(gè)灌溉系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。并對(duì)程序提供了安全管理器，方式非法病毒的訪問。它的面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計(jì)、過程化程序設(shè)計(jì)、泛型程序設(shè)計(jì)以及基于原則設(shè)計(jì)等多種設(shè)計(jì)風(fēng)格使得在程序設(shè)計(jì)領(lǐng)域獨(dú)占一方。更是在腳本語言的 實(shí)現(xiàn)方面，達(dá)到了用法簡(jiǎn)潔、使用高效的效果。 ? C語言： C語言是一種穩(wěn)定的、優(yōu)雅的、安全的、簡(jiǎn)單的、由 C語言和 C++語言衍生出來的計(jì)算機(jī)編程語言。然后現(xiàn)在用戶大多都使用的則是微軟的windows 操作系統(tǒng)，因此對(duì)于操作系統(tǒng)的選擇，更需要滿足用戶的需求。發(fā)送端負(fù)責(zé)發(fā)送控制端用戶輸入的信號(hào)，而接收端則接收發(fā)送端發(fā)送出來的信號(hào)。另外 一個(gè)是藍(lán)牙模塊，插在處理器上的。 圖 5 無線藍(lán)牙串口模塊 2. NRF 無線模塊 目前 NRF 無線網(wǎng)絡(luò)在很多領(lǐng)域得到了應(yīng)用，并在中短距離傳輸領(lǐng)域占據(jù)了一方之地。 其 NRF2401 無線模塊支持 AT 明了對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)配置，更是支持 Server20xx、 VISTA、win7win8/3264 位各種操作系統(tǒng)。大，其內(nèi)部跑的是 LWLP 協(xié)議，方便嵌入到其它產(chǎn)品中。 Zigbee 聯(lián)盟開發(fā)了一種安全層，用來保證這種便攜式設(shè)備不會(huì)意外的泄露其信息，并且，這種利用網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離傳輸更是不會(huì)被其他節(jié)點(diǎn)所獲取。通常在我們用這個(gè)模塊的時(shí)候它是待機(jī)狀態(tài)，不用的時(shí)候一基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9 般都會(huì)進(jìn)行相應(yīng)的休眠，以確保節(jié)能環(huán)保。這里列出 51 單片機(jī)和 STM32 單片機(jī)的對(duì)比。 單片機(jī)類型 簡(jiǎn)介及優(yōu)缺點(diǎn) 51 單片機(jī) 使用經(jīng)典的 MCS51 內(nèi)核 ， 擁有靈巧的 8位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash,片上集成 512 字節(jié) RAM，用戶應(yīng)用程序空間可達(dá)到 64K 字節(jié)。 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10 STM32單片機(jī) 使用 ARM 架構(gòu)內(nèi)核， 32 位的 CoreM3 處理器。功能寄存器較多，不適合初學(xué)者學(xué)習(xí)。 圖 9 灌溉器及其噴頭 正如上圖所示，目前灌溉器的種類繁多，并且在大小公園、草地隨處可見各種灌溉器。但只能 機(jī)械轉(zhuǎn)向，純自動(dòng)控制，不能人為控制其轉(zhuǎn)向。它主要用來打開串口，并監(jiān)測(cè)鍵盤的按鍵，同時(shí)對(duì)有效按鍵進(jìn)行信息采集 并發(fā)送。其強(qiáng)大的功能使得它非常實(shí)用，沒有其內(nèi)存地址和變量?jī)?nèi)容，都可以進(jìn)行同步和其他的分析。下面是軟件的界面： 開始 打開串口 監(jiān)控按鍵信息 有效信息 串口發(fā)送出去 結(jié)束 失敗 成功 否 是 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12 圖 11 控制端操作界面 由控制界面可知，在這里，用戶可以輸入需要打開的 COM，這個(gè) COM 串口必須是和發(fā)送端模塊相連接的串口，不然就算打開也不會(huì)發(fā)送出去。當(dāng)灌溉進(jìn)行完畢后就可以按下“ S” 鍵就可以關(guān)閉灌溉器 噴頭了。 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13 圖 12 zigbee 最小系統(tǒng)板原理圖 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中， zigbee模塊相當(dāng)于一個(gè)串口線，用于不用處理器之間的互相通信。通過配置節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)搭建，其它分節(jié)點(diǎn)模塊再加入，這樣就組成了 zigbee 網(wǎng)絡(luò)的搭建和組網(wǎng)。利用 STC89C52RC 當(dāng)作中央處理器，其作用是把接收的信號(hào)進(jìn)行解析，然后通過輸入 /輸出端口發(fā)送出去控制外圍的一些設(shè)備。 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14 圖 13 單片機(jī)最小系統(tǒng)板實(shí)物圖 uVision4 IDE 是一款集編輯，編譯和項(xiàng)目管理于一身的基于窗口的軟件開發(fā)環(huán)境。這里處理器利用定時(shí)器 1產(chǎn)生波特率，其波特率計(jì)算公式為：? ?波特率? ???? 3 8 4 12 5 6X S M O Df o sc 開始 串口接收信息 有效信息 噴水電機(jī) 轉(zhuǎn)向舵機(jī) 是 否 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì) 15 其可以得到定時(shí)器的初始值，因?yàn)槲覀冇玫牟ㄌ芈蕿?9600b/s 所以得到定時(shí)器 1的初始值為 0xFD。這里我們?cè)O(shè)定了三個(gè)方向如 下表所示： 度數(shù) 占空比 (ms) 舵機(jī)方位 90 度 正中間 45 度 1ms 向右轉(zhuǎn) 135 度 2ms 向左轉(zhuǎn) 表 5 控制器控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向表 處理器對(duì)于灌溉電機(jī)的控制則是當(dāng)收到打開指令后便通過輸入 /輸出口發(fā)出高電平指令去控制繼電器的吸合，而后通過繼電器的吸合再去驅(qū)動(dòng)灌溉電機(jī)的運(yùn)作。系統(tǒng)利用中央處理器的輸入 /輸出口進(jìn)行控制繼電器模塊，而單片機(jī) IO 口的輸出電流極不穩(wěn)定，并且其驅(qū)動(dòng)能力也較差，因此這里我們對(duì)繼電器模塊進(jìn)行保護(hù)。而舵機(jī)需要周期為 20MS 的 PWM，這里系統(tǒng)利用中央處理器中的定時(shí)器產(chǎn)生 PWM 波，將信號(hào)從單片機(jī)的 IO 口輸出來，傳送到舵機(jī)的信號(hào)端，這樣就可以控制舵機(jī)了。 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì) 16 系統(tǒng)的供電模塊設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的供電是貫穿著整個(gè)系統(tǒng)是否能正常工作的關(guān)鍵。 圖 16 供電模塊原理圖 端口號(hào) 功能 GND 地線端 RXD 讀端口 TXD 寫端口 3V3 供電 端口 5V 5V 供電端口 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì) 17 系統(tǒng)調(diào)試與分析 系統(tǒng)控制端調(diào)試 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，控制端決定了系統(tǒng)設(shè)計(jì)是否能正常向下進(jìn)行。如下圖所示： 圖 19 串口調(diào)試助手接收到的數(shù)據(jù)信息 處理器控制灌溉器調(diào)試 處理器用的是 STC 公司的 STC89C52RC 芯片，因此編譯環(huán)境是利用 keil 公司的 keil4軟件進(jìn)行編寫和軟件調(diào)試。 2) 添加控制端軟件 APP。 4) 通過編寫程序使用單片機(jī)去解析信號(hào)并發(fā)送相應(yīng)指令控制電機(jī)、舵機(jī)。 由于對(duì)先有模塊知識(shí)的了解有限，本次系統(tǒng)設(shè)計(jì)還存在許多不足之處，以及一些遺留問題如下： a. 利用 python 語言搭建的腳本語言過于簡(jiǎn)單，界面很是粗糙。 d. 對(duì)于灌溉器部分，只是實(shí)現(xiàn)了將噴水電機(jī)進(jìn)行噴水，沒有實(shí)現(xiàn)其噴水的大小、方向任意化及其自動(dòng)化控制。增強(qiáng)了實(shí)際的操作能力、動(dòng)手能力，在設(shè)計(jì)過程中學(xué)會(huì)了，從發(fā)現(xiàn)問題，到解決問題，到實(shí)現(xiàn)功能的全部過程。而在未來的通信中，無線網(wǎng)絡(luò)必將取代先有的光纖傳輸網(wǎng)絡(luò)的方式。 無線網(wǎng)絡(luò)在其傳輸?shù)倪^程中，肯定會(huì)遇到各種障礙物的干擾和破壞，在城市各種高樓大廈