【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 Symbolit Instruction Code) 語(yǔ)言，一種在計(jì)算技術(shù)發(fā)展史上應(yīng)用得最為廣泛的語(yǔ)言 [11]。 Visual Basic 在原有 BASIC 語(yǔ)言的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展，至今包含了數(shù)百條語(yǔ)句、函數(shù)及關(guān)鍵詞，其中很多和 Windows GUI 有直接關(guān)系。專(zhuān)業(yè)人員可以用 Visual Basic 實(shí)現(xiàn)其它任何 Windows 編程語(yǔ)言的功能，而初學(xué)者只要掌握幾個(gè)關(guān)鍵詞就可以建立實(shí)用的應(yīng)用程序。 Visual Basic 不僅是 Visual Basic 編程語(yǔ)言。 Visual Basic 編程系統(tǒng) ,Microsoft Excel 的 Applications Edition ,Microsoft Access 和 Windows的許多其他應(yīng)用程 序都使用這一語(yǔ)言。 Visual Basic Scripting Edition (VBScript) 是廣泛使用的腳本語(yǔ)言，它是 Visual Basic 語(yǔ)言的子集。這樣，在學(xué)習(xí) Visual Basic 中得到的經(jīng)驗(yàn)可應(yīng)用到所有這些領(lǐng)域中。 從開(kāi)發(fā)個(gè)人使用或小組使用的小工具，到大型企業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)，甚至通過(guò)Inter 的遍及全球分布式應(yīng)用程序，都可在 Visual Basic 提供的工具中各取所需。 程序員可以分為很多種，像 Unix 程序員、 Windows 程序員，或是 C++程序員、Delphi 程序員，等等。這些技術(shù)是一名 Web 程序員應(yīng)該具備的；但是， 如果僅懂得這些，卻只能叫做 Asp 程序員、 J sp 程序員，而不是真正意義上的 Web 程序員。現(xiàn)在的世界是屬于 Inter 的，大部分的應(yīng)用基于 Inter，大家可以想想，像 Yahoo、 Microsoft、 Amazon 那樣的網(wǎng)站，其訪問(wèn)量之大 、應(yīng)用之復(fù)雜，需要什么樣的技術(shù)才可以支撐，這不僅僅是硬件的功勞 。 vb 的發(fā)展 隨著 Windows 操作系統(tǒng)的不斷成熟， Visual Basic 產(chǎn)品由 1． 0版升級(jí)到 3． 0版，此時(shí) Visual Basic已初具規(guī)模了，利用它可以快速地編制各種應(yīng)用程序，包括非常流行的多媒體應(yīng)用程序和各種圖形操作界面。在面向?qū)ο蠹夹g(shù)出現(xiàn)后，Microsoft 迅速地把這一技術(shù)加入到了 Visual Basic 產(chǎn)品中。 Visual Basic 4． 0還提供了強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)管理能力，這使得它成為管理信息系統(tǒng) (MIS， Management Information System)的重要開(kāi)發(fā)工具。 隨著 Intemet 的迅猛發(fā)展， Microsoft 的 ActiveX 技術(shù)出現(xiàn)了，并被不失時(shí)機(jī)地加入到 Visual Basic 5． 0 版 本中 (1997 年 )。在 1998 年， Microsoft 推出了 Visual Basic 6． 0 版本，這一版本使 VB 得到了很大的擴(kuò)充和增強(qiáng)。它還引入了使用部件編程的概念，實(shí)際上這是對(duì)面向?qū)ο缶幊趟枷氲臄U(kuò)展。迄今為止，Visual Basic 已經(jīng)發(fā)展成為快速應(yīng)用程序開(kāi)發(fā) (RAD， Rapid Application Development)工具的代表。 本章小結(jié) 本章主要介紹本次研究所需要的工具軟件，首先講述了傳感器的運(yùn)用，傳感器在電子方面中不可或缺的地位，然后介紹了傳感器的發(fā)展，經(jīng)過(guò)，以及在不久的將來(lái)，傳感 器會(huì)往更廣的領(lǐng)域發(fā)展，在以后的日常生活中越發(fā)離不開(kāi)傳感器，如工業(yè)生產(chǎn)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，以及宇宙探索等等，都要以傳感器的必要的基礎(chǔ)，所以本次介紹傳感器是很有必要的。其次本章還簡(jiǎn)單的介紹了 Visual Basic 這個(gè)語(yǔ)言程序，因?yàn)楸敬窝芯啃枰缑孳浖O(shè)計(jì)，需要用到 Visual Basic， 所以，在本章就簡(jiǎn)單的介紹了 Visual Basic，在后面的篇幅里將繼續(xù)介紹 vb的使用方法，以及本次研究所需要的程序。 9 第 2 章 設(shè)計(jì)方案和步驟 引言 目前， 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)已成為我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，農(nóng)田信息的及時(shí)準(zhǔn)確獲取是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí) 施的基礎(chǔ)。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)主要使用孤立的、沒(méi)有通信能力的機(jī)械設(shè)備和傳感設(shè)備，主要依靠人力監(jiān)測(cè)作物的生長(zhǎng)狀況。不但要耗費(fèi)大量的人力，而且不能夠做到實(shí)時(shí)監(jiān)控，如果采用有線測(cè)控系統(tǒng)，則需要鋪設(shè)光纖或者電纜，這樣不但增加了成本，而且降低了系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)展性。隨著傳感器技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)及嵌入式技術(shù)的發(fā)展，孕育出了一種新的信息獲取、傳輸、處理的智能網(wǎng)絡(luò) —— 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、感知和采集監(jiān)控區(qū)域的信息，并將采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后發(fā)送給終端用戶(hù)。 本章主要介紹 在研究前對(duì)傳感器的準(zhǔn)備和初步設(shè)計(jì)，介紹了傳感器 的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，傳感器模塊等等， 本次研究 的設(shè)計(jì)方案和步驟，在方案上盡量考慮最簡(jiǎn)捷，方便的方法，盡量能使用 最簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)步驟，得出最令人滿(mǎn)意的結(jié)果，由于本實(shí)驗(yàn)沒(méi)有其他的對(duì)比方案，所以只需要按照所給要求一步一步的來(lái)完成即可， 根據(jù)本題目給出的要求，選取最快捷的方法來(lái)完成研究是本次實(shí)驗(yàn)的主要宗旨。 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)部署在監(jiān)控領(lǐng)域，對(duì)感興趣的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理、融合，并通過(guò)主 節(jié)點(diǎn)路由到基站，用戶(hù)可以通過(guò)因特網(wǎng)進(jìn)行查看、控制。 其中，網(wǎng)關(guān) (基站 )負(fù)責(zé)對(duì)各節(jié)點(diǎn)傳感器數(shù)據(jù)的收集、處理 及與外網(wǎng)的通信；傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集周?chē)男畔ⅲ鐪囟?、濕度等，同時(shí)還要兼具有路由功能，通過(guò)路由協(xié)議直接或者通過(guò)“多跳”的方式將數(shù)據(jù)傳給網(wǎng)關(guān)，再借助臨時(shí)建立的 sink 鏈路把整個(gè)區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心；監(jiān)控中心主要負(fù)責(zé)將采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合計(jì)算得到所需的信息，并對(duì)各傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理。同時(shí)開(kāi)發(fā)了客戶(hù)端界面，方便用戶(hù)對(duì)服務(wù)器的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢(xún)和控制，并能以圖形的方式直觀地顯示出用戶(hù)所需要的信息。 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)總體架構(gòu)由傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理器模塊、無(wú)線通信模塊和電源模塊 4個(gè)部分組成。傳 感器模塊負(fù)責(zé)環(huán)境信息的采集和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)主要是負(fù)責(zé)采集土壤溫濕度傳感器，傳感器模塊上還預(yù)留了數(shù)字和模擬接口，可以方便地?cái)U(kuò)展傳感器的種類(lèi)；數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)控制整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)和處理本身采集的數(shù)據(jù)和其它節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)，還要負(fù)責(zé)節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)和數(shù)據(jù)路由選擇以及系統(tǒng)功耗的控制等。數(shù)據(jù)處理模塊的核心是高性能的 ATmega1281 處理器；無(wú)線通信模塊負(fù)責(zé)與其它傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線通信，交換控制消息和收發(fā)采集數(shù)據(jù)；電源模塊為傳感器節(jié)點(diǎn)提供運(yùn)行所需的所有電源。 傳感器模塊 傳感器模塊是節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集部分，根據(jù)實(shí) 際需求，確定合適的傳感器，系統(tǒng)采用溫濕度傳感器，并留有通用傳感器擴(kuò)展接口，傳感器模塊為獨(dú)立電路板，通過(guò) 51PIN 連接器與主控模塊電路板連接。 本系統(tǒng)采用的溫濕度傳感器為瑞士 Sensirion公司生產(chǎn)的 SHT10溫濕度一體傳感器。該傳感器的特點(diǎn)是體積微小、功耗極低，兩線數(shù)字輸出，濕度測(cè)量范圍：0～ 100％ RH，濕度的測(cè)量精度為177。 ％ RH，溫度測(cè)量范圍： 40～ +123． 8℃，在 25℃時(shí)，溫度的測(cè)量精度為177。 ℃，響應(yīng)時(shí)間： 8 s，可完全浸沒(méi)。 SHT10 采用兩條串行線 (SCK， DATA)與處理器 進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。 SCK 用于處理器、 SHT10 之間的通訊同步，串行數(shù)據(jù) (DATA)用于數(shù)據(jù)的讀取，在 SCK 時(shí)鐘下降沿之后改變狀態(tài)，并僅在 SCK 時(shí)鐘上升沿有效。 SHT10 完整的測(cè)量時(shí)序由啟動(dòng)傳輸時(shí)序、發(fā)布命令、等待測(cè)量完成、讀回?cái)?shù)據(jù)這四個(gè)部分組成。處理器用一組“啟動(dòng)傳輸”時(shí)序來(lái)發(fā)起一個(gè)通信過(guò)程。它包括：當(dāng) SCK 時(shí)鐘高電平時(shí) DATA 翻轉(zhuǎn)為低電平。在 DATA 為低電平期間， SCK 變?yōu)榈碗娖剑俜D(zhuǎn)為高電平，隨后是在 SCK 時(shí)鐘高電平時(shí) DATA翻轉(zhuǎn)為高電平。在“啟動(dòng)傳輸”時(shí)序之后，微控制器可以向 SHT10 發(fā)送命令。微 11 控制器 在發(fā)布一組濕度或者溫度測(cè)量命令后，需要等待測(cè)量的結(jié)束， SHT10 通過(guò)將 DATA 線拉低表示測(cè)量的完成。重新啟動(dòng)時(shí)鐘線 SCK 讀取測(cè)量結(jié)果時(shí)， 2 個(gè)字節(jié)的測(cè)量數(shù)據(jù)和 1 個(gè)字節(jié)的 CRC 校驗(yàn)將被傳送。為節(jié)能 VDD 接在處理器 1281 的PC0 口，需采集數(shù)據(jù)時(shí)傳感器上電，采集完數(shù)據(jù)傳感器斷電。 數(shù)據(jù)處理模塊和無(wú)線通信模塊 數(shù)據(jù)處理模塊采用 Atmel 公司的低功耗 ATmega1281 芯片，該芯片具有片內(nèi)256 kB 的 Flash 存儲(chǔ)器、 8 kB 的 SRAM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 (可外接擴(kuò)展到 64 kB)和 4 kB的 EPROM 存儲(chǔ)器。該 芯片還有 8／ 16 通道的 10 位 ADC， 2 個(gè) 8位和 4 個(gè) 16 位硬件定時(shí)／計(jì)數(shù)器， 4個(gè) 8位 PWM 通道、可編程看門(mén)狗定時(shí)器和片上振蕩器、片上模擬比較器， 2／ 4 個(gè)可編程串行 USART、 51／ 86個(gè)可編程 I／ O口線。 SPI、 I2C總線接口；可以采用 JTAG 編程和 ISP 編程兩種方式。除正常工作模式外，ATmega1281 還具有 6種睡眠模式：空閑模式、 ADC 噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、 Standby 模式以及擴(kuò)展的 Standby 模式。因此 ATmega1281 非常適合于低能耗的應(yīng)用場(chǎng)合。 無(wú)線通信模塊采用 AT86RF231 芯片，該芯片是一款低功耗、低電壓， SH 接口，支持 標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線收發(fā)芯片。 AT86RF231 通過(guò) SPI 接口與處理器 ATmega1281 連接，通過(guò)串行輸出 (MOSI)和串行輸入 (MISO)進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫(xiě)操作，由串行時(shí)鐘 (SCK)控制讀寫(xiě)操作。 數(shù)據(jù)處理模塊、無(wú)線通信模塊及外圍設(shè)備的硬件連接如 圖 21所示。傳感器節(jié)點(diǎn)上設(shè)計(jì) 528kB的串行 FLASH存儲(chǔ)器 AT45DB041來(lái)完成信息在本節(jié)點(diǎn)的輔助存儲(chǔ)功能。處理器通過(guò) UART 接口與 AT45DB041 連接。通過(guò) TXD1 和 RXD1 進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫(xiě)操作，由時(shí)鐘 (XCK1)控制讀寫(xiě)操作。處理器通過(guò) 3 根通用 I／ O 引腳與溫濕度傳感器 SHT10 連接。軟件控制 I／ O引腳的電平來(lái)完成對(duì) SHT10 的操作。處理器還預(yù)留了 ADC 模擬輸入通道、 I／ O 接口、 I2C 接口到傳感器擴(kuò)展接口，對(duì)系統(tǒng)擴(kuò)展其它傳感器提供硬件支持。處理器 ADC的 PF0與系統(tǒng)電池電壓檢測(cè)電路連接，提供對(duì)系統(tǒng)電池剩余能量的檢測(cè)。 圖 21 硬件連接圖 電源模塊 節(jié)點(diǎn)的能量 供應(yīng)是節(jié)點(diǎn)工作的重要前提，如果供電不足，將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)癱瘓。為延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的使用壽命，多種降低功耗的方法已經(jīng)被提出，如：數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)和低功耗路由技術(shù)等，但任何降低功耗的方法都不能徹底解決節(jié)點(diǎn)壽命有限的問(wèn)題?？稍偕茉吹睦?，如：太陽(yáng)能、振動(dòng)、潮汐和風(fēng)能等的利用，被認(rèn)為是解決上述問(wèn)題的可行方案。對(duì)于室外系統(tǒng)，太陽(yáng)能具有技術(shù)相對(duì)成 熟，能量密度較大等優(yōu)勢(shì)，被認(rèn)為是為節(jié)點(diǎn)提供額外能源的可行方法。上路 是電源電路框圖。分壓器將 3． 3 V 的穩(wěn)壓器輸出電壓降至 2． 75 V。比較器比較此值于電池的電壓值。當(dāng)陽(yáng)光充足并且電池的電 壓低于 2． 75 V 時(shí)，比較器打開(kāi)開(kāi)關(guān)，對(duì)電池充電。否則，當(dāng)電池的電壓等于或大于 2． 75 V 時(shí)，開(kāi)關(guān)關(guān)閉阻止充電過(guò)程。二極管用來(lái)阻止電流由電池流入太陽(yáng)能電池板。 電源檢測(cè) AT45DB041 無(wú)線通信模塊 PC PF0 UART 接口 SPI 接口 UART 接口 I/O 口 I/O 口 I2 C 接口 SHTI0 傳感器擴(kuò)展接口 JTAG TXD1 RXD1 SCK MOSI MOS SCK VDD DATA ATmoga1281 13 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采集監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的數(shù)據(jù)，通過(guò)傳輸網(wǎng)絡(luò)將各種傳感數(shù)據(jù)傳輸?shù)胶笈_(tái)管理軟件，后臺(tái)管理軟件對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、存儲(chǔ)，以便獲得相關(guān)信息，并對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行和監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)的環(huán)境狀況進(jìn)行監(jiān)控。另外，后臺(tái)管理軟件也可以發(fā)起任務(wù)并通過(guò)傳輸網(wǎng)絡(luò)告知 WSN，以便完成特定的任務(wù)。這些功能主要是在應(yīng)用程序 服務(wù)器上實(shí)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)如圖 22 所示。 圖 22系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖 圖 23TinyOS 數(shù)據(jù)包格式 串口通信 數(shù)據(jù)解析和打包 數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)庫(kù) SYNC BYTE Packet Type TOS msg SYNC BYTE Message Address Message Type Group ID Data Length Data CRC Source Address Origin Address ... Sequence Number Voltage Humidity Temperature 表 21溫濕度數(shù)據(jù)表 Point ID Temperature Humidity Collectime 1 2 1 3 4 3 1 5 系統(tǒng)通過(guò)串口接收到的溫濕度數(shù)據(jù)如 表 21 所示。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行的是 TinyOS 操作系統(tǒng)，系統(tǒng)傳遞信息數(shù)據(jù)包幀格式如 圖 23 所示。每一幀用同步字節(jié) SYNC_BYTE(