【文章內(nèi)容簡介】 秉承了清晰化一的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì) 6 風(fēng)格，其設(shè)計(jì)宗旨是對于一個(gè)固定的問題，只要尋求一種最好的解決方式就可以了。更是在腳本語言的 實(shí)現(xiàn)方面，達(dá)到了用法簡潔、使用高效的效果。 ? Visual Basic 語言： BASIC 語言是高階程序式的一種語言，是一種為初學(xué)者設(shè)計(jì)的程序設(shè)計(jì)語言。它在編寫完成后不需要經(jīng)由編譯和鏈接等過程操作就可以直接進(jìn)行運(yùn)行，但若想單獨(dú)運(yùn)行時(shí)仍需要創(chuàng)建成工程文件。而在和操作系統(tǒng)方面，它的語言能夠配合電腦的操作功能得以充分發(fā)揮，使得它收到廣大程序員們的喜愛。 ? C語言： C語言是一種穩(wěn)定的、優(yōu)雅的、安全的、簡單的、由 C語言和 C++語言衍生出來的計(jì)算機(jī)編程語言。并一起強(qiáng)大的操作能力、創(chuàng)新的語法特性、強(qiáng)大的操作能力和便捷的面向組 件編程能力成為 ECMA 與 ISO 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。它還為自己增加了源代碼版本定義等新特性，使得其在開發(fā)領(lǐng)域贏得了一席之地。 操作系統(tǒng)選擇 對于軟件的開發(fā)，操作系統(tǒng)的選擇也是一個(gè)必不可少的問題，目前軟件的運(yùn)行的操作系統(tǒng)大多是 Linux 或者紅帽等軟件開發(fā)系統(tǒng)。然后現(xiàn)在用戶大多都使用的則是微軟的windows 操作系統(tǒng)，因此對于操作系統(tǒng)的選擇，更需要滿足用戶的需求。 操作系統(tǒng) 系統(tǒng)簡介或配置要求 Linux 免費(fèi)試用，自由傳播的類 Unix 操作系統(tǒng)、多種運(yùn)行平臺、嵌入式系統(tǒng) Windows XP 配置： CPU 233MHZ、內(nèi)存 64MB、硬盤 、顯卡 4MB 顯卡 Windows 7 畫面更加美觀，搜索和使用信息更加簡單，系統(tǒng)更加安全不易遭受攻擊 Windows 8 使用統(tǒng)一的可擴(kuò)展固件界面，支持 ARM 架構(gòu)的系統(tǒng) ,支持 NFC 近距離通信 表 2 操作系統(tǒng)簡介 系統(tǒng)利用操作系統(tǒng)來運(yùn)行控制端的軟件，對于操作系統(tǒng)的選擇有以下幾方面需要考慮： ① ：對于電腦本身配置的選擇，不同的電腦配置適應(yīng)不同的層次操作系統(tǒng)。 ② ：對設(shè)計(jì)要求的高低，選擇出適當(dāng)類型的操作系統(tǒng) ③ ：考慮用戶對操作系統(tǒng)的熟練使用度，選擇使用率較高 的系統(tǒng)面向用戶。 通信端設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)的通信端是想把控制端的用戶輸入的信號，通過通信端給發(fā)送出去，由此可知，通信端包括兩部分，發(fā)送端和接收端。發(fā)送端負(fù)責(zé)發(fā)送控制端用戶輸入的信號，而接收端則接收發(fā)送端發(fā)送出來的信號。因此，通信端的兩個(gè)部分就因?yàn)槭且粚ο嗷ネㄐ诺脑O(shè)備。而現(xiàn)在目前市場上負(fù)責(zé)通信的模塊也很多，比如藍(lán)牙模塊， NRF 無線模塊，無線 WLAN基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì) 7 以及 zigbee 無線模塊等。 1. 藍(lán)牙模塊簡介 無線藍(lán)牙串口模塊 HC05 是一種主從一體的模式，無線藍(lán)牙串口分為兩個(gè)模塊，一個(gè)是藍(lán)牙適配器，插在電腦上的。另外 一個(gè)是藍(lán)牙模塊，插在處理器上的。在用法上，藍(lán)牙適配器適用于所有藍(lán)牙設(shè)備和電腦進(jìn)行通信，符合 +EDR 的藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)，理論上可傳輸距離達(dá)到 100 米，屬于短距離通信，并且最多允許 7 個(gè)藍(lán)牙串口設(shè)備同時(shí)連接，支持 win win8 等通用 PC 機(jī)操作系統(tǒng)。 其模塊引出四個(gè)引腳分別是 VCC、 GND、 TXD、 RXD，并且從模塊的接口可以直接與各種單片機(jī)處理器相連接，在使用時(shí)，配對之后當(dāng)作全雙工串口使用，根根本不需要了解任何的藍(lán)牙協(xié)議。用法明確，操作簡單，對于剛接觸無線通信的技術(shù)員是個(gè)很好的模塊選擇。 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。在當(dāng)前使用頻率上，屬 NRF2401 和 NRF905 最高。其傳輸特點(diǎn)屬于多頻點(diǎn)傳輸，最多支持 125 個(gè)頻點(diǎn)，滿足多點(diǎn)通信和調(diào)頻通信的需要。而 NRF2401 模塊更是采用了穩(wěn)定過的CH340T 芯片作為 USB 轉(zhuǎn)串口，內(nèi)置的看門狗防司機(jī)程序，完全勝任環(huán)境惡劣的工業(yè)控制現(xiàn)場的穩(wěn)定運(yùn)行。 其 NRF2401 無線模塊支持 AT 明了對系統(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)。其與藍(lán)牙相比，可以使傳輸距離更遠(yuǎn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)操作藍(lán)牙串口 10 米左右的傳輸距離。 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì) 8 圖 6 NRF 無線傳感器模塊 3. 無線 WLAN 模塊 無線 WLAN 串口模塊是一種基于 ESP8266 串口的的 WIFI 無線傳輸模塊，其傳輸距離屬于 WIFI 遠(yuǎn)距離傳輸類型模塊，由于其具有強(qiáng)于其他無線傳輸模塊的穿墻能力，使得其在無線傳輸中備受關(guān)注。無線 WLAN 傳輸模塊的優(yōu)勢在于價(jià)格便宜、體積較小、功能強(qiáng)。大，其內(nèi)部跑的是 LWLP 協(xié)議，方便嵌入到其它產(chǎn)品中。其運(yùn)行模式有三種： AP、 STA、AP+STA 三種模 式，并且三種模式可以共同存在。無線 WLAN 模塊使用完善簡潔高效的 AT指令，讓使用者更加方便、快捷。 圖 7 無線 WLAN 傳輸模塊及其 PCB 圖 4. Zigbee 無線傳感器模塊 Zigbee 技術(shù)是一種低功耗、短距離、低成本的雙向無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。 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)距離傳輸更是不會被其他節(jié)點(diǎn)所獲取。每一個(gè) zigbee 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)只有僅有一個(gè)zigbee的協(xié)調(diào)器，它的作用是最開始選擇網(wǎng)絡(luò)通信的標(biāo)識，并開始這個(gè)網(wǎng)絡(luò)。然后 zigbee路由 開始允許其它設(shè)備加入到這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行查找、建立、修復(fù)網(wǎng)絡(luò)，并負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)辛哈指令。最后 zigbee 的終端節(jié)點(diǎn)是出于網(wǎng)絡(luò)的最邊緣，主要任務(wù)是發(fā)送或者接收信息，并且它是不能轉(zhuǎn)發(fā)信息的。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 般都會進(jìn)行相應(yīng)的休眠，以確保節(jié)能環(huán)保。 圖 8 Zigbee 無線網(wǎng)絡(luò)模塊 處理端設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)的處理端主要負(fù)責(zé)接收用戶傳送過來的指令，并根據(jù)解析的指令去控制灌溉器進(jìn)行灌溉。根據(jù)處理端需要完成的任務(wù)要求，系統(tǒng)需要在這里設(shè)置一個(gè)中央處理器來完成對信號的接收和外部設(shè)備的控制 。目前中央處理器的種類更是成千上萬，考慮到對芯片使用熟練度的問題，因此選擇使用課堂上老師講過的或者使用比較熟練的較為合適。這里列出 51 單片機(jī)和 STM32 單片機(jī)的對比。 51 單片機(jī)與 STM32 單片機(jī)的對比 單片微型計(jì)算機(jī)成為單片機(jī)，是一種大規(guī)模集成電路芯片，是 CPU、 RAM、 ROM、 I/O 接口和中斷系統(tǒng)于同一硅片的器件。隨著單片機(jī)迅速的發(fā)展，出現(xiàn)了許多高性能新型機(jī)種，已逐漸成為工廠自動化和各控制領(lǐng)域的支柱產(chǎn)業(yè)。下面介紹兩款常用的單片機(jī) 51 單片機(jī)和 STM32 單片機(jī)。 單片機(jī)類型 簡介及優(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)。 優(yōu)點(diǎn)：功能齊全、抗干擾能力強(qiáng)、兼容性較好、網(wǎng)上的資料較多，編譯環(huán)境較為簡潔，對于初學(xué)者容易接受和使用。價(jià)格低廉。 缺點(diǎn)：功能實(shí)現(xiàn)單一、需要增加多種外設(shè)、處理器速度較慢。 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。最高工作頻率可達(dá) 72MHz，存儲器達(dá)到 128K 字節(jié)的閃存和 20K 字節(jié)的 SRAM,外設(shè)齊全。 優(yōu)點(diǎn)：功能高效且齊全，擁 有多種外設(shè)，處理器處理數(shù)據(jù)速度較高。 缺點(diǎn)：指令集過多，需要使用官方庫函數(shù)。功能寄存器較多，不適合初學(xué)者學(xué)習(xí)。價(jià)格較貴。容易大材小用。 表 3 51 單片機(jī)與 STM32 單片機(jī)簡介 灌溉器端設(shè)計(jì)方案 灌溉器端是處理器控制的外部設(shè)備，主要實(shí)現(xiàn)灌溉的目的。 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。社會上的灌溉器大多都是利用機(jī)械原理進(jìn)行園地的灌溉。而作為系統(tǒng)而言，則更傾向于利于控制的灌溉器件。 ? 機(jī)械灌溉器：安裝簡單，易于控制人員操作。但只能 機(jī)械轉(zhuǎn)向，純自動控制，不能人為控制其轉(zhuǎn)向。 ? 抽水噴水機(jī)：實(shí)質(zhì)是一個(gè)噴水電機(jī)，利用電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)進(jìn)行抽水噴水，價(jià)格便宜，利于控制，且可人為控制其灌溉。 系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)和功能實(shí)現(xiàn) 控制端設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，在控制端需要接收用戶的控制指令，利用客戶端軟件來完成控制端的要求。根據(jù)上述各種開發(fā)語言的比較，這里系統(tǒng)選擇 Python 語言編寫一個(gè)腳本軟件，因?yàn)樗牟僮骱唵?，控制容易，解決問題的方法比較明確，用起來較為方便，能夠滿足對系統(tǒng)控制端的需求。它主要用來打開串口，并監(jiān)測鍵盤的按鍵，同時(shí)對有效按鍵進(jìn)行信息采集 并發(fā)送。由于 windows8 的用戶量較大，且其具有兼容性好，穩(wěn)定性高的優(yōu)點(diǎn)，因此系統(tǒng)選擇 windows8 作為客戶端軟件設(shè)計(jì)的操作系統(tǒng)。 軟件開發(fā)流程設(shè)計(jì) 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì) 11 IDLE(python GUI)是 python 程序開發(fā)的基本集成開發(fā)環(huán)境，繼承了 IDE 的功能。具有語法加亮、基本文本編輯、段落縮進(jìn)、調(diào)試程序等基本功能。其強(qiáng)大的功能使得它非常實(shí)用，沒有其內(nèi)存地址和變量內(nèi)容，都可以進(jìn)行同步和其他的分析。下面是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軟件流程圖： 圖 10 串口發(fā)送軟件流程圖 驅(qū)動的編寫 根據(jù)軟件流程圖可知首先需要一個(gè)串口，這個(gè)串口是發(fā)送模塊與 PC 機(jī)相連接的串口，這個(gè)軟件需要打開它，在 python中可以調(diào)用 serial模塊，利用 serial模塊中的 Serial()函數(shù)進(jìn)行串口的打開。其串口傳輸必須設(shè)置相同的波特率，這里我們?nèi)藶橐?guī)定所有數(shù)據(jù)傳輸都用 9600Mpbs 來進(jìn)行傳輸，數(shù)據(jù)位為 8位，沒有校驗(yàn)位，停止位是 1位。然后我們得知道其狀態(tài)，就必須有一個(gè)狀態(tài)顯示框去顯示其是否打開成功，最后就是開始監(jiān)測用書鍵盤的輸入，但是對于鍵盤的輸入并不是所有的都 是有效信號，因此在這里應(yīng)該做一下過濾，把有效的信號保存，并通過 write()函數(shù)發(fā)送出去。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發(fā)送出去。輸入完串口號點(diǎn)擊 Open COM就可以打開串口了，如果打開成功，后面的狀態(tài)欄就會顯示 COM 串口打開成功，若是想關(guān)掉就直接點(diǎn)擊 Close COM 就可以了，同樣狀態(tài)指示欄會顯示當(dāng)前串口打開情況。若是狀態(tài)指示欄顯示串口打開成功，則用戶就可以按下鍵盤 相應(yīng)的信號進(jìn)行控制灌溉機(jī)了。下圖是幾個(gè)按鍵含義： 鍵盤按鍵 狀態(tài)顯示 操作含義 ‘ W’ ‘ GO UP’ 打開噴水機(jī)噴頭 ‘ S’ ‘ GO DOWN’ 關(guān)閉噴水機(jī)噴頭 ‘ A’ ‘ GO LEFT 向左旋轉(zhuǎn)噴頭 ‘ D’ ‘ GO RIGHT’ 向右旋轉(zhuǎn)噴頭 ‘ ESC’ ‘ EXIT’ 退出 表 4 鍵盤按鍵操作釋義 由操作釋義可知，當(dāng)用戶按下鍵盤“ W” 鍵時(shí)，灌溉器的噴頭開關(guān)就會打開，灌