【正文】 溉就會開始，然后“ A” 、“ D” 鍵用來控制舵機的運轉(zhuǎn)控制噴頭向左，向右轉(zhuǎn)。當(dāng)灌溉進行完畢后就可以按下“ S” 鍵就可以關(guān)閉灌溉器 噴頭了。若是想關(guān)閉控制界面就按下鍵盤上的“ ESC” 關(guān)閉控制界面就可以了。 發(fā)送端和接收端模塊選擇與具體實現(xiàn) 根據(jù) 系統(tǒng)方案的對于， zigbee 模塊的 通信速率低、協(xié)議簡單 、 成本低廉、工作頻段靈活 、 ZigBee 協(xié)議免專利費 、 安全性高等優(yōu)點讓系統(tǒng)的設(shè)計更加實用、完美。因此無線網(wǎng)絡(luò)灌溉系統(tǒng)選用 zigbee 模塊作為系統(tǒng)的傳輸端模塊。 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的灌溉系統(tǒng)設(shè)計 13 圖 12 zigbee 最小系統(tǒng)板原理圖 系統(tǒng)設(shè)計中， zigbee模塊相當(dāng)于一個串口線，用于不用處理器之間的互相通信。由 zigbee工作原理可知，每個 zigbee 網(wǎng)絡(luò)都擁有一個 協(xié)調(diào)器作為整個網(wǎng)絡(luò)的核心， 協(xié)調(diào)器負責(zé)創(chuàng)建和維護整個網(wǎng)絡(luò)，為每個加入該網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備分配一個網(wǎng)絡(luò)地址 。其它節(jié)點的加入需要設(shè)置相同的波特率，相同的頻道和允許其它節(jié)點加入。對于其它加入模塊則設(shè)置成傳感器節(jié)點屬性，但也需要相同的頻道和波特率。通過配置節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)搭建，其它分節(jié)點模塊再加入，這樣就組成了 zigbee 網(wǎng)絡(luò)的搭建和組網(wǎng)。 利用組成的 zigbee 網(wǎng)絡(luò)，用戶的指令就可以通過此網(wǎng)絡(luò)進行信號的傳輸，把信號從控制端通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳輸?shù)教幚矶诉M行處理，最終實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的灌溉系統(tǒng)。 處理端芯片選擇與功能實現(xiàn) 根 據(jù)系統(tǒng)方案的對比研究，處理端主要負責(zé)對用戶信號的的接收，并進行信號解析然后去控制外圍設(shè)備也就是灌溉器的運作。通過 51單片機和 STM32 單片機的選擇比較，系統(tǒng)用只是利用處理端進行串口數(shù)據(jù)的處理和灌溉器的控制，因此系統(tǒng)選擇 8 位處理器就可以完成任務(wù)的 51 單片機，其功能也較齊全，價格也便宜，使用起來比較熟悉。利用 STC89C52RC 當(dāng)作中央處理器，其作用是把接收的信號進行解析，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。 單片機軟硬件設(shè)計 STC89C52RC 單片機最小系統(tǒng) 如下圖所示 ，當(dāng)晶振頻 率 X1 為 4MHZ 的時候，電容 C2 和C3應(yīng)為 100pF；晶振頻率 X1 位 6MHZ 時，電容 C2和 C3 應(yīng)為 47pF100pF；晶振頻率 X1為 12M25MHZ 的時候，電容 C2 和 C3 因為 47pF。并且阻容復(fù)位時，電容 C1 為 10pF，電阻 R1 為 10K。 RESET 管腳內(nèi)部已經(jīng)有 4K100K 的下拉電阻。 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的灌溉系統(tǒng)設(shè)計 14 圖 13 單片機最小系統(tǒng)板實物圖 uVision4 IDE 是一款集編輯，編譯和項目管理于一身的基于窗口的軟件開發(fā)環(huán)境。uVision4 集成了 C語言編譯器，宏編譯，鏈接 /定位，以及 HEX 文件產(chǎn)生器。 其單片機軟件 流程圖如下： 圖 14 單片機控制軟件流程圖 單片機驅(qū)動開發(fā)程序設(shè)計 由軟件流程圖可知，利用接收端接收到控制端發(fā)送的信號后，當(dāng)然中央處理器也必須利用相同的波特率進行數(shù)據(jù)的接收。利用中央處理器的串口收發(fā)功能接收用戶輸入的信號，再根據(jù)收到的信號進行解析，根據(jù)上述規(guī)定把相應(yīng)的信號進行處理并去控制外圍設(shè)備。這里處理器利用定時器 1產(chǎn)生波特率，其波特率計算公式為：? ?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 轉(zhuǎn)向舵機 是 否 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的灌溉系統(tǒng)設(shè)計 15 其可以得到定時器的初始值，因為我們用的波特率為 9600b/s 所以得到定時器 1的初始值為 0xFD。利用串口中斷函數(shù)實現(xiàn)接收控制端發(fā)出的信號，通過解析其信號，按照預(yù)先規(guī)定的指令功能實現(xiàn)其外圍設(shè)備的功能。 在程序中，處理器利用定時器 0 來對外部舵機進行 PWM 波輸出控制，產(chǎn)生以 20MS 為周期的方波。則對定時器 0 進行重裝預(yù)定值，通過一個 IO 口輸出此周期的波形，然后再控制其高電平的時間在 就可以控制其轉(zhuǎn)向。這里我們設(shè)定了三個方向如 下表所示： 度數(shù) 占空比 (ms) 舵機方位 90 度 正中間 45 度 1ms 向右轉(zhuǎn) 135 度 2ms 向左轉(zhuǎn) 表 5 控制器控制舵機轉(zhuǎn)向表 處理器對于灌溉電機的控制則是當(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)動灌溉電機的運作。 灌溉器端設(shè)計與實現(xiàn) 灌溉器端就是進行噴水灌溉，經(jīng)過系統(tǒng)的方案比較，由于機械噴頭的可操控性太差，只能不確定方位的噴水，因此系統(tǒng)選用噴水頭電機作為灌溉器的主要實現(xiàn)產(chǎn)品。而利用噴水頭電機只是單純的進行噴水， 想要控制其方向的畫，系統(tǒng)需要添加舵機進行噴水頭的方向控制。因此灌溉器主要包括用繼電器控制的直流噴水電機和用 PWM波控制的舵機。系統(tǒng)利用中央處理器的輸入 /輸出口進行控制繼電器模塊，而單片機 IO 口的輸出電流極不穩(wěn)定，并且其驅(qū)動能力也較差，因此這里我們對繼電器模塊進行保護。對于單片機的驅(qū)動能力，我們對繼電器模塊進行單獨供電，而留出一個控制口，用來接收中央處理器的控制信號，在三端口，我們把公共端進行接到外部大電流正極端，這里我們利用 的電池進行驅(qū)動灌溉電機，而常開端接到電機的正極端，常閉端則不接任何東西，灌溉電機的負極就接到 電池的負極，當(dāng)繼電器吸合的時候，電機的正極電流通過常開端流向噴水器，這樣就可以進行噴水灌溉了。 而控制舵機的部分，則就不需要這么麻煩了。由于舵機的三條線電源線、地線、信號線。而舵機需要周期為 20MS 的 PWM，這里系統(tǒng)利用中央處理器中的定時器產(chǎn)生 PWM 波，將信號從單片機的 IO 口輸出來，傳送到舵機的信號端，這樣就可以控制舵機了。而單片機的驅(qū)動能力本來就很弱，并且由于電信號的干擾，使得單片機產(chǎn)生的 PWM 波信號及其不穩(wěn)定，然而在控制的時候需要控制好其電源的供給就可以了。舵機就可以直接接在單片機的 IO 口進行控制。因此系統(tǒng)將將噴頭的管子用膠水粘在舵機的方向轉(zhuǎn)盤上，這樣就達到了實現(xiàn)控制其方向的目的。 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的灌溉系統(tǒng)設(shè)計 16 系統(tǒng)的供電模塊設(shè)計 系統(tǒng)的供電是貫穿著整個系統(tǒng)是否能正常工作的關(guān)鍵。在控制端，發(fā)送器需要利用 USB串口線進行工作，而其獨立的模塊則需要一個 的電壓單獨供電，因此在這里選擇了一個 TTL 電平轉(zhuǎn)串口的模塊進行供電和連接，因為這樣既可以供出 的電壓，而且還與 PC 機端的地線是同一個地。具體如下： 圖 15 控制端供電模塊及其連接管腳 在實現(xiàn)端，制作了一個單獨的供電模塊，用來供出不同的電壓和不同模塊之間的供地。其供電效果可以供出 、 5V 和 GND 不同的電壓來，而供電模塊的供電接口又包括，串口線、 USB 口、圓形電源口三個接口，可以滿足不同的要求。 圖 16 供電模塊原理圖 端口號 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 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)計中，控制端決定了系統(tǒng)設(shè)計是否能正常向下進行。因此控制端的調(diào)試尤為重要?？刂贫苏{(diào)試界面如下： 圖 17 PC 機調(diào)試界面 通信端調(diào) 試 在通信端，系統(tǒng)用兩塊 zigbee 模塊進行收發(fā)通信，當(dāng)在調(diào)試的時候先利用串口調(diào)試助手把兩塊 zigbee 模塊調(diào)通之后在加入單片機的中央處理器中去。實物連接圖為： 圖 18 實物連接圖 下面是利用 zigbee 模塊把兩臺電腦連接起來，一端用控制界面發(fā)送字符，另一端用串基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的灌溉系統(tǒng)設(shè)計 18 口調(diào)試助手接收并顯示字符。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軟件進行編寫和軟件調(diào)試。當(dāng)控制器能夠 成功發(fā)送信號到處理器端，則處理器首先就是對信號進行解析，然后通過解析出來的指令去控制灌溉器的運作。其調(diào)節(jié)實物圖如下： 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的灌溉系統(tǒng)設(shè)計 19 圖 20 控制灌溉器實物圖 總結(jié)與分析 系統(tǒng)設(shè)計了基于無線傳感器的灌溉系統(tǒng)設(shè)計。完成了本次設(shè)計的基本功能，下面是本次設(shè)計中主要完成的內(nèi)容： 1) 首先對系統(tǒng)設(shè)計做了整體的構(gòu)思，按照其基本要求一塊一塊的添加模塊，最終達到系統(tǒng)設(shè)計的整體要求。 2) 添加控制端軟件 APP。利用 python 語言編寫一個小型腳本語言用來打開串口與發(fā)送數(shù)據(jù)。 3) 調(diào)節(jié)通信端模塊。將 zigbee 模塊調(diào)節(jié)相通，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸模型 。 4) 通過編寫程序使用單片機去解析信號并發(fā)送相應(yīng)指令控制電機、舵機。 5) 搭建供電模塊電路，畫出原理圖，焊出實物板。 6) 制作電機驅(qū)動模塊及其控制電路。利用繼電器模塊去控制大電流類型的電機，用來實現(xiàn)灌溉的目的。 由于對先有模塊知識的了解有限，本次系統(tǒng)設(shè)計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單，界面很是粗糙。 b. 利用 zigbee 模塊搭建無線網(wǎng)絡(luò)，但只是實現(xiàn)了點對點的通信，并沒有完全發(fā)揮zigbee 強大的組網(wǎng)功能，沒有實現(xiàn)出網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膬?yōu)點。 c. 對于處理器，只是利用處理器進行 了串口接收信號，然后去控制外圍設(shè)備，沒有做到把模塊具體化?？梢岳?AD 采集芯片控制不同電壓的輸入和輸出。 d. 對于灌溉器部分，只是實現(xiàn)了將噴水電機進行噴水，沒有實現(xiàn)其噴水的大小、方向任意化及其自動化控制。 e. 對于電源模塊，供電模塊就是有 3 種，卻利用了多處電源供電，連線復(fù)雜，浪費資源，對系統(tǒng)的整體設(shè)計產(chǎn)生了影響。基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的灌溉系統(tǒng)設(shè)計 20 結(jié)束語： 本設(shè)計實現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的基本要求，在這段進行畢業(yè)設(shè)計的時間中，對所學(xué)的知識進行了整體的復(fù)習(xí)以及實現(xiàn)。本次設(shè)計通過軟件設(shè)計和硬件設(shè)計共同完成，讓我加深了對以往學(xué)過知識的理解，并通過軟硬件結(jié) 合的方式，讓我感受到其功能的強大。增強了實際的操作能力、動手能力，在設(shè)計過程中學(xué)會了，從發(fā)現(xiàn)問題，到解決問題，到實現(xiàn)功能的全部過程。每個環(huán)節(jié)，如果當(dāng)時做的時候就考慮到了會出問題，那么在解決問題的時候就可以省去一半的精力。在解決問題的同時，也開闊了視野。 以后的社會將是一個網(wǎng)絡(luò)遍行社會，在無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計中，可以看到從古代的驛使到現(xiàn)代的 interwork 通信，社會在不斷的進步，人類的思想也在不斷的創(chuàng)新。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。研究無線網(wǎng)絡(luò)的傳輸和運行，不僅對于系統(tǒng)的 設(shè)計，工業(yè)的控制，甚至人類的以后生活都息息相關(guān)。在對無線網(wǎng)絡(luò)傳輸研究的過程中，無線網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)狀傳輸模型又是必不可少的過度階段，網(wǎng)狀傳輸不僅大大降低了在傳輸過程中需要用到的材料，并且對于傳輸中遇到的枝干路問題則是得到了大大的改善，網(wǎng)路的并存使得網(wǎng)絡(luò)不會由于某條線路的損壞而中斷，使得傳輸效率變得更高，更穩(wěn)定。而這其中讓人擔(dān)心的無線傳輸?shù)膯栴}則是對于無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)乃俣群头€(wěn)定性。 無線網(wǎng)絡(luò)在其傳輸?shù)倪^程中，肯定會遇到各種障礙物的干擾和破壞，在城市各種高樓大廈、各種噪音、各種空氣污染，都會干擾到無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男盘柗€(wěn)定 問題，而在偏遠的山區(qū)