基于ZigBee及GPRS的小型风电场数据采集系统软件设计-本科毕业论文Word下载.doc
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windfarm;
ZigBeetechnology;
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目 录
摘 要 I
Abstract II
第一章绪论 1
1.1概述 1
1.2ZigBee技术简介 1
1.3GPRS技术 6
1.4本文的主要工作 6
第二章系统软件总体方案设计 7
2.1系统总体方案设计 7
2.2软件编程的设计说明 8
2.2.1终端节点 8
2.2.1路由节点 8
2.2.1协调器节点 9
第三章软件系统具体实现方案 10
3.1Z-Stack协议栈 10
3.3.1系统初始化 10
3.3.2操作系统的执行 11
3.3.3Z-Stack文件结构 13
3.2应用层初始化程序 15
3.3事件处理程序 16
第四章系统调试 21
4.1IAR编译环境设置 21
4.2系统调试与结果 25
结语 27
参考文献 28
致谢 29
附录1:
应用层程序清单 30
南京工业大学本科生毕业设计(论文)
第一章绪论
1.1概述
当前,全球能源供应紧张,环境问题日益突出,风能具有储量巨大、分布广泛、清洁无污染和可再生的特点,符合人类可持续发展的要求,越来越受到世界各国和地区的广泛关注。
世界风电产业近来迅速发展,风力发电已经成为解决世界能源短缺的重要途径之一。
由于风力发电的本身条件限制,风力发电机一般在恶劣的环境下工作,在无人值守的情况下长年运行,因此要保证对其进行实时、可靠的控制。
在大型风力发电场,通常需要对几十台或上百台风力发电机进行集群控制,这就要求采用先进的控制技术和通信手段。
微机控制以其高可靠性、高性能价格比为这一实现提供了现实依据。
传统的监控系统多采用以太网光纤通讯,而对于大型风电场,随着发电机组数量的增加,势必增加布线费用,且当风电场扩充时,过多的通信线路会造成施工与维护困难等一系列问题。
因此,采用基于ZigBee无线传感器网络和GPRS技术相结合的无线监控系统,来实现各风力发电机之间的互联、各风力发电机组与监控中心的通讯是一种很好的方法。
1.2ZigBee技术简介
1、无线传感器网络
无线传感器网络(WSN)是当前在国际上备受关注的、涉及多学科高度交叉、知识高度集成的前沿热点研究领域[3]。
它综合了传感器、嵌入式计算、现代网络以及无线通信和分布式信息处理等技术,能够通过各类集成化的微型传感器协同完成对各种环境或监测对象的信息的实时监测、感知和采集,这些信息通过无线方式被发送,并以自组多跳的网络方式传送到用户终端,从而实现物理世界、计算世界以及人类社会这三元世界的连同。
无线传感器网络是由大量体积小、成本低。
具有无线通信、传感、数据处理能力的线感器节点组成的[2]。
在无线传感器网络中,大量传感器节点被分布在整个观测区域中,各个传感器节点讲探测的有用信息经过初步的数据处理和信息融合后传送给用户。
数据传送的过程是通过相邻的路由节点接力传送回基站,然后再以卫星通信或者有线网络连接的方式传送给终端用户。
1)传感器节点体系结构
传感器节点一般由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和能量供应模块四个功能模块组成。
传感器模块又称数据采集模,包括传感器、A/D转换器,负责监测区域内信息的采集和数据转换;
处理器模块又称数据处理和控制模块,包括微处理器、存储器,负责控制整个传感器节点的操作,存储和处理本身采集的数据以及其他节点发来的数据;
无线通信模块通过无线收发器负责与其他传感器节点进行无线通信,交换控制信息和收发采集数据;
能量供应模块(电池、DC/AC能量转换器)为传感器节点提供运行所需的能量,通常采用微型电池。
2)无线传感器网络协议
无线传感器网络的网络体系具有二维结构,即横向的通信协议层和纵向的传感器网络管理面。
通信协议层可以划分为物理层、链路层、网络层、传输层和应用层。
网络管理面则划分为能耗管理面、移动性管理面以及任务管理面。
3)无线传感器网络拓扑结构
包括星型网、网状网和混合网。
随着数字通信和计算机技术的发展,许多短距离无线通信的要求被提出。
目前,五种短距离无线网络技术正在成为业界谈论的热点,分别是无线局域网(Wi-Fi)、超带宽通信(UWB)、近场通信(NFC)、蓝牙(Bluetooth)、红外线数据通IrDa和ZigBee。
而本系统运用的正是ZigBee无线通信技术。
2、ZigBee技术简介
ZigBee是一种新兴的短距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的无线网络技术。
蜜蜂在发现花丛后,会通过一种特殊的肢体语言——ZigZag行舞蹈,来告知同伴食物源位置的信息,这是蜜蜂之间传达信息的一种简单方式[1]。
借此意义ZigBee作为新一代无线通讯技术的命名。
ZigBee也被称为“HomeRFLite”、“RF-EasyLink”或“firefly”无线电技术,目前统称为ZigBee技术。
ZigBee技术可使用的频段有3个:
(1)2.4GHz的ISM频段(全球流行),可使用16个信道,最高传输速率达250kbit/s
(2)欧洲的868频段,仅可使用1个信道,最高传输速率达20kbit/s(3)美国的915频段,可使用10个信道,最高传输速率达40kbit/s。
中国采用的是2.4GHz频段,是免申请和免费使用的频率,带宽为250K。
作为一种无线通信技术,ZigBee一下主要特点:
1)数据传输速率低:
只有10K字节/秒到250K字节/秒,专注于低传输应用
2)功耗低:
在低耗电待机模式下,两节普通5号干电池可使用6个月到两年,免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。
这是ZigBee的支持者所一直引以为豪的独特优势;
3)成本低:
因为ZigBee数据传输速率低,协议简单,所以大大降低了成本,且ZigBee协议免收专利费。
4)网络容量大:
可支持节点达65000个;
每个ZigBee网络最多课支持255个设备,即每个ZigBee设备可与另外254台设备相连接;
5)时延短:
通常时延都在15毫秒至30毫米之间;
6)安全:
ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能,加密算法采用AES-128,同时可以灵活确定其安全属性;
7)有效范围小:
有效覆盖范围10—75米之间,具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定,基本上能够覆盖普通的家庭或办公室环境;
8)工作频段灵活:
使用的频段分别为2.4GHz、868MHz(欧洲)及915MHz(美国),均为免执照频段。
3、ZigBee协议栈
ZigBee无线传感器网络通信标准是的IEEE802.15.4,这是IEEE无线个人网络工作组的一项标准,被称作IEEE802.15.4(ZigBee)技术标准。
IEEE802.15.4包括用于低速无线个人网络的物理层和媒体接入控制层[6]。
ZigBee协议栈采用分层结构,每个层都有一套特定的服务方法和上一层连接,称为协议,每一层也为上一层提供一系列特殊的服务。
数据实体提供数据的传输服务,而管理实体提供所有的服务类型。
每个层的服务实体通过服务接入点(SPA)和上一层相接,每个SPA提供大量服务方法完成相应的操作
图1-1协议栈结构
如图1-1所示,协议栈的体系结构从上至下包括:
应用层(APL层),网络层(NWK层),媒介层(MAC层),物理层(PHY层)。
其中,IEEE802.15.42003标准定义了最下面两层底层协议:
物理层(physicallayer,PHY)和媒介层(mediumaccesscontrolsub—layer,MAC)。
ZigBee联盟又在此基本上建立的应用层(applicationlayer,APL)和网络层(networklayer,NWK)。
应用层APL层又包括应用支持子层(applicationsupport-layerAPS),ZigBee的设备对象(zigbeedeviceobjectZDO)以及制造商定义的应用对象[7]。
4、ZigBee的网络拓扑构架和设备节点
ZigBee以一个个独立的工作节点为依托,通过无线通信组成了包括星状、树状和网状在内的三种网络拓扑结构。
,因此每个节点的功能并不完全相同,工作节点分为三类:
终端节点、路由节点和协调器节点。
根据工作节点的不同作用,ZigBee定义了3种类型的设备,各种设备都有自己的功能要求:
1)
ZigBee协调器(Co-ordinator),是启动和配置网络的一种设备,是整个网络的核心节点,一个ZigBee网络只允许有一个ZigBee协调器,它需要启动并建立整个网络和赋予一个PANID,同时赋予每一个加入网络的设备一个16位的ID号;
2)
ZigBee路由器(Router),是一种支持关联的设备,主要起到将数据转发到其他设备的作用,ZigBee网络或树形网络可以有多个ZigBee路由器,ZigBee星型网络不支持ZigBee路由器;
3)
ZigBee终端设备(EndDevice),执行具体功能的设备,风电场采集系统中在终端设备上安装传感器芯片,用于收集采集到的信号。
以上的三种设备可以根据功能的完整性分为全功能设备(FFD)和半功能设备(RFD)。
全功能设备用于负责与所控制的子节点通信、汇集数据和发布控制,或起到通信路由的作用,所以可以是协调器、路由器或者终端设备。
半功能设备只起到一个作用,系统中的大部分节点都是半功能设备,所以半功能设备只作为终端设备。
一个FFD可与多个RFD或多个其他FFD通信,而一个RFD只能与一个FFD通信。
在本设计中,采用的是树形拓扑结构,包括一个Co-ordinator以及一系列的Router和EndDevice节点。
Co-ordinator连接一些列的Router和EndDevice,它的子节点的Router也可以连接一系列的Router和EndDevice。
这样可一个重复多次层级,如图1-2所示。
图1-2树形拓扑结构
5、ZigBee技术的发展现状和应用前景
ZigBee技术的应用十分广泛,在工业控制、工业无线定位、家庭网络、汽车自动化、楼宇自动化、消费电子、医用设备控制等多个领域都具有广泛的应用前景。
现阶段以商业大楼自动化,家庭自动化控制(新建安装)与仪表控制为重点[11]。
商业大楼可以利用ZigBee完成自动控制,管理员可以有效地管理空调,灯光,火灾感应系统等各项开关控制系统,可以达到减少能源费用,降低管理人力等节约目的。
对消费者来说,若家中具有ZigBee系统,可方便的监控家中的整体运作,有效掌握电力,自来水,瓦斯的使用状况之外,亦可以具有安全功能,例如可以在家中安装无线传感器来监控各种不同情况,一旦侦查到异状即可自动发出警告。
ZigBee在仪表控制市场随着国际仪表巨头中国华立仪表集团;
韩国NURITelecom等纷纷开始引进ZigBee技术之仪表控制系统之后,这个市场开始受到重视。
ZigBee仪表控制系统相当适合人工高昂,幅员辽阔,或是抄表员素质不良,抄表准确度不高,又或抄表员不易进入水,电,瓦斯仪表所在地的地方。
具有这样背景的地方促使ZigBee仪表控制市场具有一定的需求[12]。
虽然ZigBee应用越来越多,芯片出货量也连年递增,但总体来说,ZigBee市场仍然处于起步探索阶段,还没有真正上量起飞,主要表现在在于可应用的终端商用产品还多处于研发阶段,真正上市的不多,具有典型应用的方向和领域便少,点对点的应用较多,体现ZigBee优势的网状网络应用少,缺乏体现ZigBee大型组网应用。
虽然ZigBee在艰难中前进,但未来整个ZigBee产品还是值得我们期待,从技术标准层面上来看,未来ZigBee将紧密迎合物联网大概念方向趋势的发展,努力扮演好传输层界于IPV6结合,更面上的角色,在ZigBee联盟的推动下,ZigBee技术将朝着开发SoC(片上系统),更多规范,廉价,更省电,更快速等方向发展。
1.3GPRS技术
GPRS(GeneralPacketRadioService)是通用分组无线业务的简称[24]。
它是第二代移动通信技术GSM向第三代移动通信技术3G的过渡技术,经常被描述成2.5G,GPRS是GSMPhase2.1规范实现的内容之一,是在现有的GSM移动通信系统基础上发展起来的一种移动分组数据业务[5]。
GPRS通过在GSM数字移动通信网络中引入分组交换功能实体,以交换采用分组方式进行的数据传输。
GPRS能提供比现有GSM网9.6kb/s更高的数据传输速率,最高可达171.2kb/s。
GPRS采用分组交换技术,数据传输速率高,它支持多种带宽,是对有效带宽的高效利用[22]。
GPRS网络满足电力负荷管理系统中数据的通信速率的要求。
GPRS具有“永远在线”的功能,当终端与GPRS网络建立连接后,即使没有数据传送,终端也一直与网络保持连接,再次进行数据传输时不需要重新连接,而网络容量只有在实际进行传输时才被占用,从而保证了数据交换的实时性[7]。
GPRS是以传输的数据量,而不是以连接时间为基准来收费的,接入GPRS网络但没有数据传输是不收费的,这使得通信信道的使用费用大大降低。
GPRS网络是在现有的GSM网络系统的基础上引入新的部件而构成的无线数据传输系统,在一次性投入和网络维护上的开销小,可以节省耗费巨大的导线材料和人工费用,而且免除了日常检修和维护费用,同时,具有高可靠性,扩展性和抗干扰性。
综上所述,在电力负荷管理系统中使用GPRS通讯模块,充分利用覆盖面广,运行可靠、费用低廉的GPRS公用无线网络,实现GPRS无线数据通讯功能进行数据传输,达到电力负荷管理的通讯要求,做到GPRS在电力数据采集的实用化[23]。
1.4本文的主要工作
本文中软件设计的主要工作有:
1)系统初始化及无线传感网络的建立;
2)终端节点、路由节点、协调器节点各功能模块的流程图设计;
3)数据的发送及重发机制设计;
4)终端节点、路由节点、协调器节点整体程序框架设计;
5)终端节点、路由节点、协调器节点程序设计;
5)GPRS模块流程图及程序设计;
6)系统的可靠性实时性以及数据传输的准确性等进行调试。
37
第二章系统软件总体方案设计
2.1系统总体方案设计
小型风电场采集系统主要用于对风能现场的数据进行测量采集,包括大气压力、温度、湿度、风速以及风向,实现对风电场环境的检测。
通过数据采集系统,可以保证系统的信息完整,正确掌握风电系统的运行状态,帮助诊断系统故障,提高生产效率。
系统采用ZigBee组建无线传感器网络,网络采用树形拓扑结构,包括终端采集节点、路由节点和中心协调器节点。
终端节点上连接风速传感器、风向传感器、温湿度传感器和大气压力传感器,用来采集风电场相关参数。
终端采集节点通过路由将测风数据发送给中心协调器节点,中心协调器节点再通过GPRS模块讲测风数据发送至远程计算机控制中心。
图2-1系统结构图
如图2-1所示,本设计主要是对系统软件进行设计,着重分析在数据采集系的应用中各个功能进行模块化设计。
提出适合风电场的数据采集系统的总体设计方案,并详细介绍该系统各个组成模块的功能及软件实现过程,其中包括数据采集模块,ZigBee控制模块,GPRS模块,以及以上模块与主控芯片的连接设计,采用基于51的内核芯片2430进行系统主控电路的设计,最终通过无线网络将采集数据发送至服务器。
并对系统的可靠性实时性记忆数据传输的准确性等进行调试。
2.2软件编程的设计说明
2.2.1终端节点
由图2-2可知:
终端采集模块涉及的程序包括应用层初始化、采集指令事件、发送数据事件、重发数据事件、自动寻找目的设备事件、KEY检测事件和程序运行事件。
对于终端、路由和协调器节点,都涉及到寻找目的设备事件。
不同的节点(彼此间在网络模块的通信范围内)通过彼此自动寻找,就可以形成一个互联互通的Zigbee网络;
当节点撤销或位置变化时,模块可以通过重新寻找通信对象,确定彼此间的联络,对原有网络进行刷新对于测风采集终端节点。
每个终端节点上,连接着一个LED灯、LCD液晶显示器和键盘控制模块等。
程序运行事件控制LED的状态,用于显示加入网络正常;
KEY检测事件涉及到LCD和键盘控制模块,在键盘控制电路中S1键用于启动采集模块,S2键用于修改采集时间,LCD上会显示出采集时间。
终端节点主要的工作是采集数据以及通过CC2430的射频电路发送给它的父节点,这就一定会涉及到采集指令事件、发送数据和重发数据事件。
节点采集数据通过AD转换,发送出去,重发机制保证路由或协调器节点能够准确接收到数据。
图2-2终端节点结构图
2.2.1路由节点
由图2-3所示:
路由节点涉及的程序包括应用层初始化、发送数据事件、重发数据事件、重发响应信息事件、自动寻找目的设备事件和程序运行事件。
路由节点的作用是将数据转发到其他设备,重发响应信息事件是将路由节点准确接受数据后对发送数据做出的回应。
程序运行事件中,LED显示路由是否正常工作。
图2-3路由节点结构图
2.2.1协调器节点
由图2-4所示:
协调器节点涉及的程序包括发送数据事件、重发数据事件、重发响应信息事件、自动寻找目的设备事件、KEY检测事件和程序运行事件。
协调器节点是ZigBee网络的核心,它需要启动并建立整个网络和赋予一个PANID,同时赋予每一个加入网络的设备一个16位的ID号。
协调器节点的主控芯片CC2430F128将接收到的数据首先在LCD上显示,同时显示采集时间间隔。
另外,它将把数据进行打包通过GPRS模块(MC55)发送至远程的计算机控制中心,由远程的服务器接收,并在上位机显示。
协调器节点同终端一样,连接有LED、LCD和键盘控制电路。
按键电路与终端节点不同的是S1键用于短信功能,S2键用于GPRS模块关机、这里KEY检测事件中,将接收到的数据首先在LCD上显示,同时显示采集时间间隔。
图2-4协调器节点结构图
。
第三章软件系统具体实现方案
数据采集的过程,简单来说,就是终端节点(传感器芯片)采集现场信息后将其转化成数字信号数据,然后将其发送给其连接的路由器节点。
路由节点在无线网络中起到数据转发的作用,通过相邻路由节点,节节发送数据,最终将数据发送至协调器节点。
协调器节点有一个接收数据的过程,并返回接收数据响应,报告给发送节点(终端节点)接收成功。
之后协调器节点在将数据发送至串口,进入GPRS模块高速率发送出去,最终至远程计算机控制中心,过程如图2-1所示。
在本章中,主要介绍Z-Stack协议栈,应用层初始化程序以及应用层自定义的7个事件,并画出了流程图介绍程序的运行过程。
3.1Z-Stack协议栈
Z-Stack的main函数在Zmain.c中,总体上来说,它一共做了两件工作,一个是系统初始化,即由初始代码来初始化硬件系统和软件架构的各个模块,另一个及时开始执行操作系统[1]。
如图3-1所示。
图3-1协议栈主要流程
3.3.1系统初始化
系统初始化代码需要完成初始化硬件平台和软件架构所需要的各个模块,为操作系统的运行做好准备工作,主要分为初始化系统时钟、检测芯
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