基于Zigbee的漁業(yè)養(yǎng)殖無線通信控制系統(tǒng)

葉偉慧， 張 琳， 范秋影， 歐銀華， 黃文軒

(廣東海洋大學 寸金學院, 廣東 湛江 524094)

0 引 言

隨著人工智能技術的發(fā)展，漁業(yè)養(yǎng)殖的智能控制和遠程通信傳輸技術不斷成熟，漁業(yè)養(yǎng)殖的遠程控制涉及到對漁業(yè)水產信息的智能采集和信息處理，通過無線傳感網絡技術進行漁業(yè)養(yǎng)殖的數據采集，結合對水文狀態(tài)分析，進行漁業(yè)養(yǎng)殖的遠程智能控制，實現(xiàn)對漁業(yè)養(yǎng)殖過程中的水溫控制、水量控制以及食物控制。漁業(yè)養(yǎng)殖設計是建立在無線通信控制系統(tǒng)設計基礎上，通過遠程無線通信設計、結合物聯(lián)網和Zigbee網絡傳輸協(xié)議，實現(xiàn)漁業(yè)養(yǎng)殖的遠程控制和無線通信，提高漁業(yè)養(yǎng)殖的智慧性和自動控制能力，相關的漁業(yè)養(yǎng)殖無線通信控制系統(tǒng)設計方法研究受到人們的極大關注[1]。

對漁業(yè)養(yǎng)殖的無線通信系統(tǒng)設計的基礎是進行信息采集，通過Zigbee協(xié)議把分布在各個位置的傳感器和控制設備的信息采集起來，結合信息傳感濾波和融合處理，采用上位機通信和下位機控制技術，進行漁業(yè)養(yǎng)殖的數據傳輸控制，通過嵌入式處理芯片把各個終端的數據進行匯總處理，提高漁業(yè)養(yǎng)殖的自動化控制水平[2]。本文提出一種基于Zigbee的無線通信控制系統(tǒng)設計方案。系統(tǒng)包括上位機傳輸模塊、Zigbee控制模塊、數據獲取模塊、接收發(fā)送模塊、總線傳輸模塊以及人機接口模塊等。采用Zigbee技術和移動通信組網技術進行漁業(yè)養(yǎng)殖組網控制設計和無線通信傳輸控制設計，選擇ADSP-BF53作為漁業(yè)養(yǎng)殖無線通信控制系統(tǒng)的核心控制模塊，利用其RTC(Real-time counter)內部實時計數器，配以晶振進行漁業(yè)養(yǎng)殖無線通信控制系統(tǒng)開發(fā)設計，并在嵌入式環(huán)境下進行系統(tǒng)調試，得出有效性結論。

1 系統(tǒng)的總體設計和功能模塊分析

1.1 系統(tǒng)總體設計

首先構建漁業(yè)養(yǎng)殖無線通信控制系統(tǒng)的總體結構模型，硬件模塊包括漁業(yè)養(yǎng)殖無線通信控制DSP集成信息處理模塊、AD模塊、上位機通信模塊、復位電路模塊以及總線控制模塊等，采用ARM Cortex-M0 處理器內核實現(xiàn)漁業(yè)養(yǎng)殖無線通信控制系統(tǒng)集成設計，調用典型設備庫、專家策略庫，實現(xiàn)前端設備，在漁業(yè)養(yǎng)殖無線通信控制系統(tǒng)ARM終端中設置AD采樣時鐘，對采樣輸出的時鐘電壓進行自適應調節(jié)，構建漁業(yè)養(yǎng)殖無線通信控制分配器和功率放大器[3]。采用JN5139無線微處理器觸發(fā)漁業(yè)養(yǎng)殖無線通信控制系統(tǒng)的ARM模塊，采用低電位復位電路進行漁業(yè)養(yǎng)殖無線通信控制系統(tǒng)的掉電復位[4]。

漁業(yè)養(yǎng)殖無線通信控制系統(tǒng)將通過可編程的Zigbee模塊和傳感器技術實現(xiàn)監(jiān)控數據的采集，把采集到的數據發(fā)送到主機上，主機判斷采集的數據是否有異常值(超過設定的上限值)，若存在異常值，則通過預設的異常處理機制把相應的命令通過Zigbee無線傳輸技術傳輸到控制模塊，可編程的Zigbee可連接處理模塊(繼電器、二極管、光電管)實現(xiàn)對對象設備的監(jiān)控和自動化控制。漁業(yè)養(yǎng)殖無線通信控制系統(tǒng)總體結構如圖1所示。

圖1 漁業(yè)養(yǎng)殖無線通信控制系統(tǒng)總體結構

Fig.1Intelligenthomewirelesscommunicationcontrolsystemstructurecomposition

1.2 開發(fā)環(huán)境及功能組件

根據圖1 所示的漁業(yè)養(yǎng)殖無線通信控制系統(tǒng)的總體結構模型中，采用微處理器進行漁業(yè)養(yǎng)殖無線通信控制系統(tǒng)的集成控制，并通過分散控制系統(tǒng)(Distributed control systems, DCS)實現(xiàn)漁業(yè)養(yǎng)殖無線通信控制系統(tǒng)的節(jié)能設計，程序中主要用到的知識有：QT編程、多線程編程、數據庫操作、socket編程、Zigbee無線通訊協(xié)議編程[6]。通過Zigbee終端的數據采集模塊獲取傳感器的數據，通過上位機和手機APP設置定時控制的功能，使得上位機在用戶設定的時間通過串口模塊發(fā)送一段控制命令到控制模塊修改控制模塊的狀態(tài)，以達到定時控制的目的。設計硬件部分主要由Zigbee接收發(fā)送(串口)模塊、Zigbee控制模塊、Zigbee數據獲取模塊和GEC210開發(fā)板組成。結合ARM技術構建漁業(yè)養(yǎng)殖無線通信控制系統(tǒng)的物理設備，分別為：精簡功能設備 (Reduced Function Device)和全功能設備(Full Function Device)，將物理設備應用在漁業(yè)養(yǎng)殖無線通信控制系統(tǒng)的硬件總體設計中，能提高漁業(yè)養(yǎng)殖無線通信控制輸出的持續(xù)性和穩(wěn)定性[7]。漁業(yè)養(yǎng)殖無線通信控制系統(tǒng)的功能如圖2所示。

圖2 漁業(yè)養(yǎng)殖無線通信控制系統(tǒng)功能框圖

Fig.2Functionalcomponentsofwirelesscommunicationcontrolsystemforfisheryculture

2 系統(tǒng)硬件設計與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)設計技術指標及硬件模塊化設計

在Zigbee環(huán)境下進行漁業(yè)養(yǎng)殖無線通信控制的硬件開發(fā)設計，采用低功耗的S3C2440作為邏輯處理器，漁業(yè)養(yǎng)殖無線通信控制系統(tǒng)的輸出功耗低于100KW，無線通信控制系統(tǒng)的調制分辨率大于12位，漁業(yè)養(yǎng)殖無線通信控制管理系統(tǒng)的Zigbee組網由上、下位機2部分構成，無線通信控制系統(tǒng)的DSP信號處理模式有CW、LFM、HFM等多種模式[8]，根據上述設計技術指標，對無線通信控制系統(tǒng)的硬件模塊化設計描述如下：

(1)Zigbee接收發(fā)送(串口)模塊。Zigbee接收發(fā)送(串口)模塊是上位機傳輸模塊的底層，在漁業(yè)養(yǎng)殖無線通信控制系統(tǒng)的ADI中設計HPPCI仿真器，采用ISA/EISA/Micro Channel擴充總線進行漁業(yè)養(yǎng)殖無線通信控制的指令加載，結合DSP控制SEL1電平實現(xiàn)漁業(yè)養(yǎng)殖無線通信控制系統(tǒng)的有源晶振配置，采用32位VME總線擴展技術構建Zigbee環(huán)境下漁業(yè)養(yǎng)殖無線通信控制系統(tǒng)的DSP集成信息處理總線[9]，Zigbee接收發(fā)送(串口)模塊設計電路如圖3所示。

圖3 接收發(fā)送(串口)模塊

(2)Zigbee控制模塊。Zigbee控制模塊是整個漁業(yè)養(yǎng)殖無線通信控制的核心，Zigbee控制模塊的數據處理部分采用CC2530最小系統(tǒng)核心板及其外圍電路(包含發(fā)射電路、晶振電路)，實現(xiàn)倍頻放大控制，系統(tǒng)采用高速A/D芯片AD9225進行漁業(yè)養(yǎng)殖無線通信控制管理的原始數據采集，采用單12 V供電作為漁業(yè)養(yǎng)殖無線通信控制系統(tǒng)的啟動電壓，采用VME總線作為信息傳輸通道，構建基于物聯(lián)網技術的漁業(yè)養(yǎng)殖無線通信控制無線傳感器網絡模型，根據I/O 接口、人機接口的輸出控制數據進行子程序編譯，控制模塊電路設計如圖4所示。

(3)數據獲取模塊。使用Zigbee進行漁業(yè)養(yǎng)殖通信的上位機傳輸，結合DSP進行監(jiān)控信息采集和集成信息處理，在數據采集模塊中，使用完整的32位VME總線架構寄存器及器件(Register-Based Device)實現(xiàn)漁業(yè)養(yǎng)殖無線通信控制的網絡輸出控制，CC2530上電后進行初始化讀取自己的64位IEEE地址并以此作為設備的唯一表示。然后初始化組播、廣播、單播屬性，初始化端口、并設置休眠時間(1S)。數據采集模塊的控制電路部分主要由ULN2003(高電壓、高電流達林頓管列陣用以驅動繼電器)和繼電器組成，通過Zigbee無線傳輸技術實現(xiàn)遠程控制和繼電器控制，漁業(yè)養(yǎng)殖無線通信控制系統(tǒng)的數據獲取模塊如圖5所示。

2.2 任務處理及串口線程

漁業(yè)養(yǎng)殖無線通信控制系統(tǒng)的線程采用的是二進制文件映射的方法建立一個雙向循環(huán)鏈表，與Linux中的內核鏈表操作類似，但是其內部并不包含小的結構體，返回大結構體，其是以偏移地址作為遍歷的依據，使用物聯(lián)網環(huán)境下的Zigbee靈活組網方式，通過自組織方式構成Zigbee網絡，采用嵌入式ARM尋址技術進行漁業(yè)養(yǎng)殖無線通信控制的集成信息采樣和總線調度，使用UNIX類操作系統(tǒng)進行接口編譯，在集成DSP信息處理環(huán)境下進行系統(tǒng)的硬件模塊化設計，系統(tǒng)的硬件結構由Zigbee控制模塊、Zigbee數據獲取模塊和GEC210開發(fā)板等組成[10]，采用CC2530芯片作為主控系統(tǒng)。漁業(yè)養(yǎng)殖通信控制系統(tǒng)的集成電路如圖6所示。

圖4 Zigbee控制模塊

圖5 數據獲取模塊

3 實驗測試分析

為了測試本文設計系統(tǒng)在漁業(yè)養(yǎng)殖通信控制中的穩(wěn)定性和可靠性，進行系統(tǒng)調試和實驗分析，系統(tǒng)調試中，CC2530上電后進行初始化組播、廣播、單播屬性，對Zigbee無線數據采集采用交叉編譯模式，對數據進行解析后通過串口發(fā)送到上位機。上位機通信控制協(xié)議采用IEEE802.15.4，由Zigbee負責物理層和中間訪問控制層的串口通信傳輸。調用TaskBasic.postTask()任務的TaskBasic().runTask()調度程序，在文件MinePressureCollectionC.nc里完成漁業(yè)養(yǎng)殖無線通信控制命令或配置參數，根據上述調試環(huán)境描述，進行漁業(yè)養(yǎng)殖無線通信控制測試，A/D輸入端設定為0～4V的正弦信號，測試無線通信控制的輸入輸出信號，如圖7所示。

圖6 漁業(yè)養(yǎng)殖通信控制系統(tǒng)的集成電路設計

圖7 漁業(yè)養(yǎng)殖無線通信控制的信號測試結果

Fig.7Signaltestresultsofwirelesscommunicationcontrolinfisheryculture

分析圖7得知，采用本文方法進行漁業(yè)養(yǎng)殖通信控制的無損傳輸能力較好，控制穩(wěn)定性較高，無線通信控制的誤碼率較低。

4 結束語

漁業(yè)養(yǎng)殖設計是建立在無線通信控制系統(tǒng)設計基礎上，通過遠程無線通信設計，結合物聯(lián)網和Zigbee網絡傳輸協(xié)議，實現(xiàn)漁業(yè)養(yǎng)殖的遠程控制和無線通信，提高漁業(yè)養(yǎng)殖系統(tǒng)的通信控制能力。本文提出一種基于Zigbee的無線通信控制系統(tǒng)設計方案。系統(tǒng)包括上位機傳輸模塊、Zigbee控制模塊、數據獲取模塊、接收發(fā)送模塊、總線傳輸模塊以及人機接口模塊等。對各個功能模塊進行了硬件設計，在集成DSP信息處理環(huán)境下進行系統(tǒng)的硬件模塊化設計，采用CC2530芯片作為主控系統(tǒng)，實現(xiàn)漁業(yè)養(yǎng)殖的無線通信控制系統(tǒng)嵌入式開發(fā)設計。研究得知，本文設計的漁業(yè)養(yǎng)殖的無線通信控制系統(tǒng)的智能性較好，具有很好的穩(wěn)定可靠性，在漁業(yè)養(yǎng)殖控制中具有很好的應用價值。