论文设计风电场数据采集系统软件设计基于ZigBee及GPRS的小型风电场数据采集系统软件设计.doc
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1、南京工业大学毕业设计题目:基于ZigBee及GPRS的小型风电场数据采集系统软件设计 2012年6月III基于Zigbee及GPRS的小型风电场数据采集系统软件设计摘要为实现对风电场现场数据采集的目标而对风电场进行监控,但是传统的监控系统多采用以太网光纤通讯。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。本课题以ZigBee技术和GPRS无线分组交换技术为基础,通过对小型风电场的相关数据的采集,主要包括有风电场的温度、湿度、风向、风速以及大气压力,来实现对风电场运行状态的实时监控。本文以小型风电场的数据采集系统
2、为课题背景,论述了ZigBee软件平台的开发过程,主要完成课题中数据采集系统软件部分设计。首先介绍了ZigBee技术的发展现状和应用前景。其次,介绍了TI Z-Stack的软件架构。另外,本文还介绍了应用层任务处理函数及自定义事件。 关键词:风电场ZigBee技术数据采集Software Design of Small Wind Farms Data Collection System Based on Zigbee and GPRSAbstractTo achieve the goal of the wind farm site date acquisition to monitor the
3、 winfd farm,but the traditional monitoring system is the use of Ethernet fiber-optic communications. For large wind farms, along with the increase in the number of generating units, certainly will increase wiring fee, and when the wind power expansion, too much communication lines will cause the con
4、struction and maintenance difficulties and so on a series of problems. This paper is based on the ZigBee technology and GPRS wireless packet switching technology. By collecting relevant date on small wind farms, including wind farms, temperature, humidity, wind direction, wind speed and atmospheric
5、pressure, it finally achieves the purpose of real-time monitoring of the operature status of the wind farm. With the subject background of using the date acquisition system for small-scale wind farm, this paper discusses the development process of the ZigBee software part, mainly to complete the sof
6、tware part design of the data acquisition system in the subject. Firstly it introduces the current situation of the development of ZigBee technology and its development trend. Secondly, it introduces the software architecture of TI Z-Stack. In addition, this paper also describes task handler of the
7、application layer and its custom events.Keywords: wind farm; ZigBee technology; data collector目录摘要IAbstractII第一章 绪 论11.1概述11.2 ZigBee技术简介11.3 GPRS技术61.4本文的主要工作6第二章 系统软件总体方案设计72.1系统总体方案设计72.2软件编程的设计说明82.2.1 终端节点82.2.1 路由节点82.2.1 协调器节点9第三章 软件系统具体实现方案103.1 Z-Stack 协议栈103.3.1 系统初始化103.3.2 操作系统的执行113.3.3
8、 Z-Stack文件结构133.2应用层初始化程序153.3 事件处理程序16第四章 系统调试214.1 IAR编译环境设置214.2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
9、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。1.2 ZigBee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
10、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
11、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
12、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
13、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“HomeRF Lite”、“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
14、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
15、,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1075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IEEE 802.15.4,这是IEEE无线个人网络工作组的一项标准,被称作IEEE
16、 802.15.4(ZigBee)技术标准。IEEE 802.15.4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,IEEE802.15.4 2003标准定义了最下面两
17、层底层协议:物理层(physical layer,PHY)和媒介层(medium access control sublayer,MAC)。ZigBee联盟又在此基本上建立的应用层(application layer,APL)和网络层(network layer,NWK)。应用层APL层又包括应用支持子层(application support -layer APS),ZigBee的设备对象(zigbee device object ZDO)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
18、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,ZigBe
19、e星型网络不支持ZigBee路由器;3)ZigBee终端设备(End Device),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-ord
20、inator以及一系列的Router和End Device节点。Co-ordinator连接一些列的Router和End Device,它的子节点的Router也可以连接一系列的Router和End Device。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
21、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NURI Telecom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
22、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,
23、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。1.3 GPRS技术GPRS ( General Packet Radio Service) 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GSM Phase2.1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/
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