基于zigbee的蔬菜大棚環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng)設(shè)計.doc

摘 要目前，ZigBee技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于近距離傳輸?shù)臒o線通信領(lǐng)域，尤其是在工農(nóng)業(yè)控制、醫(yī)療衛(wèi)生方面日益起著越來越重要的作用。本設(shè)計意在通過ZigBee無線通信技術(shù)構(gòu)建一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN），采用樹型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，對加入該網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點進行溫度、濕度、光照強度和二氧化碳濃度的數(shù)據(jù)進行采集和分析，將此應(yīng)用于對農(nóng)業(yè)里溫室的環(huán)境檢測和控制當中，避免了有線網(wǎng)絡(luò)的布線問題和成本問題。本設(shè)計利用了一個結(jié)構(gòu)合理的Web應(yīng)用程序，搭建Web服務(wù)器來動態(tài)顯示傳感終端所采集的溫室數(shù)據(jù)。關(guān)鍵詞：ZigBee；CC2430；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；溫濕度采集32 / 38AbstractCurrently, ZigBee technology has been widely used in close range transmission of wireless communications is increasingly playing an increasingly important role, especially in the agricultural and industrial control, medical protection. This design is intended to build a wireless sensor network (WSN), the adoption of ZigBee wireless communication technology, the use of a tree network topology, sensor nodes join the network temperature, humidity, light intensity and carbon dioxide concentration of the data collection and analysis will this applied to the detection and control of the environment on agricultural greenhouse, to avoid the cable network cabling problems and cost issues. This design uses a rational structure of the Web application, set up a Web server to dynamically display greenhouse data collected by the sensor terminal.Key words: ZigBee; CC2430; wireless sensor networks; temperature acquisitio目 錄摘 要IAbstractII目 錄III前 言V1.緒論11.1研究的背景和意義11.2 國內(nèi)外溫室測控系統(tǒng)研究現(xiàn)狀11.2.1 國內(nèi)溫室測控系統(tǒng)研究現(xiàn)狀11.1.2 國外溫室測控系統(tǒng)研究現(xiàn)狀22.系統(tǒng)分析42.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)42.2 系統(tǒng)設(shè)計原理52.3 系統(tǒng)節(jié)點設(shè)計63.系統(tǒng)概述83.1 數(shù)字溫濕度傳感器SHT1083.2 CC2430芯片103.3串行通信接口RS-232123.4 顯示模塊133.5 報警模塊144.系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計154.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計154.1.1 Zigbee節(jié)點硬件設(shè)計154.1.2 傳感器節(jié)點硬件設(shè)計164.1.3 溫濕度數(shù)據(jù)采集節(jié)點設(shè)計184.1.4 基站節(jié)點的設(shè)計214.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計264.2.1 Zigbee網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計264.2.2 傳感器終端軟件設(shè)計264.3 服務(wù)端的設(shè)計和實現(xiàn)274.4 遠程主機端的設(shè)計和實現(xiàn)275.系統(tǒng)測試295.1系統(tǒng)測試步驟295.2系統(tǒng)測試結(jié)果295.2.1 系統(tǒng)的硬件測試295.2.2 協(xié)議棧的測試295.2.3 GPRS測試295.2.4 上位機的測試295.3系統(tǒng)測試結(jié)果分析30結(jié) 論31參考文獻32致 謝33前 言隨著我國國民經(jīng)濟的發(fā)展人民生活水平日益提高,冬季大棚蔬菜市場日漸擴大。在利用蔬菜大棚生產(chǎn)中,溫度、濕度等因素直接關(guān)系到大棚作物的生長,因此,對大棚溫濕度數(shù)據(jù)進行實時、精準的采集以及監(jiān)測調(diào)節(jié)是實現(xiàn)大棚蔬菜生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、高效益的重要環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的環(huán)境參數(shù)系統(tǒng)使用有線監(jiān)測設(shè)備,具有線路多、布線復雜、維護困難等缺點,在很多特定區(qū)域無法順利使用?；诖?本文介紹了一種基于Zigbee的蔬菜大棚環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng),該系統(tǒng)利用無線通信技術(shù),無需布設(shè)任何線路,自動組網(wǎng),成本低廉,采集及監(jiān)測節(jié)點數(shù)量大,有效地實現(xiàn)了對蔬菜大棚環(huán)境參數(shù)采集的實時無線監(jiān)控,促進了蔬菜大棚的智能化、統(tǒng)一化管理。1.緒論1.1研究的背景和意義21世紀是設(shè)施農(nóng)業(yè)迅速發(fā)展的時期。發(fā)達國家與發(fā)展中國家紛紛采取措施，加大投資.大力發(fā)展智能化設(shè)施農(nóng)業(yè)。設(shè)施農(nóng)業(yè)是采用先進的科學技術(shù)和工廠化生產(chǎn)方式，把作物種植在一個相對封閉的空間，為作物的高效生產(chǎn)提供適宜的生長環(huán)境，并且在任何地區(qū)，一年四季均能種植任何作物的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)。設(shè)施農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要標志，其特點表現(xiàn)為高產(chǎn)量、高品質(zhì)、環(huán)保、周年可持續(xù)生產(chǎn)。設(shè)施農(nóng)業(yè)的迅速發(fā)展加速了農(nóng)業(yè)科學推廣，對農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平的提高起到了積極的推動作用。植物的生長都是在一定的環(huán)境中進行的，其在生長過程中受到環(huán)境中各種因素的影響，其中對植物生長影響最大的是環(huán)境中的溫度和濕度。環(huán)境中晝夜的溫度和濕度變化大，其對植物生長極為不利。因此必須對環(huán)境的溫度和濕度數(shù)據(jù)進行采集、監(jiān)測和控制，使其適合植物的生長，提高其產(chǎn)量和質(zhì)量。本系統(tǒng)就是利用價格便宜的一般電子器件來設(shè)計一個參數(shù)精度高，控制操作方便，性價比高的應(yīng)用于農(nóng)業(yè)種植生產(chǎn)的蔬菜大棚溫濕度采集測控系統(tǒng)。溫室內(nèi)作物生長到一定時期，一方面對溫室環(huán)境進行調(diào)控會影響作物的生長，另一方面作物光合作用、蒸騰作用的改變又對室內(nèi)環(huán)境因子產(chǎn)生新的影響，從而產(chǎn)生了一種反饋作用機制，而在現(xiàn)有的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)并沒有考慮到這種反饋作用機制。如果能同時對沒施內(nèi)的溫度、光照、二氧化碳濃度等進行智能調(diào)控，并能考慮到作物反饋作用機制，這種調(diào)控方式既節(jié)約資源又提高生產(chǎn)效率。研究溫室環(huán)境控制的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢，不僅可以提高作物的產(chǎn)量和降低溫室能耗，而且對未來溫室環(huán)境調(diào)控的發(fā)展具有重要的指導意義。1.2 國內(nèi)外溫室測控系統(tǒng)研究現(xiàn)狀1.2.1 國內(nèi)溫室測控系統(tǒng)研究現(xiàn)狀目前溫室環(huán)境控制系統(tǒng)主要針對溫度和濕度控制進行研究。盧佩等采用模糊控制方法，通過建立模糊控制系統(tǒng)模型和對模糊控制器的設(shè)計，引入解藕參數(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)的溫濕度解耦控制，提高了溫濕度控制的精度。黃力櫟等針對溫室氣候控制方法中溫濕度之間的耦合作用，提出以溫度控制為主、濕度控制為輔的控制策略，并建立兩變量輸入、三變量輸出的控制主回路和補償回路模糊控制系統(tǒng)，從而為溫濕度控制提供了一種行之有效的方法。鄧璐娟采用逆系統(tǒng)方法對溫室環(huán)境非線性系統(tǒng)進行了解耦和線性化，同時對隨機的擾動進行補償，采用PDF控制算法和Smith預(yù)估補償對線性化后的系統(tǒng)進行了綜合校正，在選擇校正后閉環(huán)系統(tǒng)的參數(shù)時考慮了非線性系統(tǒng)解耦的要求。朱虹通過對歷史溫室環(huán)境數(shù)據(jù)的合理分析，將溫室的溫度控制模型近似為一階慣性加時滯環(huán)節(jié)。基于該溫度近似模型采用Zhuang等中提出的時間為權(quán)誤差積到分指標最優(yōu)的參數(shù)自整定公式來整定PID控制器參數(shù)，將整定后的PID控制器應(yīng)用于溫室控制。楊澤林等通過數(shù)據(jù)挖掘，利用采集的溫室內(nèi)、外溫度及室內(nèi)濕度數(shù)據(jù)對溫室狀態(tài)進行分類，提出一種基于各類別中的溫室溫、濕度變化率相關(guān)性進行模糊解耦控制。沈敏等考慮開關(guān)設(shè)備組合作用下溫室測控系統(tǒng)的非線性動態(tài)特性，提出結(jié)構(gòu)簡單、不需復雜數(shù)值計算的離散預(yù)測模型，對設(shè)備組合進行滾動優(yōu)化預(yù)測控制，大大簡化溫室測控系統(tǒng)預(yù)測控制算法的復雜性，緩解了測控系統(tǒng)分布大時滯問題。1.1.2 國外溫室測控系統(tǒng)研究現(xiàn)狀國外的溫室環(huán)境起步較早，溫室環(huán)境控制經(jīng)過多年的發(fā)展，控制技術(shù)和理論發(fā)展到較高水平。隨著用于溫室環(huán)境控制的作物模型的研究，研究人員將溫室物理模型和作物模型結(jié)合起來，以實現(xiàn)溫室的高效生產(chǎn)。Seginer等進行模擬研究確定溫室二氧化碳施肥的優(yōu)化措施，其方法是在建立一系列函數(shù)(作物生長函數(shù)、溫室函數(shù)、設(shè)備函數(shù)及成本函數(shù))之后，進行數(shù)值尋優(yōu)得到不同溫光水平下最優(yōu)的二氧化碳施肥量，并給出一系列圖表用于指導實際二氧化碳施肥操作管理；Van- Straten等利用作物的光合作用和蒸騰作用進行溫室內(nèi)短期的優(yōu)化與控制，利用有效積溫的原理進行溫室的長期的優(yōu)化與控制，將短期優(yōu)化和長期優(yōu)化相結(jié)合，實現(xiàn)了以經(jīng)濟最優(yōu)為目標的溫室環(huán)境控制。Aaslyng等利用作物的光輻射吸收、葉片的光合作用和呼吸作用預(yù)測模型建立了溫室環(huán)境控制系統(tǒng)，根據(jù)自然光照來控制溫室內(nèi)的溫度，系統(tǒng)在節(jié)省能源和由于光照減弱而導致的作物產(chǎn)量降低之間取得了很好的平衡?；谧魑锱c環(huán)境的動態(tài)響應(yīng)時間尺度不同，前人把溫室作物生產(chǎn)優(yōu)化控制問題分成慢速子問題和快速子問題2個子問題。Seginer等只考慮慢速子問題，Hwang只考慮快速子問題。Van Henten是第一位解決整個優(yōu)化控制問題的科學家，提出把系統(tǒng)分解為2個時間尺度的方法，根據(jù)該方法首先解決長期問題，然后用長期問題的結(jié)果來計算短期問題的軌跡并把該方法應(yīng)用到生萊生產(chǎn)的優(yōu)化控制中。從以上文獻可以看出，國外進行溫室環(huán)境控制時已經(jīng)考慮到作物與環(huán)境的相互作用機制，同時考慮到作物動態(tài)響應(yīng)與環(huán)境動態(tài)響應(yīng)的時間尺度不一致性，但應(yīng)用到黃瓜生長的優(yōu)化控制中較少。2.系統(tǒng)分析2.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點主要由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和電源管理模塊組成。數(shù)據(jù)采集模塊負責通過各種類型的傳感器采集物理信息；數(shù)據(jù)處理模塊負責控制整個節(jié)點的處理操作、功耗管理以及任務(wù)管理等；數(shù)據(jù)通信模塊負責與其他節(jié)點進行無線通信，它通過ZigBee無線電波將數(shù)據(jù)傳送到路由節(jié)點或主協(xié)調(diào)器節(jié)點，路由節(jié)點再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)送到主協(xié)調(diào)器節(jié)點或經(jīng)過上級路由節(jié)點轉(zhuǎn)給主協(xié)調(diào)器節(jié)點，主協(xié)調(diào)器節(jié)點通過RS 232串口將所有信息匯集傳至PC機或服務(wù)器。本系統(tǒng)的模型主要分為四塊:溫濕度的數(shù)據(jù)采集節(jié)點、負責從節(jié)點接收數(shù)據(jù)并向主機發(fā)送數(shù)據(jù)的系統(tǒng)節(jié)點、主機（服務(wù)器）以及最終的用戶。該系統(tǒng)的總體架構(gòu)圖如圖2-1所示：遠程主機端服務(wù)器程序系統(tǒng)節(jié)點數(shù)據(jù)采集節(jié)點圖2-1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖該系統(tǒng)由上位機（PC）監(jiān)控端和下位機ZigBee網(wǎng)絡(luò)兩部分組成。下位機ZigBee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)負責采集溫室大棚內(nèi)的溫濕度數(shù)據(jù)，上位機負責顯示溫濕度數(shù)據(jù)并進行實時監(jiān)控。下位機ZigBee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由溫濕度傳感器模塊、路由器模塊和協(xié)調(diào)器模塊組成。溫濕度傳感器模塊主要負責采集、存儲和上傳溫濕度信息。路由器模塊主要負責轉(zhuǎn)發(fā)溫濕度信息。協(xié)調(diào)器模塊主要完成溫濕度數(shù)據(jù)的匯聚。下位機ZigBee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和上位機之間通過RS-232串口進行通信。當監(jiān)測大棚溫濕度信 息時，首先通過上位機端監(jiān)控軟件設(shè)置好波特率和串口號等參數(shù)，然后協(xié)調(diào)器開始組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，這時路由器節(jié)點和溫濕度傳感器節(jié)點開始加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)。分布在各個大棚內(nèi)的溫濕度傳感模塊開始采集溫濕度信息，并存儲在Flash中，通過單跳或者多跳的方式發(fā)送到上位機，上位機監(jiān)控端接收到溫濕度信息后，把各個大棚內(nèi)的溫濕度信息顯示出來。當溫濕度信息異常時，在監(jiān)控端會有異常提示，以便及時處理。各個傳感器節(jié)點每隔一定的時間采集一次它周圍的溫濕度，并將溫濕度數(shù)據(jù)通過臨近節(jié)點或直接傳給基站核心板上；基站核心板負責收集從各個幾點上傳來的數(shù)據(jù)，并通過串口轉(zhuǎn)傳到服務(wù)器端上；遠程主機將建立數(shù)據(jù)庫來存儲這些數(shù)據(jù)，為用戶提供查詢操作，主機也可以實現(xiàn)報警等功能。以下是對這幾部分功能的詳細介紹：1、溫濕度傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點：本系統(tǒng)中該環(huán)節(jié)主要是通過CC2430集成的暴露在空氣中的溫濕度傳感器來采集菜蔬大棚里空氣的溫濕度，將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，并通過Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)將這些采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到基站節(jié)點。數(shù)據(jù)采集節(jié)點并不是多對一的傳輸關(guān)系，每個節(jié)點都有路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，也可以接受來自鄰近節(jié)點的數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)發(fā)給基站節(jié)點，從而擴大了測量的距離，解決了無線測量范圍有限的難題。2、基站：基站作為本系統(tǒng)的核心環(huán)節(jié)，它需要完成收集從自己網(wǎng)內(nèi)各個數(shù)據(jù)采集節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到計算機(也可以稱作服務(wù)器上)進行存儲，從而為上層用戶提供查詢等服務(wù)提供了數(shù)據(jù)依據(jù)?；疽彩且粔KCC2430的增強型工業(yè)標準的嵌入式核心板，它在組網(wǎng)中的序號必須是01號，否則將接受不到數(shù)據(jù)。3、服務(wù)器端：服務(wù)器端通過串口線將從基站收到的數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸給遠程主機端，從而為上層軟件的設(shè)計、用戶的使用提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。本系統(tǒng)的一個重點是在服務(wù)器端建立一個軟件系統(tǒng)來管理這些數(shù)據(jù)。4、遠程用戶端：該部分主要負責從服務(wù)器端收集數(shù)據(jù)，并存儲在自己的數(shù)據(jù)庫中，并以此為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)為用戶提供數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)在該軟件設(shè)計中實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收的控制、溫濕度數(shù)據(jù)的顯示、歷史數(shù)據(jù)的查詢、刪除、溫濕度的自報警以及系統(tǒng)用戶等的管理。2.2 系統(tǒng)設(shè)計原理該檢測系統(tǒng)充分利用ZigBee技術(shù)的軟、硬件資源,輔以相應(yīng)的測量電路和SHT10數(shù)字式集成溫濕度傳感器等智能儀器,能實現(xiàn)多任務(wù)、多通道的檢測和輸出。并且通過RS232接口實現(xiàn)與上位PC機的連接,進行數(shù)據(jù)的分析、處理和存儲及打印輸出等。它具有測量范圍廣、測量精度高等特點,前端測量用的傳感器類型可在該基礎(chǔ)上修改為其他非電量參數(shù)的測量系統(tǒng)。溫濕度檢測系統(tǒng)采用SHT10為溫濕度測量元件。系統(tǒng)在硬件設(shè)計上充分考慮了可擴展性,經(jīng)過一定的添加或改造,很容易增加功能。根據(jù)溫室大棚內(nèi)的溫濕度、土壤水分、土壤溫度等傳感器采集到的信息，利用串口通信RS-232將傳感器信息發(fā)送給上位計算機，然后再接到上位計算機上進行顯示，報警，查詢。監(jiān)控中心將收到的采樣數(shù)據(jù)以表格形式顯示和存儲，然后將其與設(shè)定的報警值相比較，若實測值超出設(shè)定范圍，則通過屏幕顯示報警或語音報警，并打印記錄。與此同時，監(jiān)控中心可向現(xiàn)場控制器發(fā)出控制指令，監(jiān)測儀根據(jù)指令控制風機、水泵、等設(shè)備進行降溫除濕，以保證大棚內(nèi)作物的生長環(huán)境。監(jiān)控中心也可以通過報警指令來啟動現(xiàn)場監(jiān)測儀上的聲光報警裝置，通知大棚管理人員采取相應(yīng)措施來確保大棚內(nèi)的環(huán)境正常。2.3 系統(tǒng)節(jié)點設(shè)計 數(shù)據(jù)采集節(jié)點及其基站節(jié)點是一組安放在蔬菜大棚實地內(nèi)的傳感器和無線通信模塊的終端集合。主要是負責大棚內(nèi)空氣的溫濕度的數(shù)據(jù)采集，并接收從基站發(fā)來的指令，定時通過無線模塊將本節(jié)點采集到的溫濕度數(shù)據(jù)傳輸給基站節(jié)點。1、數(shù)據(jù)采集節(jié)點是定時的(默認設(shè)置成10S采集一次溫濕度數(shù)據(jù))采集數(shù)據(jù)，這個時間間隔可以是網(wǎng)絡(luò)中的基站向溫濕度傳感器節(jié)點發(fā)送重新設(shè)置時間間隙的控制命令來完成設(shè)置的。PPP(Point-to-Point Protocol)協(xié)議是在設(shè)計和實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中基站節(jié)點功能所要用到的技術(shù)。PPP協(xié)議是為在同等單元之間傳輸數(shù)據(jù)包這樣的簡單鏈路設(shè)計的鏈路層協(xié)議。這種鏈路提供全雙工操作，并按照順序傳遞數(shù)據(jù)包。設(shè)計目的主要是用來通過撥號或?qū)＞€方式建立點對點連接發(fā)送數(shù)據(jù)，使其成為各種主機、網(wǎng)橋和路由器之間簡單連接的一種共通的解決方案。傳感器應(yīng)用了其技術(shù)從而實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的接力傳送，從而提高了網(wǎng)絡(luò)通信的效率。數(shù)據(jù)采集節(jié)點主要由電源模塊、處理器模塊、溫濕度傳感器收集模塊和無線通信模塊4個模塊構(gòu)成的：（1）電源：采用兩節(jié)1.5V的紐扣電池組成的3V直流電為整個系統(tǒng)供電。（2）處理器模塊和無線通信模塊：采用增強型工業(yè)標準的CC2430核心板，它是加強版的Zigbee模塊。（3）溫濕度傳感器收集模塊：采用CC2430核心板集成溫濕度傳感器SHT10。數(shù)據(jù)采集節(jié)點的硬件框圖如圖2-2所示：圖2-2 為數(shù)據(jù)采集節(jié)點硬件框架圖2、溫濕度采集節(jié)點也是基于Zigbee通信協(xié)議的終端設(shè)備。Zigbee的基礎(chǔ)是IEEE 802.15.4,但IEEE僅處理低級MAC層和物理層協(xié)議，因此Zigbee聯(lián)盟擴展了IEEE，對其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進行了標準化。與其他無線標準802.11或802.16不同，Zigbee以250Kbps的最大傳輸速率承載有限的數(shù)據(jù)流量。它滿足國際標準組織(ISO)開放系統(tǒng)互連(OSI)參考模型，主要包括物理層、數(shù)據(jù)鏈路層。Zigbee是一種新興的短距離、低速率、低功耗的無線可自組的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。主要用于近距離無線連接。在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信，這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以它們的通信效率非常高。3.系統(tǒng)概述3.1 數(shù)字溫濕度傳感器SHT101、SHT10的結(jié)構(gòu)原理SHT10是瑞士Sensirion公司生產(chǎn)的一款含有已校準數(shù)字信號輸出的高度集成數(shù)字式溫濕度傳感器，體積微小、功耗極低，由于采用了CMOSensR技術(shù)，從而可確保器件具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。該傳感器包括一個電容性聚合體測濕敏感元件和一個用能隙材料制成的測溫元件，并在同一芯片上，與14位的A/D轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路實現(xiàn)無縫連接。生產(chǎn)過程中，每個傳感器芯片都在極為精確的濕度腔室中進行標定，以鏡面冷凝式濕度計為參照，校準系數(shù)以程序形式儲存在OTP內(nèi)存中，在標定的過程中使用。SHT10傳感器的濕度測量范圍為0100RH，濕度測量精度為4.5RH20到80RH，濕度測量分辨率為0.03RH；溫度測量范圍為-40+123.8，溫度測量精度為0.5（25時），溫度測量分辨率為0.01?？蓪崿F(xiàn)寬范圍的溫濕度測量。SHT10默認的測量分辨率分別是溫度14位、濕度12位，也可以通過修改傳感器的8位狀態(tài)寄存器的“1”將分辨率分別降至12位和8位，通常在高速或最低位為超低功耗的應(yīng)用中采用低分辨率。其中傳感器SHT10的原理圖如圖3-1所示。圖3-1 傳感器SHT10的原理圖2、引腳說明a.電源引腳（VDD、GND） SHT10的供電電壓為2.4V5.5V。傳感器上電后，要等待11ms，從“休眠”狀態(tài)恢復。在此期間不發(fā)送任何指令。電源引腳（VDD和GND）之間可增加1個100nF的電容器，用于去耦濾波。b.串行接口 SHT10的兩線串行接口（bidirectional 2-wire）在傳感器信號讀取和電源功耗方面都做了優(yōu)化處理，其總線類似I2C總線但并不兼容。串行時鐘輸入（SCK）。SCK引腳是MCU與SHTIO之問通信的同步時鐘，由于接口包含了全靜態(tài)邏輯，因此沒有最小時鐘頻率。即微控制器可以以任意慢的速度與SHT10通信。串行數(shù)據(jù)（DATA）。DATA三態(tài)引腳是內(nèi)部的數(shù)據(jù)的輸出和外部數(shù)據(jù)的輸入引腳。DATA在SCK時鐘的下降沿之后改變狀態(tài)，并在SCK時鐘的上升沿有效。即微控制器可以在SCK的高電平段讀取有效數(shù)據(jù)。在微控制器向SHT10傳輸數(shù)據(jù)的過程中，必須保證數(shù)據(jù)線在時鐘線的高電平段內(nèi)穩(wěn)定。為了避免信號沖突，微控制器僅將數(shù)據(jù)線拉低，在需要輸出高電平的時候，微控制器將引腳置為高阻態(tài)，由外部的上拉電阻(例如; 10k)將信號拉至高電平。為避免數(shù)據(jù)發(fā)生沖突，MCU應(yīng)該驅(qū)動DATA使其處于低電平狀態(tài)，而外部接1個上拉電阻將信號拉至高電平。3、發(fā)送命令用一組“ 啟動傳輸”時序，來表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟?。它包括：當SCK時鐘高電平時DATA翻轉(zhuǎn)為低電平，緊接著SCK變?yōu)榈碗娖?，隨后是在SCK時鐘高電平時DATA翻轉(zhuǎn)為高電平。4、測量時序(RH和T)發(fā)布一組測量命令（00000101表示相對濕度RH，00000011表示溫度T）后，控制器要等待測量結(jié)束。這個過程需要大約20/80/320ms，分別對應(yīng)8/12/14bit測量。確切的時間隨內(nèi)部晶振速度，最多可能有-30%的變化。SHT10通過下拉DATA至低電平并進入空閑模式，表示測量的結(jié)束?？刂破髟谠俅斡|發(fā)SCK時鐘前，必須等待這個“數(shù)據(jù)備妥”信號來讀出數(shù)據(jù)。檢測數(shù)據(jù)可以先被存儲，這樣控制器可以繼續(xù)執(zhí)行其它任務(wù)在需要時再讀出數(shù)據(jù)。接著傳輸2個字節(jié)的測量數(shù)據(jù)和1個字節(jié)的CRC奇偶校驗。UC需要通過下拉DATA為低電平，以確認每個字節(jié)。所有的數(shù)據(jù)從MSB開始，右值有效（例如：對于12bit數(shù)據(jù)，從第5個SCK時鐘起算作MSB；而對于 8bit數(shù)據(jù)，首字節(jié)則無意義）。用CRC數(shù)據(jù)的確認位，表明通訊結(jié)束。如果不使用CRC-8校驗，控制器可以在測量值LSB后，通過保持確認位ack高電平，來中止通訊。在測量和通訊結(jié)束后，SHT10自動轉(zhuǎn)入休眠模式。警告：為保證自身溫升低于0.1，SHT10的激活時間不要超過10%（例如，對應(yīng)12bit精度測量，每秒最多進行2次測量）。3.2 CC2430芯片1、CC2430芯片簡介 CC2430芯片以強大的集成開發(fā)環(huán)境作為支持，內(nèi)部線路的交互式調(diào)試以遵從IDE的IAR工業(yè)標準為支持，得到嵌入式機構(gòu)很高的認可。它結(jié)合Chipcon公司全球先進的ZigBee協(xié)議、工具包和參考設(shè)計，展示了領(lǐng)先的ZigBee解決方案。其產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于汽車、工控系統(tǒng)和無線感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域，同時也適用于ZigBee之外2.4GHz頻率的其他設(shè)備。其引腳示意圖如圖3-2所示。 CC2430包含一個增強型工業(yè)標準的8位8051微控制器內(nèi)核，運行時鐘32MHz。 CC2430包含一個DMA控制器。8K字節(jié)靜態(tài)RAM，其中的4K字節(jié)是超低功耗SRAM。32K，64K或128K字節(jié)的片內(nèi)Flash塊提供在電路可編程非易失性存儲器。CC2430集成了4個振蕩器用于系統(tǒng)時鐘和定時操作：一個32MHz晶體振蕩器，一個16MHz RC-振蕩器，一個可選的32.768kHz晶體振蕩器和一個可選的32.768kHz RC 振蕩器。CC2430也集成了用于用戶自定義應(yīng)用的外設(shè)。一個AES協(xié)處理器被集成在CC2430之中，用來支持IEEE 802.15.4 MAC 安全所需的（128位關(guān)鍵字）AES的運行，以盡可能少的占用微控制器。中斷控制器為總共18個中斷源提供服務(wù)，他們中的每個中斷都被賦予4個中斷優(yōu)先級中的某一個。調(diào)試接口采用兩線串行接口，該接口被用于在電路調(diào)試和外部Flash編程。I/O控制器的職責是21個一般I/O口的靈活分配和可靠控制。圖3-2 CC2430芯片引腳示意圖CC2430包括四個定時器：一個16位MAC定時器，用以為IEEE 802.15.4的CSMA-CA算法提供定時以及為IEEE 802.15.4的MAC層提供定時。一個一般的16位和兩個8位定時器，支持典型的定時/計數(shù)功能，例如，輸入捕捉、比較輸出和PWM功能。CC2430內(nèi)集成的其他外設(shè)有: 實時時鐘；上電復位；8通道，814位ADC；可編程看門狗；兩個可編程USART，用于主/從SPI或UART操作。為了更好的處理網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用操作的帶寬，CC2430集成了大多數(shù)對定時要求嚴格的一系列IEEE 802.15.4 MAC協(xié)議，以減輕微控制器的負擔。這包括：自動前導幀發(fā)生器、同步字插入/檢測、CRC-16校驗、CCA、信號強度檢測/數(shù)字RSSI、連接品質(zhì)指示(LQI) 和CSMA/CA協(xié)處理器。2、CC2430芯片的主要特點CC2430 芯片延用了以往CC2420 芯片的架構(gòu)，在單個芯片上整合了ZigBee 射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1個8位MCU（8051），具有128 KB可編程閃存和8 KB 的RAM，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、幾個定時器（Timer）、AES128 協(xié)同處理器、看門狗定時器（Watchdog timer）、32 kHz 晶振的休眠模式定時器、上電復位電路(Power On Reset)、掉電檢測電路(Brown out detection)，以及21個可編程I/O引腳。CC2430 芯片采用0.18m CMOS 工藝生產(chǎn),在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低 于27mA 或25mA。CC2430 的休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式的超短時間的特性，特別適合那些要求電池壽命非常長的應(yīng)用。3.3串行通信接口RS-2321、電氣特性RS-232采用負邏輯在TxD和RxD上：邏輯1(MARK)=一515V邏輯0(SPACE)=+5+15VRS-232的主要電氣特性為：帶37k歐姆負載時驅(qū)動器的輸出電平：邏輯“1”：一5 一12V；邏輯“0“：+5 +12V。不帶負載時驅(qū)動器的輸出電平： 一25+25V。驅(qū)動器轉(zhuǎn)換速率：30V，L 。接收器輸入阻抗：37K歐姆之間。接收器輸入電壓的允許范圍：一25 +25V。最大負載電容：2500PF。2、電平轉(zhuǎn)換RS-232是用正負電壓來表示邏輯狀態(tài)，與1vrL以高低電平表示邏輯狀態(tài)的規(guī)定不同。為了能夠同計算機接口或終端的1vrL器件連接，必須在EIA-RS-232與1vrL電路之間進行電平和邏輯關(guān)系的變換。實現(xiàn)變換的方法目前較為廣泛地使用集成電路轉(zhuǎn)換器件，如MC1488、SN75150芯片可完成1vrL電平到EIA電平的轉(zhuǎn)換，而MC1489、SN75 154可實現(xiàn)EIA電平到1vrL電平的轉(zhuǎn)換，MAX232芯片可完成1vrL一IA雙向電平轉(zhuǎn)換。MAX232芯片的轉(zhuǎn)換口，包含兩路驅(qū)動器和接收器的RS-232轉(zhuǎn)換芯片。芯片內(nèi)部有一個電壓轉(zhuǎn)換器，可以把輸入的+5V電壓轉(zhuǎn)換為RS-232接口所需的10V電壓，最大的好處是工作電壓為+5V，不需要額外電源。3.4 顯示模塊本系統(tǒng)中所需要顯示的內(nèi)容比較簡單，采用一般液晶顯示器即可滿足系統(tǒng)需求，綜合成本及效果考慮決定采用市場上使用廣泛的LCD1602液晶顯示模塊。如圖3-3所示。圖3-3 LCD1602液晶顯示模塊原理圖 1、特性：（1）工作電源：5V 亮度可調(diào)；（2）內(nèi)部控制：HD44780；（3）支持LCD的一般控制命令；（4）字符發(fā)生器ROM：160個57點陣字型；（5）顯示數(shù)據(jù)寄存RAM:80Byte；（6）用戶自定義字型RAM：8個57點陣字型；2、引腳說明VSSVDD: 工作電源和地；VEE: 輝度調(diào)節(jié)端；RS: 寄存器片選信號接口；R/W: 讀寫信號控制接口；E : 使能信號；D0D7: 8位數(shù)據(jù)I/O口。3、控制方式LCD內(nèi)部可看成兩組寄存器，指令寄存器與數(shù)據(jù)寄存器，選擇信號由RS引腳控制，RS=0，指向指令寄存器，此時的讀為讀標志位，寫則是寫入指令到控制寄存器。對LCD的一切操作都必須在內(nèi)部忙標志位為0的情況下有效。確認本次操作置E為1；RS=1,操作指向數(shù)據(jù)寄存器，讀寫的對象都是內(nèi)部RAM。在使用LCD之前應(yīng)對其先初始化，可從以下幾個方面入手：選定LCD的顯示功能；設(shè)定LCD顯示模式； 設(shè)定顯示字符的進入方式；清屏。3.5 報警模塊蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應(yīng)用于計算機、打印機、復印機、報警器、電子玩具、汽車電子設(shè)備、電話機、定時器等電子產(chǎn)品中作發(fā)聲器件。簡單易懂，還易用音樂作為其報警聲音，所以選擇用電磁式蜂鳴器作為本次設(shè)計的報警系統(tǒng)。如圖3-4所示。電磁式蜂鳴器工作原理：（1）電磁式蜂鳴器由振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振動膜片及外殼等組成。（2）接通電源后，振蕩器產(chǎn)生的音頻信號電流通過電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場。振動膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期性的振動發(fā)聲。圖3-4 蜂鳴器報警電路 4. 系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計 早期對蔬菜大棚內(nèi)溫濕度的監(jiān)控是采用手工控制的，通過長期的經(jīng)驗積累，對蔬菜大棚內(nèi)農(nóng)作物的生長狀況的記錄等形成的依據(jù)，直接對大棚的溫濕度進行調(diào)節(jié)以使給大棚里的作物一個適宜生長的環(huán)境。而基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)的蔬菜大棚監(jiān)控系統(tǒng)可以節(jié)省一定的人力資源，將收集到的數(shù)據(jù)和系統(tǒng)設(shè)置的上下限進行對比，將準確的進行報警，通知相關(guān)人員進行處理。相比于人工管理階段，本系統(tǒng)一定程度上提高了生產(chǎn)效率。4.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計4.1.1 Zigbee節(jié)點硬件設(shè)計ZigBee節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)如圖4-1示，主要由CC2430射頻芯片和傳感器構(gòu)成。 圖4-1 ZigBee節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)CC2430芯片整合了高性能2.4 GHz DSSS（直接序列擴頻）射頻收發(fā)器內(nèi)核和工業(yè)標準的增強型8051 MCU，還包括了8 KB的SDRAM、128 KB的Flash，是一種片上系統(tǒng)（SOC）解決方案。將相應(yīng)的傳感器與CC2430的IO引腳連接，可測得所需的溫室環(huán)境參數(shù)，并通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)進行傳輸。本文總體硬件設(shè)計是實現(xiàn)針對主協(xié)調(diào)器節(jié)點的設(shè)計與開發(fā)。主協(xié)調(diào)器的硬件系統(tǒng)中包括CC2430通信模塊、鍵盤電路模塊、串口轉(zhuǎn)USB模塊、液晶顯示模和電源電路模塊等。主協(xié)調(diào)器節(jié)點的主要功能是負責接收和存儲傳感器節(jié)點發(fā)送來的消息，并向傳感器節(jié)點發(fā)布網(wǎng)絡(luò)控制信息，同時與Pc機進行數(shù)據(jù)交換。其中串口轉(zhuǎn)USB模塊負責轉(zhuǎn)換CC2430模塊與PC機的通信信號；液晶顯示模塊負責節(jié)點工作狀態(tài)的指示；電源模塊通常采用持續(xù)電力供電，為主協(xié)調(diào)器節(jié)點提供運行所需的能量。根據(jù)氣象采集系統(tǒng)的需求設(shè)計硬件結(jié)構(gòu)，并設(shè)計各部分電路，包括無線傳輸模塊、CC2430接口模塊、復位電路模塊、電源電路模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、擴展電路模塊及外圍電路。如圖4-2所示為主協(xié)調(diào)器節(jié)點硬件組成圖。LCD模塊通用接口CC2430天線鍵盤電路A/D轉(zhuǎn)換復位電路8051MCU存儲器串口轉(zhuǎn)USB電源管理PC 圖4-2 主協(xié)調(diào)器節(jié)點硬件組成圖4.1.2 傳感器節(jié)點硬件設(shè)計傳感器節(jié)點是由無線收發(fā)器CC2430、射頻天線RF、電源模塊、晶振電路和串口電路組成。由于CC2430芯片本身帶有溫度傳感器，因而本實驗直接采用了CC2430的內(nèi)置溫度傳感器監(jiān)測溫度。但是該溫度傳感器的精度有限，如果要求更高的精度，可以擴展出一個溫濕度傳感器，如SHT10。傳感器終端設(shè)備由RF收發(fā)模塊、傳感器模塊和執(zhí)行器驅(qū)動模塊組成。其中執(zhí)行器驅(qū)動模塊主要是由繼電器電路組成，而傳感器模塊由數(shù)字溫度傳感器DS18B20、數(shù)字濕度傳感器SHT21、微型數(shù)字二氧化碳傳感器S-100及TSL230B光照強度頻率傳感芯片組成，而RF收發(fā)模塊使用的是TI公司提供的CC2430無線收發(fā)模塊，具體電路原理如圖4-3所示。圖4-3 基于CC2430芯片的RF收發(fā)模塊電路圖下面對每個部分的功能和指標進行詳細介紹：(1)信息收集終端：即協(xié)調(diào)器，放置于監(jiān)控室， 完成網(wǎng)絡(luò)的建立與維護，和節(jié)點之間綁定的建立，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的匯總，然后以有線的方式傳送到上位機軟件，進行進一步數(shù)據(jù)處理。本設(shè)計采用RS-232串口將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機。(2)溫度采集終端：即節(jié)點，放置在需要采集溫度的地方。溫度采集終端可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的加入、與協(xié)調(diào)器綁定的建立、溫度的檢測。檢測到的溫度通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到協(xié)調(diào)器。(3)上位機：位于監(jiān)控室，完成對所采集溫度的匯總與顯示。采集到的數(shù)據(jù)實時保存到文檔中，同時以折線圖的形式實時反映出溫度的變化趨勢，使其更為直觀。4.1.3 溫濕度數(shù)據(jù)采集節(jié)點設(shè)計數(shù)據(jù)采集節(jié)點按功能模塊劃分可分為：無線通信模塊和溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊。（1）無線通信模塊CC2430是一塊符合IEEE802.15.4標準的片上Zigbee芯片。它的無線通信模塊的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)采集節(jié)點之間是采用點對點的通信方式。其數(shù)據(jù)采集的流程圖如圖4-4所示：圖4-4 數(shù)據(jù)采集節(jié)點流程圖在系統(tǒng)啟動，數(shù)據(jù)采集節(jié)點開啟后，并完成初始化工作后，節(jié)點將開始搜索其無線范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)信息。由于Zibgee網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的節(jié)點具有路由轉(zhuǎn)發(fā)的功能，所以節(jié)點之間也可以互發(fā)數(shù)據(jù)，直至將源數(shù)據(jù)發(fā)送到最終的基站節(jié)點。(2) 溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊溫濕度采集模塊式采用溫濕度傳感器SHT10。SHT10是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器，采用CMOSens專利技術(shù)將溫度濕度傳感器、A/D轉(zhuǎn)換器及數(shù)字接口無縫結(jié)合。SHT10與CC2430連接電路原理圖如圖4-5所示：圖4-5 CC2430與SHT10連接電路原理圖該傳感器由1個能隙式測溫元件、1個電容式聚合體測濕元件、1個14位A/D轉(zhuǎn)換器和1個2-wire數(shù)字接口組成，使得該產(chǎn)品具有體積小、精度高、功耗低、反應(yīng)快、抗干擾能力強等優(yōu)點。而且SHT10 數(shù)字式傳感器具有類似I2C總線數(shù)字接口的通信方式與CRC數(shù)據(jù)傳輸校驗。數(shù)據(jù)采集節(jié)點在上電后，經(jīng)過11ms后，SHT10會從休眠狀態(tài)恢復到等待狀態(tài)；接著發(fā)送一組“傳輸啟動”時序進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟ぷ?然后發(fā)送一組測量命令（其中相對濕度RH量的時序命令為“0000 0101”，攝氏溫度T量的時序命令為“0000 0011”）開始測量周圍的溫濕度量，等待測量結(jié)束（大約需要20/80/320ms對應(yīng)其8/12/14位的時間）；最后SHT10將下拉DATA到低電平（進入空閑模式）表示測量結(jié)束了，并傳入一個字節(jié)的CRC校驗并開始接收數(shù)據(jù)。圖4-5為溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊流程圖。 圖4-6 溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊流程圖 其中產(chǎn)生啟動傳輸時序的程序片段如下：/相關(guān)其他的代碼P1_1=1；P1_0=1；wait(1)；P1_1=0；wait(1)；P1_0=0；wait(1)；P1_0=1；wait(1)；P1_1=1；wait(1)；P1_0=0；/其他相關(guān)代碼4.1.4 基站節(jié)點的設(shè)計1. ZigBee技術(shù)概述ZigBee是一種新型的短距離、低成本、低功耗、低數(shù)據(jù)速率和低復雜度的無線通信技術(shù)。ZigBee的名字來源于蜂群使用的賴以生存和發(fā)展的通信方式，蜜蜂通過跳ZigZag形狀的舞蹈來分享新發(fā)現(xiàn)的食物源的位置、距離和方向等信息。借此來寓意ZigBee的特點。ZigBee是一種新興的短距離、低速率的無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。它有自己的協(xié)議標準，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量，以接力的方式通過無線電波將數(shù)據(jù)從 一個傳感器傳到另一個傳感器，所以通信效率非常高。IEEE于2000年12月成立了802.15.4小組，負責制定了介質(zhì)接入控制層(MAC)和物理層(PHY)規(guī)范，于2003年5月通過IEEE802.15.4標準，這是ZigBee技術(shù)的基礎(chǔ)標準，被稱作為IEEE802.15.4(ZigBee)技術(shù)標準。ZigBee 聯(lián)盟成立于2002年8月，由英國Invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉(現(xiàn)Freescale)公司以及荷蘭飛利浦半導體公司組成。四大巨頭共同宣布加盟ZigBee聯(lián)盟，負責提供網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的框架設(shè)計，并研發(fā)名為ZigBee的下一代無線通信標準。ZigBee技術(shù)符合行業(yè)標準，它提供互操作性，從而使不同廠商之間的設(shè)備能夠相互進行通信，并為系統(tǒng)集成商和客戶提供靈活的購買選擇，還可以降低原始設(shè)備廠商(OEM)的成本。目前世界大型IT 公 司不斷推出自己的ZigBee解決方案，比較著名的有Freescale公司、Microchip公司、Chipcon公司（現(xiàn)在TI的子公司）等。美國和歐洲引領(lǐng)了ZigBee技術(shù)的發(fā)展前沿，韓國、日本也紛紛研制出ZigBee 的相關(guān)開發(fā)套件和解決方案。國內(nèi)也有很多著名的研究所和知名院校也加入到該領(lǐng)域的研究工作中來，其中寧波研究所己經(jīng)研制出2.4GHz的ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，一些公司和研究機構(gòu)也紛紛推出自己的ZigBee開發(fā)套件，可以預(yù)計，在未來的幾年里，ZigBee 技術(shù)將是通信領(lǐng)域研究和開發(fā)的熱點技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景。2. ZigBee技術(shù)可以彌補其它短距離無線通信技術(shù)的缺陷，它具有以下的優(yōu)點：(1)數(shù)據(jù)傳輸速率低。ZigBee技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸速率，一般在10kb/s250kb/s，非常適合于于低傳輸速率應(yīng)用。(2)功耗低。由于工作周期很短，收發(fā)信息功耗較低，并且采用了休眠模式，因此在通常情況下，兩節(jié)普通5號干電池支持節(jié)點工作長達6個月到2年左右的時間，從而避免充電和頻繁更換電池。這是ZigBee技術(shù)最引以為豪的獨特優(yōu)勢。(3)協(xié)議簡單。(4)低成本。由于ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單和較小的存儲空間，所以大大降低了成本。每片芯片的價格一般在23 美元，并且ZigBee協(xié)議是免專利費的。(5)網(wǎng)絡(luò)容量大。一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以容納最多254個從設(shè)備和一個主設(shè)備，一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在最多100 個ZigBee網(wǎng)絡(luò)。(6)工作頻段靈活。ZigBee使用的頻段分別為2.4GHz、868MHz（歐洲）、915MHz（美國），均為免執(zhí)照頻段，這樣也降低了成本。(7)傳輸可靠性高。ZigBee采用了CSMA-CA碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。MAC層采用完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息，才可以發(fā)送下一個數(shù)據(jù)包，這樣有效的保證了傳輸數(shù)據(jù)的可靠性。(8)安全性高。ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用AES-128，同時各個應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。(9)時延短。針對時延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短。設(shè)備搜索時延典型值為30ms，休眠激活時延典型值是15ms，活動設(shè)備信道接入時延為15ms，這對某些時間敏感的信息至關(guān)重要，而且時延縮短后節(jié)省了能量消耗。(10)網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強。ZigBee的自組織功能指無需人工干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能夠感知其他節(jié)點的存在，并確定連接關(guān)系，組成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)；ZigBee自愈功能指能夠增加、刪除一個節(jié)點，節(jié)點位置發(fā)生變動或節(jié)點發(fā)生故障時，網(wǎng)絡(luò)都能夠自我修復，并對網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)進行相應(yīng)地調(diào)整，無需人工干預(yù)，保證整個系統(tǒng)仍然能正常工作；ZigBee技術(shù)的傳輸速率雖然只有250kbps，但完全可以滿足傳輸撓度數(shù)據(jù)的需求。ZigBee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備相對于其它短距離無線通信技術(shù)來說是最多的，傳輸距離較遠并且費用、功耗最低，因此將ZigBee無線通信技術(shù)應(yīng)用于組建橋梁撓度無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。3. ZigBee網(wǎng)絡(luò)配置（1） ZigBee設(shè)備功能類型ZigBee網(wǎng)絡(luò)的基本成員即“設(shè)備”，按照功能的不同可分為兩類：全功能設(shè)備FFD(Full Function Device)和精簡功能設(shè)備RFD(Reduced Funetion Deviee)。全功能設(shè)備(FFD)是具有轉(zhuǎn)發(fā)與路由能力的節(jié)點。它擁有足夠的存儲空間來存放路由信息，其處理控制能力也相對較強。FFD可作為協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備，支持任何拓撲結(jié)構(gòu)。精簡功能設(shè)備(RFD)只能接收和發(fā)送信號，其內(nèi)存小、功耗低、功能簡潔，在網(wǎng)絡(luò)中只能作為終端設(shè)備使用。FFD可以和FFD、RFD通信；而RFD只能和FFD通信，RFD 之間的通信只能通過FFD轉(zhuǎn)發(fā)。FFD不僅可以發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，還具備路由器的功能。RFD的應(yīng)用相對簡單，例如在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，它們只負責將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給其父節(jié)點，并不具備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、路由發(fā)現(xiàn)和路由維護等功能。就成本而言，RFD由于功能簡單、存儲容量小，因此RFD相對于FFD具有較低的成本。（2）ZigBee設(shè)備節(jié)點類型ZigBee網(wǎng)絡(luò)中根據(jù)設(shè)備所處的角色不同定義了三種邏輯設(shè)備類型：協(xié)調(diào)器 (Coordinator)、路由器(Router)和終端設(shè)備(End Device)。a、ZigBee 協(xié)調(diào)器是三類設(shè)備中最為復雜的一種。它的存儲容量最大、計算能力最強，因此必須是全功能設(shè)備FFD，并且一個ZigBee 網(wǎng)絡(luò)PAN(Personal Area Network)中也只能存在一個協(xié)調(diào)器。ZigBee 協(xié)調(diào)器在運行之前需要配置相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和設(shè)備參數(shù)，供后面使用。上電后ZigBee協(xié)調(diào)器進行初始化，首先掃描信道，選擇合適的信道，然后建立起自己的網(wǎng)絡(luò)，允許其它設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)。工作狀態(tài)下，ZigBee協(xié)調(diào)器不但要發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而且還需要管理網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的加入和離開，建立不同設(shè)備之間的相關(guān)綁定信息，并處理各種設(shè)備和服務(wù)查詢請求。b、ZigBee路由器也是一個全功能設(shè)備FFD。它類似于IEEE802.15.4 定義的協(xié)調(diào)器。ZigBee路由器上電后，應(yīng)當加入或重新加入網(wǎng)絡(luò)。如果是加入新網(wǎng)絡(luò)，它需要掃描信道，選擇合適的網(wǎng)絡(luò)加入；如果是重新加入網(wǎng)絡(luò)，它需要掃描信道查找父設(shè)備。在加入網(wǎng)絡(luò)后它就自動獲得一個16位網(wǎng)絡(luò)地址，并允許在其通信范圍內(nèi)的其它節(jié)點加入或離開網(wǎng)絡(luò)，同時還具有路由和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的功能，路由節(jié)點只有在簇樹網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中存在。c、ZigBee終端設(shè)備可以由簡化功能設(shè)備RFD或者全功能設(shè)備FFD構(gòu)成。其主要負責與實際的監(jiān)控對象相連，這種設(shè)備只與自己的父節(jié)點主動通信，并從父節(jié)點處獲得網(wǎng)絡(luò)標識和短地址信息，具體的信息路由則全部由其父節(jié)點及網(wǎng)絡(luò)中具有路由功能的協(xié)調(diào)器和路由節(jié)點完成。4、ZigBee的工作模式ZigBee網(wǎng)絡(luò)的工作模式可以分為信標(Beacon)模式和非信標(Non-beacon)模式兩種。信標模式可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中所有設(shè)備的同步工作和同步休眠，以達到最大限度地節(jié)省功耗，而非信標模式只允許ZE進行周期性休眠，協(xié)調(diào)器和所有路由器設(shè)備長期處于工作狀態(tài)。5、IEEE802.15.4標準和Zigbee協(xié)議介紹IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers美國電氣和電子工程師協(xié)會)無線個人區(qū)域網(wǎng)工作組的IEEE802.15.4技術(shù)標準是Zigbee的技術(shù)基礎(chǔ)。IEEE802.15.4標準的制定是為低能耗的簡單設(shè)備提供有效覆蓋范圍在10m之內(nèi)的低速連接，用于無線監(jiān)測、工業(yè)控制等消費與商用應(yīng)用領(lǐng)域。IEEE802.15.4支持兩種的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，即單跳星狀或當通信線路超過10 m時的多跳對等拓撲。但是對等拓撲的邏輯結(jié)構(gòu)由網(wǎng)絡(luò)層定義。LR-WPAN中的器件既可以使用64位IEEE地址，也可以使用在關(guān)聯(lián)過程中指配的16位短地址。一個IEEE802.15.4網(wǎng)最多可以容納216個器件。IEEE802.15.4標準最重要的特點是低功耗。因為在現(xiàn)實中用電池供電的嵌入式器件，經(jīng)常的更換電池所產(chǎn)生的費用往往比器件本身的成本還要高。所以在IEEE802.15.4標準的制定中，在數(shù)據(jù)傳輸過程中引入了節(jié)省功率的機制。多數(shù)機制是基于信標使能的方式，主要是限制器件或協(xié)調(diào)器之