基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的設計24

1、物聯(lián)網(wǎng)綜合應用實踐課程設計題目:基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的設計院（系）:計算機與通信學院專業(yè)年級:11級物聯(lián)網(wǎng)1班姓名:郭盛功學號:112801012指導教師:馬維俊摘要 . 31緒論. 41.1農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術 . 51.1.1農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生背景 . 51.2物聯(lián)網(wǎng)技術在農(nóng)業(yè)種植環(huán)境中的應用 . 51.2.1物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)農(nóng)業(yè)種植環(huán)境的智能化管理 . 51.2.2物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品質量安全有效監(jiān)管 . 62基本原理. 62.1硬件方面. 72.1.1 芯片SHT10介紹 . 72.1.2 CC2530 介紹 . 82.2軟件方面 . 122.2.1 ZigBee 技術. 122.2.2 Zi

2、gBee 特點 . 132.2.3 ZigBee 協(xié)議棧結構 . 152.2.4無線傳感器網(wǎng)絡 . 193農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)種植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計 . 213.1農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)種植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)關鍵技術 . 213.2農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)種植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)建構 . 213.3農(nóng)業(yè)種植監(jiān)控系統(tǒng)構建 . 223.3.1系統(tǒng)硬件構建 . 223.3.2系統(tǒng)軟件構建 . 233.3 3 編碼 . 25四總結 . 26五參考文獻 . 27六致信 . 28基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)設計摘要智慧農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高級階段，是集新興的互聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)、云計算和 物聯(lián)網(wǎng)技術為一體，依托部署在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的各種傳感節(jié)點（環(huán)境溫濕度、土 壤水分、

3、二氧化碳、圖像等）和無線通信網(wǎng)絡實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的智能感知、智 能預警、智能決策、智能分析、專家在線指導，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供精準化種植、可 視化管理、智能化決策?；赯igbee技術的智慧農(nóng)業(yè)解決方案，成本低廉，是一般人都能負擔的價格； 控制更簡單，讓每一位剛接觸的人都能輕松使用；功耗更低、組網(wǎng)更方便、網(wǎng)絡 更健壯，給您帶來高科技的全新感受。您的溫室大棚規(guī)模越大，基于Zigbee技術的智慧農(nóng)業(yè)解決方案在使用中，要準確及時地操控所有設備，最值得關注的應 該就是網(wǎng)絡信號的穩(wěn)定性。鑒于溫室大棚的網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域比較廣泛，我們貼心為 您呈現(xiàn)物聯(lián)無線組網(wǎng)！智慧農(nóng)業(yè)能有效連接物聯(lián)In ternet通信網(wǎng)關和超出物

4、聯(lián)In ternet通信網(wǎng)關有效控制區(qū)域的其它 Zigbee網(wǎng)絡設備，實現(xiàn)中繼組網(wǎng)，擴大 覆蓋區(qū)域，并傳輸網(wǎng)關的控制命令到相關網(wǎng)絡設備，達到預期傳輸和控制的效果。 基于先進的Zigbee技術，物聯(lián)無線中繼器無需接入網(wǎng)線，就可自行中繼組網(wǎng)， 擴散網(wǎng)絡信號，讓您的網(wǎng)絡靈活順暢運行，保障您的所有設備正常運行。主要采 集溫濕度，從而控制農(nóng)植物的水分和光照。關鍵詞：Zigbee，CC253Q智慧農(nóng)業(yè)，云計算，物聯(lián)網(wǎng)1緒論農(nóng)業(yè)是關系著國計民生的基礎產(chǎn)業(yè)，我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)在向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展中面臨 著確保農(nóng)產(chǎn)品總量、調(diào)整農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結構、改善農(nóng)產(chǎn)品品質和質量，改善生產(chǎn)效益 低下、資源嚴重不足且利用率低、環(huán)境污染等問題而

5、不能適應農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的需 要。因此，關于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術的研究勢在必行。物聯(lián)網(wǎng)是以感知為目的的，實 現(xiàn)人與人、人與物、物與物全面互聯(lián)的網(wǎng)絡。物聯(lián)網(wǎng)可以很好地應用到諸多領域， 農(nóng)業(yè)即是其中之一。文章在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的背景下，設計了農(nóng)業(yè)中最為關鍵的種植環(huán)境智能化檢測 系統(tǒng)，一方面對其中的關鍵技術種植檢測硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)進行設計，主要包括農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)管系列傳感器，無線傳感器網(wǎng)絡通過模塊采集溫濕度光照登信 息，經(jīng)由無線收發(fā)模塊傳輸數(shù)據(jù)，通過后臺管理實現(xiàn)對環(huán)境信息的遠程控制， 隨 時進行調(diào)整和處理，實現(xiàn)對環(huán)境信息的遠程控制。另一方面是設計了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng) 下種植環(huán)境監(jiān)控平臺。文章旨在設計出基于物聯(lián)網(wǎng)技術的農(nóng)業(yè)種

6、植環(huán)境監(jiān)控系 統(tǒng)，能夠極推進高現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的自動化、智能化水平，降低資源占有率，提高農(nóng)產(chǎn) 品的生產(chǎn)效率及產(chǎn)品的質量。1.1農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術1.1.1農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生背景農(nóng)業(yè)信息技術是我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技的重要容，大力推進“信息化與農(nóng)業(yè)現(xiàn)代 化融合”是我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展方向?！稗r(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)”即利用物聯(lián)網(wǎng)技術，即通過 相應的智能傳感器設備實時監(jiān)控農(nóng)業(yè)種植環(huán)境，并將各個相應的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采 集設備，經(jīng)過無線網(wǎng)絡系統(tǒng)傳送到信息控制中心，進而對農(nóng)業(yè)種植環(huán)境進行調(diào)節(jié)， 智能控制農(nóng)作物健康生長所需環(huán)境如溫度、濕度以及光照、土壤溫度、含水量， 及時灌溉系統(tǒng)。實現(xiàn)農(nóng)業(yè)種植綜合生態(tài)信息的自動檢測，對環(huán)境進行自動監(jiān)控。1.2物聯(lián)網(wǎng)

7、技術在農(nóng)業(yè)種植環(huán)境中的應用1.2.1物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)農(nóng)業(yè)種植環(huán)境的智能化管理通過在農(nóng)業(yè)種植系統(tǒng)中安裝相應的只能控制系統(tǒng)， 實現(xiàn)對整農(nóng)作物種植環(huán)境 中各個參數(shù)的實時監(jiān)控，及時掌握農(nóng)作物生長環(huán)境的一些參數(shù)， 并根據(jù)參數(shù)變化 適時調(diào)控來掌控農(nóng)作物最佳的生長環(huán)境，將生物信息獲取方法應用于無線傳感器 節(jié)點，為溫室精準調(diào)控提供科學依據(jù)1.2.2物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品質量安全有效監(jiān)管農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術能夠通過廣泛采用電子標識、條形碼、傳感器網(wǎng)絡、物聯(lián)網(wǎng) 中間件和網(wǎng)絡平臺技術等關鍵技術，實現(xiàn)產(chǎn)品從生產(chǎn)、儲運、交易信息的透明化 和實時監(jiān)控，從而實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品從農(nóng)田到餐桌的全程可管可控， 農(nóng)產(chǎn)品質量安全有 效地監(jiān)管。2基本原

8、理本實驗將使用CC2530賣取溫濕度傳感器SHT10的溫度和濕度數(shù)據(jù)，并通過CC2530部的ADC得到光照傳感器的數(shù)據(jù)。最后將采樣到的數(shù)據(jù)轉換然后在LCD上顯示。其中對溫濕度的讀取是利用 CC2530的I/O （ P1.0和P1.1）模擬一個類 IIC的過程。對光照的采集使用部的 AIN0通道。2.1硬件方面2.1.1芯片SHT10介紹SHT10是一款高度集成的溫濕度傳感器芯片，提供全標定的數(shù)字輸出。它采用專利的CMOSe n技術，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。 傳感器包括一個電容性聚合體測濕敏感元件、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轉換器以及串行

9、接口電路實現(xiàn)無縫連接。SHT10弓I腳特性如下：1. VDD GNDSHT10的供電電壓為2.45.5V。傳感器上電后，要等待11ms 以越過“休眠”狀態(tài)。在此期間無需發(fā)送任何指令。電源引腳（ VDD GND之間 可增加一個100nF的電容，用以去耦濾波。2. SCK用于微處理器與SHT10之間的通訊同步。由于接口包含了完全靜態(tài) 邏輯，因而不存在最小SCK頻率。3. DATA三態(tài)門用于數(shù)據(jù)的讀取。DATA在 SCK時鐘下降沿之后改變狀態(tài)， 并僅在SCK時鐘上升沿有效。數(shù)據(jù)傳輸期間，在 SCK時鐘高電平時，DATA必 須保持穩(wěn)定。為避免信號沖突，微處理器應驅動DATA在低電平。需要一個外部 的上

10、拉電阻（例如：10kQ）將信號提拉至高電平。上拉電阻通常已包含在微處 理器的I/O 電路中。向SHT10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翻轉為高電平。后續(xù)命令包含三個地址位（目前只支持“ 000”， 和五個命令位。SHT10會以下述方）式表示已正確地接收到指令：在第8個SCK 時鐘的下降沿之后，將DATA拉為低電平（ACI位）。在第9個SCK時鐘的下 降沿之后，釋放DATA（恢復高電平）。測量時序（RH和T）:發(fā)布一組測量命令（ 00000101 表示相對濕

11、度 RH, 00000011表示溫度T ）后，控制器要等待測量結束。這個過程需要大約11/55/210ms，分別對應8/12/14bit 測量。確切的時間隨部晶振速度，最多有1 5滋化。SHTxx通過下 拉DATA至低電平并進入空閑模式，表示測量的結束。控制器在再次觸發(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。需要通過下拉DATA為低電平，uC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

12、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。在測量和通訊結束后，SHTxx 自動轉入休眠模式。通訊復位時序：如果與SHTxx通訊中斷，下列信號時序可以復位串口：當 DATA保持高電平時，觸發(fā)SCK時鐘9次或更多。在下一次指令前，發(fā)送一個“傳輸啟動”時序。這些時序只復位串口，狀態(tài)寄存器容仍然保留。2.1.2 CC2530 介紹CC2530 是基于 2.4-GHz IEEE802.15.4、ZigBee 和 RF4CE上的一個片上系統(tǒng)解決方案。其特點是以極低的總材料成本建立較

13、為強大的網(wǎng)絡節(jié)點。CC2530芯 片結合了 RF收發(fā)器，增強型8051 CPU,系統(tǒng)可編程閃存，8-KB RAM和許多其他模塊的強大的功能。如今CC2530主要有四種不同的閃存版本：CC2530F32/64/128/256，分別具有 32/64/128/256KB 的閃存。其具有多種運行 模式，使得它能滿足超低功耗系統(tǒng)的要求。同時 CC2530運行模式之間的轉換時 間很短，使其進一步降低能源消耗。CC2530包括了 1個高性能的2.4 GHz DSSS （直接序列擴頻）射頻收發(fā)器核 心和1個8051控制器，它具有32/64/128 kB可選擇的編程閃存和8 kB的RAM 還包括ADC定時器、睡

14、眠模式定時器、上電復位電路、掉電檢測電路和21個可編程I/O引腳，這樣很容易實現(xiàn)通信模塊的小型化。CC2530是一款功耗相當?shù)偷膯纹瑱C，功耗模式3下電流消耗僅0.2卩A,在32 k晶體時鐘下運行，電流 消耗小于1卩AoCC2530芯片使用直接正交上變頻發(fā)送數(shù)據(jù)。基帶信號的同相分量和正交分 量由DAC轉換成模擬信號，經(jīng)過低通濾波，變頻到所設定的信道上。當需要發(fā)送 數(shù)據(jù)時，先將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入 128B的發(fā)送緩存中，是通過硬件產(chǎn)生的。最后 經(jīng)過低通濾波器和上變頻的混頻后，將射頻信號被調(diào)制到2.4GHz,后經(jīng)天線發(fā)送出去。CC2530有兩個端口分別為TX/RX RF端口不需要外部的收發(fā)開關，芯 片部

15、已集成了收發(fā)開關。CC2530勺存儲器ST-M25PE16是 4線的SPI通信模式的FLASH可以整塊擦 除，最大可以存儲2M個字節(jié)。工作電壓為2.7v到3.6v。CC2530溫度傳感器模塊反向F型天線采用TI公司公布的2.4GHz倒F型天 線設計。天線的最大增益為+ 3.3dB，天線面積為25.7 7.5mm該天線完全能夠滿足CC2530工作頻段的要求（CC253C工作頻段為2.400GHz2.480GHz）oTdno 呂GNDGNDGNDGXID?1_5P1_4P1_3P1_2P1_1DVDD2j 5jfi10J 11 fl i !I! 11 L- U L U U LJ U n3& 37

16、3fi 3S 34121314151 17門c n門門nI II I JI I J IRBlAS対二AVDD41112AVDD1112TZZAVOD2112印二RF_N11曲；RF F11觀二AVUD311少二XOSC_Q2i2P：二XO5C_Q1ns idAVOD5ST H門門i 1111.CC2530芯片引腳DCOUPL 40電源（數(shù)字）1.8V數(shù)字電源去耦。不使用外部電路供應。DVDD1 39電源（數(shù)字）2-V - 3.6-V 數(shù)字電源連接CC2530芯片引腳功能DVDD2 10電源（數(shù)字）2-V - 3.6-V 數(shù)字電源連接（模擬）2-V - 3.6-V模擬電源連接（模擬）2-V -

17、3.6-V模擬電源連接（模擬）2-V - 3.6-V模擬電源連接（模擬）2-V - 3.6-V模擬電源連接（模擬）2-V - 3.6-V模擬電源連接（模擬）2-V - 3.6-V模擬電源連接AVDD1 28 電源AVDD2 27 電源AVDD3 24 電源AVDD4 29 電源AVDD5 21 電源AVDD6 31 電源GND Ground PadGND驅動能力驅動能力P1_1 9數(shù)字I/O端口1.1-20-mAP1_2 8數(shù)字I/O端口1.2P1_3 7數(shù)字I/O端口1.3P1_4 6數(shù)字I/O端口1.4P1 5 5數(shù)字I/O端口1.5GND -接地 接地襯墊必須連接到一個堅固的接地面GND

18、 1 2, 3, 4未使用的連接到P0_0 19 數(shù)字 I/O 端口 0.0P0_1 18 數(shù)字 I/O 端口 0.1P0_2 17 數(shù)字 I/O 端口 0.2P0_3 16 數(shù)字 I/O 端口 0.3P0_4 15 數(shù)字 I/O 端口 0.4P0_5 14 數(shù)字 I/O 端口 0.5P0_6 13 數(shù)字 I/O 端口 0.6P0_7 12 數(shù)字 I/O 端口 0.7P1_0 11 數(shù)字 I/O 端口 1.0-20-mP1_6 38 數(shù)字 I/O 端口 1.6P1_7 37 數(shù)字 I/O 端口 1.7P2_0 36 數(shù)字 I/O 端口 2.0P2 1 35 數(shù)字 I/O 端口 2.1P2 2

19、34 數(shù)字 I/O 端口 2.2P2_3 33 數(shù)字 I/O 模擬端口 2.3/32.768 kHz XOSCP2_4 32 數(shù)字 I/O 模擬端口 2.4/32.768 kHz XOSCRBIAS 30模擬I/O參考電流的外部精密偏置電阻RESET_N 20數(shù)字輸入復位，活動到低電平RF_N 26 RF I/O RX 期間負RF輸入信號到LNARF_P 25 RF I/O RX 期間正RF輸入信號到LNAXOSC_Q1 22模擬I/O 32-MHz晶振引腳1或外部時鐘輸入XOSC_Q2 23模擬 I/O 32-MHz 晶振引腳 22.2軟件方面2.2.1 ZigBee 技術蜜蜂在發(fā)現(xiàn)花叢后會

20、通過一種特殊的肢體語言來告知同伴新發(fā)現(xiàn)的食物源 位置等信息，這種肢體語言就是 ZigZag行舞蹈，是蜜蜂之間一種簡單傳達信息 的方式。借此意義 Zigbee作為新一代無線通訊技術的命名。在此之前ZigBee也被稱為“ HomeREite ”、“RF- EasyLink”或“fireFly ”無線電技術，統(tǒng)稱為 ZigBee。簡單的說，ZigBee是一種高可靠的無線數(shù)傳網(wǎng)絡，類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡。ZigBee數(shù)傳模塊類似于移動網(wǎng)絡基站。通訊距離從標準的75m到幾百米、幾公里，并且支持無限擴展。ZigBee是一個由可多到65000個無線數(shù)傳模塊組成的一個無線數(shù)傳網(wǎng)絡平臺， 在整個網(wǎng)絡圍，每一

21、個ZigBee網(wǎng)絡數(shù)傳模塊之間可以相互通信，每個網(wǎng)絡節(jié)點 間的距離可以從標準的75m無限擴展。與移動通信的CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)不同的是，ZigBee網(wǎng)絡主要是為工業(yè)現(xiàn)場自 動化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立，因而，它必須具有簡單，使用方便，工作可靠，價格低的特點。而移動通信網(wǎng)主要是為語音通信而建立，每個基站價值一般都在百萬元人民幣以上，而每個 ZigBee “基站”卻不到1000元人民幣。每個ZigBee網(wǎng) 絡節(jié)點不僅本身可以作為監(jiān)控對象，例如其所連接的傳感器直接進行數(shù)據(jù)采集和 監(jiān)控，還可以自動中轉別的網(wǎng)絡節(jié)點傳過來的數(shù)據(jù)資料。除此之外，每一個 ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點(FFD)還可在自己信號覆蓋的圍，和多個

22、不承擔網(wǎng)絡信息中轉任 務的孤立的子節(jié)點(RFD)無線連接。ZigBee技術是一種具有統(tǒng)一技術標準的短距離無線通信技術，其物理層和 數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議為IEEE 802.15.4協(xié)議標準，網(wǎng)絡層和安全層由 ZigBee聯(lián)盟制 定，應用層的開發(fā)應用根據(jù)用戶的應用需要， 對其進行開發(fā)利用，因此該技術能 夠為用戶提供機動、靈活的組網(wǎng)方式。根據(jù)IEEE 802.15.4協(xié)議標準，ZigBee的工作頻段分為3個頻段，這3個 工作頻段相距較大，而且在各頻段上的信道數(shù)據(jù)不同，因而，在該項技術標準中， 各頻段上的調(diào)制方式和傳輸速率不同。它們分別為868MHz 915MHz和 2.4GHz,其中2.4GHz頻段上分為

23、16個信道，該頻段為全球通用的工業(yè)、科學、醫(yī)學(industrial ，scientific and medical，ISM)頻段，該頻段為免付費、免申請的無線 電頻段，在該頻段上，數(shù)據(jù)傳輸速率為250Kb/s；另外兩個頻段為915/868MHz 其相應的信道個數(shù)分別為10個和1個，傳輸速率分別為40Kb/s和ZOKs， 868MHzffi 915MHz無線電使用直接序列擴頻技術和二進制相移鍵控(BPSK調(diào)制技術。2.4GHz無線電使用DSSSffi偏移正交相移鍵控(O- QPSK。在組網(wǎng)性能上，ZigBee可以構造為星形網(wǎng)絡或者點對點對等網(wǎng)絡，在每一一 個ZigBee組成的無線網(wǎng)絡中，連接地

24、址碼分為16b短地址或者64b長地址，可容納的最大設各個數(shù)分別為216和264個，具有較大的網(wǎng)絡容量。在無線通信技術上，采用 CSMACA方式，有效地避免了無線電載波之間的 沖突，此外，為保證傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，建立了完整的應答通信協(xié)議。ZigBee設備為低功耗設各，其發(fā)射輸出為03.6dBm,通信距離為3070m 具有能量檢測和鏈路質量指示能力， 根據(jù)這些檢測結果，設各可以自動調(diào)整設各 的發(fā)射功率，在保證通信鏈路質量的條件下，最小地消耗設各能量。為保證ZigBee設備之間通信數(shù)據(jù)的安全性，ZigBee技術采用了密鑰長度為 128位的加 密算法，對所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進行加密處理。2.2.2 Zig

25、Bee 特點ZigBee技術則致力于提供一種廉價的固定、便攜或者移動設各使用的極低 復雜度、成本和功耗的低速率無線通信技術。這種無線通信技術具有如下特點：(1) 數(shù)據(jù)傳輸速率低只有10250Kb/ s，專注于低傳輸速率應用。無線傳感器網(wǎng)絡不傳輸語音、 視頻之類的大數(shù)據(jù)量的采集數(shù)據(jù)，僅僅傳輸一些采集到的溫度、濕度之類的簡單 數(shù)據(jù)。(2) 功耗低工作模式情況下，ZigBee技術傳輸速率低，傳輸數(shù)據(jù)量很小，因此信號的 收發(fā)時間很短，其次在非工作模式時，ZigBee節(jié)點處于休眠模式，耗電量僅僅只有1卩W。設各搜索時延一般為30ms,休眠激活時延為15ms活動設備信道接 人時延為15ms由于工作時間較短

26、、收發(fā)信息功耗較低且采用了休眠模式，使 得ZigBee設各非常省電，ZigBee節(jié)點的電池工作時間可以長達 6個月到2年左 右。同時，由于電池時間取決于很多因素，例如電池種類、容量和應用場合，ZigBee 技術在協(xié)議上對電池使用也作了優(yōu)化。對于典型應用，堿性電池可以使用數(shù)年， 對于某些工作時間和總時間(工作時間+休眠時間)之比小于 t %的情況，電池 的壽命甚至可以超過1年。(3) 數(shù)據(jù)傳輸可靠ZigBee的介質鏈路層(以MACg)采用CSMACA碰撞避免機制。在這種完 全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制下，當有數(shù)據(jù)傳送需求時則立刻傳送，發(fā)送的每個數(shù)據(jù)包 都必須等待接收方的確認信息，并進行確認信息回復，若沒

27、有得到確認信息的回 復就表示發(fā)生了碰撞，將再傳一次，采用這種方法可以提高系統(tǒng)信息傳輸?shù)目煽?性。同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務預留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的竟爭和沖突。同時ZigBee針對時延敏感的應用做了優(yōu)化，通信時延和休眠狀態(tài)激活 的時延都非常短。(4) 網(wǎng)絡容量大ZigBee的低速率、低功耗和短距離傳輸?shù)奶攸c使它非常適宜支持簡單器 件。ZigBee定義了兩種器件：全功能器件(FFD和簡化功能器件(RFD。網(wǎng)絡 協(xié)調(diào)器(coordinator )是一種全功能器件，而網(wǎng)絡節(jié)點通常為簡化功能器件。 如果通過網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器組建無線傳感器網(wǎng)絡，整個網(wǎng)絡最多可以支持超過65 000個ZigBee網(wǎng)絡節(jié)

28、點，再加上各個網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器可互相連接， 整個ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點 的數(shù)目將十分可觀。(5) 自動動態(tài)組網(wǎng)、自主路由無線傳感器網(wǎng)絡是動態(tài)變化的，無論是節(jié)點的能量耗盡，或者節(jié)點被敵人俘 獲，都能使節(jié)點退出網(wǎng)絡，而且網(wǎng)絡的使用者也希望能在需要的時候向已有的網(wǎng) 絡中加人新的傳感器節(jié)點。(6) 兼容性ZigBee技術與現(xiàn)有的控制網(wǎng)絡標準無縫集成。通過網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器自動建立網(wǎng) 絡，采用CSMA-C方式進行信道接入。為了可靠傳遞，還提供全握手協(xié)議。（7）安全性ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權功能，在數(shù)據(jù)傳輸中提供了三級安全 性。第一級實際是無安全方式，對于某種應用，如果安全并不重要或者上層已經(jīng) 提供足夠的安

29、全保護，器件就可以選擇這種方式來轉移數(shù)據(jù)。 對于第二級安全級 別，器件可以使用接人控制清單（ACL來防止非法器仵獲取數(shù)據(jù)。在這一級不采取加密措施。第三級安全級別在數(shù)據(jù)轉移中采用屬于高級加密 標準（AES的對稱密碼。AES可以用來保護數(shù)據(jù)凈荷和防止攻擊者冒充合法器 件。（8）實現(xiàn)成本低模塊的初始成本估計在6美元左右，很快就能降到1.52.5美元，且ZigBee 協(xié)議免專利費用。無線傳感器網(wǎng)絡中可以具有成千上萬的節(jié)點， 如果不能嚴格地 控制節(jié)點的成本，那么網(wǎng)絡的規(guī)模必將受到嚴重的制約，從而將嚴重地制約無線傳感器網(wǎng)絡的強大功能。2.2.3 ZigBee 協(xié)議棧結構ZigBee技術的協(xié)議棧結構很簡單，

30、不像諸如藍牙和其他網(wǎng)絡結構，這些網(wǎng) 絡結構通常分為7層，而ZigBee技術僅分為4層。在ZigBee技術中，PHY層和MAC層采用IEEE 802.15.4 協(xié)議標準，其中， PHY層提供了兩種類型的服務：即通過物理層管理實體接口對PHYS數(shù)據(jù)和PHY層管理提供服務。PHY數(shù)據(jù)服務可以通過無線物理信道發(fā)送和接收物理層協(xié)議 數(shù)據(jù)單元來實現(xiàn)。PHYS的特征是啟動和關閉無線收發(fā)器，能量監(jiān)測，鏈路質量，信道選擇， 清除信道評估，以及通過物理介質對數(shù)據(jù)包進行發(fā)送和接收。同樣，MACS也提供了兩種類型的服務：通過MACS管理實體服務接人點向 MACS數(shù)據(jù)和MACS管 理提供服務。MACS數(shù)據(jù)服務可以通過P

31、HYS數(shù)據(jù)服務發(fā)送和接收 MACS協(xié)議數(shù) 據(jù)單元。MACS的具體特征是：信標管理，信道接入，時隙管理，發(fā)送確認幀，發(fā)送 連接及斷開連接請求。除此以外，MACS為應用合適的安全機制提供一些方法。ZigBee技術的網(wǎng)絡/安全層主要用于 ZigBee的WPA的組網(wǎng)連接、數(shù)據(jù)管理以及網(wǎng)絡安全等；應用層主要為 ZigBee技術的實際應用提供一些應用框架模應用聘240Zi（Bei）n創(chuàng)3V 140APSDE-SAP射1APSDE-EAP駆04PDE-SAP應用支齢層APSME SAPNLDE-AP JNLME-SiAPZDOtSTfi菅理型等，以便對ZigBee技術進行開發(fā)應用倍息管理NL ME-SAPI

32、圖2 ZigBee協(xié)議棧結構圖1.物理層物理層由半雙工的無線收發(fā)器及其接口組成， 主要作用是激活和關閉射頻收 發(fā)器；檢測信道的能量；顯示收到數(shù)據(jù)包的鏈路質量；空閑信道評估；選擇信道 頻率；數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送。2.媒體訪問控制層媒體訪問控制（MAC層建立了一條節(jié)點和與其相鄰的節(jié)點之間可靠的數(shù)據(jù)傳輸鏈路，共享傳輸媒體，提高通信效率。在協(xié)調(diào)器的 MAC層，可以產(chǎn)生網(wǎng)絡信標，同步網(wǎng)絡信標；支持ZigBee設備的關聯(lián)和取消關聯(lián)；支持設備加密；在信MLDE-SAPMLME-HAP仆質訴阿檯制忌NLME需道訪問方面，采用CSMA/C信道退避算法，減少了碰撞概率；確保時隙分配(GTS；支持信標使能和非信標使能兩

33、種數(shù)據(jù)傳輸模式，為兩個對等的MAC實體提供可靠連接。3.網(wǎng)絡層網(wǎng)絡層負責拓撲結構的建立和維護網(wǎng)絡連接，主要功能包括設備連接和斷 開網(wǎng)絡時所采用的機制，以及在幀信息傳輸過程中所采用的安全性機制。此外， 還包括設備的路由發(fā)現(xiàn)和路由維護和轉交。并且，網(wǎng)絡層完成對一跳(one hop)鄰居設備的發(fā)現(xiàn)和相關結點信息的存儲。一個ZigBee協(xié)調(diào)器創(chuàng)建一個新網(wǎng)絡，為新加入的設備分配短地址等。并且，網(wǎng)絡層還提供一些必要的函數(shù)，確保 ZigBee的MAC層正常工作，并且為應用層提供合適的服務接口。網(wǎng)絡層要求能夠很好地完成在IEEE 802. 15. 4標準中MAC子層所定義的功 能，同時，又要為應用層提供適當?shù)?/p>

34、服務接口。為了與應用層進行更好的通信， 網(wǎng)絡層中定義了兩種服務實體來實現(xiàn)必要的功能。這兩個服務實體是數(shù)據(jù)服務實 體(NLDE)和管理服務實體(NLME網(wǎng)絡層的NLDE通過數(shù)據(jù)服務實體服務訪問點 (NLDE- SAP)來提供數(shù)據(jù)傳輸服務，NLME通過管理服務實體服務訪問點(NLM SAP)來提供管理服務。NLM刖以利用NLDE來激活它的管理工作，它還具有對網(wǎng) 絡層信息數(shù)據(jù)庫(NIB)進行維護的功能。在這個圖中直觀地給出了網(wǎng)絡層所提供 的實體和服務接口等。NLDE提供的數(shù)據(jù)服務允許在處于同一應用網(wǎng)絡中的兩個或多個設備之間傳 輸應用協(xié)議數(shù)據(jù)單元(APDUNLDE提供的服務有：產(chǎn)生網(wǎng)絡協(xié)議數(shù)據(jù)單元(N

35、PDU) 和選擇通信路由。選擇通信路由，在通信中，NLDEg發(fā)送一個NPDU到一個合適的設備，這個設備可能是通信的終點也可能只是通信鏈路中的一個點提供一個管理服務以允許一個應用來與協(xié)議棧操作進行交互。NLME需要提供以下服務：配置一個新的設備（configuring a new device）。具有充分配置所需 操作棧的能力。配置選項包括：ZigBee協(xié)調(diào)器的開始操作，加入一個現(xiàn)有的網(wǎng) 絡等。4.應用層應用層包括三部分：應用支持子層（APS、ZigBee設備對象（ZDO和應用 框架（AF。應用支持子層的任務是提取網(wǎng)絡層的信息并將信息發(fā)送到運行在節(jié) 點上的不同應用端點。應用支持子層維護了一個綁定

36、表， 可以定義、增加或移除 組信息；完成64位長地址（IEEE地址）與16位短地址（網(wǎng)絡地址）一對一映 射；實現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)的分割與重組；應用支持子層連接網(wǎng)絡層和應用層，是它們之 間的接口。這個接口由兩個服務實體提供：APS數(shù)據(jù)實體（APSDE和APS管理實體（APSME APS數(shù)據(jù)實體為網(wǎng)絡中的節(jié)點提供數(shù)據(jù)傳輸服務，它會拆分和重 組大于最大荷載量的數(shù)據(jù)包。APS管理實體提供安全服務，節(jié)點綁定，建立和移 除組地址，負責64位IEEE地址與16位網(wǎng)絡地址的地址映射4。ZigBee設備對象負責設備的所有管理工作，包括設定該設備在網(wǎng)絡中的角 色（協(xié)調(diào)器、路由器或終端設備），發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡中的設備，確定這些設備

37、能提供的 功能，發(fā)起或響應綁定請求，完成設備之間建立安全的關聯(lián)等。用戶在開發(fā) ZigBee產(chǎn)品時，需要在ZigBee協(xié)議棧的AF上附加應用端點，調(diào)用ZDO功能以 發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡上的其他設備和服務，管理綁定、安全和其他網(wǎng)絡設置。ZDO是 一個特殊的應用對象，它駐留在每一個 ZigBee節(jié)點上，其端點編號固定為0。AF應用框架是應用層與 APS層的接口。它負責發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，并為接收 到的數(shù)據(jù)尋找相應的目的端點。224無線傳感器網(wǎng)絡WSN是 wireless sensor network的簡稱，即無線傳感器網(wǎng)絡。無線傳感器網(wǎng)絡就是由部署在監(jiān)測區(qū)域大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多

38、跳的自組織的網(wǎng)絡系統(tǒng)， 其目的是協(xié)作地感知、采 集和處理網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域中被感知對象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對 象和觀察者構成了無線傳感器網(wǎng)絡的三個要素。微機電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanism System, MEM)、片上系統(tǒng)(SOCSystem on Chip)、無線通信和低功耗嵌入式技術的飛速發(fā)展，孕育出無線傳感 器網(wǎng)絡(Wireless Sen sor Networks ，WSN，并以其低功耗、低成本、分布式 和自組織的特點帶來了信息感知的一場變革。無線傳感器網(wǎng)絡就是由部署在監(jiān)測 區(qū)域大量的廉價微型傳感器節(jié)點組成，通過無線通信方式形成的一個多跳自組織 網(wǎng)絡。

39、很多人都認為，這項技術的重要性可與因特網(wǎng)相媲美：正如因特網(wǎng)使得計算機能夠訪問各種數(shù)字信息而可以不管其保存在什么地方，傳感器網(wǎng)絡將能擴展人 們與現(xiàn)實世界進行遠程交互的能力。它甚至被人稱為一種全新類型的計算機系 統(tǒng)，這就是因為它區(qū)別于過去硬件的可到處散布的特點以及集體分析能力。然而從很多方面來說，現(xiàn)在的無線傳感器網(wǎng)絡就如同遠在1970年的因特網(wǎng)，那時因特網(wǎng)僅僅連接了不到200所大學和軍事實驗室，并且研究者還在試驗各種通訊協(xié) 議和尋址方案。而現(xiàn)在，大多數(shù)傳感器網(wǎng)絡只連接了不到100個節(jié)點，更多的節(jié) 點以及通訊線路會使其變得十分復雜難纏而無常工作。另外一個原因是單個傳感 器節(jié)點的價格目前還并不低廉，而

40、且電池壽命在最好的情況下也只能維持幾個 月。不過這些問題并不是不可逾越的， 一些無線傳感器網(wǎng)絡的產(chǎn)品已經(jīng)上市， 并 且具備引人入勝的功能的新產(chǎn)品也會在幾年之出現(xiàn)。無線傳感器網(wǎng)絡所具有的眾多類型的傳感器，可探測包括地震、電磁、溫度、 濕度、噪聲、光強度、壓力、土壤成分、移動物體的大小、速度和方向等周邊環(huán) 境中多種多樣的現(xiàn)象?；?MEMS勺微傳感技術和無線聯(lián)網(wǎng)技術為無線傳感器網(wǎng) 絡賦予了廣闊的應用前景。這些潛在的應用領域可以歸納為：軍事、航空、反恐、 防爆、救災、環(huán)境、醫(yī)療、保健、家居、工業(yè)、商業(yè)等領域。n-戰(zhàn)用層控制器3農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)種植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計3.1農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)種植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)關鍵技術物聯(lián)

41、網(wǎng)技術應用在農(nóng)業(yè)種植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)控制中，關鍵技術為一下兩部分： 意識感知層的進行無線數(shù)據(jù)感知與采集，而是通過網(wǎng)絡傳輸層遠程智能化控制對 采集到的數(shù)據(jù)通過計算機分析，控制農(nóng)作物生長所需的空氣、溫度、水分等，進 而實現(xiàn)精準農(nóng)業(yè)。3.2農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)種植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)建構基于物聯(lián)網(wǎng)技術的農(nóng)業(yè)種植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)如基于物聯(lián)網(wǎng)技術的農(nóng)業(yè)種植監(jiān)控系統(tǒng)核心包括以下幾部分：感知層：數(shù)據(jù)感知與采集，實現(xiàn)種植環(huán)境中的土壤濕度、空氣溫度濕度、光照及自動灌溉系統(tǒng)的實時感知的試紙傳送到ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點上;應用層：該系統(tǒng)負責對采集的數(shù)據(jù)進行存儲、信息處理和控制指令的下達, 基于物聯(lián)網(wǎng)技術的農(nóng)業(yè)種植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)框圖為用戶提供分

42、析 決策依據(jù)，用戶可隨時隨地提供電腦燈終端進行查詢。3.3農(nóng)業(yè)種植監(jiān)控系統(tǒng)構建3.3.1系統(tǒng)硬件構建1）無線節(jié)點模塊：ZigBee是基于IEEE802.11.4協(xié)議的一簇展集，主要針對 于低成本、低功耗的射頻應用一部分是網(wǎng)關協(xié)調(diào)器及傳感節(jié)點；2）傳感及控制模塊：溫度傳感器、濕度傳感器、光照強度傳感器；3）電源板：提供無線節(jié)點模塊和傳感控制模塊連接，同時為系統(tǒng)供電。農(nóng)業(yè)種植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)硬件構建如圖 2所示溫度傳感器4射頻模塊濕度傳感器PC終端光照強度傳感器MLU-電量監(jiān)測ZigBee模塊-電池供電圖4農(nóng)業(yè)種植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)硬件構建在以上設計的硬件系統(tǒng)中，以MCI為控制中心，電池模塊對系統(tǒng)供電和連接

43、，傳感及控制模塊對種植環(huán)境進行實施檢測采集數(shù)據(jù)，通過ZigBee無線網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)和信息并比對標準生長環(huán)境參數(shù)，各個硬件模塊經(jīng)由無線收發(fā)模塊傳輸數(shù) 據(jù)，實現(xiàn)對環(huán)境信息的遠程控制332 系統(tǒng)軟件構建系統(tǒng)的軟件設計工作主要有：傳感器節(jié)點程序設計如3所示，ZigBee協(xié)議棧程序設計如圖4所示。開始初始化MCU初始化無線通信模塊進入低功耗模式*協(xié)議棧初始化. 尋我和入內(nèi)絡否初始化傳感器模塊 并采集數(shù)據(jù)否否有喚醒信號?處理并發(fā)送數(shù)據(jù)是否圖5傳感器節(jié)點程序設計發(fā)送成功?開始系統(tǒng)初始化協(xié)議棧初始化掃描信道建立網(wǎng)絡允許結點加入否j功建衛(wèi)網(wǎng)絡?進入低功耗模式-發(fā)送命令否否有監(jiān)測指令?是接收結點并發(fā)送_給無線網(wǎng)絡網(wǎng)

44、絡協(xié)調(diào)器軟件流程圖圖610),GUI_I nit();/ GUIGUI_SetColor(1,0);/暗點初始化顯示色為亮點，背景色為3.3. 3編碼void mai n()int wen du;int shidu;char s16;UINT8 adc0_value2;float shuzi = 0;SET_MAIN_CLOCK_SOURCE(CRYSTAL); /設置系統(tǒng)時鐘源為 32MHz 晶體振蕩器GUI_PutStri ng5_7(25,6,OURS-CC2530); / 顯示 OURS-CC2530GUI_PutStri ng5_7(10,22,Temp:);GUI_PutStri ng5_7(10,35,Humi:);GUI_PutStri ng5_7(10,48,Light:);LCM_Refresh();while(1)th_read(&tem, &hum);/從采集模塊讀取溫度和濕度的數(shù)據(jù)sprintf(s, (char*)%d%