基于zigbee的蔬菜大棚環(huán)境參數(shù)采集系統(tǒng)設(shè)計模板

摘要現(xiàn)在，ZigBee技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于近距離傳輸無線通信領(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關(guān)鍵作用。本設(shè)計意在經(jīng)過ZigBee無線通信技術(shù)構(gòu)建一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN），采取樹型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對加入該網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點進(jìn)行溫度、濕度、光照強(qiáng)度和二氧化碳濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析，將此應(yīng)用于對農(nóng)業(yè)里溫室環(huán)境檢測和控制當(dāng)中，避免了有線網(wǎng)絡(luò)布線問題和成本問題。本設(shè)計利用了一個結(jié)構(gòu)合理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AbstractCurrently,ZigBeetechnologyhasbeenwidelyusedincloserangetransmissionofwirelesscommunicationsisincreasinglyplayinganincreasinglyimportantrole,especiallyintheagriculturalandindustrialcontrol,medicalprotection.Thisdesignisintendedtobuildawirelesssensornetwork(WSN),theadoptionofZigBeewirelesscommunicationtechnology,theuseofatreenetworktopology,sensornodesjointhenetworktemperature,humidity,lightintensityandcarbondioxideconcentrationofthedatacollectionandanalysiswillthisappliedtothedetectionandcontroloftheenvironmentonagriculturalgreenhouse,toavoidthecablenetworkcablingproblemsandcostissues.ThisdesignusesarationalstructureoftheWebapplication,setupaWebservertodynamicallydisplaygreenhousedatacollectedbythesensorterminal.Keywords:ZigBee;CC2430;wirelesssensornetworks;temperatureacquisitio目錄摘要 IAbstract II目錄 III前言 V1.緒論 11.1研究背景和意義 11.2中國外溫室測控系統(tǒng)研究現(xiàn)實狀況 11.2.1中國溫室測控系統(tǒng)研究現(xiàn)實狀況 11.1.2國外溫室測控系統(tǒng)研究現(xiàn)實狀況 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SHT10 83.2CC2430芯片 103.3串行通信接口RS-232 123.4顯示模塊 133.5報警模塊 144.系統(tǒng)軟硬件設(shè)計 154.1系統(tǒng)硬件設(shè)計 154.1.1Zigbee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)點設(shè)計 214.2系統(tǒng)軟件設(shè)計 264.2.1Zigbee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)端設(shè)計和實現(xiàn) 274.4遠(yuǎn)程主機(jī)端設(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)硬件測試 295.2.2協(xié)議棧測試 295.2.3GPRS測試 295.2.4上位機(jī)測試 295.3系統(tǒng)測試結(jié)果分析 30結(jié)論 31參考文件 32致謝 33前言伴隨中國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展人民生活水平日益提升,冬季大棚蔬菜市場日漸擴(kuò)大。在利用蔬菜大棚生產(chǎn)中,溫度、濕度等原因直接關(guān)系到大棚作物生長,所以,對大棚溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行實時、正確采集和監(jiān)測調(diào)整是實現(xiàn)大棚蔬菜生產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、高效益關(guān)鍵步驟。傳統(tǒng)環(huán)境參數(shù)系統(tǒng)使用有線監(jiān)測設(shè)備,含有線路多、布線復(fù)雜、維護(hù)困難等缺點,在很多特定區(qū)域無法順利使用?；诖?本文介紹了一個基于Zigbee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)采集實時無線監(jiān)控,促進(jìn)了蔬菜大棚智能化、統(tǒng)一化管理。1.緒論1.1研究背景和意義二十一世紀(jì)是設(shè)施農(nóng)業(yè)快速發(fā)展時期。發(fā)達(dá)國家和發(fā)展中國家紛紛采取方法，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)是采取優(yōu)異科學(xué)技術(shù)和工廠化生產(chǎn)方法，把作物種植在一個相對封閉空間，為作物高效生產(chǎn)提供適宜生長環(huán)境，而且在任何地域，十二個月四季均能種植任何作物現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)。設(shè)施農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化關(guān)鍵標(biāo)志，其特點表現(xiàn)為高產(chǎn)量、高品質(zhì)、環(huán)境保護(hù)、周年可連續(xù)生產(chǎn)。設(shè)施農(nóng)業(yè)快速發(fā)展加速了農(nóng)業(yè)科學(xué)推廣，對農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平提升起到了主動推進(jìn)作用。植物生長全部是在一定環(huán)境中進(jìn)行，其在生長過程中受到環(huán)境中多種原因影響，其中對植物生長影響最大是環(huán)境中溫度和濕度。環(huán)境中晝夜溫度和濕度改變大，其對植物生長極為不利。所以必需對環(huán)境溫度和濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、監(jiān)測和控制，使其適合植物生長，提升其產(chǎn)量和質(zhì)量。本系統(tǒng)就是利用價格廉價通常電子器件來設(shè)計一個參數(shù)精度高，控制操作方便，性價比高應(yīng)用于農(nóng)業(yè)種植生產(chǎn)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，首先對溫室環(huán)境進(jìn)行調(diào)控會影響作物生長，其次作物光合作用、蒸騰作用改變又對室內(nèi)環(huán)境因子產(chǎn)生新影響，從而產(chǎn)生了一個反饋作用機(jī)制，而在現(xiàn)有溫室環(huán)境控制系統(tǒng)并沒有考慮到這種反饋作用機(jī)制。假如能同時對沒施內(nèi)溫度、光照、二氧化碳濃度等進(jìn)行智能調(diào)控，并能考慮到作物反饋作用機(jī)制，這種調(diào)控方法既節(jié)省資源又提升生產(chǎn)效率。研究溫室環(huán)境控制現(xiàn)實狀況及發(fā)展趨勢，不僅能夠提升作物產(chǎn)量和降低溫室能耗，而且對未來溫室環(huán)境調(diào)控發(fā)展含相關(guān)鍵指導(dǎo)意義。1.2中國外溫室測控系統(tǒng)研究現(xiàn)實狀況1.2.1中國溫室測控系統(tǒng)研究現(xiàn)實狀況現(xiàn)在溫室環(huán)境控制系統(tǒng)關(guān)鍵針對溫度和濕度控制進(jìn)行研究。盧佩等采取模糊控制方法，經(jīng)過建立模糊控制系統(tǒng)模型和對模糊控制器設(shè)計，引入解藕參數(shù)，實現(xiàn)系統(tǒng)溫濕度解耦控制，提升了溫濕度控制精度。黃力櫟等針對溫室氣候控制方法中溫濕度之間耦合作用，提出以溫度控制為主、濕度控制為輔控制策略，并建立兩變量輸入、三變量輸出控制主回路和賠償回路模糊控制系統(tǒng)，從而為溫濕度控制提供了一個行之有效方法。鄧璐娟采取逆系統(tǒng)方法對溫室環(huán)境非線性系統(tǒng)進(jìn)行了解耦和線性化，同時對隨機(jī)擾動進(jìn)行賠償，采取PDF控制算法和Smith預(yù)估賠償對線性化后系統(tǒng)進(jìn)行了綜合校正，在選擇校正后閉環(huán)系統(tǒng)參數(shù)時考慮了非線性系統(tǒng)解耦要求。朱虹經(jīng)過對歷史溫室環(huán)境數(shù)據(jù)合理分析，將溫室溫度控制模型近似為一階慣性加時滯步驟?；谠摐囟冉颇Ｐ筒扇huang等中提出時間為權(quán)誤差積到分指標(biāo)最優(yōu)參數(shù)自整定公式來整定PID控制器參數(shù)，將整定后PID控制器應(yīng)用于溫室控制。楊澤林等經(jīng)過數(shù)據(jù)挖掘，利用采集溫室內(nèi)、外溫度及室內(nèi)濕度數(shù)據(jù)對溫室狀態(tài)進(jìn)行分類，提出一個基于各類別中溫室溫、濕度改變率相關(guān)性進(jìn)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)非線性動態(tài)特征，提出結(jié)構(gòu)簡單、不需復(fù)雜數(shù)值計算離散估計模型，對設(shè)備組合進(jìn)行滾動優(yōu)化估計控制，大大簡化溫室測控系統(tǒng)估計控制算法復(fù)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)實狀況國外溫室環(huán)境起步較早，溫室環(huán)境控制經(jīng)過多年發(fā)展，控制技術(shù)和理論發(fā)展到較高水平。伴隨用于溫室環(huán)境控制作物模型研究，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)溫室高效生產(chǎn)。Seginer等進(jìn)行模擬研究確定溫室二氧化碳施肥優(yōu)化方法，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))以后，進(jìn)行數(shù)值尋優(yōu)得到不一樣溫光水平下最優(yōu)二氧化碳施肥量，并給出一系列圖表用于指導(dǎo)實際二氧化碳施肥操作管理；Van-Straten等利用作物光合作用和蒸騰作用進(jìn)行溫室內(nèi)短期優(yōu)化和控制，利用有效積溫原理進(jìn)行溫室長久優(yōu)化和控制，將短期優(yōu)化和長久優(yōu)化相結(jié)合，實現(xiàn)了以經(jīng)濟(jì)最優(yōu)為目標(biāo)溫室環(huán)境控制。Aaslyng等利用作物光輻射吸收、葉片光合作用和呼吸作用估計模型建立了溫室環(huán)境控制系統(tǒng)，依據(jù)自然光照來控制溫室內(nèi)溫度，系統(tǒng)在節(jié)省能源和因為光照減弱而造成作物產(chǎn)量降低之間取得了很好平衡。基于作物和環(huán)境動態(tài)響應(yīng)時間尺度不一樣，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。VanHenten是第一位處理整個優(yōu)化控制問題科學(xué)家，提出把系統(tǒng)分解為2個時間尺度方法，依據(jù)該方法首先處理長久問題，然后用長久問題結(jié)果來計算短期問題軌跡并把該方法應(yīng)用到生萊生產(chǎn)優(yōu)化控制中。從以上文件能夠看出，國外進(jìn)行溫室環(huán)境控制時已經(jīng)考慮到作物和環(huán)境相互作用機(jī)制，同時考慮到作物動態(tài)響應(yīng)和環(huán)境動態(tài)響應(yīng)時間尺度不一致性，但應(yīng)用到黃瓜生長優(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)點關(guān)鍵由數(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(fù)責(zé)經(jīng)過多種類型傳感器采集物理信息；數(shù)據(jù)處理模塊負(fù)責(zé)控制整個節(jié)點處理操作、功耗管理和任務(wù)管理等；數(shù)據(jù)通信模塊負(fù)責(zé)和其它節(jié)點進(jìn)行無線通信，它經(jīng)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)點經(jīng)過RS232串口將全部信息聚集傳至PC機(jī)或服務(wù)器。本系統(tǒng)模型關(guān)鍵分為四塊:溫濕度數(shù)據(jù)采集節(jié)點、負(fù)責(zé)從節(jié)點接收數(shù)據(jù)并向主機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)系統(tǒng)節(jié)點、主機(jī)（服務(wù)器）和最終用戶。該系統(tǒng)總體架構(gòu)圖圖2-1所表示：遠(yuǎn)程主機(jī)端服務(wù)器程序系統(tǒng)節(jié)點數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)程主機(jī)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(jī)（PC）監(jiān)控端和下位機(jī)ZigBee網(wǎng)絡(luò)兩部分組成。下位機(jī)ZigBee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集溫室大棚內(nèi)溫濕度數(shù)據(jù)，上位機(jī)負(fù)責(zé)顯示溫濕度數(shù)據(jù)并進(jìn)行實時監(jiān)控。下位機(jī)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。溫濕度傳感器模塊關(guān)鍵負(fù)責(zé)采集、存放和上傳溫濕度信息。路由器模塊關(guān)鍵負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)溫濕度信息。協(xié)調(diào)器模塊關(guān)鍵完成溫濕度數(shù)據(jù)匯聚。下位機(jī)ZigBee網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和上位機(jī)之間經(jīng)過RS-232串口進(jìn)行通信。當(dāng)監(jiān)測大棚溫濕度信息時，首先經(jīng)過上位機(jī)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)溫濕度傳感模塊開始采集溫濕度信息，并存放在Flash中，經(jīng)過單跳或多跳方法發(fā)送到上位機(jī)，上位機(jī)監(jiān)控端接收到溫濕度信息后，把各個大棚內(nèi)溫濕度信息顯示出來。當(dāng)溫濕度信息異常時，在監(jiān)控端會有異常提醒，方便立即處理。各個傳感器節(jié)點每隔一定時間采集一次它周圍溫濕度，并將溫濕度數(shù)據(jù)經(jīng)過臨近節(jié)點或直接傳給基站關(guān)鍵板上；基站關(guān)鍵板負(fù)責(zé)搜集從各個幾點上傳來數(shù)據(jù)，并經(jīng)過串口轉(zhuǎn)傳到服務(wù)器端上；遠(yuǎn)程主機(jī)將建立數(shù)據(jù)庫來存放這些數(shù)據(jù)，為用戶提供查詢操作，主機(jī)也能夠?qū)崿F(xiàn)報警等功效。以下是對這幾部分功效具體介紹：1、溫濕度傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點：本系統(tǒng)中該步驟關(guān)鍵是經(jīng)過CC2430集成暴露在空氣中溫濕度傳感器來采集菜蔬大棚里空氣溫濕度，將其轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，并經(jīng)過Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)將這些采集到數(shù)據(jù)發(fā)送到基站節(jié)點。數(shù)據(jù)采集節(jié)點并不是多對一傳輸關(guān)系，每個節(jié)點全部有路由轉(zhuǎn)發(fā)功效，也能夠接收來自鄰近節(jié)點數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)發(fā)給基站節(jié)點，從而擴(kuò)大了測量距離，處理了無線測量范圍有限難題。2、基站：基站作為本系統(tǒng)關(guān)鍵步驟，它需要完成搜集從自己網(wǎng)內(nèi)各個數(shù)據(jù)采集節(jié)點發(fā)來數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)經(jīng)過串口發(fā)送到計算機(jī)(也能夠稱作服務(wù)器上)進(jìn)行存放，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增強(qiáng)型工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)嵌入式關(guān)鍵板，它在組網(wǎng)中序號必需是01號，不然將接收不到數(shù)據(jù)。3、服務(wù)器端：服務(wù)器端經(jīng)過串口線將從基站收到數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)庫中，并經(jīng)過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸給遠(yuǎn)程主機(jī)端，從而為上層軟件設(shè)計、用戶使用提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。本系統(tǒng)一個關(guān)鍵是在服務(wù)器端建立一個軟件系統(tǒng)來管理這些數(shù)據(jù)。4、遠(yuǎn)程用戶端：該部分關(guān)鍵負(fù)責(zé)從服務(wù)器端搜集數(shù)據(jù)，并存放在自己數(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)接收控制、溫濕度數(shù)據(jù)顯示、歷史數(shù)據(jù)查詢、刪除、溫濕度自報警和系統(tǒng)用戶等管理。2.2系統(tǒng)設(shè)計原理該檢測系統(tǒng)充足利用ZigBee技術(shù)軟、硬件資源,輔以對應(yīng)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)、多通道檢測和輸出。而且經(jīng)過RS232接口實現(xiàn)和上位PC機(jī)連接,進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、處理和存放及打印輸出等。它含有測量范圍廣、測量精度高等特點,前端測量用傳感器類型可在該基礎(chǔ)上修改為其它非電量參數(shù)測量系統(tǒng)。溫濕度檢測系統(tǒng)采取SHT10為溫濕度測量元件。系統(tǒng)在硬件設(shè)計上充足考慮了可擴(kuò)展性,經(jīng)過一定添加或改造,很輕易增加功效。依據(jù)溫室大棚內(nèi)溫濕度、土壤水分、土壤溫度等傳感器采集到信息，利用串口通信RS-232將傳感器信息發(fā)送給上位計算機(jī)，然后再接到上位計算機(jī)上進(jìn)行顯示，報警，查詢。監(jiān)控中心將收到采樣數(shù)據(jù)以表格形式顯示和存放，然后將其和設(shè)定報警值相比較，若實測值超出設(shè)定范圍，則經(jīng)過屏幕顯示報警或語音報警，并打印統(tǒng)計。和此同時，監(jiān)控中心可向現(xiàn)場控制器發(fā)出控制指令，監(jiān)測儀依據(jù)指令控制風(fēng)機(jī)、水泵、等設(shè)備進(jìn)行降溫除濕，以確保大棚內(nèi)作物生長環(huán)境。監(jiān)控中心也能夠經(jīng)過報警指令來開啟現(xiàn)場監(jiān)測儀上聲光報警裝置，通知大棚管理人員采取對應(yīng)方法來確保大棚內(nèi)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)傳感器和無線通信模塊終端集合。關(guān)鍵是負(fù)責(zé)大棚內(nèi)空氣溫濕度數(shù)據(jù)采集，并接收從基站發(fā)來指令，定時經(jīng)過無線模塊將本節(jié)點采集到溫濕度數(shù)據(jù)傳輸給基站節(jié)點。1、數(shù)據(jù)采集節(jié)點是定時(默認(rèn)設(shè)置成10S采集一次溫濕度數(shù)據(jù))采集數(shù)據(jù)，這個時間間隔能夠是網(wǎng)絡(luò)中基站向溫濕度傳感器節(jié)點發(fā)送重新設(shè)置時間間隙控制命令來完成設(shè)置。PPP(Point-to-PointProtocol)協(xié)議是在設(shè)計和實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中基站節(jié)點功效所要用到技術(shù)。PPP協(xié)議是為在相同單元之間傳輸數(shù)據(jù)包這么簡單鏈路設(shè)計鏈路層協(xié)議。這種鏈路提供全雙工操作，并根據(jù)次序傳輸數(shù)據(jù)包。設(shè)計目標(biāo)關(guān)鍵是用來經(jīng)過撥號或?qū)＞€方法建立點對點連接發(fā)送數(shù)據(jù)，使其成為多種主機(jī)、網(wǎng)橋和路由器之間簡單連接一個共通處理方案。傳感器應(yīng)用了其技術(shù)從而實現(xiàn)了數(shù)據(jù)接力傳送，從而提升了網(wǎng)絡(luò)通信效率。數(shù)據(jù)采集節(jié)點關(guān)鍵由電源模塊、處理器模塊、溫濕度傳感器搜集模塊和無線通信模塊4個模塊組成：（1）電源：采取兩節(jié)1.5V紐扣電池組成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：采取增強(qiáng)型工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CC2430關(guān)鍵板，它是加強(qiáng)版Zigbee模塊。（3）溫濕度傳感器搜集模塊：采取CC2430關(guān)鍵板集成溫濕度傳感器SHT10。數(shù)據(jù)采集節(jié)點硬件框圖圖2-2所表示：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)議終端設(shè)備。Zigbee基礎(chǔ)是IEEE802.15.4,但I(xiàn)EEE僅處理低級MAC層和物理層協(xié)議，所以Zigbee聯(lián)盟擴(kuò)展了IEEE，對其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。和其它無線標(biāo)準(zhǔn)802.11或802.16不一樣，Zigbee以250Kbps最大傳輸速率承載有限數(shù)據(jù)流量。它滿足國際標(biāo)準(zhǔn)組織(ISO)開放系統(tǒng)互連(OSI)參考模型，關(guān)鍵包含物理層、數(shù)據(jù)鏈路層。Zigbee是一個新興短距離、低速率、低功耗無線可自組網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。關(guān)鍵用于近距離無線連接。在數(shù)千個微小傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信，這些傳感器只需要極少能量，以接力方法經(jīng)過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以它們通信效率很高。

3.系統(tǒng)概述3.1數(shù)字溫濕度傳感器SHT101、SHT10結(jié)構(gòu)原理SHT10是瑞士Sensirion企業(yè)生產(chǎn)一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出高度集成數(shù)字式溫濕度傳感器，體積微小、功耗極低，因為采取了CMOSensR技術(shù)，從而可確保器件含有極高可靠性和卓越長久穩(wěn)定性。該傳感器包含一個電容性聚合體測濕敏感元件和一個用能隙材料制成測溫元件，并在同一芯片上，和14位A/D轉(zhuǎn)換器和串行接口電路實現(xiàn)無縫連接。生產(chǎn)過程中，每個傳感器芯片全部在極為正確濕度腔室中進(jìn)行標(biāo)定，以鏡面冷凝式濕度計為參考，校準(zhǔn)系數(shù)以程序形式儲存在OTP內(nèi)存中，在標(biāo)定過程中使用。SHT10傳感器濕度測量范圍為0~100％RH，濕度測量精度為±4.5％RH20到80％RH，濕度測量分辨率為0.03％RH；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)寬范圍溫濕度測量。SHT10默認(rèn)測量分辨率分別是溫度14位、濕度12位，也能夠經(jīng)過修改傳感器8位狀態(tài)寄存器“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應(yīng)用中采取低分辨率。其中傳感器SHT10原理圖圖3-1所表示。圖3-1傳感器SHT10原理圖2、引腳說明a.電源引腳（VDD、GND）SHT10供電電壓為2.4V～5.5V。傳感器上電后，要等候11ms，從“休眠”狀態(tài)恢復(fù)。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電容器，用于去耦濾波。b.串行接口SHT10兩線串行接口（bidirectional2-wire）在傳感器信號讀取和電源功耗方面全部做了優(yōu)化處理，其總線類似I2C總線但并不兼容。①串行時鐘輸入（SCK）。SCK引腳是MCU和SHTIO之問通信同時時鐘，因為接口包含了全靜態(tài)邏輯，所以沒有最小時鐘頻率。即微控制器能夠以任意慢速度和SHT10通信。②串行數(shù)據(jù)（DATA）。DATA三態(tài)引腳是內(nèi)部數(shù)據(jù)輸出和外部數(shù)據(jù)輸入引腳。DATA在SCK時鐘下降沿以后改變狀態(tài)，并在SCK時鐘上升沿有效。即微控制器能夠在SCK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)過程中，必需確保數(shù)據(jù)線在時鐘線高電平段內(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，在需要輸出高電平時候，微控制器將引腳置為高阻態(tài)，由外部上拉電阻(比如;10kΩ)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“開啟傳輸”時序，來表示數(shù)據(jù)傳輸初始化。它包含：當(dāng)SCK時鐘高電平時DATA翻轉(zhuǎn)為低電平，緊接著SCK變?yōu)榈碗娖?，隨即是在SCK時鐘高電平時DATA翻轉(zhuǎn)為高電平。4、測量時序(RH和T)公布一組測量命令（‘00000101’表示相對濕度RH，‘00000011’表示溫度T）后，控制器要等候測量結(jié)束。這個過程需要大約20/80/320ms，分別對應(yīng)8/12/14bit測量。確切時間隨內(nèi)部晶振速度，最多可能有-30%改變。SHT10經(jīng)過下拉DATA至低電平并進(jìn)入空閑模式，表示測量結(jié)束?？刂破髟谠俅斡|發(fā)SCK時鐘前，必需等候這個“數(shù)據(jù)備妥”信號來讀出數(shù)據(jù)。檢測數(shù)據(jù)能夠先被存放，這么控制器能夠繼續(xù)實施其它任務(wù)在需要時再讀出數(shù)據(jù)。接著傳輸2個字節(jié)測量數(shù)據(jù)和1個字節(jié)CRC奇偶校驗。UC需要經(jīng)過下拉DATA為低電平，以確定每個字節(jié)。全部數(shù)據(jù)從MSB開始，右值有效（比如：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)確實定位，表明通訊結(jié)束。假如不使用CRC-8校驗，控制器能夠在測量值LSB后，經(jīng)過保持確定位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：為確保本身溫升低于0.1℃，SHT10激活時間不要超出10%（比如，對應(yīng)12bit精度測量，每秒最多進(jìn)行2次測量）。3.2CC2430芯片1、CC2430芯片介紹

CC2430芯片以強(qiáng)大集成開發(fā)環(huán)境作為支持，內(nèi)部線路交互式調(diào)試以遵從IDEIAR工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)為支持，得到嵌入式機(jī)構(gòu)很高認(rèn)可。它結(jié)合Chipcon企業(yè)全球優(yōu)異ZigBee協(xié)議、工具包和參考設(shè)計，展示了領(lǐng)先ZigBee處理方案。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，同時也適適用于ZigBee之外2.4

GHz頻率其它設(shè)備。其引腳示意圖圖3-2所表示。CC2430包含一個增強(qiáng)型工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)8位8051微控制器內(nèi)核，運(yùn)行時鐘32MHz。CC2430包含一個DMA控制器。8K字節(jié)靜態(tài)RAM，其中4K字節(jié)是超低功耗SRAM。32K，64K或128K字節(jié)片內(nèi)Flash塊提供在電路可編程非易失性存放器。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16MHzRC-振蕩器，一個可選32.768kHz晶體振蕩器和一個可選32.768kHzRC振蕩器。CC2430也集成了用于用戶自定義應(yīng)用外設(shè)。一個AES協(xié)處理器被集成在CC2430之中，用來支持IEEE802.15.4MAC安全所需（128位關(guān)鍵字）AES運(yùn)行，以盡可能少占用微控制器。中止控制器為總共18個中止源提供服務(wù)，她們中每個中止全部被給予4個中止優(yōu)先級中某一個。調(diào)試接口采取兩線串行接口，該接口被用于在電路調(diào)試和外部Flash編程。I/O控制器職責(zé)是21個通常I/O口靈活分配和可靠控制。圖3-2CC2430芯片引腳示意圖CC2430包含四個定時器：一個16位MAC定時器，用認(rèn)為IEEE802.15.4CSMA-CA算法提供定時和為IEEE802.15.4MAC層提供定時。一個通常16位和兩個8位定時器，支持經(jīng)典定時/計數(shù)功效，比如，輸入捕捉、比較輸出和PWM功效。CC2430內(nèi)集成其它外設(shè)有:實時時鐘；上電復(fù)位；8通道，8－14位ADC；可編程看門狗；兩個可編程USART，用于主/從SPI或UART操作。為了愈加好處理網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用操作帶寬，CC2430集成了大多數(shù)對定時要求嚴(yán)格一系列IEEE802.15.4MAC協(xié)議，以減輕微控制器負(fù)擔(dān)。這包含：自動前導(dǎo)幀發(fā)生器、同時字插入/檢測、CRC-16校驗、CCA、信號強(qiáng)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芯片關(guān)鍵特點CC2430芯片延用了以往CC2420芯片架構(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），含有128KB可編程閃存和8KBRAM，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、多個定時器（Timer）、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時器（Watchdogtimer）、32kHz晶振休眠模式定時器、上電復(fù)位電路(PowerOnReset)、掉電檢測電路(Brownoutdetection)，和21個可編程I/O引腳。CC2430芯片采取0.18μmCMOS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休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式超短時間特征，尤其適合那些要求電池壽命很長應(yīng)用。3.3串行通信接口RS-2321、電氣特征RS-232采取負(fù)邏輯在TxD和RxD上：邏輯1(MARK)=一5～15V邏輯0(SPACE)=+5～+15VRS-232關(guān)鍵電氣特征為：帶3—7k歐姆負(fù)載時驅(qū)動器輸出電平：邏輯“1”：一5～一12V；邏輯“0“：+5～+12V。不帶負(fù)載時驅(qū)動器輸出電平：一25～+25V。驅(qū)動器轉(zhuǎn)換速率：<30V／，L。接收器輸入阻抗：3～7K歐姆之間。接收器輸入電壓許可范圍：一25～+25V。最大負(fù)載電容：2500PF。2、電平轉(zhuǎn)換RS-232是用正負(fù)電壓來表示邏輯狀態(tài)，和1vrL以高低電平表示邏輯狀態(tài)要求不一樣。為了能夠同計算機(jī)接口或終端1vrL器件連接，必需在EIA-RS-232和1vrL電路之間進(jìn)行電平和邏輯關(guān)系變換。實現(xiàn)變換方法現(xiàn)在較為廣泛地使用集成電路轉(zhuǎn)換器件，如MC1488、SN．75150芯片可完成1vrL電平到EIA電平轉(zhuǎn)換，而MC1489、SN75154可實現(xiàn)EIA電平到1vrL電平轉(zhuǎn)換，MAX232芯片可完成1vrL一IA雙向電平轉(zhuǎn)換。MAX232芯片轉(zhuǎn)換口，包含兩路驅(qū)動器和接收器RS-232轉(zhuǎn)換芯片。芯片內(nèi)部有一個電壓轉(zhuǎn)換器，能夠把輸入+5V電壓轉(zhuǎn)換為RS-232接口所需±10V電壓，最大好處是工作電壓為+5V，不需要額外電源。3.4顯示模塊本系統(tǒng)中所需要顯示內(nèi)容比較簡單，采取通常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取市場上使用廣泛LCD1602液晶顯示模塊。圖3-3所表示。圖3-3LCD1602液晶顯示模塊原理圖1、特征：（1）工作電源：5V亮度可調(diào)；（2）內(nèi)部控制：HD44780；（3）支持LCD通常控制命令；（4）字符發(fā)生器ROM：160個5×7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5×7點陣字型；2、引腳說明VSS\VDD:工作電源和地；VEE:輝度調(diào)整端；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；D0～D7:8位數(shù)據(jù)I/O口。3、控制方法LCD內(nèi)部可看成兩組寄存器，指令寄存器和數(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，此時讀為讀標(biāo)志位，寫則是寫入指令到控制寄存器。對LCD一切操作全部必需在內(nèi)部忙標(biāo)志位為‘0’情況下有效。確定此次操作置E為‘1’；RS=1,操作指向數(shù)據(jù)寄存器，讀寫對象全部是內(nèi)部RAM。在使用LCD之前應(yīng)對其先初始化，可從以下多個方面入手：選定LCD顯示功效；設(shè)定LCD顯示模式；設(shè)定顯示字符進(jìn)入方法；清屏。3.5報警模塊蜂鳴器是一個一體化結(jié)構(gòu)電子訊響器，采取直流電壓供電，廣泛應(yīng)用于計算機(jī)、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、報警器、電子玩具、汽車電子設(shè)備、電話機(jī)、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此次設(shè)計報警系統(tǒng)。圖3-4所表示。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)生音頻信號電流經(jīng)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相互作用下，周期性振動發(fā)聲。圖3-4蜂鳴器報警電路系統(tǒng)軟硬件設(shè)計早期對蔬菜大棚內(nèi)溫濕度監(jiān)控是采取手工控制，經(jīng)過長久經(jīng)驗積累，對蔬菜大棚內(nèi)農(nóng)作物生長情況統(tǒng)計等形成依據(jù)，直接對大棚溫濕度進(jìn)行調(diào)整以使給大棚里作物一個適宜生長環(huán)境。而基于Zigbee網(wǎng)絡(luò)蔬菜大棚監(jiān)控系統(tǒng)能夠節(jié)省一定人力資源，將搜集到數(shù)據(jù)和系統(tǒng)設(shè)置上下限進(jìn)行對比，將正確進(jìn)行報警，通知相關(guān)人員進(jìn)行處理。相比于人工管理階段，本系統(tǒng)一定程度上提升了生產(chǎn)效率。4.1系統(tǒng)硬件設(shè)計4.1.1Zigbee節(jié)點硬件設(shè)計ZigBee節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖4-1示，關(guān)鍵由CC2430射頻芯片和傳感器組成。圖4-1ZigBee節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)CC2430芯片整合了高性能2.4GHzDSSS（直接序列擴(kuò)頻）射頻收發(fā)器內(nèi)核和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)型8051MCU，還包含了8KBSDRAM、128KBFlash，是一個片上系統(tǒng)（SOC）處理方案。將對應(yīng)傳感器和CC2430I／O引腳連接，可測得所需溫室環(huán)境參數(shù)，并經(jīng)過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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)點設(shè)計和開發(fā)。主協(xié)調(diào)器硬件系統(tǒng)中包含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)點關(guān)鍵功效是負(fù)責(zé)接收和存放傳感器節(jié)點發(fā)送來消息，并向傳感器節(jié)點公布網(wǎng)絡(luò)控制信息，同時和Pc機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。其中串口轉(zhuǎn)USB模塊負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換CC2430模塊和PC機(jī)通信信號；液晶顯示模塊負(fù)責(zé)節(jié)點工作狀態(tài)指示；電源模塊通常采取連續(xù)電力供電，為主協(xié)調(diào)器節(jié)點提供運(yùn)行所需能量。依據(jù)氣象采集系統(tǒng)需求設(shè)計硬件結(jié)構(gòu)，并設(shè)計各部分電路，包含無線傳輸模塊、CC2430接口模塊、復(fù)位電路模塊、電源電路模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、擴(kuò)展電路模塊及外圍電路。圖4-2所表示為主協(xié)調(diào)器節(jié)點硬件組成圖。LCD模塊通用接口CC2430天線LCD模塊通用接口CC2430天線鍵盤電路鍵盤電路A/D轉(zhuǎn)換復(fù)位電路8051MCU存放器A/D轉(zhuǎn)換復(fù)位電路8051MCU存放器串口轉(zhuǎn)USB串口轉(zhuǎn)USB電源管理PC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。因為CC2430芯片本身帶有溫度傳感器，所以本試驗直接采取了CC2430內(nèi)置溫度傳感器監(jiān)測溫度。不過該溫度傳感器精度有限，假如要求更高精度，能夠擴(kuò)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、傳感器模塊和實施器驅(qū)動模塊組成。其中實施器驅(qū)動模塊關(guān)鍵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(qiáng)度／頻率傳感芯片組成，而RF收發(fā)模塊使用是TI企業(yè)提供CC2430無線收發(fā)模塊，具體電路原理圖4-3所表示。圖4-3基于CC2430芯片RF收發(fā)模塊電路圖下面對每個部分功效和指標(biāo)進(jìn)行具體介紹：(1)信息搜集終端：即協(xié)調(diào)器，放置于監(jiān)控室，完成網(wǎng)絡(luò)建立和維護(hù)，和節(jié)點之間綁定建立，實現(xiàn)數(shù)據(jù)匯總，然后以有線方法傳送到上位機(jī)軟件，進(jìn)行深入數(shù)據(jù)處理。本設(shè)計采取RS-232串口將采集到數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)。(2)溫度采集終端：即節(jié)點，放置在需要采集溫度地方。溫度采集終端能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)加入、和協(xié)調(diào)器綁定建立、溫度檢測。檢測到溫度經(jīng)過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到協(xié)調(diào)器。(3)上位機(jī)：在監(jiān)控室，完成對所采集溫度匯總和顯示。采集到數(shù)據(jù)實時保留到文檔中，同時以折線圖形式實時反應(yīng)出溫度改變趨勢，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)點按功效模塊劃分可分為：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(biāo)準(zhǔn)片上Zigbee芯片。它無線通信模塊基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)采集節(jié)點之間是采取點對點通信方法。其數(shù)據(jù)采集步驟圖圖4-4所表示：圖4-4數(shù)據(jù)采集節(jié)點步驟圖在系統(tǒng)開啟，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)網(wǎng)絡(luò)信息。因為Zibgee網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點含有路由轉(zhuǎn)發(fā)功效，所以節(jié)點之間也能夠互發(fā)數(shù)據(jù)，直至將源數(shù)據(jù)發(fā)送到最終基站節(jié)點。(2)溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊溫濕度采集模塊式采取溫濕度傳感器SHT10。SHT10是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出溫濕度復(fù)合傳感器，采取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和CC2430連接電路原理圖圖4-5所表示：圖4-5CC2430和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)品含有體積小、精度高、功耗低、反應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點。而且SHT10數(shù)字式傳感器含有類似I2C總線數(shù)字接口通信方法和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(fù)到等候狀態(tài)；接著發(fā)送一組“傳輸開啟”時序進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸初始化工作,然后發(fā)送一組測量命令（其中相對濕度RH量時序命令為“00000101”，攝氏溫度T量時序命令為“00000011”）開始測量周圍溫濕度量，等候測量結(jié)束（大約需要20/80/320ms對應(yīng)其8/12/14位時間）；最終SHT10將下拉DATA到低電平（進(jìn)入空閑模式）表示測量結(jié)束了，并傳入一個字節(jié)CRC校驗并開始接收數(shù)據(jù)。圖4-5為溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊步驟圖。圖4-6溫濕度數(shù)據(jù)采集模塊步驟圖其中產(chǎn)生開啟傳輸時序程序片段以下：//相關(guān)其它代碼……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；……//其它相關(guān)代碼4.1.4基站節(jié)點設(shè)計1.ZigBee技術(shù)概述ZigBee是一個新型短距離、低成本、低功耗、低數(shù)據(jù)速率和低復(fù)雜度無線通信技術(shù)。ZigBee名字起源于蜂群使用賴以生存和發(fā)展通信方法，蜜蜂經(jīng)過跳ZigZag形狀舞蹈來分享新發(fā)覺食物源位置、距離和方向等信息。借此來寓意ZigBee特點。ZigBee是一個新興短距離、低速率無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。它有自己協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個微小傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信。這些傳感器只需要極少能量，以接力方法經(jīng)過無線電波將數(shù)據(jù)從一個傳感器傳到另一個傳感器，所以通信效率很高。IEEE于12月成立了802.15.4小組，負(fù)責(zé)制訂了介質(zhì)接入控制層(MAC)和物理層(PHY)規(guī)范，于5月經(jīng)過IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，這是ZigBee技術(shù)基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，被稱作為IEEE802.15.4(ZigBee)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee聯(lián)盟成立于8月，由英國Invensys企業(yè)、日本三菱電氣企業(yè)、美國摩托羅拉(現(xiàn)Freescale)企業(yè)和荷蘭飛利浦半導(dǎo)體企業(yè)組成。四大巨頭共同宣告加盟ZigBee聯(lián)盟，負(fù)責(zé)提供網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層框架設(shè)計，并研發(fā)名為ZigBee下一代無線通信標(biāo)準(zhǔn)。ZigBee技術(shù)符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，它提供互操作性，從而使不一樣廠商之間設(shè)備能夠相互進(jìn)行通信，并為系統(tǒng)集成商和用戶提供靈活購置選擇，還能夠降低原始設(shè)備廠商(OEM)成本?，F(xiàn)在世界大型IT公司不停推出自己ZigBee處理方案，比較著名有Freescale企業(yè)、Microchip企業(yè)、Chipcon企業(yè)（現(xiàn)在TI子企業(yè)）等。美國和歐洲引領(lǐng)了ZigBee技術(shù)發(fā)展前沿，韓國、日本也紛紛研制出ZigBee相關(guān)開發(fā)套件和處理方案。中國也有很多著名研究所和著名院校也加入到該領(lǐng)域研究工作中來，其中寧波研究所己經(jīng)研制出2.4GHzZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，部分企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)也紛紛推出自己ZigBee開發(fā)套件，能夠估計，在未來幾年里，ZigBee技術(shù)將是通信領(lǐng)域研究和開發(fā)燒點技術(shù)，含有寬廣應(yīng)用前景。2.ZigBee技術(shù)能夠填補(bǔ)其它短距離無線通信技術(shù)缺點，它含有以下優(yōu)點：(1)數(shù)據(jù)傳輸速率低。ZigBee技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸速率，通常在10kb/s～250kb/s，很適合于于低傳輸速率應(yīng)用。(2)功耗低。因為工作周期很短，收發(fā)信息功耗較低，而且采取了休眠模式，所以在通常情況下，兩節(jié)一般5號干電池支持節(jié)點工作長達(dá)6個月到2年左右時間，從而避免充電和頻繁更換電池。這是ZigBee技術(shù)最引認(rèn)為豪獨(dú)特優(yōu)勢。(3)協(xié)議簡單。(4)低成本。因為ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單和較小存放空間，所以大大降低了成本。每片芯片價格通常在2～3美元，而且ZigBee協(xié)議是免專利費(fèi)。(5)網(wǎng)絡(luò)容量大。一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)能夠容納最多254個從設(shè)備和一個主設(shè)備，一個區(qū)域內(nèi)能夠同時存在最多100個ZigBee網(wǎng)絡(luò)。(6)工作頻段靈活。ZigBee使用頻段分別為2.4GHz、868MHz（歐洲）、915MHz（美國），均為免執(zhí)照頻段，這么也降低了成本。(7)傳輸可靠性高。ZigBee采取了CSMA-CA碰撞避免機(jī)制，同時為需要固定帶寬通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時競爭和沖突。MAC層采取完全確定數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，每個發(fā)送數(shù)據(jù)包全部必需等候接收方確實定信息，才能夠發(fā)送下一個數(shù)據(jù)包，這么有效確保了傳輸數(shù)據(jù)可靠性。(8)安全性高。ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢驗和鑒權(quán)功效，加密算法采取AES-128，同時各個應(yīng)用能夠靈活確定其安全屬性。(9)時延短。針對時延敏感應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時延和從休眠狀態(tài)激活時延全部很短。設(shè)備搜索時延經(jīng)典值為30ms，休眠激活時延經(jīng)典值是15ms，活動設(shè)備信道接入時延為15ms，這對一些時間敏感信息至關(guān)關(guān)鍵，而且時延縮短后節(jié)省了能量消耗。(10)網(wǎng)絡(luò)自組織、自愈能力強(qiáng)。ZigBee自組織功效指無需人工干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能夠感知其它節(jié)點存在，并確定連接關(guān)系，組成結(jié)構(gòu)化網(wǎng)絡(luò)；ZigBee自愈功效指能夠增加、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)全部能夠自我修復(fù)，并對網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行對應(yīng)地調(diào)整，無需人工干預(yù)，確保整個系統(tǒng)仍然能正常工作；ZigBee技術(shù)傳輸速率即使只有250kbps，但完全能夠滿足傳輸撓度數(shù)據(jù)需求。ZigBee技術(shù)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，傳輸距離較遠(yuǎn)而且費(fèi)用、功耗最低，所以將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)備功效類型ZigBee網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)組員即“設(shè)備”，根據(jù)功效不一樣可分為兩類：全功效設(shè)備FFD(FullFunctionDevice)和精簡功效設(shè)備RFD(ReducedFunetionDeviee)。全功效設(shè)備(FFD)是含有轉(zhuǎn)發(fā)和路由能力節(jié)點。它擁有足夠存放空間來存放路由信息，其處理控制能力也相對較強(qiáng)。FFD可作為協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備，支持任何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。精簡功效設(shè)備(RFD)只能接收和發(fā)送信號，其內(nèi)存小、功耗低、功效簡練，在網(wǎng)絡(luò)中只能作為終端設(shè)備使用。FFD能夠和FFD、RFD通信；而RFD只能和FFD通信，RFD之間通信只能經(jīng)過FFD轉(zhuǎn)發(fā)。FFD不僅能夠發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，還含有路由器功效。RFD應(yīng)用相對簡單，比如在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，它們只負(fù)責(zé)將采集數(shù)據(jù)發(fā)送給其父節(jié)點，并不含有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、路由發(fā)覺和路由維護(hù)等功效。就成本而言，RFD因為功效簡單、存放容量小，所以RFD相對于FFD含有較低成本。（2）ZigBee設(shè)備節(jié)點類型ZigBee網(wǎng)絡(luò)中依據(jù)設(shè)備所處角色不一樣定義了三種邏輯設(shè)備類型：協(xié)調(diào)器(Coordinator)、路由器(Router)和終端設(shè)備(EndDevice)。a、ZigBee協(xié)調(diào)器是三類設(shè)備中最為復(fù)雜一個。它存放容量最大、計算能力最強(qiáng)，所以必需是全功效設(shè)備FFD，而且一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)PAN(PersonalAreaNetwork)中也只能存在一個協(xié)調(diào)器。ZigBee協(xié)調(diào)器在運(yùn)行之前需要配置相關(guān)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(jìn)行初始化，首先掃描信道，選擇適宜信道，然后建立起自己網(wǎng)絡(luò)，許可其它設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)。工作狀態(tài)下，ZigBee協(xié)調(diào)器不僅要發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而且還需要管理網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備加入和離開，建立不一樣設(shè)備之間相關(guān)綁定信息，并處理多種設(shè)備和服務(wù)查詢請求。b、ZigBee路由器也是一個全功效設(shè)備FFD。它類似于IEEE802.15.4定義協(xié)調(diào)器。ZigBee路由器上電后，應(yīng)該加入或重新加入網(wǎng)絡(luò)。假如是加入新網(wǎng)絡(luò)，它需要掃描信道，選擇適宜網(wǎng)絡(luò)加入；假如是重新加入網(wǎng)絡(luò)，它需要掃描信道查找父設(shè)備。在加入網(wǎng)絡(luò)后它就自動取得一個16位網(wǎng)絡(luò)地址，并許可在其通信范圍內(nèi)其它節(jié)點加入或離開網(wǎng)絡(luò)，同時還含有路由和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)功效，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)備能夠由簡化功效設(shè)備RFD或全功效設(shè)備FFD組成。其關(guān)鍵負(fù)責(zé)和實際監(jiān)控對象相連，這種設(shè)備只和自己父節(jié)點主動通信，并從父節(jié)點處取得網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識和短地址信息，具體信息路由則全部由其父節(jié)點及網(wǎng)絡(luò)中含有路由功效協(xié)調(diào)器和路由節(jié)點完成。4、ZigBee工作模式ZigBee網(wǎng)絡(luò)工作模式能夠分為信標(biāo)(Beacon)模式和非信標(biāo)(Non-beacon)模式兩種。信標(biāo)模式能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中全部設(shè)備同時工作和同時休眠，以達(dá)成最大程度地節(jié)省功耗，而非信標(biāo)模式只許可ZE進(jìn)行周期性休眠，協(xié)調(diào)器和全部路由器設(shè)備長久處于工作狀態(tài)。5、IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)和Zigbee協(xié)議介紹IEEE(InstituteofElectricalandElectronicsEngineers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IEEE802.15.4技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是Zigbee技術(shù)基礎(chǔ)。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)制訂是為低能耗簡單設(shè)備提供有效覆蓋范圍在10m之內(nèi)低速連接，用于無線監(jiān)測、工業(yè)控制等消費(fèi)和商用應(yīng)用領(lǐng)域。IEEE802.15.4支持兩種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，即單跳星狀或當(dāng)通信線路超出10m時多跳對等拓?fù)?。不過對等拓?fù)溥壿嫿Y(jié)構(gòu)由網(wǎng)絡(luò)層定義。LR-WPAN中器件既能夠使用64位IEEE地址，也能夠使用在關(guān)聯(lián)過程中指配16位短地址。一個IEEE802.15.4網(wǎng)最多能夠容納216個器件。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)最關(guān)鍵特點是低功耗。因為在現(xiàn)實中用電池供電嵌入式器件，常常更換電池所產(chǎn)生費(fèi)用往往比器件本身成本還要高。所以在IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)制訂中，在數(shù)據(jù)傳輸過程中引入了節(jié)省功率機(jī)制。多數(shù)機(jī)制是基于信標(biāo)使能方法，關(guān)鍵是限制器件或協(xié)調(diào)器之收發(fā)信機(jī)開通時間，或在無數(shù)據(jù)傳輸時使它們處于休眠狀態(tài)用設(shè)備功耗量。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)里有三種不一樣數(shù)據(jù)傳輸方法從而突出了低功耗特點：間接數(shù)據(jù)傳輸、直接數(shù)據(jù)傳輸和有時隙確保數(shù)據(jù)傳輸。Zigbee網(wǎng)絡(luò)是一個高可靠性無線數(shù)字傳輸網(wǎng)絡(luò)，它可工作在三種流行無償頻段上(如全球流行2.4GHz、美國流行915MHz和歐洲流行868MHz)。其傳輸速率分別能夠達(dá)成250kbit/s、40kbit/s和20kbit/s。Zigbee是一組基于IEEE同意經(jīng)過IEEE802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。并由ZigbeeAlliance和IEEE802.15.4小組共同制訂了Zigbee技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。Zigbee棧體系結(jié)構(gòu)由一組稱為層塊兒組成。每個層為上層實施指定一套服務(wù)：數(shù)據(jù)實體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，管理實體提供全部其它服務(wù)。每個服務(wù)實體經(jīng)過一個服務(wù)接入點（SAP）為上層提供一個接口，每個SAP支持部分服務(wù)原語來完成必需功效。Zigbee網(wǎng)絡(luò)層（NWK）支持星形、樹狀形和網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)三種結(jié)構(gòu)。在星狀形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)里，整個網(wǎng)絡(luò)是由一個獨(dú)立通信設(shè)備Zigbee協(xié)調(diào)器來進(jìn)行控制。Zigbee協(xié)調(diào)器功效關(guān)鍵是負(fù)責(zé)對已連入網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點進(jìn)行控制和維護(hù)。在樹狀形拓?fù)浜途W(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)里，Zigbee協(xié)調(diào)器得功效關(guān)鍵是對已建立網(wǎng)絡(luò)中部分參數(shù)進(jìn)行選擇、確定和設(shè)置等。ZigBee網(wǎng)絡(luò)組建關(guān)鍵是為工業(yè)化現(xiàn)場實現(xiàn)自動化控制時對數(shù)據(jù)傳輸。它協(xié)議規(guī)范使得設(shè)備功耗低、工作可靠、工作安全、結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、使用方便等特點。而移動通信網(wǎng)CDMA網(wǎng)或GSM網(wǎng)關(guān)鍵是為用戶語音通信而建立，其單個基站費(fèi)用通常全部在百萬元以上，而Zigbee協(xié)議中每個Zigbee基站價值卻不到人民幣1000元?；谝陨蠈igbee節(jié)點分析，所以，我選擇使用ZigBee中CC2430芯片作為本論文中基站節(jié)點來應(yīng)用。4.2系統(tǒng)軟件設(shè)計4.2.1Zigbee網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計

傳感器網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計關(guān)鍵任務(wù)是無線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)、傳感器工作控制和數(shù)據(jù)采集和收發(fā)。傳感器節(jié)點關(guān)鍵實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和定時發(fā)送；路由節(jié)點實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)；匯聚節(jié)點首先負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)配置和管理，包含定義通信信道、網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符（PANID），配置網(wǎng)絡(luò)Profile,響應(yīng)節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)請求和綁定請求，為其它節(jié)點分配網(wǎng)絡(luò)地址等。其次還接收各傳感器節(jié)點發(fā)來數(shù)據(jù)，將其進(jìn)行匯聚后經(jīng)過RS-232串口傳給PC機(jī)終端。

首先上電初始化整個系統(tǒng)，開啟協(xié)調(diào)器建立一個新網(wǎng)絡(luò)，路由節(jié)點和傳感器節(jié)點尋求并加入網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器即可和終端節(jié)點進(jìn)行綁定。綁定完成后傳感器節(jié)點即可采集數(shù)據(jù)并發(fā)送數(shù)據(jù)，搜集節(jié)點負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)，并經(jīng)過RS232傳至PC顯示。路由節(jié)點步驟基礎(chǔ)和協(xié)調(diào)器相同，只是它將接收信息再轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器。4.2.2傳感器終端軟件設(shè)計在本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，每個終端設(shè)備全部含有一個固定地址，且該地址對應(yīng)溫室大棚中不一樣區(qū)域。該設(shè)備負(fù)責(zé)將本區(qū)域內(nèi)所測得原始數(shù)據(jù)發(fā)送至中央控制設(shè)備，并在接收來自中央控制設(shè)備控制命令后，驅(qū)動對應(yīng)設(shè)備實施該命令，其工作步驟圖4-7所表示。圖4-7傳感器終端設(shè)備步驟圖4.3服務(wù)端設(shè)計和實現(xiàn)服務(wù)端關(guān)鍵是經(jīng)過串口線從基站獲取到各個傳感器數(shù)據(jù)采集節(jié)點傳輸過來溫濕度數(shù)據(jù)，并存放在服務(wù)端數(shù)據(jù)庫上，接著將每條數(shù)據(jù)經(jīng)過SIM300GPRS功效將其發(fā)送到遠(yuǎn)程主機(jī)上。服務(wù)端程序也是由MFC來完成其界面。經(jīng)過串口響應(yīng)來接收溫濕度數(shù)據(jù)，接著讀取服務(wù)端系統(tǒng)時間，并解碼溫濕度數(shù)據(jù)，然后再依據(jù)解碼得到數(shù)據(jù)將其繼續(xù)編碼最終經(jīng)過GPRS發(fā)送到遠(yuǎn)程主機(jī)端上；接著將已重新編碼數(shù)據(jù)經(jīng)過GPRSAT指令發(fā)往SIM300模塊，經(jīng)過GPRS網(wǎng)絡(luò)往遠(yuǎn)程主機(jī)端上發(fā)送；最終將收到數(shù)據(jù)經(jīng)過一定代碼組織將其寫入數(shù)據(jù)庫。4.4遠(yuǎn)程主機(jī)端設(shè)計和實現(xiàn)遠(yuǎn)程主機(jī)端關(guān)鍵是負(fù)責(zé)從基站接收數(shù)據(jù)，并解析、取舍、解碼溫濕度數(shù)據(jù)，然后將接收時間、節(jié)點號、溫濕度值全部存放在主機(jī)數(shù)據(jù)庫中，從而為應(yīng)用軟件提供服務(wù)。服務(wù)器端應(yīng)用軟件設(shè)計有用戶操作界面和數(shù)據(jù)庫存放設(shè)計。它關(guān)鍵實現(xiàn)以下多個方面功效：1、用戶登錄：該功效模塊是在打開應(yīng)用軟件時必需要求用戶實施一個操作。2、溫濕度數(shù)據(jù)顯示：這里將實時顯示從基站傳過來溫濕度數(shù)據(jù)，讓用戶直觀看到大棚什么時候、哪個節(jié)點(哪里)溫濕度數(shù)據(jù)。另外在收到正確數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)將會將這些數(shù)據(jù)寫到數(shù)據(jù)庫中保留起來。3、報警功效：系統(tǒng)應(yīng)該處理大棚中溫濕度超標(biāo)時情況，所以應(yīng)用軟件在操作界面應(yīng)該有該功效。為了降低因為偶然原因引發(fā)誤報警，在某個節(jié)點在溫濕度連續(xù)搜集3次值全部超出臨界值，那么系統(tǒng)將給報警。而報警處理方法就是在界面上形成視覺反差從而引發(fā)用戶注意。4、歷史數(shù)據(jù)查詢：這個是為了方便用戶查看歷史數(shù)據(jù)而設(shè)定功效。它包含歷