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: 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(shù)41.1.1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生背景41.2 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)種植環(huán)境中的應用51.2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(shù)實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全有效監(jiān)管52 基本原理62.1硬件方面62.1.1芯片SHT10介紹62.1.2 CC2530介紹72.2 軟件方面92.2.1 ZigBee技術(shù)92.2.2 ZigBee特點112.2.3 ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)12

2、2.2.4 無線傳感器網(wǎng)絡153 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)種植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設計173.1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)種植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)關鍵技術(shù)173.2 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)種植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)建構(gòu)173.3農(nóng)業(yè)種植監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建183.3.1 系統(tǒng)硬件構(gòu)建183.3.2 系統(tǒng)軟件構(gòu)建183.33 編碼20四 總結(jié)22五 參考文獻23六 致謝信24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(shù)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、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

3、化種植、可視化管理、智能化決策?；赯igbee技術(shù)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(shù)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)Internet通信網(wǎng)關和超出物聯(lián)Internet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

4、期傳輸和控制的效果?；谙冗M的Zigbee技術(shù)，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，CC2530，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(jié)構(gòu)、改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)和質(zhì)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(shù)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

5、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(shù)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(shù)的農(nóng)業(yè)種植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，能夠極大地推進高現(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(zhì)量。1.1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)1.1.1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生背

6、景 農(nóng)業(yè)信息技術(shù)是我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技的重要內(nèi)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(shù)，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)技術(shù)在農(nóng)業(yè)種植環(huán)境中的應用1.2.1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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)

7、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(shù)實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全有效監(jiān)管農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(shù)等關鍵技術(shù)，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(zhì)量安全有效地監(jiān)管。2 基本原理本實驗將使用CC2530讀取溫濕度傳感器SHT10的溫度和濕度數(shù)據(jù)， 并通過CC2530內(nèi)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(zhuǎn)換然后在LCD上顯示。其中

8、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。對光照的采集使用內(nèi)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CMOSens 技術(shù)，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(zhuǎn)換器以及串行接口電路實現(xiàn)無縫連接。SHT10 引腳特性如下：1. VDD，GND SHT10 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)

9、。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(qū)動 DATA 在低電平。需要一個外部的上拉電阻（例如：10k）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

10、輸”時序，來表示數(shù)據(jù)傳輸?shù)某跏蓟Ｋǎ寒?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。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（ACK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（表示相對濕度 RH，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 11/55/210ms，分別對應 8/12/1

11、4bit 測量。確切的時間隨內(nèi)部晶振速度，最多有15%變化。SHTxx 通過下拉 DATA 至低電平并進入空閑模式，表示測量的結(jié)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

12、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，SHTxx 自動轉(zhuǎn)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)寄存器內(nèi)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為強大的網(wǎng)絡節(jié)點。CC2530 芯片結(jié)合了RF 收發(fā)器

13、，增強型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)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(zhuǎn)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/

14、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0.2A，在32 k晶體時鐘下運行，電流消耗小于1A。CC2530芯片使用直接正交上變頻發(fā)送數(shù)據(jù)?；鶐盘柕耐喾至亢驼环至坑蒁AC轉(zhuǎn)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，包頭是通過硬件產(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，芯片內(nèi)部已集成了收發(fā)開關。CC2530的存儲器ST-M25PE16是4線的S

15、PI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25.77.5mm。該天線完全能夠滿足CC2530工作頻段的要求（CC2530工作頻段為2.400GHz2.480GHz）。 圖1.CC2530芯片引腳CC2530芯片引腳功能AVDD1 28 電源（模擬） 2-V3.6-V 模擬電源連接AVDD2 27 電源（模擬） 2-V3.6-V 模擬電源連接AVDD3 24 電源（模擬） 2-V3.6-V 模擬電源連接AVDD4 29 電源

16、（模擬） 2-V3.6-V 模擬電源連接AVDD5 21 電源（模擬） 2-V3.6-V 模擬電源連接AVDD6 31 電源（模擬） 2-V3.6-V 模擬電源連接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-V3.6-V 數(shù)字電源連接DVDD2 10 電源（數(shù)字） 2-V3.6-V 數(shù)字電源連接GND - 接地 接地襯墊必須連接到一個堅固的接地面。GND 1，2，3，4 未使用的連接到GNDP0_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

17、/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-mA 驅(qū)動能力P1_1 9 數(shù)字I/O 端口1.1-20-mA 驅(qū)動能力P1_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1.5P1_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 34 數(shù)

18、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(shù)蜜蜂在發(fā)現(xiàn)花叢后會通過一

19、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(shù)的命名。在此之前ZigBee也被稱為“HomeRF Lite”、“RF- EasyLink”或“fireFly”無線電技術(shù)，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)絡范圍內(nèi)，每一個ZigBee網(wǎng)

20、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(zhuǎn)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范圍內(nèi)，和多個不承擔網(wǎng)絡信息中轉(zhuǎn)任務的孤

21、立的子節(jié)點(RFD)無線連接。ZigBee技術(shù)是一種具有統(tǒng)一技術(shù)標準的短距離無線通信技術(shù)，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(shù)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(shù)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16個信道，該頻段為全球通用的工業(yè)、科學、

22、醫(yī)學（indus- trial，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 250Kbs；另外兩個頻段為915868MHz，其相應的信道個數(shù)分別為10個和1個，傳輸速率分別為40Kbs和ZOKbs，868MHz和 915MHz無線電使用直接序列擴頻技術(shù)和二進制相移鍵控（BPSK）調(diào)制技術(shù)。2.4GHz無線電使用DSSS和偏移正交相移鍵控（OQPSK）。在組網(wǎng)性能上，ZigBee可以構(gòu)造為星形網(wǎng)絡或者點對點對等網(wǎng)絡，在每一個ZigBee組成的無線網(wǎng)絡中，連接地址碼分為16b短地址或者64b長地址，可容納的最大設各個數(shù)

23、分別為216和264個，具有較大的網(wǎng)絡容量。在無線通信技術(shù)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(zhì)量指示能力，根據(jù)這些檢測結(jié)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(zhì)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)的安全保密性，ZigBee技術(shù)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 ZigBee特點ZigBee技術(shù)則致力于提供一種廉價的固定、便攜或者移

24、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(shù)。這種無線通信技術(shù)具有如下特點：（1）數(shù)據(jù)傳輸速率低只有10250Kbs，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(shù)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1W。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、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)

25、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(shù)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(zhì)鏈路層（以MAC層）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)目煽啃?。同時為需要固定

26、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)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)

27、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(shù)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-CA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(quán)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)提供足夠的安全保護，器件就可以選擇這種方式來轉(zhuǎn)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

28、加密措施。第三級安全級別在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)ZigBee技術(shù)的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)很簡單，不像諸如藍牙和其他網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，這些網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)通常分為7層，而ZigBee技術(shù)僅分為4層。在ZigBee技術(shù)中，PHY層和 MAC層采用IEEE 802

29、.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PHY層數(shù)據(jù)和PHY層管理提供服務。PHY層數(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)。PHY層的特征是啟動和關閉無線收發(fā)器，能量監(jiān)測，鏈路質(zhì)量，信道選擇，清除信道評估，以及通過物理介質(zhì)對數(shù)據(jù)包進行發(fā)送和接收。同樣，MAC層也提供了兩種類型的服務：通過MAC層管理實體服務接人點向MAC層數(shù)據(jù)和MAC層管理提供服務。MAC層數(shù)據(jù)服務可以通過PHY層數(shù)據(jù)服務發(fā)送和接收MAC層協(xié)議數(shù)據(jù)單元。MAC層的具體特征是：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，MAC層為應

30、用合適的安全機制提供一些方法。ZigBee技術(shù)的網(wǎng)絡安全層主要用于ZigBee的WPAN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(shù)的實際應用提供一些應用框架模型等，以便對ZigBee技術(shù)進行開發(fā)應用。圖2 ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)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(zhì)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

31、；支持ZigBee設備的關聯(lián)和取消關聯(lián)；支持設備加密；在信道訪問方面，采用CSMA/CA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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)交。并且，網(wǎng)絡層完成對一跳(onehop)鄰居設備的發(fā)現(xiàn)和相關結(jié)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

32、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 802154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)姆战涌?。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(NLDESAP)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(NLMESAP)來提供管理服務。NLME可以利用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

33、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(APDU)。NLDE提供的服務有：產(chǎn)生網(wǎng)絡協(xié)議數(shù)據(jù)單元(NPDU)和選擇通信路由。選擇通信路由，在通信中，NLDE要發(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。NLME需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

34、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1

35、6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。2.2.4 無線傳感器網(wǎng)絡WSN是wireless

36、 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)域內(nèi)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(gòu)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，MEMS）、片上系統(tǒng)（SOC，System on Chip）、無線通信和低功耗嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，孕育出無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Networks，WSN），并以其低功耗、低成本、分布式和自組織

37、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)域內(nèi)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。 很多人都認為，這項技術(shù)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

38、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法正常工作。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)品也會在幾年之內(nèi)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。基于MEMS的微傳感技術(shù)和無線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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、

39、保健、家居、工業(yè)、商業(yè)等領域。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(shù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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(shù)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(gòu)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)種植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)如圖3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)種植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)框圖基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)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

40、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，為用戶提供分析 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(gòu)建3.3.1 系統(tǒng)硬件構(gòu)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(gòu)建如圖2所示。圖4 農(nóng)業(yè)種植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)硬件構(gòu)建在以上設計的硬件系統(tǒng)中，以MCU為控制中心，

41、電池模塊對系統(tǒng)供電和連接，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。3.3.2 系統(tǒng)軟件構(gòu)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。圖5 傳感器節(jié)點程序設計圖6 網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器軟件流程圖3.33 編碼void main() int wendu; int shidu; char s16; UINT8 adc0_value2; float shuzi = 0;SET_MAIN_CLOCK_SOURCE(CRYSTAL);

42、/ 設置系統(tǒng)時鐘源為 32MHz 晶體振蕩器GUI_Init(); / GUI 初始化GUI_SetColor(1,0); / 顯示色為亮點，背景色為暗點GUI_PutString5_7(25,6,OURS-CC2530); /顯示 OURS-CC2530GUI_PutString5_7(10,22,Temp:);GUI_PutString5_7(10,35,Humi:);GUI_PutString5_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%d C, (INT16)(int)tempera / 10),(INT16)(int)tempera % 10); /將采集的溫度結(jié)果轉(zhuǎn)換為字符串格式 GUI_PutString5_7(48,22,(char *)s);