zigbee的智能農(nóng)場(chǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

...wd......wd......wd...題目：基于Zigbee智能農(nóng)場(chǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案2014年12月16日摘要物聯(lián)網(wǎng)作為信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮,在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用將會(huì)解決一系列科學(xué)技術(shù)問題,例如分布在廣域空間的信息獲取,高效可靠的信息傳輸以及面向不同應(yīng)用的智能決策等,將是實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變的助推器和加速器。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中,溫度、濕度、光照強(qiáng)度CO?濃度、水分以及其他養(yǎng)分等多種自然因素共同影響農(nóng)作物的生長(zhǎng),傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的管理方式遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有到達(dá)精細(xì)化管理的標(biāo)準(zhǔn),只能算是粗放式管理,在這種管理方式下,通過人的感知能力管理上述環(huán)境參數(shù),無法到達(dá)準(zhǔn)確性要求,要實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的智能化管理,建設(shè)一個(gè)實(shí)用、可靠、可長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是非常必要的。因此,本文設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng),該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的獲取農(nóng)作物生長(zhǎng)的環(huán)境信息并對(duì)這些信息進(jìn)展遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)。為了提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，降低人工勞動(dòng)量，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化，設(shè)計(jì)了基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)的空氣溫度、土壤溫濕度、光照度、CO?濃度等數(shù)據(jù)信息的采集、傳輸和處理，并能對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)展自動(dòng)調(diào)節(jié)，使農(nóng)作物處于最正確生長(zhǎng)環(huán)境，有效提高農(nóng)作物產(chǎn)量，具有很高的實(shí)用推廣價(jià)值。關(guān)鍵詞：ZigBee；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；智能農(nóng)業(yè)；農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；ABSTRACTAsthethirdwaveintheinformationindustry,TheInternetofThingsapplicationsinagriculturewillbeaddressedinaseriesofscientificandtechnicalissues,suchasobtaininginformationfromwideareaspatialdistribution,realizingefficientandreliabletransmissionofinformationandmakingintelligentdecisionsfordifferentapplicationrequirementsandenvironments,anditwillbetheboosterandacceleratortoachievethetransitionfromtraditionaltomodernagriculture.Intheprocessofagriculturalproduction,avarietyofnaturalfactorssuchastemperature,humidity,illuminationintensity,theCO?concentration,moisture,andotherelementsjointlyaffectthegrowthofcrops.Traditionalagriculturalmanagementisfarfromreachingthestandardsofmeticulousmanagement,whichcanonlyberegardedasextensivemanagement.Inthisway,managingtheenvironmentalparametersbyhumanperceptionisunabletomeettheaccuracyrequirements.Toachievetheintelligentmanagement,theestablishmentofapractical,reliable,long-termmonitoringagriculturalenvironmentalmonitoringsystemisverynecessary.Forthisreason,anintelligentagriculturemonitoringsystemisdesignedinthispaperbasedonTheInternetofThings.Thesystemcangetthecropgrowthenvironmentalinformationaccuratelyandinreal-time,itcanalsomonitortheseinformationremotely.Inordertoimprovetheefficiencyofagriculturalproduction，reducetheamountoflabor，achievetheintelligentagriculture，asmartagriculturalmanagementsystembasedonZigBeewirelesssensornetworkswasdesigned．Thesystemcancompletethecollection，transmission，processingofthefacilityagriculturedataandinformation，suchasairtemperature，soiltemperatureandhumidity，lightintensity，carbondioxideconcentration，andcanautomaticallyadjustthecropgrowthenvironment，makethecropsinthebestgrowingenvironment．Therebythesystemcaneffectivelyincreasecropyieldsandhashighpracticalvaluetopopularize．Keywords:ZigBee；intelligentagriculture；AgricultureofThings目錄TOC\o"1-3"\u摘要2ABSTRACT3目錄4第一章緒論61.1課題的研究背景61.2課題研究的目的與意義61.2.1課題研究目的71.2.2課題現(xiàn)實(shí)意義7第二章智能農(nóng)場(chǎng)開發(fā)根基92.1物聯(lián)網(wǎng)簡(jiǎn)介92.1.1物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)涵92.1.2物聯(lián)網(wǎng)體系構(gòu)造92.2農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)102.2.1農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)涵102.1.2農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系構(gòu)造112.3農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)122.3.1ZigBee技術(shù)特點(diǎn)122.3.2ZigBee協(xié)議構(gòu)架132.3.3ZigBee物理層標(biāo)準(zhǔn)142.3.4ZigBeeMAC層標(biāo)準(zhǔn)152.3.5ZigBee網(wǎng)絡(luò)層標(biāo)準(zhǔn)162.3.6ZigBee應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)16第三章系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合處理183.1數(shù)據(jù)融合的原理及意義183.1.1數(shù)據(jù)融合的原理183.1.2數(shù)據(jù)融合的意義183.2數(shù)據(jù)融合的分類與方法19第四章智能農(nóng)場(chǎng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)214.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)214.2傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)224.2.1硬件設(shè)計(jì)方案224.2.2處理器模塊234.2.3外部傳感器模塊254.2.4無線通信模塊254.3傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)274.3.1節(jié)點(diǎn)軟件開發(fā)環(huán)境274.3.2Z-Stack協(xié)議找研究274.3.3網(wǎng)絡(luò)組建284.3.4數(shù)據(jù)傳輸304.4智能農(nóng)場(chǎng)處理中心的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)33第五章結(jié)論36致謝37參考文獻(xiàn)38第一章緒論1.1課題的研究背景農(nóng)業(yè)歷來被認(rèn)為是穩(wěn)民心、安天下的產(chǎn)業(yè),我國(guó)人口占世界總?cè)丝诘?2%,耕地面積卻缺乏世界耕地面積的7%,一直創(chuàng)造著以缺乏世界7%的耕地養(yǎng)活世界近22%人口的奇跡。隨著經(jīng)濟(jì)的高速開展,資源短缺、環(huán)境惡化與人口劇增的矛盾越來越突出,我國(guó)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)在走過了近30年的以資源換產(chǎn)量、以高投入換糧食增產(chǎn)的道路后不得不面對(duì)因根基薄弱、科技含量缺乏、生產(chǎn)技術(shù)落后而導(dǎo)致的農(nóng)業(yè)產(chǎn)量增長(zhǎng)緩慢、生產(chǎn)效益低下、農(nóng)業(yè)不能得到很好的開展等諸多問題。我國(guó)要開展現(xiàn)代化信息化農(nóng)業(yè),同樣有諸多問題亟需解決,例如資源緊缺的問題,僅水資源緊缺就會(huì)嚴(yán)重影響我國(guó)農(nóng)作物產(chǎn)量,還有生態(tài)環(huán)境惡化的問題,生態(tài)環(huán)境退化會(huì)帶來非常嚴(yán)重的土壤退化,不利于我國(guó)農(nóng)業(yè)長(zhǎng)期開展,還有我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品安全問題將直接影響國(guó)民的正常生活。為了保障我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量供應(yīng),同時(shí)保證我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品食物安全和農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境安全,提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營(yíng)精細(xì)化管理水平,實(shí)現(xiàn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)可持續(xù)開展,我們必須根據(jù)農(nóng)業(yè)開展的實(shí)際需求,掌握農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù),加快開展現(xiàn)代化、信息化、智能化農(nóng)業(yè),到達(dá)提高我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、合理利用農(nóng)業(yè)資源、改善生態(tài)環(huán)境的目的,從而推動(dòng)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)迅速開展并推動(dòng)中國(guó)經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)。作為信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以在土壤和水資源的可持續(xù)利用、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程精細(xì)化管理、農(nóng)產(chǎn)品與食品安全可追溯系統(tǒng)和大型農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)服務(wù)調(diào)度、遠(yuǎn)程工況監(jiān)測(cè)與故障診斷等多個(gè)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域開展。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過信息感知技術(shù)可以獲取更多的信息,包括作物信息、農(nóng)業(yè)環(huán)境信息、農(nóng)機(jī)作業(yè)信息等,為智能農(nóng)業(yè)提供更加豐富的實(shí)時(shí)信息,通過全面互聯(lián)共享可以獲得更多的網(wǎng)絡(luò)服務(wù),提高智能農(nóng)業(yè)科學(xué)決策水平和作業(yè)實(shí)施水平。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)必將為改造傳統(tǒng)農(nóng)業(yè),改變農(nóng)業(yè)增產(chǎn)方式,開展信息化、智能化、可持續(xù)開展的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)揮重要作用,引領(lǐng)我國(guó)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的未來開展。我國(guó)?國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)開展規(guī)劃綱要?中,明確將“傳感器網(wǎng)絡(luò)及智能信息處理〞作為“重點(diǎn)領(lǐng)域及其優(yōu)先主題〞,“農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)〞己經(jīng)納入“十二五〞“863〞方案開展綱要,作為物聯(lián)網(wǎng)重要分支之一的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)必將在我國(guó)具有廣闊的應(yīng)用前景。1.2課題研究的目的與意義1.2.1課題研究目的在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中,溫度、濕度、光照強(qiáng)度、C02濃度、水分、以及其他養(yǎng)分等多種自然因素共同影響農(nóng)作物生長(zhǎng)。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的管理方式遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有到達(dá)精細(xì)化管理的標(biāo)準(zhǔn),只能算是粗放式管理,在這種管理方式下,通過人的感知能力來管理上述環(huán)境參數(shù),是無法到達(dá)準(zhǔn)確性要求的。而智能農(nóng)業(yè),是通信、計(jì)算機(jī)和農(nóng)學(xué)等假設(shè)干學(xué)科和領(lǐng)域共同開展并相互結(jié)合所形成的產(chǎn)物,它將信息采集、傳輸、處理和控制集成在一起,使人們更容易獲得農(nóng)作物生長(zhǎng)各個(gè)階段的各類信息,也讓人們更容易掌控這些信息,通過人工智能與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的結(jié)合真正實(shí)現(xiàn)人與自然的交互。智能農(nóng)業(yè)的核心問題可以概括為以下四局部,即農(nóng)業(yè)信息的獲取、對(duì)所獲取信息的管理、經(jīng)信息分析做出的決策、由決策而決定的具體實(shí)施方針,在這四局部中,對(duì)農(nóng)業(yè)信息的獲取是智能農(nóng)業(yè)的起點(diǎn),也是非常關(guān)鍵的一點(diǎn),做不到準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的獲取農(nóng)業(yè)信息,就無法建造真正的智能農(nóng)業(yè)。而實(shí)現(xiàn)智能農(nóng)業(yè),建設(shè)一個(gè)實(shí)用、可靠、可長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是非常必要的。隨著通信、計(jì)算機(jī)、傳感網(wǎng)等技術(shù)的迅猛開展,將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中己經(jīng)是目前的開展趨勢(shì),它將采集到的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、土壤水分、土壤溫度、植物生長(zhǎng)狀況等農(nóng)業(yè)信息進(jìn)展加工、傳輸和利用,為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在各個(gè)時(shí)期的精準(zhǔn)管理和預(yù)測(cè)預(yù)警提供信息支持,追求以最少的資源消耗獲得最大的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)出,使農(nóng)業(yè)增長(zhǎng)由主要依賴自然條件和自然資源向主要依賴信息資源轉(zhuǎn)變,使不可控的產(chǎn)業(yè)得以有效控制。本文采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù),將物聯(lián)網(wǎng)與農(nóng)業(yè)信息的采集相結(jié)合,設(shè)計(jì)了基于zigbee的智能農(nóng)場(chǎng)設(shè)計(jì)系統(tǒng),目的是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi),無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)組網(wǎng)、影響農(nóng)作物生長(zhǎng)的環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)采集以及上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件的數(shù)據(jù)分析和遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè),同時(shí)為了降低傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗、提高采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度,提出了KDF算法用于數(shù)據(jù)處理。1.2.2課題現(xiàn)實(shí)意義與傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)相比,本文設(shè)計(jì)的智能農(nóng)場(chǎng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn):(1)無線傳感器節(jié)點(diǎn)能夠自動(dòng)組網(wǎng)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的某個(gè)節(jié)點(diǎn)因電池耗盡或者節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障等原因停頓工作時(shí),傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)會(huì)動(dòng)態(tài)的增加或者減少,整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)錁?gòu)造會(huì)隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。本文設(shè)計(jì)的無線傳感器節(jié)點(diǎn),能夠在無任何人工幫助的情況下,通過控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錂C(jī)制和遵守網(wǎng)絡(luò)形成協(xié)議來自動(dòng)形成具有轉(zhuǎn)發(fā)大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)功能的多跳自組織網(wǎng)絡(luò),并且能夠保證網(wǎng)絡(luò)形成后一直工作,具有很高的魯棒性和可靠性。(2)無線傳感器節(jié)點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)低功耗并且獲得高準(zhǔn)確度的數(shù)據(jù)。由于傳感器節(jié)點(diǎn)尺寸小,只能采取電池供電,而電池能量有限,傳感器節(jié)點(diǎn)均分布在田間,數(shù)量龐大且分布廣泛,經(jīng)常更換電池會(huì)帶來非常繁瑣且繁重的工作量。如何減少節(jié)點(diǎn)的功耗,延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)壽命,對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定、高效運(yùn)行是至關(guān)重要的,同時(shí),由于采集和傳輸過程中周圍環(huán)境的干擾,數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性有待提高。本文采用基于卡爾曼濾波的數(shù)據(jù)融合方法解決這兩個(gè)問題。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,處理器進(jìn)展數(shù)據(jù)計(jì)算所消耗的能量,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于數(shù)據(jù)在通信過程中消耗的能量,本文的數(shù)據(jù)融合,是在節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)之后到發(fā)送數(shù)據(jù)之前進(jìn)展的數(shù)據(jù)冗余處理,有效減少了無線傳輸過程中的數(shù)據(jù)傳輸量,到達(dá)節(jié)能的目的,并且卡爾曼濾波可以有效消除感知數(shù)據(jù)的干擾及不確定性,從而獲得更加準(zhǔn)確可靠的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)。(3)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)資源共享。將Web協(xié)議移植到系統(tǒng)中,將系統(tǒng)通過Tomcat服務(wù)器在線發(fā)布,系統(tǒng)便可以接入到Internet中,實(shí)現(xiàn)“底層(傳感器)一Internet網(wǎng)絡(luò)一遠(yuǎn)程監(jiān)控〞的構(gòu)造,能夠?qū)⒄麄€(gè)系統(tǒng)的信息發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)上,既可以隨時(shí)隨地對(duì)影響農(nóng)作物的環(huán)境參數(shù)進(jìn)展監(jiān)測(cè),又實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)信息資源的共享,為今后物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域中的進(jìn)一步研究與探索奠定了重要的技術(shù)根基。(4)網(wǎng)絡(luò)部署方便。傳感器節(jié)點(diǎn)在監(jiān)測(cè)區(qū)域要大量部署,為了對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)本身特性不構(gòu)成影響并且方便部署,傳感器節(jié)點(diǎn)體積要盡可能小。本系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)采用微型化設(shè)計(jì),部署一次就可以長(zhǎng)期穩(wěn)定工作,不容易受到人為因素的影響。(5)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)低成本。系統(tǒng)中傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大且功能簡(jiǎn)單,單個(gè)節(jié)點(diǎn)的造價(jià)能夠極大的影響整個(gè)系統(tǒng)的成本。所以,在保證節(jié)點(diǎn)性能的前提下應(yīng)該盡可能降低單個(gè)節(jié)點(diǎn)的成本,本系統(tǒng)的傳感器節(jié)點(diǎn)在保證電路正常、穩(wěn)定工作的前提下,采用盡可能少的使用電子元器件的方式設(shè)計(jì),有效降低整個(gè)系統(tǒng)的成本。(6)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高精度采集。無線傳感器節(jié)點(diǎn)具有一定的存儲(chǔ)和計(jì)算能力。盡管無線傳感器節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)分布密度大且數(shù)據(jù)采集量大,每個(gè)節(jié)點(diǎn)均能將監(jiān)測(cè)區(qū)域釆集到的大量環(huán)境信息高精度地傳至上位機(jī)存儲(chǔ)分析。第二章智能農(nóng)場(chǎng)開發(fā)根基2.1物聯(lián)網(wǎng)簡(jiǎn)介2.1.1物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)涵物聯(lián)網(wǎng)(TheInternetofThings,IOT),既“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)〞。目前,關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)比較準(zhǔn)確的定義是:物聯(lián)網(wǎng)是通過各種感知設(shè)備和系統(tǒng)、條碼與二維碼、全球定位系統(tǒng),按照約定的通信協(xié)議,將物與物、人與物、人與人連接起來,通過各種接入網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)進(jìn)展信息交換,以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種信息網(wǎng)絡(luò),在這種網(wǎng)絡(luò)中,每一個(gè)物件都可以尋址,每一個(gè)物件都可以控制,每一個(gè)物件都可以通信。物聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)是有著本質(zhì)區(qū)別的,二者的區(qū)別在于:首先,物聯(lián)網(wǎng)是對(duì)具有全面感知能力的物體和人的互聯(lián)集合,物聯(lián)網(wǎng)全面感知的目的是隨時(shí)隨地對(duì)物體進(jìn)展信息采集和獲取,采用的技術(shù)手段主要有RFID技術(shù)、二維碼技術(shù)、GPS技術(shù)、傳感器技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等。物聯(lián)網(wǎng)作為各種感知技術(shù)的綜合應(yīng)用,其應(yīng)用過程需要多種類型的傳感器,這些能夠捕獲不同信息且具有不同信息格式的傳感器都作為不同的信息源,按一定規(guī)律采集所需要的信息,并且傳感器上傳的數(shù)據(jù)具有實(shí)時(shí)性;其次,物聯(lián)網(wǎng)對(duì)數(shù)據(jù)具有可靠傳送能力,物聯(lián)網(wǎng)上的傳感器數(shù)量極其龐大,形成了海量的采集信息,這就要求物聯(lián)網(wǎng)必須適應(yīng)各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議以確保傳輸過程中數(shù)據(jù)的正確性和及時(shí)性,物聯(lián)網(wǎng)是一種建設(shè)在互聯(lián)網(wǎng)上的網(wǎng)絡(luò),作為互聯(lián)網(wǎng)的延伸,物聯(lián)網(wǎng)能夠遵循約定的通信協(xié)議,通過相應(yīng)的軟硬件實(shí)現(xiàn)規(guī)定的通信規(guī)那么,將各種有線和無線網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)融合,準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地將采集到的物體信息傳遞出去;最后,物聯(lián)網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)智能處理,智能處理可以說是物聯(lián)網(wǎng)最為核心和關(guān)鍵的局部,也是物聯(lián)網(wǎng)能夠得到廣泛應(yīng)用的根基,它能夠綜合應(yīng)用當(dāng)前各個(gè)學(xué)科比較前沿的技術(shù),對(duì)己經(jīng)經(jīng)過感知層全面感知和傳輸層可靠無誤傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)展全面的分析和處理,為人們當(dāng)前從事的各種活動(dòng)作出指導(dǎo),這種指導(dǎo)具有前瞻性,且通常是智能化的,并且在物聯(lián)網(wǎng)中,不僅僅提供了傳感器與互聯(lián)網(wǎng)等各種網(wǎng)絡(luò)的連接,物聯(lián)網(wǎng)自身也可以進(jìn)展智能處理,具有對(duì)物體實(shí)施智能控制的能力。物聯(lián)網(wǎng)將傳感器技術(shù)和智能處理技術(shù)相融合,結(jié)合云計(jì)算、模式識(shí)別等各種智能技術(shù),擴(kuò)大其應(yīng)用領(lǐng)域。2.1.2物聯(lián)網(wǎng)體系構(gòu)造根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的基本特征,物聯(lián)網(wǎng)的體系構(gòu)造被分為物聯(lián)網(wǎng)的感知層、物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層、物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層三個(gè)層次。物聯(lián)網(wǎng)的感知層是物聯(lián)網(wǎng)開展和應(yīng)用的根基,這一層的功能是使用傳感器進(jìn)展物理世界信息的采集。這一層最常用到的技術(shù)有射頻識(shí)別技術(shù)、傳感技術(shù)、遠(yuǎn)程操作技術(shù)以及ZigBee技術(shù)等。物體本身不具備通信能力,感知層用傳感器和RFID技術(shù)對(duì)各種物體進(jìn)展標(biāo)識(shí),通過短距離無線通信技術(shù)等通信子層的通信模塊與網(wǎng)關(guān)交互信息。感知層設(shè)備具有多種延伸網(wǎng),包括傳感網(wǎng)、無線個(gè)域網(wǎng)(WPAN)、家庭網(wǎng)、工業(yè)總線等,也可以先組成延伸網(wǎng)再與網(wǎng)關(guān)交互。物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層建設(shè)在現(xiàn)有的移動(dòng)通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)根基上,網(wǎng)絡(luò)層的主要作用之一是利用可以連入互聯(lián)網(wǎng)的各種類型的網(wǎng)絡(luò),將數(shù)據(jù)和控制指令進(jìn)展安全可靠、準(zhǔn)確有效的傳輸,同時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸過程中的通信算法。對(duì)感知層上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)展存儲(chǔ)分析也是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層的重要組成局部,是應(yīng)用層眾多應(yīng)用的根基。物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)了研究和開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)的目的和意義,這一層在前兩層的根基上,結(jié)合相應(yīng)的軟、硬件幵發(fā)和智能控制技術(shù),為人們呈現(xiàn)出一個(gè)無限互聯(lián)、滿意服務(wù)、隨心控制的全新世界。該層包括為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供通用支撐服務(wù)和調(diào)用接口的應(yīng)用支撐子層以及各種具體的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用fioj,物聯(lián)網(wǎng)的具體應(yīng)用可以分為監(jiān)控類型的應(yīng)用,比方物聯(lián)網(wǎng)在智能環(huán)保和智能司法方面的應(yīng)用;控制類型的應(yīng)用,比方物聯(lián)網(wǎng)在智能交通和智能家居方面的應(yīng)用;查詢類型的應(yīng)用,比方物聯(lián)網(wǎng)在智能城市和智能交通方面的應(yīng)用;掃描類型的應(yīng)用,比方物聯(lián)網(wǎng)在手機(jī)錢包和高速公路不停車收費(fèi)方面的應(yīng)用。總之,物聯(lián)網(wǎng)可以應(yīng)用到與人們生活息息相關(guān)的各個(gè)領(lǐng)域。對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的研宄仍在繼續(xù),物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域也正在不斷拓寬,隨著各項(xiàng)支持物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)的開展,物聯(lián)網(wǎng)一定能夠帶給人類更便捷、更貼心的應(yīng)用。2.2農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)2.2.1農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)涵當(dāng)前,我國(guó)正處在從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)迅速推進(jìn)的過程當(dāng)中,現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的開展從生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、管理到服務(wù),各個(gè)環(huán)節(jié)都迫切呼喚信息技術(shù)的支持。物聯(lián)網(wǎng)浪潮的到來,為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的開展創(chuàng)造了前所未有的機(jī)遇,改造傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)并開展現(xiàn)代農(nóng)業(yè),迫切需要使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)大田種植、設(shè)施園藝、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)產(chǎn)品物流等農(nóng)業(yè)行業(yè)領(lǐng)域的各種農(nóng)業(yè)要素實(shí)施數(shù)字化設(shè)計(jì)、智能化控制、精準(zhǔn)化運(yùn)行和科學(xué)化管理,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各種農(nóng)業(yè)要素的“全面感知、可靠傳輸和智能處理〞,進(jìn)而到達(dá)高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)、生態(tài)、安全的目標(biāo)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在經(jīng)過十幾年的在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用和不斷開展,已經(jīng)與農(nóng)業(yè)領(lǐng)域嚴(yán)密結(jié)合,形成了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。研究農(nóng)業(yè)的著名學(xué)者、中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)李道亮教授在經(jīng)過十幾年對(duì)信息化技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的探索和研宄以后,給出如下結(jié)論:“農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)就是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)、管理和服務(wù)中的具體應(yīng)用,即運(yùn)用各類傳感器、RFID等感知設(shè)備,廣泛地采集大田種植、設(shè)施園藝、畜禽水產(chǎn)養(yǎng)殖和農(nóng)產(chǎn)品物流等農(nóng)業(yè)相關(guān)信息;通過建設(shè)數(shù)據(jù)傳輸和格式轉(zhuǎn)換方法,充分利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、電信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)等多種現(xiàn)代信息傳輸通道,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息的可靠傳輸;最后將獲取的海量農(nóng)業(yè)信息進(jìn)展融合處理,并通過智能化操作終端實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的自動(dòng)化生產(chǎn)、最優(yōu)化控制、智能化管理、系統(tǒng)化物流、電子化交易,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)集約、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)和安全的目標(biāo)。從該定義可以看出,農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可以通過感知技術(shù)獲取更多的數(shù)據(jù)信息,包括作物信息、農(nóng)田環(huán)境信息、農(nóng)機(jī)作業(yè)信息,通過傳輸技術(shù)為我們的農(nóng)業(yè)提供更加豐富的實(shí)時(shí)信息,通過全面互聯(lián)共享獲得更多的網(wǎng)絡(luò)服務(wù),通過智能決策提高農(nóng)業(yè)科學(xué)決策水平和作業(yè)實(shí)施水平。2.1.2農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系構(gòu)造農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)屬于穿插學(xué)科,是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的產(chǎn)物,農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系劃分可以參照物聯(lián)網(wǎng)體系劃分的標(biāo)準(zhǔn)。農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的信息要經(jīng)過產(chǎn)生、傳輸、處理和應(yīng)用四個(gè)過程農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)相應(yīng)的被分成如圖2-1所示的四層模型。圖2-1農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的體系構(gòu)造感知層利用傳感器、RFID、GPS、RS和條碼技術(shù)等各種感知技術(shù),借助各種設(shè)備和手段,對(duì)自然界中存在并且對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有意義的各類數(shù)據(jù)信息進(jìn)展獲取,實(shí)現(xiàn)“物〞的識(shí)別。傳輸層具有完成大范圍內(nèi)信息傳輸與廣泛互聯(lián)功能,能夠?qū)F(xiàn)有的廣域網(wǎng)技術(shù)與感知層的傳感網(wǎng)技術(shù)相融合,把感知到的農(nóng)業(yè)信息無障礙、快速、安全、可靠的傳送到需要信息的地方,使物品在全球范圍能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離大范圍通信。處理層通過云計(jì)算、數(shù)據(jù)挖掘、模式識(shí)別、預(yù)測(cè)預(yù)警等信息處理技術(shù),實(shí)現(xiàn)最終的信息技術(shù)與行業(yè)的深度融合,完成物品的信息匯總、共享、預(yù)測(cè)和分析決策等功能。應(yīng)用層是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系構(gòu)造的最高層,是面向終端用戶的,可以根據(jù)用戶的不同需求搭建不同的操作平臺(tái),農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用主要實(shí)現(xiàn)了大田種植、設(shè)施園藝、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)產(chǎn)品交付過程中管理者的直接參與,通過農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng),管理者可以更快的獲取各類信息,對(duì)于突發(fā)情況,管理者可以做出更及時(shí)的反響,通過遠(yuǎn)程控制,管理者可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)線更精細(xì)的管理,管理者可以從物聯(lián)網(wǎng)多個(gè)應(yīng)用角度出發(fā)對(duì)農(nóng)業(yè)進(jìn)展管理,到達(dá)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)和安全的目標(biāo)。2.3農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)ZigBee技術(shù)是一種基于IEEE802．15．4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)新興的短距離、低復(fù)雜度、低成本、低功耗、雙向無線通信技術(shù)。ZigBee可在2．4GHz、868MHz和915MHz等3個(gè)免費(fèi)頻段上工作，并且最高傳輸速率分別可達(dá)250、20和40kb/s，其各自信道的帶寬也不同，分別設(shè)有16、1和10個(gè)信道。ZigBee根據(jù)輸出功率和信道環(huán)境的不同，可靠傳輸距離為10～75m，一般在30m左右。耗電量在休眠狀態(tài)下僅為1μW。在短距離通信的情況下，其工作狀態(tài)的耗電量為30mW。為了防止發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)與沖突，ZigBee的介質(zhì)接入控制子層〔MAC〕采用了載波監(jiān)聽多路訪問\沖突防止〔CSMA\CA〕的碰撞防止機(jī)制。ZigBee聯(lián)盟在ZigBee的網(wǎng)絡(luò)層〔NWK〕制定了星型、樹型和網(wǎng)狀網(wǎng)3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)造。每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持65000個(gè)節(jié)點(diǎn)。因此，Zig-Bee的技術(shù)特性決定了它是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的最正確選擇。2.3.1ZigBee技術(shù)特點(diǎn)ZigBee是一種新興的低成本、低功耗、近距離、低數(shù)據(jù)速率、低復(fù)雜度的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。主要用于近距離無線連接。它依據(jù)802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)節(jié)點(diǎn)之間相互通信。這些節(jié)點(diǎn)只需要很少的能量，以接力的方式通過無線將數(shù)據(jù)從一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)，所以它們的通信效率非常高。低功耗：ZigBee采用了多種節(jié)電模式，兩節(jié)五號(hào)電池支持長(zhǎng)達(dá)6個(gè)月到2年左右的正常使用時(shí)間。通信可靠：采用了CSMA/CA的碰撞防止機(jī)制，每次發(fā)送數(shù)據(jù)都必須等待對(duì)方確認(rèn)，防止了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突；網(wǎng)絡(luò)容量大：理論上可支持達(dá)65000個(gè)節(jié)點(diǎn)?？梢詽M足大局部網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)。自愈性強(qiáng)：對(duì)于增加或刪除節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)位置發(fā)生變動(dòng)，節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障等，ZigBee網(wǎng)絡(luò)都能夠自我修復(fù)，能夠相應(yīng)地調(diào)整網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)造，保證整個(gè)系統(tǒng)仍然能正常工作。自組織性強(qiáng)：ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)自己能夠感知其他節(jié)點(diǎn)的存在，并確定連接關(guān)系并組成網(wǎng)絡(luò)。時(shí)延短：通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短。安全：ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用通用的AES-128算法。2.3.2ZigBee協(xié)議構(gòu)架ZigBee協(xié)議是在IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)根基上建設(shè)的。完整的ZigBee協(xié)議應(yīng)包括IEEE802.15.4〔該標(biāo)準(zhǔn)定義了RF射頻以及與相鄰設(shè)備之間的通信〕的PHY和MAC層，以及ZigBee堆棧層：網(wǎng)絡(luò)層〔NWK〕、應(yīng)用層和安全服務(wù)提供層。ZigBee協(xié)議的每一層負(fù)責(zé)完成所本層規(guī)定的任務(wù)，并且向上層提供服務(wù)。ZigBee協(xié)議構(gòu)架如圖2-2所示。圖2-2ZigBee協(xié)議構(gòu)造ZigBee堆棧的不同層與802.15.4MAC通過服務(wù)接入點(diǎn)〔SAP〕進(jìn)展通信。SAP是某一特定層提供的服務(wù)與上層之間的接口。ZigBee堆棧的大多數(shù)層有兩個(gè)接口：數(shù)據(jù)實(shí)體接口和管理實(shí)體接口。數(shù)據(jù)實(shí)體接口的目標(biāo)是向上層提供所需的常規(guī)數(shù)據(jù)服務(wù)。管理實(shí)體接口的目標(biāo)是向上層提供訪問內(nèi)部層參數(shù)、配置和管理數(shù)據(jù)的機(jī)制。每一層的服務(wù)只要有兩種功能，通過SAP為上一層提供相應(yīng)服務(wù)和調(diào)用下一層提供的服務(wù)。SAP是各層之間的唯一接口，而具體的服務(wù)以通信原語的形式調(diào)用。通信原語分為4種，圖2-3表示了它們之間的關(guān)系。圖2-3服務(wù)原語Request：請(qǐng)求原語用于ServiceUser向ServiceProvider請(qǐng)求指定的服務(wù)；Confirm：確認(rèn)原語由ServiceUser向ServiceProvider發(fā)送，用來傳送一個(gè)或多個(gè)前面Request原語的執(zhí)行結(jié)果。Indication：指示原語由ServiceProvider發(fā)給ServiceUser，用來指示ServiceProvider對(duì)于ServiceUser的重要內(nèi)部事件。該事件可能是與一個(gè)遙遠(yuǎn)的服務(wù)請(qǐng)求有關(guān)，也可能是ServiceProvider的一個(gè)內(nèi)部事件引起；Response：響應(yīng)原語由ServiceUser向ServiceProvider發(fā)送，用來表示ServiceUser對(duì)上一次執(zhí)行Indication原語的響應(yīng)。2.3.3ZigBee物理層標(biāo)準(zhǔn)物理層通過物理介質(zhì)為數(shù)據(jù)鏈路層提供物理連接，其主要作用是負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)傳輸率并架空數(shù)據(jù)出錯(cuò)率，從而透明低傳送比特流。Zigbee協(xié)議的物理層完成以下任務(wù)：〔1〕啟動(dòng)和關(guān)閉RF收發(fā)器?！?〕信道能量檢測(cè)。〔3〕對(duì)接收到的數(shù)據(jù)報(bào)進(jìn)展鏈路質(zhì)量指示LQI〔LinkQualityIndication〕。〔4〕為CSMA/CA算法提供空閑信道評(píng)估CCA〔ClearChannelAssessment〕?！?〕對(duì)通信信道頻率進(jìn)展選擇?！?〕數(shù)據(jù)包的傳輸和接收。ZigBee的物理層定義了物理信道和MAC層之間的接口，它提供物理層管理服務(wù)和數(shù)據(jù)服務(wù)。物理層管理服務(wù)維護(hù)一個(gè)物理層相關(guān)數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫(kù)，物理層數(shù)據(jù)服務(wù)從無線物理信道上收發(fā)數(shù)據(jù)。ZigBee物理層定義了2個(gè)工作頻率，分別是2.4GHz頻段和868/915MHz頻段。兩個(gè)頻段都基于直接序列擴(kuò)頻〔DSSS〕，使用的物理層數(shù)據(jù)包格式一樣，兩個(gè)頻段之間的區(qū)別在于工作頻率、調(diào)制技術(shù)和傳輸速率。2.4GHz頻段是全球統(tǒng)一的不需要申請(qǐng)的ISM頻段。美國(guó)采用的ISM頻段是915MHz，歐洲采用的ISM頻段是868MHz，這兩個(gè)頻段的制定防止了2.4GHz頻段附近各種無線通信設(shè)備之間的干擾。ZigBee工作頻段共劃分為27個(gè)信道，物理信道分配如圖2-4所示。其中868MHz有1個(gè)信道，915MHz有10個(gè)信道，2450MHz有16個(gè)信道。圖2-4ZigBee工作頻率和數(shù)據(jù)速率比較2.3.4ZigBeeMAC層標(biāo)準(zhǔn)ZigBeeMAC層沿用了傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)中的帶沖突防止的載波多路偵聽訪問技術(shù)CSMA/CA方式，這樣可以提高系統(tǒng)的兼容性。而這種設(shè)計(jì)使多種拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用變得簡(jiǎn)單化，可實(shí)現(xiàn)有效的功耗管理。MAC層完成的具體任務(wù)如下：〔1〕協(xié)調(diào)器產(chǎn)生并發(fā)送信標(biāo)幀。〔2〕支持PAN網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)和取消關(guān)聯(lián)操作。〔3〕普通設(shè)備根據(jù)協(xié)調(diào)器的信標(biāo)幀與協(xié)調(diào)器同步?！?〕使用CSMA-CA機(jī)制共享物理信道?！?〕為設(shè)備的安全性提供支持?！?〕在兩個(gè)對(duì)等的MAC實(shí)體之間提供一個(gè)可靠的數(shù)據(jù)鏈路?！?〕處理和維護(hù)時(shí)隙保障GTS〔GuaranteedTimeSlot〕機(jī)制。ZigBee的MAC層引入了超幀構(gòu)造和信標(biāo)幀的概念。MAC層引入這兩個(gè)概念使網(wǎng)絡(luò)管理更加方便。在ZigBee中，我們選用超幀為周期來使LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)設(shè)備之間進(jìn)展通信。每個(gè)超幀是以協(xié)調(diào)器發(fā)出信標(biāo)幀的時(shí)候?yàn)槭?，在這個(gè)信標(biāo)幀中包含了超幀將要持續(xù)的時(shí)間以及如何對(duì)這段時(shí)間的分配等信息。網(wǎng)絡(luò)中的普通設(shè)備接收到這個(gè)信標(biāo)幀后，就可以依據(jù)其中的內(nèi)容安排自己的任務(wù)。MAC層也提供兩種類型服務(wù)：MAC層管理服務(wù)〔MACsub-layermanagemententity，MLME〕和MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)。管理服務(wù)維護(hù)一個(gè)存儲(chǔ)MAC層協(xié)議相關(guān)信息的數(shù)據(jù)庫(kù)，而數(shù)據(jù)服務(wù)保證MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元〔MPDU〕在物理層數(shù)據(jù)服務(wù)中正確收發(fā)。2.3.5ZigBee網(wǎng)絡(luò)層標(biāo)準(zhǔn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)層主要功能包括網(wǎng)絡(luò)連接和斷開時(shí)所采用的機(jī)制，信息傳輸過程中所采用的安全性機(jī)制，以及設(shè)備的路由發(fā)現(xiàn)、維護(hù)和轉(zhuǎn)交。并且，網(wǎng)絡(luò)層存儲(chǔ)著鄰居設(shè)備的發(fā)現(xiàn)和相關(guān)節(jié)點(diǎn)的信息。網(wǎng)絡(luò)層要確保MAC層正常工作，還要為應(yīng)用層提供適宜的服務(wù)接口。網(wǎng)絡(luò)層完成的主要功能如下：〔1〕配置新的設(shè)備參數(shù)：網(wǎng)絡(luò)層配置適宜的協(xié)議，比方建設(shè)新的協(xié)調(diào)器并發(fā)起建設(shè)網(wǎng)絡(luò)，或者參加一個(gè)已有的網(wǎng)絡(luò)?！?〕建設(shè)網(wǎng)絡(luò)。〔3〕連接或者斷開網(wǎng)絡(luò)：網(wǎng)絡(luò)層能提供連接或者斷開網(wǎng)絡(luò)的功能，如果節(jié)點(diǎn)是協(xié)調(diào)器或者是路由器，還可以讓子節(jié)點(diǎn)斷開網(wǎng)絡(luò)?！?〕分配網(wǎng)絡(luò)地址：如果本節(jié)點(diǎn)是協(xié)調(diào)器或者是路由器，那么為新連接該節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址?！?〕鄰居節(jié)點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)：網(wǎng)絡(luò)層能發(fā)現(xiàn)和記錄網(wǎng)絡(luò)鄰居信息?！?〕建設(shè)路由：網(wǎng)絡(luò)層提供路由功能?！?〕控制接收：網(wǎng)絡(luò)層能控制接收器的承受時(shí)間和狀態(tài)，以保證MAC層的同步和正常接收等。〔8〕產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)包：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層承受到來自應(yīng)用層的數(shù)據(jù)包后，對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)展解析，然后加上適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)層包頭向MAC傳輸?！?〕網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞穆酚晒δ埽壕W(wǎng)絡(luò)層提供路由數(shù)據(jù)包的功能，如果數(shù)據(jù)包的目的節(jié)點(diǎn)為本節(jié)點(diǎn)，那么將該數(shù)據(jù)包向應(yīng)用層發(fā)送；如果不是，那么將該數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給路由表中的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。為了向應(yīng)用層提供接口，網(wǎng)絡(luò)層提供了數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體〔NLDE〕和管理服務(wù)實(shí)體〔NLME〕兩個(gè)功能服務(wù)實(shí)體。NLDE通過數(shù)據(jù)實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)〔NLDE-SAP〕為應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，NLME通過管理實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)〔NLME-SAP〕為應(yīng)用層提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)。并且，NLME還完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)信息庫(kù)〔NIB〕的維護(hù)和管理。2.3.6ZigBee應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)Zigbee應(yīng)用層包括應(yīng)用支持子層APS、應(yīng)用框架AF、Zigbee設(shè)備對(duì)象ZDO。它們共同為各應(yīng)用開發(fā)者提供統(tǒng)一的接口。一、應(yīng)用支持子層APSAPS層定義了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層之間的一個(gè)接口。接口服務(wù)由APS數(shù)據(jù)實(shí)體〔APSDE〕和APS管理實(shí)體〔APSME〕提供。APS層完成的主要功能：〔1〕APS層協(xié)議數(shù)據(jù)單元〔APDU〕的處理?！?〕APSDE提供在同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)或者更多的應(yīng)用實(shí)體之間的數(shù)據(jù)通信。它通過APSDE服務(wù)接入點(diǎn)〔APSDE-SAP〕完成；〔3〕APSME提供多種服務(wù)給應(yīng)用對(duì)象，這些服務(wù)包含安全服務(wù)和綁定設(shè)備，并維護(hù)管理對(duì)象的數(shù)據(jù)庫(kù)，也就是我們常說的AIB。它通過APSME服務(wù)接入點(diǎn)〔APSME-SAP〕完成。二、應(yīng)用框架AFZigBee中的應(yīng)用框架〔ApplicationFramework〕為駐扎在ZigBee設(shè)備中的應(yīng)用對(duì)象提供了活動(dòng)的環(huán)境，并且為每個(gè)應(yīng)用對(duì)象傳輸數(shù)據(jù)提供了鍵值對(duì)KVP〔KeyValuePairService〕服務(wù)和報(bào)文MSG〔GenericMessageService〕服務(wù)兩種服務(wù)。在應(yīng)用框架中，應(yīng)用對(duì)象通過APS數(shù)據(jù)實(shí)體服務(wù)接入點(diǎn)發(fā)送和承受數(shù)據(jù)。用戶最多可以定義240個(gè)相對(duì)獨(dú)立的應(yīng)用程序?qū)ο?，且任何一個(gè)對(duì)象的端點(diǎn)編號(hào)是在1到240之間。此外有兩個(gè)附加的終端節(jié)點(diǎn)是為了APSDE-SAP的使用：端點(diǎn)號(hào)0固定用于ZDO數(shù)據(jù)接口；端點(diǎn)241-254保存，留給將來擴(kuò)展使用；端點(diǎn)255固定用于所有應(yīng)用對(duì)象播送數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)接口功能。每一個(gè)應(yīng)用都對(duì)應(yīng)一個(gè)配置文件〔Profile〕，包括設(shè)備ID，事務(wù)集群ID，屬性ID等。AF通過這些信息來決定服務(wù)類型。三、ZigBee設(shè)備對(duì)象ZDOZigBee設(shè)備對(duì)象〔ZDO〕定義了一個(gè)的功能函數(shù)，在應(yīng)用對(duì)象、設(shè)備profile和APS之間提供了一個(gè)接口。ZDO滿足所有在ZigBee協(xié)議棧中應(yīng)用操作的一般需要，位于應(yīng)用框架和應(yīng)用支持子層之間。它提供以下的功能：〔1〕初始化應(yīng)用支持子層，網(wǎng)絡(luò)層，安全服務(wù)提供者等。〔2〕發(fā)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)以及節(jié)點(diǎn)功能。在無信標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)中，參加的節(jié)點(diǎn)只對(duì)其父節(jié)點(diǎn)可見。而其他節(jié)點(diǎn)可以通過ZDO的功能來確定網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)錁?gòu)造以及節(jié)點(diǎn)所能提供的功能?！?〕網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)和管理功能?！?〕安全加密管理：主要包括安全密鑰的建設(shè)和發(fā)送，以及安全授權(quán)?！?〕節(jié)點(diǎn)管理：對(duì)于網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和路由器，ZDO提供網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)、獲取路由和綁定信息等一系列節(jié)點(diǎn)管理功能?！?〕綁定管理：應(yīng)用支持子層提供綁定的功能，由ZDO提供綁定功能的管理，它確定了綁定表的大小，綁定的發(fā)起和解除等功能。第三章系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合處理3.1數(shù)據(jù)融合的原理及意義3.1.1數(shù)據(jù)融合的原理1973年,美國(guó)國(guó)防部資助開發(fā)了吉納信號(hào)理解系統(tǒng)，該系統(tǒng)是數(shù)據(jù)融合最早的雛形，標(biāo)志著數(shù)據(jù)融合技術(shù)最早在軍事領(lǐng)域出現(xiàn),此后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)嚴(yán)密地互相結(jié)合并快速開展，數(shù)據(jù)融合技術(shù)被廣泛應(yīng)用于軍事、民用和科研領(lǐng)域的數(shù)據(jù)處理,并且在數(shù)據(jù)處理的實(shí)際應(yīng)用中，數(shù)據(jù)融合技術(shù)得到了極大的開展。數(shù)據(jù)融合技術(shù)是應(yīng)用在數(shù)據(jù)處理方面的多學(xué)科穿插的新技術(shù)，其研宄的內(nèi)容具有多樣性的特點(diǎn)，對(duì)從信息源獲得的可用信息可以進(jìn)展多種綜合處理，并且數(shù)據(jù)融合技術(shù)的分析和決策方法涉及多個(gè)知識(shí)領(lǐng)域,所以到目前為止，數(shù)據(jù)融合并沒有一個(gè)統(tǒng)一的定義，根據(jù)資料，數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以較為貼切的歸納為:數(shù)據(jù)融合技術(shù)是一種信息處理技術(shù)，對(duì)按時(shí)序獲得的觀測(cè)信息，使用計(jì)算機(jī)在特定準(zhǔn)那么下加以自動(dòng)分析、綜合,以完成所需的決策和評(píng)估任務(wù)。數(shù)據(jù)融合處理的數(shù)據(jù)可以來自多個(gè)不同的信息源，對(duì)數(shù)據(jù)的處理方法可以來自不同科研領(lǐng)域的不同技術(shù)，數(shù)據(jù)融合的原理可以概括如下:首先，采集觀測(cè)目標(biāo)數(shù)據(jù)，即應(yīng)用傳感器等感知技術(shù)獲得最原始的信息或數(shù)據(jù)，采集到的觀測(cè)數(shù)據(jù)形式有多種，通常是時(shí)間函數(shù)數(shù)據(jù)、輸出矢量、成像數(shù)據(jù)和屬性說明等;其次，提取特征矢量，即對(duì)用感知技術(shù)采集到的觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)展特征提取，得到感知數(shù)據(jù)的特征矢量，再次，模式識(shí)別處理,這一處理過程是針對(duì)所獲得的特征矢量進(jìn)展,該過程采用諸如會(huì)聚算法等統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別算法對(duì)所獲得的特征矢量進(jìn)展處理，得到各個(gè)傳感器關(guān)于目標(biāo)的目標(biāo)屬性判決，然后關(guān)聯(lián)，關(guān)聯(lián)過程是針對(duì)傳感器獲得的數(shù)據(jù)而進(jìn)展的，針對(duì)不同的目標(biāo)，傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)獲得不同的數(shù)據(jù)，將所有傳感器采集獲得的數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一目標(biāo)分組，這一過程即為關(guān)聯(lián)；最后，數(shù)據(jù)合成，該過程的合成不是簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)組合，而是將數(shù)據(jù)進(jìn)展綜合加工處理的數(shù)據(jù)融合，經(jīng)融合后得到關(guān)于目標(biāo)的一致性解釋與描述。3.1.2數(shù)據(jù)融合的意義本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)采用基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)融合對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的意義可以表述如下:(1)減少冗余信息，降低能量消耗為了增強(qiáng)采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性并確保整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和魯棒性，無線傳感器節(jié)點(diǎn)需要大量且廣泛的分布于采集區(qū)域內(nèi)，相鄰無線傳感器節(jié)點(diǎn)的采集區(qū)域可能重疊，從而導(dǎo)致相鄰傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息存在冗余性。曾有學(xué)者計(jì)算顯示，傳感器節(jié)點(diǎn)使用無線方式傳輸1比特到100米遠(yuǎn)所消耗的能量可供執(zhí)行3000條指令，在這種情況下會(huì)聚節(jié)點(diǎn)并未獲得更多的信息，反而使網(wǎng)絡(luò)消耗了更多的能量，因此，在保證精度的情況下，對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的感知數(shù)據(jù)信息進(jìn)展融合處理，能夠大大降低無線通信過程中的數(shù)據(jù)傳輸，而處理器進(jìn)展數(shù)據(jù)計(jì)算所消耗的能量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于數(shù)據(jù)在通信過程中消耗的能量，所以在傳感器節(jié)點(diǎn)采集到數(shù)據(jù)之后到發(fā)送數(shù)據(jù)之前進(jìn)展數(shù)據(jù)冗余處理，可以有效的減少無線傳輸過程中的數(shù)據(jù)傳輸量，到達(dá)去除冗余信息、降低能量消耗的目的。(2)提高采集信息的準(zhǔn)確性無線傳感器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集影響農(nóng)作物生長(zhǎng)的環(huán)境參數(shù)信息，由于傳感器節(jié)點(diǎn)存在因成本和體積而導(dǎo)致的精度問題，加之進(jìn)展數(shù)據(jù)采集時(shí)周圍環(huán)境因素的影響以及使用無線通信進(jìn)展數(shù)據(jù)傳遞時(shí)容易受到干擾和破壞，單一傳感器節(jié)點(diǎn)獲得的數(shù)據(jù)信息往往存在不可靠性。使用數(shù)據(jù)融合技術(shù)，對(duì)采集同一信息的多個(gè)傳感器所釆集到的數(shù)據(jù)進(jìn)展數(shù)據(jù)融合處理，就可以有效提高所采集信息的精度和準(zhǔn)確性。(3)提高數(shù)據(jù)收集效率對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)展數(shù)據(jù)融合處理，減少了需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，從某種程度上降低了數(shù)據(jù)鏈路過程中的鏈路難度，減少了數(shù)據(jù)在無線通信過程中的沖突碰撞，減輕了網(wǎng)絡(luò)的傳輸擁塞,降低了數(shù)據(jù)的傳輸延遲，有效提高了數(shù)據(jù)收集效率。3.2數(shù)據(jù)融合的分類與方法傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以有不同的分類方式，根據(jù)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的融合級(jí)別，數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以被分為：像素級(jí)融合、特征級(jí)融合、決策級(jí)融合。上述的數(shù)據(jù)融合方法各有特點(diǎn)，在具體應(yīng)用的過程中應(yīng)該根據(jù)具體數(shù)據(jù)融合的目的和條件選擇適宜的融合方法。在物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)際應(yīng)用中，三個(gè)級(jí)別的數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以綜合使用。有的應(yīng)用中數(shù)據(jù)形式比較簡(jiǎn)單，不需要進(jìn)展像素級(jí)融合，就使用靈活的特征級(jí)融合手段，而有的應(yīng)用要處理大量原始數(shù)據(jù)，那么選用像素級(jí)融合。一個(gè)給定的系統(tǒng)，可能涉及多個(gè)級(jí)別的數(shù)據(jù)融合技術(shù)。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過程中，并沒有一種通用的數(shù)據(jù)融合方法，對(duì)于傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)融合，總是根據(jù)具體的實(shí)際應(yīng)用背景，來選擇相應(yīng)的融合算法。傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合的方法有很多，如圖3-1所示,本文主要介紹幾種常用的數(shù)據(jù)融合方法。圖3-1常見的數(shù)據(jù)融合方法第四章智能農(nóng)場(chǎng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)基于zigbee的智能農(nóng)場(chǎng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)由無線傳感器數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)和智能監(jiān)測(cè)處理中心組成，其體系構(gòu)造如圖4-1所示。無線傳感器數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)的功能是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的組建和感知數(shù)據(jù)的采集，由傳感器節(jié)點(diǎn)在硬件的根基上基于ZigBee無線通信協(xié)議組建Mesh網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點(diǎn)又分為終端節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。終端節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集溫度、濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度等環(huán)境參數(shù),經(jīng)由路由節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)以多跳中繼的方式傳達(dá)至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn),協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)再通過RS-232串口，將數(shù)據(jù)傳至上位機(jī)管理系統(tǒng)。智能監(jiān)測(cè)處理中心由數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器和中央計(jì)算機(jī)兩局部組成，實(shí)現(xiàn)了最后的應(yīng)用。首先智能監(jiān)測(cè)處理中心負(fù)責(zé)本系統(tǒng)的用戶的管理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)本系統(tǒng)用戶的添加、刪除和査詢操作。其次，負(fù)責(zé)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)展存儲(chǔ)、顯示、將數(shù)據(jù)繪制成動(dòng)態(tài)曲線進(jìn)展分析，并對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)展閾值設(shè)置,當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)不在設(shè)置范圍內(nèi)的時(shí)候進(jìn)展報(bào)警提示，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。最后負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信息的發(fā)布，將Web協(xié)議移植到其中，系統(tǒng)便可以接入到Internet中，實(shí)現(xiàn)“底層(傳感器)一Internet網(wǎng)絡(luò)一遠(yuǎn)程監(jiān)控〞的構(gòu)造，能夠?qū)⒄麄€(gè)系統(tǒng)的信息發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)上，實(shí)現(xiàn)整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)的訪問。圖4-1智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)整體架構(gòu)圖4.2傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)4.2.1硬件設(shè)計(jì)方案本文設(shè)計(jì)的基于zigbee的智能農(nóng)場(chǎng)設(shè)計(jì)系統(tǒng),目標(biāo)是準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的獲取農(nóng)作物生長(zhǎng)的環(huán)境信息，通過分析得到環(huán)境變化對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)狀況影響的規(guī)律，為科學(xué)研宄提供全面的參，,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的精準(zhǔn)操作，滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)信息化、智能化的需求。數(shù)據(jù)采集作為本系統(tǒng)工作的第一步，采集到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，是整個(gè)系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵。傳感器節(jié)點(diǎn)大量分布在田間，節(jié)點(diǎn)間有一定的距離，采集到的數(shù)據(jù)以無線傳輸?shù)姆绞絺鬟f，如何保證傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)以最低的丟包率進(jìn)展傳輸是需要考慮的重要問題，同時(shí)對(duì)于數(shù)量龐大且分布廣泛的傳感器節(jié)點(diǎn)，如何延長(zhǎng)傳感器電池的使用時(shí)間也是亟需解決的問題。綜合以上種種，本系統(tǒng)的無線傳感器數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)，主要依據(jù)以下幾個(gè)方面:(1)低功耗傳感器節(jié)點(diǎn)以電池供電，能量有限，電池耗盡以后，節(jié)點(diǎn)停頓工作，整個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)錁?gòu)造要相應(yīng)的變化。因此，如何減少節(jié)點(diǎn)的功耗,延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的壽命，對(duì)于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效運(yùn)行是至關(guān)重要的。(2)優(yōu)良射頻性由于無線信號(hào)在空氣中的傳播與通信距離呈指數(shù)關(guān)系衰減，節(jié)點(diǎn)通信距離能夠直接影響到無線通信模塊的發(fā)射功率的消耗,進(jìn)而引出功耗的問題。因此，節(jié)點(diǎn)間通信距離也是限制無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用旳重要原因。提高節(jié)點(diǎn)的射頻性能可以改善網(wǎng)絡(luò)工作能力，在同等功耗的條件下通信距離增大，具有更強(qiáng)的實(shí)用性。(3)微型化傳感器節(jié)點(diǎn)在監(jiān)測(cè)區(qū)域要大量部署，為了對(duì)目標(biāo)系統(tǒng)本身的特性不構(gòu)成影響并且方便部署，傳感器節(jié)點(diǎn)的體積要盡可能的小。(4)低成本系統(tǒng)中傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)量龐大且功能簡(jiǎn)單，單個(gè)節(jié)點(diǎn)的造價(jià)能夠極大的影響整個(gè)系統(tǒng)的成本。所以，在保證節(jié)點(diǎn)性能的前提下應(yīng)該盡可能的降低單個(gè)節(jié)點(diǎn)的成本能夠有效的降低整個(gè)系統(tǒng)的成本。(5)可擴(kuò)展性能夠根據(jù)不同的需要增加不同的功能器件?；谝陨衔妩c(diǎn)要求,本系統(tǒng)中的傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)成如圖4-2所示的構(gòu)造。圖4-2節(jié)點(diǎn)硬件示意圖CPU局部是傳感器節(jié)點(diǎn)的處理器模塊，也可以稱作是數(shù)據(jù)控制處理模塊，是傳感器節(jié)點(diǎn)的核心模塊，對(duì)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理的算法、節(jié)點(diǎn)的通信算法以及節(jié)點(diǎn)的多任務(wù)處理都是在這局部實(shí)現(xiàn)的。外部傳感器模塊包括各種傳感器芯片，實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)的感知。JTAG接口輔助完成對(duì)芯片的測(cè)試和板控程序的下載。按鍵模塊和LED模塊協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)節(jié)點(diǎn)的操作控制以及工作狀態(tài)顯示的功能。無線通信模塊負(fù)責(zé)完成各種控制指令的交互和感知數(shù)據(jù)的傳輸。MAX3232串行通信，直接通過串口線連接計(jì)算機(jī)，完成數(shù)據(jù)由傳感器節(jié)點(diǎn)向上位機(jī)的傳遞。電源供應(yīng)模塊負(fù)責(zé)為整個(gè)節(jié)點(diǎn)提供能量。本系統(tǒng)中的終端節(jié)點(diǎn)和路由器節(jié)點(diǎn)包括外部傳感器模塊、處理器模塊、按鍵模塊、LED模塊、JTAG接口、供電模塊和無線通信模塊，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)在此根基上添加了MAX3232串行通信功能。4.2.2處理器模塊作為無線傳感器節(jié)點(diǎn)最重要的模塊，處理器模塊實(shí)現(xiàn)了傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集過程中的任務(wù)調(diào)度、采集到數(shù)據(jù)之后對(duì)感知數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)融合計(jì)算、無線通信傳遞數(shù)據(jù)過程中的路由協(xié)議和傳感器節(jié)點(diǎn)其他功能的拓展，處理器的選擇，是整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。從成本低、外形小、集成度高、功耗低、運(yùn)行速度快等方面綜合考慮，本系統(tǒng)選擇TI公司的以低功耗著稱的MSP430F5438作為處理器芯片，處理器模塊電路圖如圖4-3所示。MSP430F5438單片機(jī)具有如下特點(diǎn):圖4-3協(xié)調(diào)器RS232電路原理圖(1)超低功耗MSP430F5438單片機(jī),工作電壓為1.8至3.6V，能夠?qū)Ψ逯蹈哌_(dá)25MHz的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)最低功耗，工作與待機(jī)功耗分別為16(HtA/MHz(每兆赫微安)與0.5|aA，0.5nA的RAM操持模式，0.8tiA的實(shí)時(shí)時(shí)鐘模式，6種不同的省電模式,適合應(yīng)用于電池供電的長(zhǎng)時(shí)間工作場(chǎng)合。超低功耗的架構(gòu)與高靈活的時(shí)鐘系統(tǒng)，可以顯著的延長(zhǎng)電池使用壽命。(2)強(qiáng)大的處理能力MSP430F5438單片機(jī)是具有]6位RISC的CPU，擁有高達(dá)]20KB的程序存儲(chǔ)器、16KBRAM存儲(chǔ)容量、三通道直接存儲(chǔ)器存取(DMA)具有豐富的尋址指令,27條內(nèi)核指令,能以極少的代碼量實(shí)現(xiàn)多種新型應(yīng)用。(3)系統(tǒng)工作穩(wěn)定MSP430F5438單片機(jī)在IMHz的時(shí)鐘下運(yùn)行，含有16個(gè)中斷源,使用靈活，只需6us就可以用中斷請(qǐng)求將CPU喚醒,保證代碼的實(shí)時(shí)性。看門狗可以產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)保證程序的正常運(yùn)行，同時(shí)CPU中含有16個(gè)存放器和常數(shù)發(fā)生器,有效的保證了處理器的代碼效率。數(shù)字控制的振蕩器(DCO)可將器件從低功耗模式迅速喚醒，在少于6m的時(shí)間內(nèi)激活。(4)豐富的片內(nèi)外設(shè)MSP430F5438單片機(jī)含有諸如數(shù)控振蕩器(DCO)、晶體振蕩器、看門狗定時(shí)器、乘法器、A/D轉(zhuǎn)換器、串行通信接口等豐富的片內(nèi)組件以及諸如射頻(R)、USB、加密和LCD接口等集成外設(shè)。除集成各種智能外，各種高性能模擬與數(shù)字外設(shè)可以大幅度減少CPU的工作量。4.2.3外部傳感器模塊無線傳感器數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)要對(duì)影響農(nóng)作物生長(zhǎng)的環(huán)境信息進(jìn)展采集,采集的信息包括農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境中的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度。從量程、精度、供電電壓以及功耗等方面綜合考慮，在外部傳感器模塊中，我們選擇SHT10溫濕度傳感器進(jìn)展環(huán)境溫度和濕度的采集，選擇TSL2560光照強(qiáng)度傳感器進(jìn)展環(huán)境光照強(qiáng)度的采集，選擇GSSCZO-SK紅外二氧化碳(C02)傳感器進(jìn)展環(huán)境中二氧化碳濃度的采集。下面對(duì)每一種傳感器進(jìn)展分別介紹。(1)SHTK)溫濕度傳感器SHT10是瑞士Sensirion公司推出的一款數(shù)字溫濕度傳感器芯片，具有高度集成、超低功耗、高精度、尺寸小、測(cè)量范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。SHT10芯片內(nèi)部集成了14位A/D轉(zhuǎn)換器,且采用數(shù)字信號(hào)輸出,具有極高的可靠性與長(zhǎng)期穩(wěn)定性。(2) TSL2560光照強(qiáng)度傳感器TSL2560是TAOS公司推出的支持串行總線接口SMBus的光照強(qiáng)度傳感器，是一種光-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，內(nèi)含光電探測(cè)器和A/D轉(zhuǎn)換器,能將光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出，具有高速、低功耗、寬量程、可編程靈活配置的特點(diǎn)。TSL2560的輸入工作電壓為2.5V至5.5V之間，可以測(cè)量范圍在OLux至38000LUX之間的光照強(qiáng)度,能夠自動(dòng)抑制50Hz/60Hz的光照波動(dòng)，具有1.25mmxl.75mm超小封裝,在低功耗模式下,功耗僅為0.75mW。(3) GSSCZO-SK紅外二氧化碳(C02)傳感器GSSCZO-SK是一種采用了NDIR紅外技術(shù)的固態(tài)光電傳感器，在進(jìn)展二氧化碳濃度采集的同時(shí)還可以進(jìn)展溫度補(bǔ)償，非常適用于溫度和二氧化碳同時(shí)測(cè)量的環(huán)境。GSSCZO-SK具有體積小、使用時(shí)間長(zhǎng)、強(qiáng)穩(wěn)定性等特點(diǎn)。4.2.4無線通信模塊對(duì)于系統(tǒng)來說,能否將數(shù)據(jù)準(zhǔn)確傳輸關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的性能,而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量與無線通信模塊的性能息息相關(guān)，我們選擇射頻芯片CC2520和射頻放大前端CC2591作為無線通信模塊的主要組成局部。CC2520是被業(yè)內(nèi)廣泛應(yīng)用的射頻收發(fā)器，也是TI公司旗下非常著名的產(chǎn)品，可以提供最先進(jìn)的工業(yè)級(jí)應(yīng)用，CC2520可以在-4(rC至+125°C溫度范圍內(nèi)正常工作，具有非常優(yōu)秀的承受靈敏度和共存性能，有極好的連接性能和非常優(yōu)越的鏈路估計(jì)，工作電源電壓范圍為1.8V至3.8V，可低電壓工作,CC2520的特性如圖4-4所示。圖4-4CC2520的特性CC2591是TI公司推出的2.4GHz射頻前端,能夠通過提高輸出功率的功率放大器和增強(qiáng)接收靈敏度的LNA(低噪聲放大器)來增加鏈路預(yù)算，從而顯著增加無線系統(tǒng)的覆蓋范圍。CC2591含有PA(功率放大器)、LNA、幵關(guān)、射頻匹配和不平衡變壓器,可以與TI所有的射頻收發(fā)器和片上系統(tǒng)解決方案相結(jié)合。CC2591具有可連接到TI射頻器件的無縫接口、高達(dá)22dBm的輸出功率、斷電時(shí)僅lOOnA等特性，能夠通過HGM引腳數(shù)字控制LAN增益，所以CC2591廣泛應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線消費(fèi)類電子系統(tǒng)以及IEEE802.15.4和ZigBee?系統(tǒng)中,CC2591模塊框圖如圖4-5所示。圖4-5CC2591模塊框圖MSP430F5438微處理器與射頻芯片CC2520是以主從控制模式工作的，二者的接口電路如圖4-6所示。圖4-6無線通信模塊與處理器模塊連接圖MSP430F5438微處理器作為主機(jī)，射頻芯片CC2520作為從機(jī)，主機(jī)通過SPI編程來控制從機(jī)。從機(jī)的SFD、FIFO、FIFOP和CCA4個(gè)引腳表示數(shù)據(jù)的收發(fā)狀態(tài),主機(jī)通過CSn片選引腳控制數(shù)據(jù)收發(fā)的同步性，采取識(shí)別從機(jī)FIFO等管腳狀態(tài)的方式完成數(shù)據(jù)的收發(fā)操作，從機(jī)中含有各種功能的存放器,主機(jī)對(duì)這些存放器的操作可以完成從機(jī)工作狀態(tài)的設(shè)置。4.3傳感器節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)4.3.1節(jié)點(diǎn)軟件開發(fā)環(huán)境本系統(tǒng)傳感器節(jié)點(diǎn)軟件幵發(fā)環(huán)境選擇了瑞典IARSystem公司推出的IAREmbeddedWorkbench(IAREW)，IAREW的C/C++穿插編譯器和調(diào)試器是當(dāng)今包容性最強(qiáng)、代碼繼承能力最大且效率非常高的代碼開發(fā)框架,它的功能非常強(qiáng)大，在Windows環(huán)境下，不僅可以支持C/C++代碼的幵發(fā),同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)各種應(yīng)用工程的管理。IAREW對(duì)不同的微處理器提供一樣的直觀用戶界面，目前己支持35種以上的8位、16位和32位ARM的微處理器機(jī)構(gòu)。4.3.2Z-Stack協(xié)議找研究ZigBee2007/PRO協(xié)議找是TI公司基于ZigBee2007協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的協(xié)議找，支持TI的MSP430等低功耗微處理器及新一代ZigBee芯片CC2520，該協(xié)議棧以半幵源的形式開放，以庫(kù)形式出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)層可以提供全功能的API函數(shù)集，用戶可以根據(jù)自己的需要修改底層驅(qū)動(dòng)，方便于程序員的開發(fā)。Z-Stack協(xié)議棧由多個(gè)文件夾中的內(nèi)容組成，每個(gè)文件夾中內(nèi)容的功能不同且各個(gè)文件夾屬于不同的層次，Z-Stack協(xié)議棧軟件目錄及其功能分布如圖4-7所示。圖4-7Z-Stack目錄構(gòu)造及功能分布4.3.3網(wǎng)絡(luò)組建本系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)是基于ZigBee協(xié)議的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)(ZigBee-WMNs)，該網(wǎng)絡(luò)中有3種類型的設(shè)備,ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee路由器和ZigBee終端設(shè)備。ZigBee協(xié)調(diào)器是啟動(dòng)和配置網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，同時(shí)協(xié)調(diào)器可以與網(wǎng)絡(luò)以外的設(shè)備進(jìn)展通信，起到網(wǎng)關(guān)的作用，一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)只允許有一個(gè)協(xié)調(diào)器，ZigBee路由器是負(fù)責(zé)路徑發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)的設(shè)備，可以釆集數(shù)據(jù)，同時(shí)完成路由的工作，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和樹形網(wǎng)絡(luò)可以有多個(gè)路由器，星型網(wǎng)絡(luò)不支持路由器，ZigBee終端設(shè)備負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的釆集和簡(jiǎn)單的控制，本系統(tǒng)中的終端節(jié)點(diǎn)只能完成數(shù)據(jù)采集和返回?cái)?shù)據(jù)的工作，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中可以有多個(gè)終端設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)組建流程如圖4-8所示。網(wǎng)絡(luò)組建過程如下:圖4-8網(wǎng)絡(luò)組建流程(1)協(xié)調(diào)器組建網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)首先要翻開電源供電,供電后完成系統(tǒng)的初始化才可以建設(shè)網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器建設(shè)網(wǎng)絡(luò)必須滿足如下條件:節(jié)點(diǎn)具有ZigBee協(xié)調(diào)器功能且沒有參加到其他網(wǎng)絡(luò)中。所以協(xié)調(diào)器建設(shè)網(wǎng)絡(luò)要檢測(cè)節(jié)點(diǎn)是否滿足上述條件，不滿足條件的節(jié)點(diǎn)發(fā)起的建網(wǎng)進(jìn)程會(huì)被網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體終止，建網(wǎng)失敗。滿足條件的節(jié)點(diǎn)會(huì)執(zhí)行信道掃描，信道掃描包括能量掃描和主動(dòng)掃描兩個(gè)過程，用戶首先對(duì)指定的物理層所有默認(rèn)的信道進(jìn)展能量掃描,獲得每一個(gè)信道的能量值,按照能量值由小到大的順序?qū)⑦@些信道排列，能量值超出允許范圍的信道被棄用，接著對(duì)允許范圍內(nèi)的信道執(zhí)行主動(dòng)掃描，找到可以組建新網(wǎng)絡(luò)的信道，該信道通常是當(dāng)前時(shí)刻存在網(wǎng)絡(luò)數(shù)目最少的信道。掃描過程中如果找不到可以組建網(wǎng)絡(luò)的信道，要通知上層網(wǎng)絡(luò)建設(shè)失敗，繼續(xù)掃描；如果掃描到適宜的信道,協(xié)調(diào)器需要配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。網(wǎng)絡(luò)管理實(shí)體會(huì)為新的網(wǎng)絡(luò)選擇一個(gè)小于等于Ox3fff且不等于Oxffff的PAN描述符(PANID),PANID在所選信道內(nèi)是唯一的，如果沒有符合條件的PANID，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)失敗;選定PANID后,網(wǎng)絡(luò)管理實(shí)體會(huì)為協(xié)調(diào)器選擇16位的網(wǎng)絡(luò)地址。配置好網(wǎng)絡(luò)參數(shù)后,協(xié)調(diào)器啟動(dòng)并運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)的同時(shí)等待其他設(shè)備參加網(wǎng)絡(luò)。(2)路由器和終端設(shè)備參加網(wǎng)絡(luò)路由器和終端節(jié)點(diǎn)上電并完成系統(tǒng)初始化后，同樣要執(zhí)行信道掃描，通過信道掃描發(fā)現(xiàn)信道中存在的網(wǎng)絡(luò)，并接收包含PANID在內(nèi)的信標(biāo)巾貞，信標(biāo)巾貞信息包括信標(biāo)設(shè)備的地址、是否允許連接以及信標(biāo)凈載荷，如果信標(biāo)凈載荷域里的協(xié)議ID與自己的協(xié)議ID一樣，設(shè)備會(huì)將匹配的信標(biāo)帕的相關(guān)信息保存。信道掃描完成后,根據(jù)掃描到的網(wǎng)絡(luò)的描述符,設(shè)備會(huì)選擇一個(gè)網(wǎng)絡(luò)參加。設(shè)備會(huì)向協(xié)調(diào)器發(fā)送入網(wǎng)請(qǐng)求，得到協(xié)調(diào)器的允許后,路由器和終端設(shè)備參加網(wǎng)絡(luò)。4.3.4數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)能夠高效的傳輸是網(wǎng)絡(luò)程序開發(fā)的最終目的。本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)從被采集到最終被傳至上位機(jī)，數(shù)據(jù)的傳輸經(jīng)歷了如下四個(gè)過程:(1)終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)圖4-9終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)流程終端節(jié)點(diǎn)采集到數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)進(jìn)展數(shù)據(jù)融合以后，就要發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首要按照協(xié)議中規(guī)定的頓形式構(gòu)建帕數(shù)據(jù)，頓數(shù)據(jù)包括頓頭和帖內(nèi)容,其中帖頭包括傾類型、源地址、目的地址、PAN、CLUSTERID等信息,巾貞內(nèi)容包括環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)和電池電壓值等。然后對(duì)信道進(jìn)展偵聽,檢測(cè)到信道空閑便立即啟動(dòng)SPI總線驅(qū)動(dòng)進(jìn)展數(shù)據(jù)的發(fā)送。終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)的流程如圖4-9所示。(2)路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)當(dāng)路由節(jié)點(diǎn)接收到一個(gè)數(shù)據(jù)包以后，該數(shù)據(jù)包首先要經(jīng)過MAC層和NWK層的解析以確定該包的目的地址,解析出的目標(biāo)地址決定路由節(jié)點(diǎn)的下一步操作，如果解析出的目的地址與該路由節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)地址一樣，路由節(jié)點(diǎn)會(huì)將數(shù)據(jù)包翻開進(jìn)展數(shù)據(jù)處理;如果數(shù)據(jù)包的目的地址不是本節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)此時(shí)的功能即為轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),路由節(jié)點(diǎn)要分析出下一跳節(jié)點(diǎn)地址，將數(shù)據(jù)發(fā)給下一跳節(jié)點(diǎn)。路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)流程如圖4.10所示。圖4-10路由點(diǎn)消息轉(zhuǎn)發(fā)流程(3)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)圖4-11協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)流程ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)或者路由器節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)層必須保證無論什么時(shí)候接收機(jī)總是處于接收狀態(tài)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)以后，SFD被觸發(fā),管腳由低電平變成高電平，進(jìn)而觸發(fā)IRQ中斷，中斷服務(wù)程序會(huì)調(diào)用相關(guān)的函數(shù)進(jìn)展接收數(shù)據(jù)的處理,經(jīng)過處理后,數(shù)據(jù)會(huì)被交由ZigBee協(xié)議棧的MAC層進(jìn)展進(jìn)一步處理。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)的流程如圖4-11所示。(4)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過UART與上位機(jī)進(jìn)展數(shù)據(jù)和控制指令的交互。交互程序幵始以后，協(xié)調(diào)器首先要對(duì)UART進(jìn)展相應(yīng)的初始化：使能UART，規(guī)定起始位、停頓位、奇偶校驗(yàn)位和流控制方式，同時(shí)翻開UART的收發(fā)中斷設(shè)置數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和數(shù)據(jù)通信波特率。初始化完成以后，當(dāng)有數(shù)據(jù)收發(fā)任務(wù)時(shí)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)就可以執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)或接收上位機(jī)發(fā)出的控制指令。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)通過UART與上位機(jī)進(jìn)展數(shù)據(jù)和控制指令的交互流程如圖4-12所示。圖4-12UART收發(fā)數(shù)據(jù)流程4.4智能農(nóng)場(chǎng)處理中心的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)智能農(nóng)場(chǎng)處理中心是系統(tǒng)的核心局部，其架構(gòu)如圖4-13所示。在該局部中，用戶可以登錄進(jìn)入本系統(tǒng)進(jìn)展節(jié)點(diǎn)環(huán)境參數(shù)查看、設(shè)備運(yùn)行狀況查詢以及各種綜合管理，整個(gè)系統(tǒng)通過Tomcat服務(wù)器在線發(fā)布，用戶可以在任何一臺(tái)與Internet相連的PC機(jī)上登錄本系統(tǒng)進(jìn)展數(shù)據(jù)査詢和系統(tǒng)管理。智能監(jiān)測(cè)處理中心中設(shè)計(jì)了多個(gè)為用戶服務(wù)的模塊,具體介紹如下:圖4-13智能農(nóng)場(chǎng)處理中心(1)用戶