基于ZigBee技術的大規(guī)模農(nóng)業(yè)灌溉控制數(shù)據(jù)傳輸方案.doc

重慶勤智科技有限公司基于ZigBee技術的大規(guī)模農(nóng)業(yè)灌溉控制數(shù)據(jù)傳輸方案重慶勤智科技有限公司基于ZigBee技術的大規(guī)模農(nóng)業(yè)灌溉控制數(shù)據(jù)傳輸方案一、 前言水對于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的意義是不言而喻的，它是農(nóng)業(yè)生物體生長、發(fā)育與產(chǎn)量形成不可缺少的因素，而且其需要量很大。在生物體不同生長發(fā)育時期，對水分的要求不同；而諸多因素可以影響作物體的水分需求。為了提高水分的利用效率，提高農(nóng)作物的產(chǎn)量，實施灌溉控制就成為了一個必需要解決的問題。農(nóng)業(yè)的灌溉控制并不是簡單的對澆灌閥門的控制，要實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)作物需水的有效控制就需要了解土壤水分、土壤水勢的分布，土壤-作物-大氣系統(tǒng)中的氣態(tài)水的運動，植物水分的散失，以及土壤水分的有效性問題，還要了解降水、空氣濕度等的影響。這些影響灌溉控制的數(shù)據(jù)量都要通過各種傳感器進行采集，但是如何在野外沒有電力和網(wǎng)絡支持的環(huán)境下組建一個低功耗、低成本、高可靠性的傳感器網(wǎng)絡來實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的傳輸就成為了一個需要解決的難題。現(xiàn)在應用比較廣泛的無線傳輸技術主要有WLAN、工業(yè)無線微波、GPRS、藍牙、ZigBee。WLAN和工業(yè)無線微波的傳輸速率高，距離遠，但是大規(guī)模使用的成本高，功耗大，對速率要求不高的傳感器網(wǎng)絡來說并不適合。GPRS的傳輸距離遠，速率適中，但由于要使用第三方的網(wǎng)絡所以后期使用成本比較高。藍牙的傳輸距離過短，而且同一個局域網(wǎng)最多內(nèi)只能有7個終端設備，也不能使用在大范圍的傳感器網(wǎng)絡上。ZigBee無線傳輸技術具有低功耗、低成本、低數(shù)據(jù)率、傳輸距離適中的特點，同一局域網(wǎng)內(nèi)最多可以容納65000個節(jié)點設備，所以ZigBee無線傳輸技術正是組建大規(guī)模傳感器網(wǎng)絡的最佳選擇。二、 ZigBee技術簡介1、概述ZigBee是一種新興的短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)率、低成本、低復雜度的無線網(wǎng)絡技術。ZigBee技術基于 IEEE 802.15.4無線物理層標準，在繼承IEEE 802.15.4省電、簡單、成本低的規(guī)格的同時又增加了邏輯網(wǎng)絡、網(wǎng)絡安全和應用層，使其網(wǎng)絡安全性和可應用性得到了很大的提高。2、短程無線網(wǎng)絡標準的對比標準名稱GPRS/GSM1xRTT/CDMAWi-Fi802.11bBluetooth802.15.1ZigBee802.15.4應用重點廣闊范圍聲音&數(shù)據(jù)Web、Email、圖像電纜替代品監(jiān)測&控制系統(tǒng)資源16MB1MB250KB4KB32KB電池壽命（天）17055171001000網(wǎng)絡大小1327255/65000帶寬（KB/s）641281100072020250傳輸距離（米）10001100110+1100+成功尺度覆蓋面大，質(zhì)量速度，靈活性價格便宜，方便可靠，低功耗，價格便宜3、ZigBee網(wǎng)絡設備類型一個完整的ZigBee網(wǎng)絡由以下三種設備組成：l 網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器（CFD）：包含所有的網(wǎng)絡消息，是3種設備類型中最復雜的一種，存儲容量最大、計算能力最強。發(fā)送網(wǎng)絡信標、建立一個網(wǎng)絡、管理網(wǎng)絡節(jié)點、存儲網(wǎng)絡節(jié)點信息、尋找一對節(jié)點間的路由信息、不斷地接收信息。l 全功能設備（FFD）：可以擔任網(wǎng)絡協(xié)調(diào)者，形成網(wǎng)絡，讓其它的FFD或是精簡功能裝置（RFD）連結，F(xiàn)FD具備控制器的功能，可提供信息雙向傳輸。附帶由標準指定的全部802.15.4功能和所有特征。具有更多的存儲器、計算能力可使其在空閑時起網(wǎng)絡路由器作用。同時該設備也可以用作終端設備。l 精簡功能設備（RFD）：RFD只能傳送信息給FFD或者從FFD接收信息。RFD附帶有限的功能來控制成本和復雜性，通常在網(wǎng)絡中用作終端設備。4、ZigBee網(wǎng)絡拓撲結構a、星形網(wǎng)絡 b、簇狀網(wǎng)絡 c、網(wǎng)狀網(wǎng)絡 網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器 全功能設備（FFD）：可以支持任何一種拓撲結構，可以作為網(wǎng)絡協(xié)商者和普通協(xié)商者，并且可以可以和任何一種設備通信。 精簡功能設備（RFD）：只支持星形結構，不能成為任何協(xié)商者，可以和網(wǎng)絡協(xié)商者進行通信。 5、ZigBee網(wǎng)狀（MESH）網(wǎng)絡 MESH網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲結構具有強大的功能，網(wǎng)絡可以通過多級跳的方式來通信；該拓撲結構還可以組成極為復雜的網(wǎng)絡；網(wǎng)絡還具備自組織、自愈的功能。通過上圖可以知道ZigBee網(wǎng)絡只有一個網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，但是可以有若干個路由器。協(xié)調(diào)器負責整個網(wǎng)絡的建網(wǎng)，同時它也可作為與其它類型網(wǎng)絡的通訊節(jié)點，即作為網(wǎng)關存在。構成協(xié)調(diào)器和路由器的必須是全功能器件（FFD），構成終端設備的可以是全功能器件(FFD)，也可以是簡化功能器件（RFD）。6、ZigBee的技術優(yōu)勢l 數(shù)據(jù)傳輸速率低：10KB/秒250KB/秒，專注與低傳輸應用。l 功耗低：在低功耗模式下，兩節(jié)普通5號電池可以使用624個月。l 成本低：ZigBee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，所以大大降低了成本。l 網(wǎng)絡容量大：網(wǎng)絡可容納65000個設備。l 時延短：典型搜索設備時延為30ms，休眠激活時延為15ms，活動設備信道接入時延為15ms。l 網(wǎng)絡自組織、自愈能力強，通信可靠。l 數(shù)據(jù)安全：ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權功能，采用AES128加密算法，各個應用可靈活確定其安全屬性。l 工作頻段靈活：使用頻段為2.4GHz、868MHz（歐洲）和915MHz（美國），均為免執(zhí)照頻段。7、ZigBee應用條件l 低功耗l 低成本l 較低的報文吞吐率l 需要支持大型網(wǎng)絡節(jié)點的數(shù)量級l 需要可選擇的安全等級l 需要多方面的較負責的網(wǎng)絡拓撲結構應用l 要求高的網(wǎng)絡自組織、自恢復能力三、 系統(tǒng)設計原則本系統(tǒng)是針對控制大規(guī)模農(nóng)業(yè)灌溉的數(shù)據(jù)傳輸而設計。整個系統(tǒng)的設計將遵循以下幾個原則：A、 系統(tǒng)必須具有很高的可靠性。B、 系統(tǒng)的傳感器網(wǎng)絡必須具有自組織和自愈功能，而且能夠支撐大規(guī)模網(wǎng)絡的拓撲結構。C、 系統(tǒng)必須具有較低的功耗以適應野外無電源供應的情況。D、 由于傳感器網(wǎng)絡的規(guī)模較大，所以系統(tǒng)單個節(jié)點的成本必須較低。E、 系統(tǒng)傳輸?shù)男畔⒈仨毜玫桨踩Ｗo，每個節(jié)點和每個局域網(wǎng)絡都必須有一個唯一識別。F、 結合微波傳輸距離遠、帶寬大的優(yōu)勢和ZigBee傳感器的網(wǎng)絡自組網(wǎng)可靠性高、成本低、可大規(guī)模組網(wǎng)的優(yōu)勢實現(xiàn)遠距離的遙測遙控傳感器網(wǎng)絡。四、系統(tǒng)組成1、系統(tǒng)架構a、 系統(tǒng)架構圖場站1場站N微波線路微波線路中心控制站ZigBee終端設備 ZigBee中繼器 ZigBee協(xié)調(diào)器 無線微波網(wǎng)橋 視頻監(jiān)控設備本系統(tǒng)設計采用ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡(MESH)作為基本網(wǎng)絡拓撲結構，采用該拓撲結構可以使ZigBee網(wǎng)絡的自組網(wǎng)、自愈等網(wǎng)絡特性得到最大的發(fā)揮，從而提高整個網(wǎng)絡的穩(wěn)定性和可靠性。b、 主要部分說明l ZigBee協(xié)調(diào)器：該設備的設備類型為ZigBee完全設備（FFD）。該設備在一個ZigBee局域網(wǎng)內(nèi)只能有一個，其作用為管理整個ZigBee局域網(wǎng)絡的運行。l ZigBee中繼器：該設備的設備類型為ZigBee完全設備（FFD）。該設備在各個ZigBee節(jié)點之間起到路由和信息接力的作用。l ZigBee終端設備：該設備的設備類型可以是ZigBee完全設備（FFD）或ZigBee精簡設備（RFD）。該設備的主要作用為接收設備控制信息、發(fā)送傳感器采集信息，當該設備的設備類型為ZigBee完全設備時還可以作為ZigBee中繼器使用。l 無線微波網(wǎng)橋：該設備是使用5.4GHz頻段的遠程數(shù)據(jù)傳輸設備，該設備的傳輸距離遠（10Km以上）、帶寬大（54M）、可中繼。使用該設備與ZigBee無線網(wǎng)絡相配合可以有效的彌補ZigBee無線網(wǎng)絡的弱點，實現(xiàn)ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的遠距離高效傳輸。l 視頻監(jiān)控設備：該設備的作用是使各個分控制站實現(xiàn)遠程的視頻控制管理。可以通過遠程的視頻信息實時的了解到各個分站控制室的運行情況。c、 架構說明l 系統(tǒng)的可靠性實現(xiàn)：利用ZigBee技術可以實現(xiàn)自組網(wǎng)、網(wǎng)絡自愈的功能，協(xié)調(diào)器、各個中繼器、各個采用ZigBee完全設備的終端設備之間可以實現(xiàn)一個高可靠性的短距離無線局域網(wǎng)絡。除了協(xié)調(diào)器之外的任何一個節(jié)點出現(xiàn)故障，與之相連接的其他節(jié)點就會自動的尋找最近的連接節(jié)點連接從而恢復網(wǎng)絡的整體連接實現(xiàn)網(wǎng)絡的自愈合。這樣的設計在野外嚴酷的環(huán)境下保障了系統(tǒng)長時間穩(wěn)定運行的需要，極大的提高了系統(tǒng)的可靠性。l 系統(tǒng)低功耗的實現(xiàn)：ZigBee技術允許每個節(jié)點在沒有數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r下處于休眠狀態(tài)，在休眠狀態(tài)下的電流消耗只有幾十毫安。加之ZigBee本身的低傳輸速率低功耗的特點，可以使整個系統(tǒng)的功耗降低。l 低成本的實現(xiàn)：本公司的ZigBee傳輸模塊使用了無線傳輸多級放大技術和DSSS直列擴頻技術，使得單個節(jié)點的有效傳輸距離提高到1.6公里以上，這樣就極大的減少了ZigBee網(wǎng)絡中繼節(jié)點的個數(shù)，加之ZigBee無線傳輸技術相比其他無線傳輸技術本身的低成本優(yōu)勢，實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的低成本建設。l 各個節(jié)點的唯一識別和信息傳輸安全性：因為ZigBee技術基于IEEE802.15.4無線傳輸標準，每個節(jié)點都有唯一的MAC地址，可以實現(xiàn)每個設備的唯一識別。ZigBee技術在IEEE802.15.4無線傳輸標準的基礎上添加了應用層，因此可以為每個模塊配置一個IP地址，這樣就極大的簡化上層控制軟件的編寫工作。ZigBee技術還提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權功能，采用AES128加密算法對傳輸信息進行加密，這樣實現(xiàn)了系統(tǒng)信息傳輸?shù)陌踩?。l 系統(tǒng)的遠距離傳輸：系統(tǒng)在各個局域網(wǎng)絡的控制站內(nèi)加入了基于微波傳輸技術的無線微波網(wǎng)橋，該設備是當前電信級應用的標準傳輸設備，傳輸帶寬大、距離遠、可中繼。通過微波無線鏈路可以將各個ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸?shù)较嗑嗪苓h的中心控制站內(nèi)，從而實現(xiàn)了系統(tǒng)的遠距離數(shù)據(jù)傳輸和控制。2、ZigBee模塊性能和功能說明l 主要芯片選擇本公司ZigBee無線數(shù)據(jù)傳輸模塊采用美國Freescale公司（原摩托羅拉半導體）的MC13213 芯片。Freescale公司是世界上5大芯片廠商之一，其工業(yè)級芯片性能穩(wěn)定可靠。該型號的ZigBee芯片具有4K RAM和60K Flash存儲體，支持IEEE802.15.4的完全標準，工作溫度在4080，是目前實現(xiàn)ZigBee應用的最穩(wěn)定的工業(yè)級芯片。l 模塊主要性能和功能A、模塊性能參數(shù)參數(shù)名稱性能參數(shù)頻段2.42.483GHz通信協(xié)議標準IEEE 802.15.4 zigbee網(wǎng)絡拓撲結構網(wǎng)狀、星形調(diào)制方式DSSS（OQPSK）數(shù)據(jù)傳輸速率最大250Kb尋址方式64位IEEE地址，8位網(wǎng)絡地址數(shù)據(jù)加密128bit AES錯誤校驗CRC16/32信道接入方式CSMACA和時隙化的CSMACA信道數(shù)16通信時延15ms30ms最大發(fā)射功率25dbm接收靈敏度92dbm工作溫度4085天線2.4G外置天線通信距離1.6Km數(shù)據(jù)接口RS232配置接口RS232電源9VB、模塊功能模塊采用標準設計，可以在模塊外圍定制添加各種功能模塊，針對農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)可以添加1個9V 20mA的DO接口，4個數(shù)字量輸入接口（DI）,4個模擬量輸入接口（AI）。通過以上接口實現(xiàn)對傳感器數(shù)據(jù)的采集轉(zhuǎn)換和對灌溉閥門的開啟關閉控制。針對客戶的要求，本公司可以定制各種不同功能的模塊和相應的軟件以實現(xiàn)客戶的應用目標。3、關于系統(tǒng)的故障處理設計系統(tǒng)由于采用工業(yè)級設計，出現(xiàn)故障的幾率較低。ZigBee網(wǎng)絡本身的高可靠性和網(wǎng)絡的自愈性特點決定了系統(tǒng)網(wǎng)絡的低故障率。一旦出現(xiàn)故障，由于數(shù)據(jù)傳輸部分采用模塊化設計，只需更換模塊插件的便可以輕松排除故障。五、系統(tǒng)運行原理1、數(shù)據(jù)上傳過程l 數(shù)據(jù)采集前端前端的傳感器將采集到的數(shù)據(jù)以數(shù)字量或模擬量的方式輸入到本公司模塊的8個輸入端口，模塊上的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和微處理器會對這些輸入進行處理，然后將數(shù)據(jù)封裝成ZigBee協(xié)議需要的網(wǎng)絡傳輸包。l 傳感器網(wǎng)絡當數(shù)據(jù)采集前端將數(shù)據(jù)封裝成數(shù)據(jù)包后，模塊將使用ZigBee網(wǎng)絡提供的無線通道進行傳輸。傳輸過程采用多級跳轉(zhuǎn)的方式，即數(shù)據(jù)將通過傳感器網(wǎng)絡內(nèi)的中繼節(jié)點自動計算最短路由，然后通過信息接力的方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)椒挚刂普镜臒o線微波網(wǎng)橋。l 微波傳輸網(wǎng)絡微波網(wǎng)橋在接收到傳感器網(wǎng)絡傳來的數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)通過微波遠傳到中心控制站交由中心控制站內(nèi)的綜合控制軟件完成數(shù)據(jù)的顯示和處理。同時分控制站內(nèi)的視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)也可以通過微波網(wǎng)絡傳輸?shù)街行目刂普镜谋O(jiān)控中心。至此傳感器數(shù)據(jù)的上傳工作完成。2、控制下發(fā)過程控制的下發(fā)過程與上傳過程為一個逆過程?？刂茢?shù)據(jù)從中心控制站通過微波網(wǎng)絡傳輸?shù)礁鱾€分控制站，然后通過傳感器網(wǎng)絡傳輸?shù)叫枰刂频哪K，模塊收到控制信息后通過DO接口向灌溉閥門發(fā)送電脈沖控制閥門的關閉或開啟。六、系統(tǒng)的擴展1、基于ZigBee的定位系統(tǒng)由于ZigBee系統(tǒng)的自動路由功能，所有進入ZigBee局域網(wǎng)的ZigBee終端都會自動的連接入ZigBee網(wǎng)絡。因此只要工作人員持ZigBee設備進入傳感器網(wǎng)絡范圍，那么通過無線網(wǎng)絡的定位測定就可以測定該人員的位置，從而實現(xiàn)定位功能。該定位功能比GPS的定位更精確，還能在定位信息中附帶更多的信息。2、基于ZigBee的實時信息傳輸系統(tǒng)當農(nóng)場工作人員進入傳感器網(wǎng)絡范圍，就可以使用加裝了ZigBee模塊的手持PDA設備給處于整個網(wǎng)絡內(nèi)的其他工作人員發(fā)送信息，在沒有手機基站的地域?qū)崿F(xiàn)信息的溝通。同時如果該手持設備的地址獲得了系統(tǒng)控制的授權，也可以通過手