SRT計劃項(xiàng)目結(jié)題研究論文無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在溫室監(jiān)測中的應(yīng)用

1、srt計劃項(xiàng)目研究論文項(xiàng)目名稱: 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在溫室監(jiān)測中的應(yīng)用 申 請 者: 院系名稱: 工 學(xué) 院 專 業(yè): 自 動 化 指導(dǎo)教師: 職稱: 教 授 2009 年 11 月 29 日南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院教務(wù)處制無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在溫室監(jiān)測中的應(yīng)用xxxx(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院電氣系 )摘要：本系統(tǒng)將利用一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，即zigbee組建一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，將各節(jié)點(diǎn)傳感器檢測到的信息通過處理器處理后，傳送給無線通信模塊與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，最終通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器將各節(jié)點(diǎn)所收集信息傳送到監(jiān)測主機(jī)，對接收到的信息進(jìn)行進(jìn)一步的處理，直觀的顯示出所監(jiān)測溫室的參

2、數(shù)，最終達(dá)到全面監(jiān)測溫室信息的目的。關(guān)鍵詞：zigbee；ieee 802154；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；溫室精準(zhǔn)調(diào)控wireless sensor network application in greenhouse monitoring wang zhiyu(nanjing agricultural university institute of electrical system 3226303 e-mail: xiaobai585)abstract: the system will use a close, low complexity, low power consumption, low d

3、ata rate, low cost of two-way wireless communication technology, namely zigbee form a wireless sensor network, each node will detect sensor information through the processor, send wireless communication module and other nodes communicate via the internet, eventually tuner will each node collected in

4、formation transmitted to monitor host, the information for further treatment, intuitive shows which monitoring, the parameters of greenhouse comprehensive monitoring information of greenhouse.keywords: zigbee；ieee 802.15.4； wireless sensor networks； precise control of greenhouse0 引言溫室培育是我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向，它的

5、經(jīng)濟(jì)收益非常高、前景被普遍看好，然而對溫室的監(jiān)測控制方面，目前我國很大程度上還是處于人工采集信息，手工處理信息的階段，效率十分低下。有線的監(jiān)測設(shè)備存在布線困難，監(jiān)測范圍小等缺點(diǎn)。而以zigbee協(xié)議為基礎(chǔ)的溫室無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)。這種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)提高了溫室的實(shí)時監(jiān)測能力，并且減少了室內(nèi)布線，使整個監(jiān)測系統(tǒng)更靈活有效地存在于溫室的各個角落，可以有效的為溫室生產(chǎn)節(jié)約成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，降低工作人員的勞動強(qiáng)度等。1 zigbee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)1.1 無線通信協(xié)議zigbeezigbee技術(shù)是一種新興的短距離的、低速率無線通信網(wǎng)絡(luò)

6、技術(shù)，它是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙技術(shù)之間的技術(shù)方案，主要用于近距離無線連接，其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)由ieee802.15.4工作小組制訂。2002年英國invensys公司、日本三菱電氣公司、美國摩托羅拉公司以及荷蘭飛利浦半導(dǎo)體公司四大巨頭共同加盟“zigbee聯(lián)盟”，zigbee技術(shù)正是在他們的合力推動而產(chǎn)生的。zigbee協(xié)議在2003年通過后，于2004年正式問世。zigbee無線技術(shù)以其短距離、低速率、低時延、低功耗、低成本等優(yōu)點(diǎn)彌補(bǔ)了無線通信技術(shù)的空缺，也滿足了以傳感器和自組織網(wǎng)絡(luò)為代表的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)并不要求較高的帶寬，但要求較低的時延與較低的功耗。正如zigbee聯(lián)

7、盟主席所說，zigbee是無線傳感網(wǎng)絡(luò)最好的選擇。1.2 zigbee的研究進(jìn)展進(jìn)入2006年以來，市場上己經(jīng)陸續(xù)出現(xiàn)了各種基于zigbee技術(shù)的產(chǎn)品。據(jù)美國zigbee聯(lián)盟主席 bobheile博士介紹，zigbee應(yīng)用領(lǐng)域主要有移動增值、家庭自動化、家庭安全、工業(yè)與環(huán)境控制與個人醫(yī)療看護(hù)等，應(yīng)用產(chǎn)品則有移動終端、家電產(chǎn)品、消費(fèi)性電子、pc周邊產(chǎn)品與感測器等。北京赫立訊公司推出的無線定位方案已開始在煤礦行業(yè)中打開了市場，該公司利用其zigbee無線網(wǎng)絡(luò)模塊，運(yùn)用區(qū)域定位技術(shù)，通過定位網(wǎng)絡(luò)中的參考節(jié)點(diǎn)接收目標(biāo)節(jié)點(diǎn)(礦工隨身攜帶)的無線信號強(qiáng)度rssi和無線信號質(zhì)量lqi等信息，從而隨時了解礦工

8、的工作位置，同時還可以通過礦工身上的傳感器，接收并上報該區(qū)域瓦斯?jié)舛茸兓刃畔??；趜igbee無線傳輸?shù)淖詣映硐到y(tǒng)、智能建筑和樓宇自動化系統(tǒng)等的解決方案也陸續(xù)得到市場的認(rèn)可。作為唯一的面向wsn的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，zigbee的目標(biāo)是建立一個無所不在的傳感器網(wǎng)絡(luò)。從成立到現(xiàn)在，zigbee聯(lián)盟己經(jīng)從最初的13家公司發(fā)展到100多家知名企業(yè)加盟的商業(yè)團(tuán)體，在眾多企業(yè)的追棒下，zigbee技術(shù)呈現(xiàn)出蓬勃的發(fā)展趨勢。同時，為了增強(qiáng)zigbee標(biāo)準(zhǔn)的易用性和對大型網(wǎng)絡(luò)的支持，zigbee聯(lián)盟已經(jīng)批準(zhǔn)在最初的協(xié)議棧規(guī)范中增加高級功能和更高靈活性能的 zigbeepro框架堆棧，它在最初規(guī)范的基礎(chǔ)上增加了網(wǎng)絡(luò)

9、可伸縮性、分解片段(分解較長消息和實(shí)現(xiàn)與其它協(xié)議和系統(tǒng)交互的能力)、頻率捷變和自動設(shè)備尋址管理能力。未來的zigbee除了增強(qiáng)自身功能外，將向著更廉價、更省電、與ipv6結(jié)合的方面發(fā)展。ipv6擁有巨大的地址空間，可以為每一個zigbee節(jié)點(diǎn)分配一個全球唯一的網(wǎng)絡(luò)地址，同時提供安全的通信保障和優(yōu)良的qos保證。zigbee與ipv6的結(jié)合將會將wsn的推廣和普及推向一個新的高峰。1.3 zigbee技術(shù)的特點(diǎn)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(luò)平臺，十分類似現(xiàn)有的移動通信的cdma網(wǎng)或gsm網(wǎng)，每一個zigbee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊類似移動網(wǎng)絡(luò)的一個基站，在整個網(wǎng)絡(luò)

10、范圍內(nèi)，它們之間可以進(jìn)行相互通信。每個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75米，到擴(kuò)展后的幾百米，甚至幾公里，另外整個zigbee網(wǎng)絡(luò)還可以與現(xiàn)有的其它的各種網(wǎng)絡(luò)連接，如可以通過互聯(lián)網(wǎng)或者gprs網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控一個zigbee控制網(wǎng)絡(luò)。不同的是，zigbee網(wǎng)絡(luò)主要是為自動化控制數(shù)據(jù)傳輸而建立，而移動通信網(wǎng)主要是為語音通信而建立。每個移動基站價值一般都在白萬元人民幣以上，而每個zigbee基站卻不到1000元人民幣。每個zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)不僅本身可以監(jiān)控對象，如傳感器直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，還可以自動中轉(zhuǎn)別的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳過來的數(shù)據(jù)資料，除此之外，每個zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)還可在自己信號覆蓋的范圍內(nèi)，和多個

11、不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立的子節(jié)點(diǎn)無線連接。每個zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可以支持多到31個的傳感器和受控設(shè)備，每一個傳感器和受控設(shè)備終端可以有8種不同的接口方式，可以采集和傳輸數(shù)字量和模擬量。zigbee是一種高可靠的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，采取了ieee 802.15.4強(qiáng)有力的無線物理層所規(guī)定的全部，同時增加了邏輯網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)安全和應(yīng)用層。一般而言，隨著通信距離的增大，設(shè)備的復(fù)雜度、功耗以及系統(tǒng)成本都在增加。相對于現(xiàn)有的各種無線通信技術(shù)，zigbee技術(shù)將是功耗和成本最低的技術(shù)，同時又由于zigbee技術(shù)具有數(shù)據(jù)速率低和通信范圍較小的特點(diǎn)，因此zigbee技術(shù)適合于承載數(shù)據(jù)流量較小的業(yè)務(wù)。1.4 z

12、igbee技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)：（1）節(jié)能：由于工作周期很短、收發(fā)信息功耗較低、并且采用了休眠模式;(2) 可靠: 采用了碰撞避免機(jī)制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。mac層可以采用完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息;(3) 成本低: 模塊的初始成本估計在6美元左右，很快就能降到1.5美元到2.5美元之間，且zigbee協(xié)議是免專利費(fèi)的;(4) 時延短: 針對時延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短。設(shè)備搜索時延典型值為30ms，休眠激活時延典型值是15ms，活動設(shè)備信道接入時延為15ms;(5) 網(wǎng)絡(luò)

13、容量大: 一個zigbee網(wǎng)絡(luò)可以容納最多254個從設(shè)備和一個主設(shè)備，一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在最多100個zigbee網(wǎng)絡(luò);(6) 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aes一128，同時各個應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。1.5 zigbee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)完整的zigbee協(xié)議由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用支持子層、網(wǎng)絡(luò)層、媒體訪問控制層和物理層組成。其中媒體訪問控制層和物理層由ieee 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義;zigbee聯(lián)盟則定義了zigbee協(xié)議的上面三層，zigbee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖1所示。zigbee的協(xié)議架構(gòu)以osi七層參考模型為基礎(chǔ)，只定義了其中與無線個域網(wǎng)應(yīng)用相關(guān)的協(xié)議

14、層。zigbee協(xié)議棧的每層為其上層提供一套服務(wù)功能:數(shù)據(jù)實(shí)體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，管理實(shí)體提供其他服務(wù)。每個服務(wù)實(shí)體和上層之間的接口稱作“服務(wù)訪問點(diǎn)(sap)”。這些服務(wù)在zigbee規(guī)范中是通過層間信息流來描述的，層間信息流是一系列離散的事件，每個事件通過層間sap發(fā)送一個服務(wù)原語。 圖1 zigbee的協(xié)議架構(gòu)服務(wù)原語是一個抽象概念，它僅僅指定了實(shí)現(xiàn)特定的服務(wù)需要傳遞的信息，而與實(shí)現(xiàn)服務(wù)的具體方式無關(guān)，也就是說在調(diào)用下層服務(wù)時，只需要遵循統(tǒng)一的原語規(guī)范，并不需要去了解如何處理原語，這樣就做到了數(shù)據(jù)層與層之間的透明傳輸。一種服務(wù)原語包括一個和多個服務(wù)原語，原語中的參數(shù)用來傳遞提供服務(wù)所要求的信

15、息。osfrm規(guī)定了4種類型的服務(wù)原語:(l)請求(request)。請求原語由上層指向服務(wù)實(shí)體，請求啟動一項(xiàng)服務(wù)。(2)指示(indication)。指示原語由服務(wù)實(shí)體指向上層，告知與其相關(guān)的服務(wù)實(shí)體事件信息。該事件可能與遠(yuǎn)端服務(wù)請求邏輯相關(guān)，也可能是服務(wù)實(shí)體內(nèi)部事件。(3)響應(yīng)(response)。響應(yīng)原語由上層指向服務(wù)實(shí)體，完成此前指示原語啟動的過程。(4)證實(shí)(confirm)。證實(shí)原語由服務(wù)實(shí)體指向上層，傳遞此前服務(wù)請求的結(jié)果?！綼】ieee 802.15.4協(xié)議層ieee 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了物理層和mac子層。物理層包括射頻收發(fā)器和底層控制模塊，mac層為高層提供訪問物理信

16、道的服務(wù)接口。ieee 802.15.4的物理層通過射頻硬件和軟件在mac子層和射頻信道之間提供接口。物理層的主要任務(wù)是在物理介質(zhì)上透明的傳輸比特流，提供物理層數(shù)據(jù)服務(wù)和管理服務(wù)，分別通過物理層數(shù)據(jù)服務(wù)訪問點(diǎn)pd一sap和物理層管理訪問點(diǎn)plme一sap與mac層交換數(shù)據(jù)和管理信息。物理層信息數(shù)據(jù)庫pib里保存有與pan網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的數(shù)據(jù)，物理層通過射頻服務(wù)接入點(diǎn)rf一sap來控制射頻模塊的工作。圖2 ieee 802.15.4層的參考模型ieee 802.15.4的mac層處理所有信道的訪問，通過一定的共享機(jī)制使網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)能有序平等地訪問信道。mac層的主要功能包括:為pam協(xié)調(diào)器發(fā)出網(wǎng)絡(luò)標(biāo)志

17、信號、同步時序信號、完成個人區(qū)域網(wǎng)的建立和分離、保證無線通信信道的安全、為信道訪問提供csma/ca機(jī)制及保證mac層實(shí)體之間的可靠傳輸?shù)?。mac層提供兩種服務(wù):mac層數(shù)據(jù)服務(wù)mcps和mac層管理服務(wù)mlme。前者保證mac協(xié)議數(shù)據(jù)單元在物理層數(shù)據(jù)服務(wù)中正確收發(fā)，后者維護(hù)一個存儲mac層協(xié)議狀態(tài)相關(guān)信息的數(shù)據(jù)庫。mac層通過mac通用部分子層服務(wù)訪問點(diǎn)mcps一sap來進(jìn)行提供mac層數(shù)據(jù)服務(wù)，用mac子層管理實(shí)體服務(wù)訪問點(diǎn)mlme一sap來提供mac層管理服務(wù)。在mac層參考模型中pd一sap是phy層提供給mac的數(shù)據(jù)服務(wù)接口，plme一sap是phy層給mac層提供的管理服務(wù)接口，而

18、mlme一sap是由mac層提供給nwk層的管理服務(wù)接口，而mcps一sap是mac層提供給nwk層的數(shù)據(jù)服務(wù)接口。phy層和mac層的參考模型如圖2所示?！綽】zigbee協(xié)議層zigbee協(xié)議層包括網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。網(wǎng)絡(luò)層(nwk)負(fù)責(zé)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)連接，獨(dú)立處理傳入數(shù)據(jù)請求、關(guān)聯(lián)、解除關(guān)聯(lián)和孤立通知請求等。網(wǎng)絡(luò)層要求能夠確保ieee 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的mac層正常工作，并且為應(yīng)用層提供合適的服務(wù)接口。zigbee網(wǎng)絡(luò)層提供了兩個必須的功能服務(wù)實(shí)體:數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體nlde和管理服務(wù)實(shí)體nlme。nlde通過網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體服務(wù)訪問點(diǎn)nlde一sap提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，nlme通過

19、網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體服務(wù)訪問點(diǎn)nlme一sap提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)。zigbee應(yīng)用層包括應(yīng)用匯聚子層aps，應(yīng)用框架af和zigbee設(shè)備對象zdo。aps層主要功能:aps層協(xié)議數(shù)據(jù)單元apdu的處理;aps數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制;節(jié)點(diǎn)間的應(yīng)用對象綁定。af層為各個用戶自定義的應(yīng)用對象提供了模板式的活動空間，為每個應(yīng)用對象提供了鍵值對kvp服務(wù)和報文msg服務(wù)兩種服務(wù)供數(shù)據(jù)傳輸使用。zdo可以看成是一種公共的應(yīng)用，提供了一個公共的功能集，供用戶自定義的應(yīng)用對象調(diào)用aps層的服務(wù)及nwk層的服務(wù)，主要功能包括設(shè)備服務(wù)發(fā)現(xiàn)。 圖3 zigbee協(xié)議層參考模型aps子層通過zigbee設(shè)備對象和制造商定義的應(yīng)用對象

20、所用到的一系列服務(wù)來為網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層提供接口。aps子層所提供的服務(wù)由數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體apsde和管理服務(wù)實(shí)體apsme來實(shí)現(xiàn)。apsde通過aps子層數(shù)據(jù)實(shí)體服務(wù)訪問點(diǎn)apsde一sap來提供服務(wù)，apsme通過aps子層管理實(shí)體服務(wù)訪問點(diǎn)apsme一sap來提供服務(wù)。這兩個服務(wù)通過nlde一sap和nlme一sap接口提供了_l層實(shí)體和網(wǎng)絡(luò)層之間的接口。網(wǎng)絡(luò)層和aps子層之間的nlme一s”接口只支持nlme一get和nlme一set原語，其他的nlme一sap原語只可以通過zdo實(shí)現(xiàn)。zigbee協(xié)議層的參考模型如圖3所示。2 利用zigbee構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)模型2.1 設(shè)備類型ieee 802

21、.15.4把網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備分為全功能設(shè)備 (ffd)和簡化功能設(shè)備(rfd)，ffd實(shí)現(xiàn)了 ieee 802.15.4協(xié)議的全集，而rfd則根據(jù)特定的應(yīng)用需要只實(shí)現(xiàn)了 ieee 802.15.4完整協(xié)議的一部分。zigbee協(xié)議中根據(jù)設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中承擔(dān)任務(wù)的不同，將網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備定義為zigbee協(xié)調(diào)器(zc)、zigbee路由器(zr)和zigbee終端設(shè)備(zed)。zc: zigbee網(wǎng)絡(luò)的總控制器，為建立和啟動網(wǎng)絡(luò)這一過程設(shè)置參數(shù)，其中包括選擇一個射頻信道、唯一的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識符以及一系列操作參數(shù)。一個zigbee網(wǎng)絡(luò)中只能有一個zc，必須是ffd設(shè)備。在zigbee網(wǎng)絡(luò)中，zc與扮演zr和zed

22、的ffd沒有區(qū)別，只是根據(jù)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的需要，zc這個ffd承擔(dān)了控制中心的任務(wù)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)發(fā)生變化時，其他的ffd也能承擔(dān)起zc的任務(wù)。zr: 遠(yuǎn)程設(shè)備之間的中繼器，負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)信息幀的路由，能夠用來拓展網(wǎng)絡(luò)的范圍。一個zigbee網(wǎng)絡(luò)中可以有多個zr，必須是ffd設(shè)備。在加入網(wǎng)絡(luò)后，獲得一定的短地址空間。在這個空間內(nèi)，允許加入子節(jié)點(diǎn)并分配地址。zed:是整個zigbee網(wǎng)絡(luò)的子節(jié)點(diǎn)，可以是ffd設(shè)備，也可以是rfd設(shè)備。rfd主要用于非常簡單的應(yīng)用，通常不需要傳輸大量的數(shù)據(jù),往往同一時間只和一個ffd關(guān)聯(lián)，所以rfd可以用最少的資源和存儲容量來實(shí)現(xiàn)。一個ffd可以和rfd通信，也可以和其他的ff

23、d通信，而rfd只能和ffd通信。2.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋤igbee網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有三種，星型網(wǎng)、網(wǎng)狀（mesh）網(wǎng)和混合網(wǎng)。星型網(wǎng)（圖4-a）是由一個pan協(xié)調(diào)點(diǎn)和一個或多個終端節(jié)點(diǎn)組成的。pan協(xié)調(diào)點(diǎn)必須是ffd，它負(fù)責(zé)發(fā)起建立和管理整個網(wǎng)絡(luò)，其它的節(jié)點(diǎn)（終端節(jié)點(diǎn)）一般為rfd，分布在pan協(xié)調(diào)點(diǎn)的覆蓋范圍之內(nèi)，直接與pan協(xié)調(diào)點(diǎn)進(jìn)行通信。但是星型網(wǎng)通常用于節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少的場合。mesh網(wǎng)（圖4-b）一般是由若干個ffd連接在一起形成，它們之間是完全的對等通信，每個節(jié)點(diǎn)都可以與它的無線通信范圍內(nèi)的其它節(jié)點(diǎn)通信。mesh網(wǎng)中，一般將發(fā)起建立網(wǎng)絡(luò)的ffd節(jié)點(diǎn)作為pan協(xié)調(diào)點(diǎn)。mesh網(wǎng)是一種高可靠

24、性的網(wǎng)絡(luò)，具有“自恢復(fù)”的能力，它可為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包提供多條路徑，一旦一條路徑出現(xiàn)了故障，則存在另一條或者多條路徑可供其選擇。mesh網(wǎng)可以通過ffd擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)，組成mesh網(wǎng)與星型網(wǎng)構(gòu)成的混合網(wǎng)（圖4-c）?；旌暇W(wǎng)中，終端節(jié)點(diǎn)采集的信息首先傳到同一子網(wǎng)內(nèi)的協(xié)調(diào)點(diǎn)，再通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上傳到上一層網(wǎng)絡(luò)的pan協(xié)調(diào)點(diǎn)?；旌暇W(wǎng)都適用于覆蓋范圍較大的網(wǎng)絡(luò)。 圖4 zigbee拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2.3 路由方式zigbee路由器使用樹形路由選擇，即在做路由選擇策略時利用樹形結(jié)構(gòu)選址。有了樹形路由選擇，設(shè)備不必保存占用龐大內(nèi)存的路由表或進(jìn)行任何額外的空中下載技術(shù)(overtheair)操作來發(fā)現(xiàn)路徑，因此最小化了網(wǎng)絡(luò)流量。

25、但樹形路由選擇遵循樹形結(jié)構(gòu)，而不是采取最短路徑，超過一定長度的路徑會產(chǎn)生額外的流量，并且更有可能發(fā)生故障。為了提高路由效率，zigbee算法也讓路由器去發(fā)現(xiàn)捷徑。希望利用捷徑的每一個路由器都必須保存一個d，n表，其中d是目的地址，而n是通往該目的地路線上的下一跳設(shè)備的地址。路由選擇規(guī)則很簡單:“如果有捷徑，你就用它，否則就使用樹形。”在zigbee中，借以發(fā)現(xiàn)捷徑的簡單請求/響應(yīng)協(xié)議來自一種叫做“按需距離矢量aodv”的算法。aodv協(xié)議為了維護(hù)路由還周期性地發(fā)送hello分組。2.4 基于zigbee的網(wǎng)絡(luò)模型基于上文的分析，可以構(gòu)建一種基于zigbee的無線網(wǎng)絡(luò)模型，如圖5所示。整個網(wǎng)絡(luò)只

26、有一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，可以有若干個路由節(jié)點(diǎn)，每個簇內(nèi)可以有若干個終端設(shè)備，這些設(shè)備根據(jù)用途需要可以選擇rfd，也可以選擇ffd。圖5 基于zigbee的無線網(wǎng)絡(luò)模型3基于zigbee的溫室wsn監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計3.1建立基于zigbee的溫室wsn監(jiān)測系統(tǒng)模型現(xiàn)如今，溫室技術(shù)飛速發(fā)展，溫室也趨向大型化發(fā)展，而無線終端節(jié)點(diǎn)傳輸距離有限，無法滿足大型溫室的要求，因此，我們在溫室中設(shè)立一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器與多個路由節(jié)點(diǎn)，如圖6所示，每個路由節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)管轄一個監(jiān)測區(qū)域中的一部分，與各終端節(jié)點(diǎn)組成一個子網(wǎng)，子網(wǎng)與子網(wǎng)之間相對獨(dú)立，終端節(jié)點(diǎn)上安裝各種需要測量的傳感器(主要為溫度、濕度、光照、co等)，負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)，通過

27、標(biāo)識符確定所隸屬的路由節(jié)點(diǎn)。路由節(jié)點(diǎn)與隸屬于它的終端節(jié)點(diǎn)組成星型網(wǎng)絡(luò)，完成溫室環(huán)境的數(shù)據(jù)采集。各路由節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器以多跳的通信方式實(shí)現(xiàn)，即路由節(jié)點(diǎn)通過多跳鏈路將終端節(jié)點(diǎn)采集的溫室環(huán)境參數(shù)信息傳送到網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。終端節(jié)點(diǎn)預(yù)先布置在溫室內(nèi)指定的位置，負(fù)責(zé)采集溫室中的溫度、濕度等信息，并把采集到的信息通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給路由節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)與各部分的路由節(jié)點(diǎn)通信，通過管理所有路由節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)溫室的網(wǎng)絡(luò)化控制;監(jiān)測中心是溫室網(wǎng)絡(luò)集群的總控制臺，也是整個溫室網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心，負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的管理。這樣，基于zigbee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測區(qū)域通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器與路由節(jié)點(diǎn)串聯(lián)在一起，使監(jiān)測面積得到延伸，實(shí)

28、現(xiàn)了溫室大型化、分區(qū)化管理。圖6 基于zigbee的溫室wsn數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)模型3.2基于zigbee的溫室wsn監(jiān)測系統(tǒng)工作原理在溫室wsn監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中，各底層無線傳感節(jié)點(diǎn)是采集信息的終端節(jié)點(diǎn)，是現(xiàn)場數(shù)據(jù)的來源;路由節(jié)點(diǎn)是終端節(jié)點(diǎn)的管理者，也是現(xiàn)場數(shù)據(jù)的收集者和中轉(zhuǎn)站，負(fù)責(zé)與傳感節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信;網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器是一個溫室的數(shù)據(jù)和控制中心，是路由節(jié)點(diǎn)工作的管理和調(diào)度者，是網(wǎng)絡(luò)控制中心的數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站;監(jiān)測中心是數(shù)據(jù)的最終目的地，也是網(wǎng)絡(luò)的決策者。一個完整的溫室wsn測控過程需要各個部分協(xié)調(diào)合作，為了分析方便，以其中一個路由節(jié)點(diǎn)所監(jiān)控的溫室子網(wǎng)為例進(jìn)行分析。成功組網(wǎng)后，終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài);網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)

29、器定時發(fā)送采集命令，路由節(jié)點(diǎn)接收到采集命令后首先傳送給下一級路由節(jié)點(diǎn)，然后廣播給自身子網(wǎng)內(nèi)的終端節(jié)點(diǎn)，組織的一次數(shù)據(jù)采集過程;終端節(jié)點(diǎn)收到采集命令后從休眠狀態(tài)醒來，開始采集溫室環(huán)境參數(shù)并將信息通過無線網(wǎng)絡(luò)傳送給路由節(jié)點(diǎn);路由節(jié)點(diǎn)將收到的信息經(jīng)過多跳(路由節(jié)點(diǎn)之間的通信)后傳送給網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給監(jiān)測中心;監(jiān)測中心負(fù)責(zé)實(shí)時接收數(shù)據(jù)，并建立一個數(shù)據(jù)庫存儲這些數(shù)據(jù)，管理者可以通過監(jiān)測中心了解到所有監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的采集節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)，也能通過調(diào)度查看某一個指定子網(wǎng)的實(shí)時工作狀態(tài)，從而可以及時的制定控制方案。溫室子網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸過程如圖7所示:圖7 溫室子網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸過程4系統(tǒng)硬件

30、設(shè)計4.1系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的研究是基于zigbee的無線單片機(jī)cc2430的基礎(chǔ)之上，我們選定了成都無線龍通訊公司開發(fā)的c51rf-3-pk-cc2430 zigbee 協(xié)議棧高級開發(fā)平臺作為我們系統(tǒng)的設(shè)計平臺。我們將在此zigbee開發(fā)平臺上加入傳感器模塊，通過此平臺建立的zigbee無線網(wǎng)絡(luò)將各傳感器收集的信息傳送到終端節(jié)點(diǎn)的一塊嵌入式的演示板上，將傳感器所收集的信息通過液晶直觀的顯示出來，如圖8所示： 圖8 系統(tǒng)框架圖4.2 cc2430的zigbee開發(fā)系統(tǒng)c51rf-3-pk-cc2430zigbee是一款可重復(fù)使用的開發(fā)工具箱套裝（如圖9），完全滿足ieee 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)和z

31、igbee技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計開發(fā)，該工具箱包含了構(gòu)建多種zigbee網(wǎng)絡(luò)所需的全部硬件、軟件專業(yè)開發(fā)工具,文檔和各種展示,表演軟件。圖9 zigbee開發(fā)工具箱套裝c51rf-3-pk-cc2430 zigbee開發(fā)平臺包括以下部件：1)cc2430 無線單片機(jī)c51rf-3實(shí)時在線仿真器(usb接口) 一個； 2)cc2430 2.4ghz高頻無線目標(biāo)模塊3個；(可以分別作為zigbee 路由器/zigbee協(xié)調(diào)者/zigbee限制功能節(jié)點(diǎn))； 3)cc2430/cc2431 擴(kuò)展無線網(wǎng)絡(luò)表演板(帶圖形lcd) 2個； 4)cc2430 標(biāo)準(zhǔn)軟件庫/c51源代碼spp數(shù)據(jù)通訊表演軟件

32、/數(shù)據(jù)手冊/說明書光盤； 5)cc2430 源代碼級zigbee/802.15.4(精簡版)協(xié)議棧光盤(c51源代碼和建好的工程文件)。 6)配套的電纜/電源/電池盒。c51rf-f-cc2430/cc2431實(shí)時在線仿真器（如圖10）通過usb接口直接連接到電腦上，并連接到cc2430/cc2431的zigbee無線單片及目標(biāo)板，實(shí)現(xiàn)對cc2430/cc2431系列無線單片機(jī)實(shí)時在線仿真/調(diào)試測試。圖1 圖 圖 10 實(shí)時在線仿真器c51rf-f-cc2430實(shí)時在線仿真器可支持著名iar7.20以上的集成開發(fā)環(huán)境c51編譯器。這是一個kellc51類似的，功能強(qiáng)大的c51編譯器/ide/d

33、ebug開發(fā)平臺。iar embedded workbench（簡稱ew）的c/c+交叉編譯器和調(diào)試器是今天世界最完整的和最容易使用專業(yè)嵌入式應(yīng)用開發(fā)工具。能使我們所研發(fā)的系統(tǒng)更具實(shí)用性和兼容性。4.3 基于zigbee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)將利用zigbee技術(shù)組建一個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，將各節(jié)點(diǎn)傳感器檢測到的信息通過處理器處理后，傳送給無線通信模塊與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，最終通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器將各節(jié)點(diǎn)所收集信息傳送到監(jiān)測主機(jī)，對接收到的信息進(jìn)行進(jìn)一步的處理，直觀的顯示出所監(jiān)測溫室的參數(shù)，最終達(dá)到全面監(jiān)測溫室信息的目的。從而獲得作物生長的最佳條件，為溫室精準(zhǔn)調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)，進(jìn)而達(dá)到增加作物產(chǎn)量、改善品質(zhì)、調(diào)節(jié)生長周期、提高經(jīng)濟(jì)效益的目的。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖，如圖11所示： 圖11本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)物圖4.4 本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的意義：我國是一個傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)在我國占有不可動搖的主導(dǎo)地位，我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展關(guān)系到我國的國計民生和社會發(fā)展。但傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)主要使用孤立的、沒有通信能力的機(jī)械裝置，主要依靠