基于ZigBee的土壤含水率檢測系統(tǒng)設(shè)計

1、題目：基于ZigBee的土壤含水率檢測系統(tǒng)設(shè)計【摘要】在農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境科學(xué)等領(lǐng)域的研究中，常常需要測量土壤的濕度。土壤濕度測量具有被測土地面積大、測量點(diǎn)多、需要觀測時間長等特點(diǎn)。傳統(tǒng)的測試方法是將傳感器插入土層，然后進(jìn)行讀數(shù)記錄，不僅花費(fèi)大量的時間和人力，而且由于人為等因素還會造成數(shù)據(jù)測試不準(zhǔn)等問題。本文采用CC2530作為核心控制器件，利用埋入地下的土壤濕度傳感器檢測土壤的濕度，采用基于ZigBee和WSN的自組網(wǎng)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集，克服了傳統(tǒng)土壤濕度檢測的缺點(diǎn)，討論了系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計、軟件編程和系統(tǒng)調(diào)試。該系統(tǒng)綜合了Zigbee 無線網(wǎng)絡(luò)自組網(wǎng)、自行愈合和超低功耗的優(yōu)點(diǎn)，能實(shí)時監(jiān)測

2、土壤信息，為進(jìn)一步簡化農(nóng)業(yè)和生態(tài)環(huán)境的研究操作。最終經(jīng)過測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，丟包率低，能及時準(zhǔn)確的監(jiān)控土壤信息，并將土壤含水率維持在適合植物生長的最佳含水量的范圍之內(nèi)?！娟P(guān)鍵詞】CC2530 ZigBee WSN技術(shù) 低功耗 自組網(wǎng)【Abstract】Research in the field of agriculture, ecology and environmental science, and often need to measure soil moisture. Soil moisture measurement has a of measured land area m

3、easurement points, need a long observation time. Traditional testing methods is the sensor into the soil, and then reading the record, not only spend a lot of time and effort, but also due to man-made and other factors can also cause data test allowed and so on. In this paper, CC2530 as the core con

4、trol device buried in the ground soil moisture sensor detects the moisture content of the soil, the use of remote data acquisition based on ZigBee WSN group network communication technology, to overcome the traditional soil moisture detection disadvantage of the system is discussed in the hardware c

5、ircuit design, software programming and system debugging. The system combines the ZigBee wireless network from the network self-healing and ultra-low power consumption advantages, real-time monitoring of soil information to further simplify the research operation of agricultural and ecological envir

6、onment. After the final test results show that the system is stable, low packet loss rate, timely and accurate monitoring soil, and the soil moisture content is maintained within the scope of the optimum moisture content suitable for plant growth.【Keyword】CC2530 ZigBee WSN Low power consumption Auto

7、 Add Network目錄一、緒論1課題背景2研究的目的和意義2國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀2二、ZigBee簡介22.1 Zigbee的概念及特點(diǎn)22.2 Zigbee與幾種無線通信技術(shù)的比較32.2.1 ZigBee技術(shù)32.2.2 藍(lán)牙技術(shù)32.2.3 Wi-Fi技術(shù)的比較42.2.4 紅外技術(shù)42.3 zigbee 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)52.3.1 ZigBee節(jié)點(diǎn)的類型62.3.2 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)62.3.3 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的組建72.3.4 星型網(wǎng)絡(luò)的組建與通信的實(shí)現(xiàn)9三、系統(tǒng)硬件設(shè)計123.1 系統(tǒng)總體電路圖12土壤含水率數(shù)據(jù)采集電路圖123.1.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電路圖12

8、3.2 土壤含水率采集電路與原理12土壤含水量傳感器采集原理12土壤含水量傳感器電路圖123.3 ZigBee節(jié)點(diǎn)基本電路與原理12時鐘頻率電路12復(fù)位電路133.4 顯示電路14諾基亞5110液晶顯示原理14諾基亞5110液晶顯示電路圖14四、系統(tǒng)軟件設(shè)計164.1 系統(tǒng)主函數(shù)程序164.2 土壤傳感器采集程序204.3 ZigBee終端節(jié)點(diǎn)程序224.4 ZigBee路由器節(jié)點(diǎn)程序274.5 ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)程序344.6 NOKIA5110顯示程序40五、系統(tǒng)調(diào)試40參考文獻(xiàn)40附錄141附錄242附錄359附錄444附錄547一、 緒論課題背景隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展和人們對農(nóng)產(chǎn)品安全

9、的重視，農(nóng)田土壤信息( 如含水率) 的實(shí)時獲取變得越來越重要。土壤含水率是地表和大氣之間通過蒸發(fā)的方式進(jìn)行能量和水分交換的主要控制因子，很大程度上影響農(nóng)作物的健康狀況。現(xiàn)有的監(jiān)測系統(tǒng)大多采用有線數(shù)據(jù)采集及傳輸，其缺點(diǎn)是安裝和布線繁瑣且工作量大，組網(wǎng)復(fù)雜，設(shè)備移動性差以及成本偏高，無法實(shí)施精確有效的監(jiān)測，甚至在有些場合難以實(shí)現(xiàn)。無線傳感網(wǎng)絡(luò)是一種集信息采集、處理和無線傳輸于一體的先進(jìn)監(jiān)測技術(shù)，在諸多領(lǐng)域( 如國防軍事、環(huán)境監(jiān)測、工程安全、農(nóng)業(yè)溫室、畜禽養(yǎng)殖場和食品加工等領(lǐng)域"一刊得到了一定的應(yīng)用。已經(jīng)有國內(nèi)外科研人員將其應(yīng)用于不同農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，但從國外進(jìn)口的同類設(shè)備及控制系統(tǒng)價格昂

10、貴，運(yùn)行成本高，不利于在國內(nèi)推廣。針對上述實(shí)際情況，研究開發(fā)一種智能農(nóng)田土壤含水率信息監(jiān)測系統(tǒng)十分必要。根據(jù)農(nóng)田土壤環(huán)境及含水率監(jiān)測的具體特點(diǎn)，應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計了切實(shí)可行的土壤水分無線傳感網(wǎng)絡(luò)自動監(jiān)測系統(tǒng)。它主要由低功耗無線傳感器網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)，通過ZigBee自組網(wǎng)方式構(gòu)成，進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和無線傳輸，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的無線通信，監(jiān)測中心人員可以通過監(jiān)測中心對系統(tǒng)進(jìn)行管理和配置、發(fā)布監(jiān)測任務(wù)以及對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。將該系統(tǒng)應(yīng)用于現(xiàn)場數(shù)據(jù)監(jiān)測，通過測試檢驗(yàn)其性能。ZigBee從2002年ZigBee Alliance成立到2006年聯(lián)盟推出比較成熟的Zig

11、Bee 2006標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，至今已走過了多個春秋，當(dāng)Zigbee幾年前剛出現(xiàn)時，它的支持者曾設(shè)想這種基于規(guī)范的無線技術(shù)擁有潛在的巨大市場。在低吞吐量、短距離通信應(yīng)用中，成本是第一王牌，而類似藍(lán)牙、和等規(guī)范的性能過于強(qiáng)大。但對于一些Zigbee支持者來說，當(dāng)初的設(shè)想并沒有成為現(xiàn)實(shí)。任何一項(xiàng)通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)都離不開上游芯片廠商的支持和推動，ZigBee作為一項(xiàng)低功耗、低速率無線短距離傳輸應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)，自然也離不開芯片廠商的支持。從整個ZigBee產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟來看，主要的上游芯片供應(yīng)商有五家，分別為Jennic、Ti(Chipcon)、Frescale、Ember、Ateml。“芯片”實(shí)際上只是一個符合物理層標(biāo)

12、準(zhǔn)的芯片，它只負(fù)責(zé)調(diào)制解調(diào)無線通訊信號，所以必須結(jié)合單片機(jī)才能完成對數(shù)據(jù)的接收發(fā)送和協(xié)議的實(shí)現(xiàn)。為了進(jìn)一步減少OEM廠商的成本，部分上游芯片廠商推出了在單顆芯片上同時集成了物理層的收發(fā)和單片機(jī)功能的單Soc解決方案，單Soc把射頻部分和單片機(jī)部分集成在了一起，不需要額外的一個單片機(jī)，它的好處是節(jié)約成本，簡化設(shè)計電路。而且基本上每家芯片公司都免費(fèi)提供了基于自家芯片的ZigBee協(xié)議棧，大大地加速了ZigBee的應(yīng)用和普及。 隨著ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的逐步完善和物聯(lián)網(wǎng)大環(huán)境的帶動，整個ZigBee產(chǎn)業(yè)可以說是朝著越來越繁盛的趨勢發(fā)展，在5大上游芯片廠商和ZigBee聯(lián)盟的不斷努力推動下，基于Zig

13、Bee應(yīng)用層出不窮，并和我們的實(shí)際生活接軌，讓人們的生活更加智能美好。ZigBee芯片全球銷售收入逐年遞增。ZigBee技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛，現(xiàn)階段以商業(yè)大樓自動化，家庭自動化控制(新建安裝)與儀表控制為重點(diǎn)。商業(yè)大樓可以利用ZigBee完成自動控制，管理員可以有效地管理空調(diào)，燈光，火災(zāi)感應(yīng)系統(tǒng)等各項(xiàng)開關(guān)控制系統(tǒng)，可以達(dá)到減少能源費(fèi)用，降低管理人力等節(jié)約目的。對消費(fèi)者來說，若家中具有ZigBee系統(tǒng)，可方便的監(jiān)控家中的整體運(yùn)作，有效掌握電力，自來水，瓦斯的使用狀況之外，亦可以具有安全功能，例如可以在家中安裝無線傳感器來監(jiān)控各種不同情況，一旦偵查到異狀即可自動發(fā)出警告。ZigBee在儀表控制市場隨

14、著國際儀表巨頭中國華立儀表集團(tuán);韓國NURI Telecom等紛紛開始引進(jìn)ZigBee技術(shù)之儀表控制系統(tǒng)之后，這個市場開始受到重視。ZigBee儀表控制系統(tǒng)相當(dāng)適合人工高昂，幅員遼闊，或是抄表員素質(zhì)不良，抄表準(zhǔn)確度不高，又或抄表員不易進(jìn)入水，電，瓦斯儀表所在地的地方。具有這樣背景的地方促使ZigBee儀表控制市場具有一定的需求。二、ZigBee簡介2.1 Zigbee的概念及特點(diǎn)ZigBee一詞來源于蜜蜂群使用的賴以生存和發(fā)展的通信方式，蜜蜂通過調(diào)ZigBee形狀的舞蹈來傳遞新發(fā)現(xiàn)的食物的位置，距離和方向等信息。ZigBee是一種基于IEEE802.15.4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的，集組網(wǎng)、安全和應(yīng)

15、用技術(shù)為一體的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，ZigBee技術(shù)的應(yīng)用不僅解決了傳統(tǒng)燈光控制相對分散、能源浪費(fèi)、不能實(shí)現(xiàn)有效管理的問題，還具備了傳統(tǒng)控制方式?jīng)]有的功能，比如場景設(shè)置以及與建筑物內(nèi)其他燈光系統(tǒng)的關(guān)聯(lián)調(diào)節(jié)等。由于IEEE802.15.4僅能處理低層協(xié)議：MAC層和物理層協(xié)議。ZigBee聯(lián)盟對其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。ZigBee是一種新興的短距離、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸速率（10250 KB / S）、低成本、低復(fù)雜度、可靠性高的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。其網(wǎng)絡(luò)容量較大，可以容納65000個設(shè)備。提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和檢測功能，采用AES-128加密算法。使用頻段為 2.4 GHZ，868 MHZ（歐洲）和

16、915 MHZ（美國），均為免費(fèi)頻段。ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蛯Φ染W(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。星狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中有一個協(xié)調(diào)者和其它的設(shè)備所組成，其它的裝置都只能與協(xié)調(diào)者連接，完全有協(xié)調(diào)者處理所需要處理的事情，這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基本上使用64位（8個字節(jié)）的擴(kuò)展地址，此外，協(xié)調(diào)者給加入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備分配16為的地址以節(jié)省頻寬。在這種網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器一般使用持續(xù)電力系統(tǒng)供電，而其他設(shè)備采用電池供電。星型網(wǎng)絡(luò)適合家庭自動化、個人計算機(jī)的外設(shè)以及個人健康護(hù)理等小范圍的室內(nèi)應(yīng)用。點(diǎn)對點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也有一個協(xié)調(diào)者，用來點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中也需要網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)管理鏈路狀態(tài)信息，認(rèn)證設(shè)備身份等功能，但是其他非協(xié)調(diào)者的FF

17、D除了與協(xié)調(diào)者連接外，也可、以對在其一定范圍內(nèi)的其他的設(shè)備進(jìn)行通信，不過終端設(shè)備只能與FFD連接，而點(diǎn)對點(diǎn)在實(shí)際的應(yīng)用中主要是以更復(fù)雜的方式運(yùn)作，點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)模式可以支持ad-hoc網(wǎng)絡(luò)允許通過多跳路由的方式在網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中主要包括三種類型的設(shè)備，包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、全功能設(shè)備（FFD）、精簡功能設(shè)備（RFD）。只有網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者才能形成網(wǎng)絡(luò)與其他的全功能設(shè)備或者是精簡功能設(shè)備的連接。全功能設(shè)備同時具有路由的功能，可提供信息的雙向傳輸。精簡功能設(shè)備只能傳送信息給全功能設(shè)備或者從全功能設(shè)備接收信息。2.2 Zigbee與幾種無線通信技術(shù)的比較當(dāng)今無線通訊領(lǐng)域由于其應(yīng)用范圍和要求不同，存在

18、著許多種無線通訊技術(shù)，各種無線連接技術(shù)都有著各自的優(yōu)勢和不足，應(yīng)用在不同的領(lǐng)域之中。目前應(yīng)用的最為廣泛的無線通訊技術(shù)有以下幾種。2.2.1 ZigBee技術(shù)Zigbee技術(shù)主要用于近距離無線連接和家庭局域網(wǎng)絡(luò)方面，其基礎(chǔ)是協(xié)議，該協(xié)議規(guī)定了物理層和低層次的MAC層協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)層以上的協(xié)議和API的制定由Zigbee聯(lián)盟負(fù)責(zé)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。工作頻帶為868/915MHz與,為無許可證頻帶，世界各地各個領(lǐng)域都可以使用，適合于低成本的Zigbee技術(shù)使用。其傳輸速度為10k-250kbps,相對于藍(lán)牙技術(shù)的傳輸速度較慢，適用于對數(shù)據(jù)需求量小，速度要求不高的環(huán)境。并且具有以下幾大特點(diǎn)：(1)省電：兩節(jié)五號電

19、池支持長達(dá)半年到兩年左右的使用時間；(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)留了專用的 隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突；節(jié)點(diǎn)模塊之間具有自動動態(tài)組網(wǎng)的功能，信息在整個Zigbee網(wǎng)絡(luò)中通過自動路由方式進(jìn)行傳輸，從而保證了信息傳輸?shù)目煽啃裕?(3)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；(4)網(wǎng)絡(luò)容量大：可支持達(dá)65000個節(jié)點(diǎn)；(5)安全：Zigbee 提供了數(shù)據(jù)完整性檢查功能，加密算法采用通用的AES-128；(6)高保密性：64位出廠編號和支持AES-128加密。2.2.2 藍(lán)牙技術(shù)藍(lán)牙技術(shù)是1994年愛立信公司首先提出的一種短距

20、離無線通訊技術(shù)規(guī)范，能夠在設(shè)備間實(shí)現(xiàn)方便快捷、靈活安全、低成本、低功耗的數(shù)據(jù)和語音通訊，是目前無線局域網(wǎng)的主流技術(shù)之一。其工作標(biāo)準(zhǔn)為IEEE802.15.4工作頻帶為ISM2.4GHz，在該頻帶上有79個信道，可以隨時更換頻道以防止干擾，傳輸速率為723.1kbps. 當(dāng)發(fā)射功率為1mW時，其通信距離可達(dá)10m；發(fā)射功率為100mW時，通信距離可達(dá)100m。藍(lán)牙技術(shù)采用靈活的無基站組網(wǎng)方式，在這種組網(wǎng)方式下，每一個藍(lán)牙設(shè)備都能夠同時和7個設(shè)備進(jìn)行通信，而且支持點(diǎn)對點(diǎn)與點(diǎn)對多點(diǎn)的通信方式，在點(diǎn)對點(diǎn)的通信方式下，藍(lán)牙技術(shù)采用密碼核對方式進(jìn)行通信，及通信的兩個設(shè)備需要進(jìn)行設(shè)置相應(yīng)的密碼進(jìn)行配對，大大

21、增加了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。該技術(shù)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)在如 、PDA、臺式機(jī)電腦和筆記本電腦等主流消費(fèi)性產(chǎn)品當(dāng)中。2.2.3 Wi-Fi技術(shù)的比較無線局域網(wǎng)技術(shù)WLAN（Wi-Fi）,其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)為802.11，可實(shí)現(xiàn)十幾兆至幾十兆的無線接入。WLAN最大的特點(diǎn)是便攜性，主要解決用戶“最好100m”的通信需求，定位于人點(diǎn)地區(qū)的高速游牧數(shù)據(jù)接入，不支持高速移動性，主流應(yīng)用是商務(wù)用戶在酒店、機(jī)場等熱點(diǎn)使用便攜電腦上網(wǎng)瀏覽或訪問企業(yè)的服務(wù)器。WLAN制定有一系列標(biāo)準(zhǔn)，有802.11b/n等。使用WiFi的缺點(diǎn)包括功耗大、成本高、協(xié)議開銷大、需要接入點(diǎn)。目前在一個器具上增加WiFi至少需要15美元。Bluesoft

22、標(biāo)記的價格是65美元。雖然成本還會下降，但近期仍只能用于跟蹤價值較高的資產(chǎn)。一個倉庫可能只會把Bluesoft標(biāo)記用于它的鏟車，而不會用于鏟車搬動的箱子。Wi-Fi是一個無中繼轉(zhuǎn)發(fā)能力的單跳網(wǎng)，器具只能連接到接入點(diǎn)（AP）。AP之間的鏈接、AP與其他網(wǎng)絡(luò)的鏈接往往通過常規(guī)的有線以太網(wǎng)。如果已經(jīng)用于其他以太網(wǎng)業(yè)務(wù)的同一布線再用作WiFi回傳，就需要進(jìn)行認(rèn)證或者把WiFi無線數(shù)據(jù)包隔離開。要不，你就不得不安裝新的纜線和交換機(jī)?，F(xiàn)在，需要新興公司正在推進(jìn)Wi-Fi網(wǎng)狀網(wǎng)，其內(nèi)AP被用作路由器，彼此自動發(fā)現(xiàn)，可經(jīng)過幾跳轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)。但網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)主要涉及用于室外，在AP之間要求視距，使他們更適用于服務(wù)提供商

23、，而不是企業(yè)。隨著低速率應(yīng)用市場需要的不斷增長，Zigbee和Wi-Fi系統(tǒng)共處的可能性越來越大，但是由于兩者都主要工作在2.4GHZ的ism頻段，他們不可避免的會產(chǎn)生相互干擾，所以Zigbee和Wi-Fi之間的共存是一個待需解決的問題。2.2.4 紅外技術(shù)紅外技術(shù)（IrDA,Infrared Data Association)是制定于1993年的一種短距離無線通訊標(biāo)準(zhǔn)。采用波長850nm的紅光作為傳輸介質(zhì)，采用點(diǎn)到點(diǎn)通訊方式，通過紅外光脈沖和電脈沖的轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)通信，通訊距離在1米以內(nèi)，傳輸速率為16Mbps,是一種代替?zhèn)鹘y(tǒng)線纜傳輸?shù)挠行ㄓ嵎绞?。但因其傳輸距離有限、傳輸方向局限大等特點(diǎn)，在應(yīng)用

24、上受到了很大的限制。2.3 zigbee 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)ZigBee 協(xié)議棧由IEEE 802.15.4 規(guī)范的物理層（PHY）、媒介訪問控制層（MAC）和ZigBee 聯(lián)盟增加的網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、安全層、應(yīng)用層（APL）組成。IEEE 802.15.4 定義了868/915MHz 和2.4GHz 兩個物理層標(biāo)準(zhǔn)，其中最常采用的是2.4GHz 物理層，它基于直接序列擴(kuò)頻技術(shù)，有16 個信道，信道間隔為5MHz，數(shù)據(jù)采用十六進(jìn)制準(zhǔn)正交調(diào)制，能夠提供250kbps 的傳輸速率。IEEE 802.15.4 定義的MAC 層采用了特別的載波偵聽多路訪問/沖突防止（CSMA-CA）算法的信道訪問控制和完全握手

25、協(xié)議，為無線數(shù)據(jù)的可靠傳輸提供了保證。ZigBee 的網(wǎng)絡(luò)層主要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的建立，節(jié)點(diǎn)加入或離開網(wǎng)絡(luò)、儲存相關(guān)鄰近節(jié)點(diǎn)信息、路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)等功能，支持星形、樹形、網(wǎng)格等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。ZigBee 的安全層提供了循環(huán)冗余校驗(yàn)、訪問控制列表、AES-128 加密等安全保護(hù)措施，保證網(wǎng)絡(luò)中的便攜設(shè)備不會意外泄漏其標(biāo)識以及其它節(jié)點(diǎn)不會俘獲傳輸中的信息。ZigBee 的應(yīng)用層主要負(fù)責(zé)把不同的應(yīng)用映射到ZigBee 網(wǎng)絡(luò)上，主要包括安全與鑒權(quán)、多個業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的會聚、設(shè)備發(fā)現(xiàn)和業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)等。圖2.3 ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)2.3.1 ZigBee節(jié)點(diǎn)的類型從網(wǎng)絡(luò)配置來講，ZigBee 網(wǎng)絡(luò)有三種類型的節(jié)點(diǎn)：

26、協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)。ZigBee 協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中可以作為匯聚節(jié)點(diǎn),它必須是FFD，一個ZigBee 網(wǎng)絡(luò)只有一個協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，它功能強(qiáng)大，是整個網(wǎng)絡(luò)的主控節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)發(fā)起建立新的網(wǎng)絡(luò)、設(shè)定網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、管理網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)以及存儲網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)信息等，網(wǎng)絡(luò)形成后也可以執(zhí)行路由器的功能，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)一般由交流電源持續(xù)供電。ZigBee 路由節(jié)點(diǎn)也必須是FFD，它可以參與路由發(fā)現(xiàn)、消息轉(zhuǎn)發(fā)、通過連接別的節(jié)點(diǎn)來擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍等。此外，路由節(jié)點(diǎn)還可以在它的個人操作空間中充當(dāng)普通協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，普通協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)不同，它仍然受協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的控制。ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)可以是FFD 或者RFD，它通過協(xié)調(diào)節(jié)

27、點(diǎn)或者路由節(jié)點(diǎn)連接到網(wǎng)絡(luò)，但不允許其它任何節(jié)點(diǎn)通過它加入網(wǎng)絡(luò)，終端節(jié)點(diǎn)能以非常低的功率運(yùn)行。2.3.2 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2.3.1 所示，ZigBee 主要支持三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星形、樹形和網(wǎng)格形10。星形拓?fù)涫怯梢粋€協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)和多個終端節(jié)點(diǎn)組成的，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)位于網(wǎng)絡(luò)的中心，負(fù)責(zé)發(fā)起建立和維護(hù)整個網(wǎng)絡(luò)，其它的節(jié)點(diǎn)一般為RFD，分布在協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍內(nèi)，直接與協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。星形網(wǎng)的控制和同步都比較簡單，通常用于節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少的場合；網(wǎng)格拓?fù)湟话阌扇舾蓚€FFD 連接在一起組成骨干網(wǎng)，它們之間是完全的對等通信，每個節(jié)點(diǎn)都可以與通信范圍內(nèi)的其它節(jié)點(diǎn)通信，但它們中也有一個會被推薦為協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)，

28、骨干網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)還可以連接FFD 或RFD 組成以它為協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的子網(wǎng)。網(wǎng)格拓?fù)涫且环N高可靠性網(wǎng)絡(luò)，具有自恢復(fù)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)故障，則存在另一條或多條路徑可供選擇，但正是由于兩個節(jié)點(diǎn)之間存在多條路徑，它也是一種“高冗余”的網(wǎng)絡(luò)；樹形拓?fù)洳捎么貥渎酚蓚鬏敂?shù)據(jù)和控制信息，枝干末端的葉子節(jié)點(diǎn)一般為RFD。每個簇首向與它相連的葉子節(jié)點(diǎn)提供同步服務(wù)，這些簇首受協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的控制，協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)比網(wǎng)絡(luò)中的其它簇首具有更強(qiáng)大的處理能力和存儲空間。樹形拓?fù)涞囊粋€顯著優(yōu)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍較大，但隨著覆蓋范圍的增大，信息的傳輸時延增大，而且同步復(fù)雜。圖2.3.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)類型而本次設(shè)計中采用

29、的通信方式為星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這樣使用起來可以在設(shè)計中省略了無線路由器的建立。2.3.3 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的組建協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)流程如圖4.3所示，當(dāng)FFD協(xié)調(diào)器設(shè)備被激活后，首先進(jìn)行對物理層所默認(rèn)的有效信道進(jìn)行能量掃描，以檢測可能存在的網(wǎng)絡(luò)重疊以及PAN ID沖突的干擾。并對檢測到的信道按能量值進(jìn)行排序。然后執(zhí)行主動掃描過程以選擇唯一的16位PAN ID，建立自己的網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)一個新網(wǎng)絡(luò)被建立后，ZigBee路由器與終端設(shè)備就可以加入到該網(wǎng)絡(luò)中了。圖4.3 協(xié)調(diào)器組網(wǎng)流程圖新網(wǎng)絡(luò)建立后，所有其它節(jié)點(diǎn)(FFD或RFD)均可作為網(wǎng)絡(luò)中的子節(jié)點(diǎn)發(fā)送入網(wǎng)請求，尋找其通信范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)。如果找到網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)根據(jù)

30、所獲取的網(wǎng)絡(luò)信息選擇一個父節(jié)點(diǎn)提出入網(wǎng)請求，并等待父節(jié)點(diǎn)的請求響應(yīng)。父節(jié)點(diǎn)接到一個入網(wǎng)申請后，將根據(jù)請求信息做出是否允許加入網(wǎng)絡(luò)的判斷，若允許加入，則父節(jié)點(diǎn)發(fā)出請求響應(yīng)，通知子節(jié)點(diǎn)。子節(jié)點(diǎn)收到請求響應(yīng)后，將得到一個父節(jié)點(diǎn)分配給它的一個16位網(wǎng)絡(luò)地址作為在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的唯一身份標(biāo)識，至此節(jié)點(diǎn)成功加入該網(wǎng)絡(luò)。這樣通過一級級的網(wǎng)絡(luò)地址分配，網(wǎng)絡(luò)區(qū)域內(nèi)的所有節(jié)點(diǎn)將組成一定形式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。2.3.4 星型網(wǎng)絡(luò)的組建與通信的實(shí)現(xiàn)本文的實(shí)驗(yàn)是以土壤濕度傳感器采集的樣本作為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，以此來驗(yàn)證本系統(tǒng)的可行性，因此以土壤濕度采集節(jié)點(diǎn)為例，介紹星型網(wǎng)絡(luò)的組建與各節(jié)點(diǎn)間通信的實(shí)現(xiàn)。在網(wǎng)絡(luò)設(shè)置時，使用網(wǎng)峰公司提供的開發(fā)套件

31、對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置。加入網(wǎng)絡(luò)成功后，它即通過協(xié)調(diào)器發(fā)送的信標(biāo)與協(xié)調(diào)器實(shí)現(xiàn)同步工作，開始按周期采集本處的壓力值，并將測量值傳送給協(xié)調(diào)器。其流程如圖2.3.4所示。協(xié)調(diào)器初始化建立網(wǎng)絡(luò)建立網(wǎng)絡(luò)成功？否 是從節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)從節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址存入地址表 否 收集氣體濃度數(shù)據(jù)？ 是數(shù)據(jù)處理發(fā)送到PC機(jī)圖2.3.4 加入網(wǎng)絡(luò)流程圖三、系統(tǒng)硬件設(shè)計 系統(tǒng)總體電路圖氣體濃度數(shù)據(jù)采集電路圖3.1.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)電路圖3.2 氣體濃度采集電路與原理3.2.1氣體濃度傳感器采集原理利用氣體濃度傳感器可以讀出氣體濃度的模擬值，工作過程為：當(dāng)濃度過高時，模塊輸出一個高電平，反之輸出低電平。這是一個簡易的水分傳感器可用于

32、檢測土壤的水分，當(dāng)土壤缺水時，模塊輸出一個高電平，反之輸出低電平。使用這個傳感器制作一款自動澆花裝置，讓您的花園里的植物不用人去管理3.2.2氣體傳感器電路圖3.3 ZigBee節(jié)點(diǎn)基本電路與原理CC2530芯片的時鐘頻率電路主要有晶振頻率為32MHz和32.768KHz的兩個時鐘電路。外接的32MHz的晶振XTAL1與兩個負(fù)載電容一起組成32MHz的晶體振蕩器。如圖3.3.1所示。圖 32MHz時鐘頻率XTAL2是一個頻率為32.768KHz的晶振，與連個電容組成晶體振蕩器，32.768KHz晶體振蕩器用在非常低的睡眠電流消耗和精確的喚醒時間應(yīng)用中。如圖所示。圖復(fù)位電路同時在第10腳引出一個

33、uF的電容和一個10K的電阻接+V的電源組成一個復(fù)位電路。如圖所示：CC2530芯片的復(fù)位方式有3種：a: 上電復(fù)位；b: 掉電復(fù)位；c：按鍵復(fù)位。圖3.3.3 復(fù)位電路3.4 顯示電路3.4.1諾基亞5110液晶顯示原理5110液晶模塊具有以下特點(diǎn)：84x48 的點(diǎn)陣LCD，可以顯示4 行漢字；采用串行接口與主處理器進(jìn)行通信，接口信號線數(shù)量大幅度減少，包括電源和地在內(nèi)的信號線僅有9 條。支持多種串行通信協(xié)議（如AVR 單片機(jī)的I、MCS51 的串口模式等），傳輸速率高達(dá)4Mbps，可全速寫入顯示數(shù)據(jù)，無等待時間；可通過導(dǎo)電膠連接模塊與印制版，而不用連接電纜，用模塊上的金屬鉤可將模塊固定到印制板上，因而非常便于安裝和更換；LCD 控制器驅(qū)動器芯片已綁定到LCD 晶片上，模塊的體積很小；采用低電壓供電，正常顯示時的工作電流在200A 以下，且具有掉電模式；LPH7366 的這些特點(diǎn)非常適合于電池