基于ZigBee和电力线载波技术的智能温室应用研究——毕业论文

分类号 密级 UDC 全日制硕士专业学位研究生学位论文基于ZigBee和电力线载波技术的智能温室应用研究作 者 姓 名：指 导 教 师： 学科专业名称：农业推广硕士领 域 名 称 ：农业机械化研 究 方 向 ：农业电气化工程所 在 学 院 ：工程学院论文提交日期： 年 月浙 江 农 林 大 学 摘要摘要为解决传统智能温室安装布线复杂，采集数据不全面，系统灵活性差，平台决策不智能等问题，根据物联网概念提出一种基于无线传感网络和智能管理平台的智能温室监控系统。根据温室发展现状，本文设计了一套智能温室监控系统，选用当前先进成熟的元器件和技术进行设计研发。系统搭建了基于ZigBee技术的树形无线传感网络，设计了基于STM32W108芯片的采集节点、网关节点、中继节点和控制节点。数据采集节点依靠内部电池供电，采用低功耗硬件设计和软件节能机制；系统集成性高和扩展性强，除了集成温湿度传感器和光照强度传感器外，还具备多个USB扩展口用于扩展其它类型传感器。系统引入电力载波通讯技术(Power line Communication ，PLC)，仅需依靠电力线便可传输作物叶面纹理高清图像(1080p)，实现了预警病虫害的目的。根据系统要求开发了一款适用于本系统的智能温室管理平台，给出了设计框架和成果展示，并详细的介绍了数据库的设计。此外，本文重点设计研发了一款基于STM32F103芯片的土壤水分传感器探头，可以与采集节点完美匹配。介绍了总体设计思路，进行了ADC校正和低功耗设计，开发完成后进行了试验分析，并提供了可配置参数和I2C交互协议，测试结果稳定可靠。最后，系统在2400m2草莓和铁皮石斛立体式混合种植温室环境下测试使用，数据采集节点在温室内随机位置设置并进行数据丢包统计，丢包率在1以下。实际工况下，数据采集节点30天电压下降400毫伏，满电可工作5个月以上，支持移动电源充电，稳定性和节点功耗均满足系统要求。关键词：无线传感网络；ZigBee技术；STM32W108芯片；电力线载波技术；土壤水分传感器IABSTRACTABSTRACTTo solve the problems of complex routing installation, incomplete data acquisition, less flexibility of system, and not intelligent decision-making platform in traditional intelligent greenhouse, an intelligent greenhouse monitoring system based on wireless sensor network and intelligent management platform was presented according to the concept of IOT.According to the statue of greenhouse development, the paper designed the framework of intelligent greenhouse control system which used the advanced mature components and technology to design and develop. The system built the tree type wireless sensor network based on ZigBee technology and designed collection node, gateway nodes, relay nodes and control nodes based on STM32W108. The data acquisition nodes had self-powered internal battery, with low power consumption hardware design and software energy-saving mechanism. The system had the characteristics of high integration and strong extension, with multiple USB extended port used to extend the other types of sensors besides the integrated temperature-humidity sensor and light intensity sensor. The high definition images (1080p) of crop leaves texture only transmitted by power line were realized to warn diseases and pests early by introduction of power line communication technology in the system. According to the system requirement, the paper developed a smart greenhouse management platform, which was suitable for the system, and provided the design framework and display of the database.The paper designed the soil moisture sensor based on the STM32F103 and it could match the acquisition node perfectly. The paper introduced the general design idea, including the ADC correction and the low power design. After the completion of the development, we tested and analysed the soil moisture sensor, and provided the configurable parameters and the interaction protocol of I2C. The results were stable and reliable. Finally, the system was tested in a 2,400 square meters greenhouse with three-dimensional hybrid of strawberries and Dendrobium officinale. The data acquisition nodes were set in the random position of the greenhouse and counted the data loss, which the result of the data drop rate below 1. According to the actual working conditions, the voltage of data acquisition nodes decreased 400 mv in 30 days, and the nodes charged by movable power sources can work more than 5 months with full power. Therefore, the nodes characteristics of stability and power can satisfy the system requirements.Key words：Wireless sensor network；ZigBee technology；STM32W108；Power line communication technology；Soil moisture sensor III目录目 录摘要IABSTRACTII1 绪论11.1 选题背景11.2 国内外研究现状11.2.1 国外研究现状11.2.2 国内研究现状21.3 课题研究目的和意义41.3.1 课题研究目的和意义41.3.2 课题优势与面临困难41.4 论文主要内容及章节安排52 ZigBee技术和电力线载波通信技术介绍72.1 引言72.2 ZigBee技术72.2.1 ZigBee技术概述72.2.2 ZigBee设备类型72.2.3 ZigBee拓扑结构82.2.4 ZigBee协议框架82.2.5 ZigBee特点92.2.6 ZigBee技术与其他短距离无线通信技术比较102.2.7 ZigBee技术的应用102.3 电力线载波通信技术112.3.1 电力线载波通信技术概述112.3.2 电力线载波通信技术的工作原理122.3.3 电力线载波通信的特点122.4 本章小结133 智能温室监控系统总体设计143.1 引言143.2 系统总体设计方案143.3 数据监控系统设计163.3.1 网络拓扑结构的选择163.3.2 主芯片的选择163.3.3 传感器的选择173.4 视频监控系统设计203.5 本章小结214 智能温室监控系统硬件设计和实现234.1 引言234.2 低功耗采集节点设计与实现234.2.1 采集节点总体设计原则234.2.2 核心模块设计244.2.3 升级与修复功能设计244.2.4 供电模块设计254.2.5 传感器模块设计264.2.6 低功耗设计274.2.7 成品展示与优劣势对比294.3 土壤水分传感器探头设计与实现304.3.1 总体设计304.3.2 ADC校正324.3.3 低功耗设计324.3.4 I2C交互协议334.3.5 Flash相关定义344.3.6 试验分析354.3.7 可配置参数设计364.3.8 成品展示与优劣势对比374.4 网关节点设计384.5 中继节点和控制节点设计404.6 本章小结405 智能温室监控系统管理平台设计425.1 引言425.2 数据库设计425.2.1 数据库形式425.2.2 数据库关系表分类425.3 管理平台设计495.3.1 实时数据模块505.3.2 实时视频模块515.3.3 历史数据模块525.3.4 农用材料和大户信息模块535.3.5 致灾指标模块545.3.6 精细化天气模块555.3.7 远程控制模块565.3.8 后台管理模块565.3.9 移动端管理平台575.4 本章小结576 系统应用分析596.1 引言596.2 实际应用环境596.3 设备布置606.3.1 设备选择和参数设置606.3.2 实施方案606.4 稳定性测试636.5 功耗测试656.6 图像传输测试666.7 本章小结677 总结与展望687.1 总结687.2 展望69参考文献70附 录75附录1：结构体和I2C通信命令定义75附录2：土壤水分传感器测试原始数据76附录3：网关电路设计77附录4：智能管理平台界面展示79附录5：管理平台核心程序82个人简介91致 谢92 V1 绪论1 绪论1.1 选题背景无线传感器网络是一种新兴传感器网络类型，在军事战争、智能家居、远程控制、工业自动化、精准农业、城市交通管理、卫生保健、救灾和其他许多领域都有所涉及，有组网简单、升级容易、灵活性高、维护简单、回报高等一系列优势孙利民,李建中,陈渝等.无线传感器网络M.北京:清华大学出版社,2008.。同时，它不受时间、地点等外界因素的影响，弥补了有线网络受路由器、时间、环境等因素影响的缺憾，非常适合在智能温室中使用。现阶段，除了数据信息外，图片、视频信号也可以通过无线的方式实现稳定传输，有助于农业进入一个完整的信息化时代。温室是一种重要的农业设施，通过提供不受外界影响，相对稳定的内部环境，可使农户一定程度上摆脱季节和气候的影响，从而保证农产品价格，增加农户收益Yin L, Chen D, Li C, et al. Research on the intelligent greenhouse ecological environment control and application based on internet of thingsC/World Automation Congress (WAC), 2012. IEEE, 2012: 1-5.Yang M, MA Z, ZHAO G. Intelligent Greenhouse Control System Based on Fuzzy Control JJ. Mechanical Engineer, 2006, 4: 012.。随着以无线传感网络技术为代表的物联网技术的发展，温室也逐步从电气化发展到智能化。通过采集环境参数，控制现场执行器件，智能化温室进一步使温室具有了主动控制环境的能力，从而可为作物提供最佳生长条件Du Y, Xue Z, Zhu Q, et al. Design and application of intelligent control system for greenhouse environment based on CAN busC/Modelling, Identification & Control (ICMIC), 2013 Proceedings of International Conference on. IEEE, 2013: 322-327.熊迎军, 沈明霞, 刘永华, 等. 混合架构智能温室信息管理系统的设计J. 农业工程学报, 2012, 28(5): 181-185.。早期智能温室数据采集系统多采用有线网络，得益于稳定的供电，系统能够持续可靠地工作。由于节点布设依赖于布线形式，随着采集参数增加及检测空间增大，网络的布线将非常复杂，节点布置的灵活性欠佳，同时还面临线路维护方面的问题孙忠富, 曹洪太, 李洪亮, 等. 基于 GPRS 和 WEB 的温室环境信息采集系统的实现J. 农业工程学报, 2006, 22(6): 131-134.周建军, 王秀, 邹伟, 等. 基于 Zigbee 的温室远程监控系统J. 中国农村水利水电, 2013 (1): 67-69.李世红， 陈斌， 胡慧铺. 基于CAN总线和GPRS的温室大棚监控系统的设计J. 浙江农业学报, 2014, 26(4): 1090-.。为解决上述问题，越来越多的智能温室选择了基于无线网络技术的监控系统，使采集结点不受空间限制，不需要大面积布线，可以根据需要灵活布置Shi X Y, Ye H B, Li D, et al. Development and Trend of Intelligent Monitoring System for GreenhouseC/Advanced Materials Research. 2014, 1030: 1475-1479.王丹丹, 宗振海, 陈慧珊, 等. 基于 STM32 的智能温室远程控制系统的设计J. 浙江农业学报, 2014, 26(3): 791-796.齐文新, 周学文. 分布式智能型温室计算机控制系统的一种设计与实现J. 农业工程学报, 2004, 20(1): 246-249.。虽然温室环境参数信息相对稳定无瞬变，采样频率和数据传输速率不需很高，但传统无线传感网络仍然面临如何保证长时间稳定可靠工作的问题，减少占用计算和通信资源，降低能耗则是关键技术Xin C, Wei D, Yiyou T. Intelligent greenhouse control system based on wireless sensor network JJ. Application of Electronic Technique, 2012, 2: 032.Sndor H, Haller P, Gl Z. Performance analysis of wireless sensor networksJ. 2014.瞿, 盛德, 咸斌. ZigBee 技术及应用M. 北京航空航天大学出版社, 2007.。1.2 国内外研究现状1.2.1 国外研究现状早在上个世界80年代初，美国就开始致力于传统农业转型的相关研究，提出了基于精准农业的数字化农业，并取得了显著的成果。在此之后，世界上许多发达国家都开始将注意力转移到农业上，为了实现农业生产过程的可持续发展，提高农业生产效率，降低劳动力，世界诸多强国都将目光集中在精准农业上，开始考虑用现代科技控制农业生产过程，提高农业生产质量和生产效率。随着无线通信技术的迅速发展，越来越多的外国学者尝试将无线传感网络应用到农业生产过程中去，对作物的生长过程进行监控，极大促进了农业自动化的发展，并且对农业环境监测和作物生长模型进行了深入的研究。Alberto Reche等人Reche A, Sendra S, Daz J R, et al. A Smart M2M Deployment to Control the Agriculture IrrigationM/Ad-hoc Networks and Wireless. Springer Berlin Heidelberg, 2014: 139-151.提出了一种基于无线传感网络的灌溉系统，通过采集土壤温度和土壤湿度等土壤信息，对大量的喷头进行管理和控制。该系统在实际场景进行了试用分析，可以精确的对灌溉系统进行控制，适合作物生长的同时也节约了水资源。通过常年数据信息的积累和分析，可以更加精确的掌握该作物对环境信息的要求。2008年，Vellidis等人Vellidis G, Tucker M, Perry C, et al. A real-time wireless smart sensor array for scheduling irrigationJ. Computers and electronics in agriculture, 2008, 61(1): 44-50.提出了一种棉花农场灌溉系统，该系统使用多个传感器节点监测农场内的土壤水分和环境信息。数据是利用射频识别技术传输到中央接收器上，接收器连接笔记本电脑用于接收数据。笔记本针对采集上来的环境信息进行简单的分析后下达相关的控制指令，实现了自动控制。2010年，Shaikh等人Shaikh Z, Yousuf H, Nawaz F, et al. Crop irrigation control using wireless sensor and actuator network (WSAN)C/Information and Emerging Technologies (ICIET), 2010 International Conference on. IEEE, 2010: 1-5.设计了一款低功耗的无线传感网络，并将其应用到了作物灌溉系统中，系统主要包括传感器节点、相关执行器以及无线收发节点，形成了一个完整的功能体系。网络采用ZigBee技术，再通过串行口将数据传输到电脑中。如果电脑需要发送相关指令给底层设备，会通过收发器传递信息。此外，文中还更改了网络协议，优化了数据传输效率，使整个系统更加可靠。2011年，Nesa Sudha等人Sudha M N, Valarmathi M L, Babu A S. Energy efficient data transmission in automatic irrigation system using wireless sensor networksJ. Computers and electronics in agriculture, 2011, 78(2): 215-221.将传感器节点组织成簇，一个节点作为一个簇，而一个基站作为一个超级簇。实验中他们将六个传感器作为一个集群，共有3个集群。数据传输是从一个节点传递到附近的节点，多跳后实现传输的，是一种基于树形拓扑的网络结构，每个节点都被指定一个唯一的身份地址，这样可以保证整个网络稳定的工作，当需要获取节点的电源信息时，所有节点会将其电源信息打包后进行发送。2013年，Majone等人Majone B, Viani F, Filippi E, et al. Wireless Sensor Network deployment for monitoring soil moisture dynamics at the field scaleJ. Procedia Environmental Sciences, 2013, 19: 426-435.在苹果园中部署了无线传感网络，目的是为了检测园内土壤水分的变化情况以及植物生理变化的分析。实验中，他们部署了多个终端采集设备，通过多跳的形式实现网络传输。园中一共在27个位置安置终端采集设备，通过外接传感器探头实现环境信息采集，整个系统稳定可靠。1.2.2 国内研究现状我国是一个历史悠久的农业大国，农业是我国的第一生产业，塑料大棚、日光温室和连栋温室是国内常见的温室类型。我国的温室产业源远流长，最初，温室管理人员只是靠个人经验对作物进行栽培管理，没有对温室内作物进行统一管理，效果不明显，作物产量达不到标准Shu Y. The Research on Intelligent Control System of Greenhouse EnvironmentJ. Journal of Anhui Agricultural Sciences, 2002, 30(1): 7-10.。70年代时，我国温室技术落后，主要依靠引进国外先进的温室设施来加强温室建设。由于国外温室设施不适合我国基本国情，加上缺乏管理温室设施软硬件的人才，同时对引进设施的改进难度增大，且成本较高，实施起来比较困难，难以提高我国温室水平。80年代时，我国在引进设施的基础上进行了研究和优化，建立起温室自动化的雏形，实现了在温室控制系统上第一步大跳跃，逐渐揭开了我国对温室大棚研究和投放生产的面纱，我国的塑料大棚在此环境下诞生。此后，在引进、吸收和消化的基础上，我国真正开始从传统农业向现代农业转型。实现了对空气温湿度、光照强度和气体浓度等环境信息的综合分析与简单控制，取得了良好成果。温室大棚系统向着智能化、高产化方向跃进，很快温室大棚的新技术被迅速的投放到市场中。科学技术是第一生产力，将科学运用到温室大棚中，使得我国温室技术如雨后春笋般掘地而起。二十一世纪，我国温室技术有了突飞猛进的发展，加上我国地域辽阔、资源丰富等优势，温室生产面积迅速名列世界第一王玲玲, 严锡君, 严妍. 无线传感器网络在温室农业中的应用研究J. 节水灌溉, 2013 (6): 54-57.。目前，随着国内信息化产业的不断发展，农业规模化、集约化的形成，加之国家领导的大力扶持，“十二五”规划中加入物联网产业，将智能化农业作为重点研究对象之一，同时给予积极支持马增炜, 马锦儒, 李亚敏. 基于 WIFI 的智能温室监控系统设计 JJ. 农机化研究, 2011, 33(2): 154-157.。加上党中央、国务院对农业、农村和农民工作的积极扶持，各地区对中央决策的认真贯彻落实，提高和鼓励了农民的积极性，农村出现了空前绝后的发展状态，使我国农业迈向了智能化发展阶段。在十八大报告中指出，发展农业，对促进全社会的协调发展，建立社会主义和谐社会，意义重大。由此可以看出党中央、国务院对农业的重视韦孝云, 卢缸. 面向设施农业的无线传感器网络研究进展J. 现代电信科技, 2012 (6): 50-55.。此外，国内许多研究院和高校也密切关注农业物联网的发展，开始尝试将农业物联网应用到实际生产中。2010年，何龙等人何龙, 闻珍霞, 杨海清, 等. 无线传感网络技术在设施农业中的应用J. 农机化研究, 2010, 32(12): 236-239.将无线传感网络应用到温室大棚管理中，主要实现了对温室内环境信息实时的采集，经过简单的分析处理后，控制风扇系统。系统经过一段时间的试用，能够满足应用需求。何成平、袭益民等人何成平, 龚益民, 林伟. 基于无线传感网络的设施农业智能监控系统J. 安徽农业科学, 2010 (8): 4370-4372.采用CC2530芯片设计了农用的终端设备，可以通过无线方式传输温室内的各种环境信息，结合数据库和专家系统，提高了农业生产效率。2011年，孙学岩等人孙学岩. 基于 Zigbee 的鸡舍智能测控系统J. 农机化研究, 2011, 33(1): 107-110.提出了一种家禽监控系统，主要用于监测各种家禽的生长环境和成长状态。系统采用基于CC2430的终端设备，依靠无线方式实现传输，且给出了详细的设计图，并引入了模糊控制算法实现对家禽的精确管理。2012年，姜晟、王卫星等人姜晟, 王卫星, 孙道宗, 等. 能量自给的果园信息采集无线传感器网络节点设计J. 农业工程学报, 2012, 28(9): 153-158.设计了一款基于MSP430F149芯片的采集节点，主要适用于果园等场景。文中给出了传感器节点详细的设计思路和原理，通过修改通信协议和引入时间同步算法等方法确保了节点采集的稳定性。节点内置电池，且能够通过太阳能板供电，解决了果园中供电困难的难题。2015年，秦琳琳等人 秦琳琳, 陆林箭, 石春, 等. 基于物联网的温室智能监控系统设计J. 农业机械学报, 2015, 46(003): 261-267.根据国内温室现状提出了一款基于物联网的智能温室监控系统，该系统可实现远程控制，具备较高的扩展性和实用性。该系统通过Ajax实现了数据的局部更新，优化了管理平台。此外，根据实际应用经验，系统设计了完整的控制逻辑，手动和自动可自由切换，并引入了复杂的温控数学模型，在实际应用中得到了验证。1.3 课题研究目的和意义1.3.1 课题研究目的和意义目前，我国使用的温室大部分还是简易温室，不具备现代化设备，多依赖手动控制和人工采集环境信息，采集精度和生产效率低下。在精细农业的大趋势下，温室产业也开始趋向于多元化发展，传统温室已经不能满足温室生产的需求，需要设计一种智能温室，能够用机器替代人实现温室生产，通过采集环境信息，分析对比后自动下达控制指令，实现温室大棚的全自动化。并且，随着科技的发展和年代的推进，越来越少的人愿意从事农业劳作，而我国作为人口大国，农产品需求巨大，对农业的要求也会越来越高，那么，智能温室也将随着农业的不断更新发展，走上农业的最前沿。鉴于现有智能温室监控系统上的局限性，本文预设计并搭建基于ZigBee技术的无线传感网络系统，开发满足温室条件的无线采集节点、网关节点、中继节点以及控制节点，搭建完整的智能温室监控系统。系统可实时采集温室内各种环境信息和植物生长参数，如空气温湿度、土壤温湿度、光照强度、臭氧、叶面温湿度等，并将采集上来的信息保存在云服务器中，管理平台调用上传的实时信息，分析处理后下达控制指令，驱动温室内风机、天窗、喷灌等农用设备。为进一步简化硬件系统和方便布线，本文预开发基于电力线载波技术(PLC)的高清图像监控系统，通过该系统可清晰地观察作物生长情况和叶面纹理，实现病虫害预警。整个系统为实现温室综合生态信息参数的自动监测、温室环境的自动控制和智能化管理提供科学依据和装备。1.3.2 课题优势与面临困难现代农业和传统农业相比，拥有更高的科技含量和效率，在减少人力物力的基础上，更是增加了产出，提高了质量。而无线传感网络在农业中的应用主要优势有以下几个方面：(1)无线传输方式相较于有线的方式，减免了布线的繁琐，也增加了整个系统的可维护性。(2)无线传感网路具备自组网和自适应的特性，保证了整个系统的灵活性，可以根据特定的需要灵活的布置整个系统。(3)无线传感网络特别适合环境恶劣的场合，尤其适合部署在那些人无法直接到达的区域，并且以多跳的形式将数据传达出来，实现真正的无人值守。(4)采集节点一般体积都较小，方便携带和部署，且不会影响到周边环境。 目前，农业物联网相对工业来说还不成熟，还有很多问题有待解决，主要面临的困难如下： (1)终端设备成本与功能问题Zengwei M, Jinru M, Yamin L. Intelligent Greenhouse Monitoring and Control System Design Based on Wireless Fidelity JJ. Journal of Agricultural Mechanization Research, 2011, 2: 155-157.。部署智能温室时需要大量的终端设备，用以采集温室内环境和作物信息，且要求类型较多。因此，需要开发出成本较低的传感器，丰富传感器的类型，确保能全方位的采集农田中的相关信息，这也是未来无线传感网络发展和研究的重点。(2)终端设备功耗问题。因为采用的是无线传输的方式，终端设备往往需要依赖电池供电，这就导致可使用的电量较为有限。而且，温室中需要部署大量的终端设备，频繁的更换电池是不可取的。所以，如何能够降低传感器的功耗，同时研究大容量、小体积、寿命长的电池甚至是可自充电的电池都是无线传感中的重中之重。(3)网络内数据传输问题。无线传感网络是以无线方式通信，相较于有线方式来说，可能存在信号受到干扰。因此，数据可靠稳定的传输也是本文需要研究的重点，需要设计一种适合农田环境的无线传输方式，建立安全可靠高效的数据融合机制。(4)集成管理平台功能性问题。要充分利用现有的云端服务器技术、数据库技术等，实现数据的云端保存和云计算功能，并建立相关模型实现专家决策系统，根据不同的条件提出最优决策，实现对农业环境的精准控制。1.4 论文主要内容及章节安排主要章节安排如下：图1.1 论文章节安排Figure 1.1 Arrangement of paper chapter详细介绍：第一章，本章介绍了课题研究的背景，国内外研究现状与课题研究意义，同时总结了课题研究的流程安排，为整篇论文作了铺垫，起到了引导作用。第二章，本章重点介绍了ZigBee技术。阐述了ZigBee的设备类型、拓扑结构、协议框架、应用领域等，并对比了几种常用的短距离通信技术，突出了本文选用ZigBee技术的原因。此外，本章还介绍了电力线载波技术，主要包括电力线通信的发展历程和通信原理等。第三章，本章介绍了系统的设计思路和设计框架，包括数据监控系统和视频监控系统两部分。根据数据监控系统要求，分别介绍了无线传感网络拓扑结构、核心芯片、传感器类型和型号等。根据视频监控系统要求搭建了电力线回路，并介绍了电力线传输高清视频的原理。第四章，本章主要介绍了智能温室监控系统的硬件部分设计与实现。首先介绍了基于STM32W108芯片的低功耗可扩展采集节点，节点采用内部电池供电，进行了低功耗设计，满电状态可工作5个月以上。采集节点具备较强的集成性和扩展性，集成了温湿度传感器和光照强度传感器，同时还具备多个USB扩展口，用于扩展其它类型传感器。在此基础上，介绍了基于STM32F103芯片的土壤水分传感器探头，可以与采集节点完美匹配，给出了详细的设计思路和设计方案，并进行了优化分析和实物展示。其次，介绍了网关节点，给出了详细的设计图，同时也介绍了中继节点和控制节点。第五章，本章首先介绍了关系型数据库的选择和搭建，根据系统要求提出了数据库的设计思路和设计框架。在此基础上，设计了设备状态表、传感器状态表、环境参数记录表、设备电量记录表等。本章还介绍了集成管理平台的设计，给出了设计框架图，并根据设计框架介绍了每个模块的设计思路和设计成果，主要包括实时数据模块、实时视频模块、历史数据模块、农用材料和大户信息模块、致灾指标模块、精细化天气模块、远程控制模块以及后台管理模块等，管理平台经过长时间的试用，稳定可靠。第六章，本章主要介绍了系统的实际应用情况。系统搭建在2400的立体式混种温室下，并设计了3种不同的施工方案，进行了优缺点对比。为了测试温室复杂环境下的使用情况，对传感节点进行了稳定性分析，测试了不同位置下的数据丢包率，总体丢包率很小。此外，考虑到传感节点使用内部电池供电，对系统内的传感节点进行功耗分析，传感节点最长工作时间长达177天，且支持移动电源供电，稳定性和功耗均能满足系统要求。最后，考虑到电力线载波技术也是系统的特色之一，对电力线传输的图像进行质量分析，清晰度和流畅性都较好。第七章，本章主要对全文进行了总结，并对未来的研究工作进行了展望。932 ZigBee技术和电力线载波通信技术介绍2 ZigBee技术和电力线载波通信技术介绍2.1 引言随着物联网技术的快速发展以及互联网+的提出，信息产业在各行各业都得到充分的应用，ZigBee技术以其独特的优点在近距离通信领域占有一席之地。本章首先介绍了ZigBee技术，从概述、设备类型、拓扑结构以及协议框架等多个方面介绍了ZigBee技术，对比常用的几种短距离通信技术，突出了本文选用ZigBee技术的原因。本章还介绍了电力线载波技术的发展和工作原理，为之后的视频监控系统的搭建提供了理论基础。2.2 ZigBee技术2.2.1 ZigBee技术概述当人们在谈论无线个域网时，有三个发展趋势是很矛盾的：数据传输速率低、数据传输速率一般、数据传输速率高Han D M, Lim J H. Smart home energy management system using IEEE 802.15. 4 and zigbeeJ. Consumer Electronics, IEEE Transactions on, 2010, 56(3): 1403-1410.。蓝牙技术可以被视为一种中等速率的通讯协议，而ZigBee技术更适用于低速率的传输。ZigBee技术的命名主要来源于蜜蜂的飞行原理，蜜蜂是通过飞行过程中控制煽动翅膀的频率来实现信息的传递，依靠这种方式，蜜蜂组建了蜜蜂群网络，每一个蜜蜂都是其网络下的节点，实现了个体与个体间的通讯，构成的巨大的通信网络李晓维主编.无线传感器网络技术M.北京:北京理工出版社,2007.8.。ZigBee技术是在IEEE802.15.4无线协议标准基础之上研制开发的一种低速率、短距离无线网络协议崔逊学,左从菊编著.无线传感器网络简明教程M.北京:清华大学出版社,2009.7.，主要定义了两层互联的开发性系统模型：应用层和网络层，主要实现网络管理和相互协作。除了这两个互联层外，还包括传输层和媒体访问控制层，通过服务访问实现不同层之间的通信纪丽猛. 基于 ZigBee 技术的无线数据采集系统研究与设计D. 秦皇岛: 燕山大学, 2013.。2.2.2 ZigBee设备类型ZigBee设备有三种类型原羿, 苏鸿根. 基于 ZigBee 技术的无线网络应用研究 JJ. 计算机应用与软件, 2004, 21(6): 89-91.赵景宏, 李英凡, 许纯信. Zigbee 技术简介J. 电力系统通信, 2006, 27(7): 54-56.：(1)协调器(ZigBee Coordinator，ZC)：就是网络组织的管理者，是整个网络功能最强的设备。协调器的主要作用是通过扫描可用信道，选择一些合适的参数建立一个网络。每一个ZigBee网络里只能有一个协调器，它是网络的核心，除组网外，它还具备诸多功能，如存储信息、进行数据融合和安全管理等。(2)路由器(ZigBee Router，ZR)：作为中继设备，负责把数据传递给其它设备，也是网络延伸的核心设备。网络建立后，路由器作为活跃设备，不可休眠。(3)终端设备(ZigBee End Device，ZED)：主要是指底层传感器节点、执行器等设备，它们只能与父节点交流，可以接收其它设备的指令。终端设备大部分时间都会进入休眠状态，用以延长设备寿命。2.2.3 ZigBee拓扑结构在ZigBee无线传感器网络中，不同的网络拓扑结构适用于不同的领域，其拓扑结构主要有三种STM32W 无线射频 ZigBee 单片机原理与应用M. 北京航空航天大学出版社, 2010.：1)星型网络拓扑结构；2)网状网络拓扑结构；3)树形网络拓扑结构。三种拓扑结构如下图所示。图2.1 星型结构 图2.2 网状结构 图2.3 树形结构Figure 2.1 Star structure Figure 2.2 Network structure Figure 2.3 Tree structure三种拓扑结构的优缺点如表2.1所示。表2.1 三种拓扑结构优缺点Table 2.1 Three kinds of topological structures拓扑结构优点缺点星型结构结构简单，易于实现功能简单，可靠性低树形结构容易实现，便于维护可靠性一般网状结构容错性高，便于扩展结构复杂，不易实现2.2.4 ZigBee协议框架ZigBee技术根据每部分不同功能和作用进行了分层，便于区分和使用每个功能模块Gislason D. ZigBee wireless networkingM. Newnes, 2008.。ZigBee技术的协议框架主要包括物理层(PHY)、煤质访问控制层(MAC)、网络层以及应用层组成14包长春, 石瑞珍, 马玉泉. 基于 ZigBee 技术的农业设施测控系统的设计 J. 农业工程学报, 2007, 23(8): 160-164.，如图2.4所示。图2.4 ZigBee协议框架Figure 2.4 Protocol framework of ZigBee物理层的主要功能是提供终端数据的传输，确保底层采集到的信息可以传输到其他层。此外，物理层还提供了管理接口，用以访问每一层的管理功能和维护相关的个人局域网的信息数据库朱璘. 基于 ZigBee 的无线电子标价牌系统设计与实现D. 上海交通大学, 2011.。因此，物理层确保采集到的数据可以在各链路上稳定传输，是数据通路、传输数据的核心层王吉. 浅析 OSI 七层协议在互联网中的效应J. 价值工程, 2010, 3: 144.。网络层是整个网络的核心，确保了不同系统间的数据传输，主要功能包括路由和寻址的选择、信道的选择、网络的服务管理等Kluge W, Poegel F, Roller H, et al. A fully integrated 2.4-GHz IEEE 802.15. 4-compliant transceiver for ZigBee applicationsJ. Solid-State Circuits, IEEE Journal of, 2006, 41(12): 2767-2775.。除此之外，还负责提供网络需要的一些必要函数，确保物理层可以稳定工作，并为应用层提供合适的应用接口 Alliance Z B. Zigbee specificationJ. 2006.。介质访问控制层主要负责网路在选择过程中发生冲突时，提供一种合理的解决方式，如恰当的选择信道、合理的分配地址等Kinney P. Zigbee technology: Wireless control that simply worksC/Communications design conference. 2003, 2: 1-7.。一般来说，当面对同一条链路上多个请求时，默认的访问方式是“先来先服务”。2.2.5 ZigBee特点ZigBee技术作为短距离通信技术的核心部分，近些年来已经发展的比较成熟，ZigBee具备的很多特点在各行各业都得到了充分的应用。(1)低功耗：ZigBee设备一般均有休眠机制，普通的锂电池就可以支持工作很多年。(2)低数据率：数据传输速率低，保证了其功耗低，适合传输量不高的场景，如医疗、温室、家居等。(3)网络规模：ZigBee网络规模可以支持成千个设备作为终端采集节点覆盖整个网络，且保证网络的流畅和稳定。(4)覆盖范围：一套典型的基础设备能够覆盖一个正常的家庭，随着可用功率的放大设计，ZigBee的覆盖范围获得了很大程度的扩大。此外，可以依靠多跳形式和中继设备扩大覆盖网络。(5)网络安装：ZigBee网络支持多种简单的拓扑结构，可以进行自组网，对于其它设备加入网络，系统会自动分配合