基于zigbee的智能农场系统方案论文.doc

无锡工艺职业技术学院毕业设计（论文）题 目： 基于Zigbee智能农场系统设计方案 系 部： 电子信息系 专 业： 计算机网络 学 号： 2012265116 学生姓名： 毛 丽 指导教师： 马 飞 职 称： 助 教 2014年12月16日摘 要物联网作为信息产业的第三次浪潮,在农业中的应用将会解决一系列科学技术问题,例如分布在广域空间的信息获取,高效可靠的信息传输以及面向不同应用的智能决策等,将是实现传统农业向现代农业转变的助推器和加速器。农业生产过程中,温度、湿度、光照强度CO浓度、水分以及其他养分等多种自然因素共同影响农作物的生长,传统农业的管理方式远远没有达到精细化管理的标准,只能算是粗放式管理,在这种管理方式下,通过人的感知能力管理上述环境参数,无法达到准确性要求,要实现现代农业的智能化管理,建立一个实用、可靠、可长期监测的农业环境监测系统是非常必要的。因此,本文设计了基于物联网的智能农业监测系统,该系统能够准确实时的获取农作物生长的环境信息并对这些信息进行远程监测。为了提高农业生产效率，降低人工劳动量，实现农业生产的智能化，设计了基于ZigBee 无线传感器网络的智能农业管理系统。系统实现了对设施农业的空气温度、土壤温湿度、光照度、CO 浓度等数据信息的采集、传输和处理，并能对农作物生长环境进行自动调节，使农作物处于最佳生长环境，有效提高农作物产量，具有很高的实用推广价值。 关键词：ZigBee；监测系统；智能农业；农业物联网；ABSTRACTAs the third wave in the information industry, The Internet of Things applications inagriculture will be addressed in a series of scientific and technical issues, such as obtaining information from wide area spatial distribution,realizing efficient and reliable transmission of information and making intelligent decisions for different application requirements and environments, and it will be the booster and accelerator to achieve the transition from traditional to modern agriculture. In the process of agricultural production, a variety of natural factors such as temperature, humidity, illumination intensity, the CO concentration, moisture,and other elements jointly affect the growth of crops. Traditional agricultural management is far from reaching the standards of meticulous management, which can only be regarded as extensive management. In this way, managing the environmental parameters by human perception is unable to meet the accuracy requirements. To achieve the intelligent management, the establishment of a practical, reliable, long-term monitoring agricultural environmental monitoring system is very necessary. For this reason, an intelligent agriculture monitoring system is designed in this paper based on The Internet of Things. The system can get the crop growth environmental information accurately and in real-time, it can also monitor these information remotely.In order to improve the efficiency of agricultural production， reduce the amount of labor， achieve the intelligent agriculture，a smart agricultural management system based on ZigBee wireless sensor networks was designed The system cancomplete the collection， transmission， processing of the facility agriculture data and information， such as air temperature， soiltemperature and humidity， light intensity， carbon dioxide concentration， and can automatically adjust the crop growth environment，make the crops in the best growing environment Thereby the system can effectively increase crop yields and hashigh practical value to popularizeKeywords: ZigBee； intelligent agriculture；Agriculture of Things目 录摘 要2ABSTRACT3目 录4第一章 绪论6 1.1课题的研究背景6 1.2课题研究的目的与意义61.2.1课题研究目的71.2.2课题现实意义7第二章 智能农场开发基础9 2.1物联网简介92.1.1物联网内涵92.1.2物联网体系结构9 2.2农业物联网102.2.1农业物联网内涵102.1.2农业物联网体系结构11 2.3农业物联网的关键技术122.3.1 ZigBee 技术特点122.3.2 ZigBee 协议构架132.3.3 ZigBee 物理层规范142.3.4 ZigBee MAC 层规范152.3.5 ZigBee 网络层规范162.3.6 ZigBee 应用层规范16第三章 系统的数据融合处理18 3.1 数据融合的原理及意义183.1.1数据融合的原理183.1.2数据融合的意义18 3.2 数据融合的分类与方法19第四章 智能农场设计与实现21 4.1系统总体设计21 4.2传感器节点的硬件设计224.2.1硬件设计方案224.2.2处理器模块234.2.3外部传感器模块254.2.4无线通信模块25 4.3传感器节点的软件设计274.3.1节点软件开发环境274.3.2 Z-Stack协议找研究274.3.3网络组建284.3.4数据传输30 4.4智能农场处理中心的设计与实现33第五章 结论36致谢37参考文献38第一章 绪论1.1课题的研究背景农业历来被认为是稳民心、安天下的产业,我国人口占世界总人口的22%,耕地面积却不足世界耕地面积的7%,一直创造着以不足世界7%的耕地养活世界近22%人口的奇迹。随着经济的高速发展,资源短缺、环境恶化与人口剧增的矛盾越来越突出,我国传统农业在走过了近30年的以资源换产量、以高投入换粮食增产的道路后不得不面对因基础薄弱、科技含量不足、生产技术落后而导致的农业产量增长缓慢、生产效益低下、农业不能得到很好的发展等诸多问题。我国要发展现代化信息化农业,同样有诸多问题亟需解决,例如资源紧缺的问题,仅水资源紧缺就会严重影响我国农作物产量,还有生态环境恶化的问题,生态环境退化会带来非常严重的土壤退化,不利于我国农业长期发展,还有我国农产品安全问题将直接影响国民的正常生活。为了保障我国农产品的产量供给,同时保证我国农产品食物安全和农业生态环境安全,提高农业生产经营精细化管理水平,实现农村经济可持续发展,我们必须根据农业发展的实际需求,掌握农业领域的关键技术,加快发展现代化、信息化、智能化农业,达到提高我国农产品质量和生产效率、降低生产成本、合理利用农业资源、改善生态环境的目的,从而推动农村经济迅速发展并推动中国经济高速增长。作为信息产业的第三次浪潮,物联网技术可以在土壤和水资源的可持续利用、生态环境监测、农业生产过程精细化管理、农产品与食品安全可追溯系统和大型农业机械作业服务调度、远程工况监测与故障诊断等多个农业领域发展。物联网技术通过信息感知技术可以获取更多的信息,包括作物信息、农业环境信息、农机作业信息等,为智能农业提供更加丰富的实时信息,通过全面互联共享可以获得更多的网络服务,提高智能农业科学决策水平和作业实施水平。物联网技术必将为改造传统农业,改变农业增产方式,发展信息化、智能化、可持续发展的现代农业发挥重要作用,引领我国现代农业的未来发展。我国国家中长期科学和技术发展规划纲要中,明确将“传感器网络及智能信息处理”作为“重点领域及其优先主题”,“农业物联网技术”己经纳入“十二五” “863”计划发展纲要,作为物联网重要分支之一的农业物联网技术必将在我国具有广阔的应用前景。1.2课题研究的目的与意义1.2.1课题研究目的在农业生产过程中,温度、湿度、光照强度、C02浓度、水分、以及其他养分等多种自然因素共同影响农作物生长。传统农业的管理方式远远没有达到精细化管理的标准,只能算是粗放式管理,在这种管理方式下,通过人的感知能力来管理上述环境参数,是无法达到准确性要求的。而智能农业,是通信、计算机和农学等若干学科和领域共同发展并相互结合所形成的产物,它将信息采集、传输、处理和控制集成在一起,使人们更容易获得农作物生长各个阶段的各类信息,也让人们更容易掌控这些信息,通过人工智能与农业生产的结合真正实现人与自然的交互。智能农业的核心问题可以概括为以下四部分,即农业信息的获取、对所获取信息的管理、经信息分析做出的决策、由决策而决定的具体实施方针,在这四部分中,对农业信息的获取是智能农业的起点,也是非常关键的一点,做不到准确实时的获取农业信息,就无法建造真正的智能农业。而实现智能农业,建立一个实用、可靠、可长期监测的农业环境监测系统是非常必要的。随着通信、计算机、传感网等技术的迅猛发展,将物联网应用到农业监测系统中己经是目前的发展趋势,它将采集到的温度、湿度、光照强度、土壤水分、土壤温度、植物生长状况等农业信息进行加工、传输和利用,为农业生产在各个时期的精准管理和预测预警提供信息支持,追求以最少的资源消耗获得最大的优质产出,使农业增长由主要依赖自然条件和自然资源向主要依赖信息资源转变,使不可控的产业得以有效控制。本文采用无线传感器网络技术,将物联网与农业信息的采集相结合,设计了基于zigbee的智能农场设计系统,目的是实现目标监测区域内,无线传感器网络节点的自动组网、影响农作物生长的环境参数的实时采集以及上位机监测软件的数据分析和远程监测,同时为了降低传感器节点的能耗、提高采集数据的准确度,提出了 KDF算法用于数据处理。1.2.2课题现实意义与传统的农业系统相比,本文设计的智能农场设计系统有以下优点:(1)无线传感器节点能够自动组网。当网络中的某个节点因电池耗尽或者节点出现故障等原因停止工作时,传感器网络中的节点个数会动态的增加或者减少,整个传感器网络的拓扑结构会随之发生相应的变化。本文设计的无线传感器节点,能够在无任何人工帮助的情况下,通过控制网络拓扑机制和遵守网络形成协议来自动形成具有转发大量监测数据功能的多跳自组织网络,并且能够保证网络形成后一直工作,具有很高的鲁棒性和可靠性。(2)无线传感器节点能够实现低功耗并且获得高准确度的数据。由于传感器节点尺寸小,只能采取电池供电,而电池能量有限,传感器节点均分布在田间,数量庞大且分布广泛,经常更换电池会带来非常繁琐且繁重的工作量。如何减少节点的功耗,延长节点寿命,对于整个系统网络的稳定、高效运行是至关重要的,同时,由于采集和传输过程中周围环境的干扰,数据的准确性有待提高。本文采用基于卡尔曼滤波的数据融合方法解决这两个问题。在无线传感器网络中,处理器进行数据计算所消耗的能量,远远小于数据在通信过程中消耗的能量,本文的数据融合,是在节点采集数据之后到发送数据之前进行的数据冗余处理,有效减少了无线传输过程中的数据传输量,达到节能的目的,并且卡尔曼滤波可以有效消除感知数据的干扰及不确定性,从而获得更加准确可靠的环境参数数据。(3)系统实现资源共享。将Web协议移植到系统中,将系统通过Tomcat服务器在线发布,系统便可以接入到Internet中,实现“底层(传感器)一Internet网络一远程监控”的结构,能够将整个系统的信息发布到互联网上,既可以随时随地对影响农作物的环境参数进行监测,又实现了农业信息资源的共享,为今后物联网在农业环境监测领域中的进一步研究与探索奠定了重要的技术基础。(4)网络部署方便。传感器节点在监测区域要大量部署,为了对目标系统本身特性不构成影响并且方便部署,传感器节点体积要尽可能小。本系统中的节点采用微型化设计,部署一次就可以长期稳定工作,不容易受到人为因素的影响。(5)系统实现低成本。系统中传感器节点数量庞大且功能简单,单个节点的造价能够极大的影响整个系统的成本。所以,在保证节点性能的前提下应该尽可能降低单个节点的成本,本系统的传感器节点在保证电路正常、稳定工作的前提下,采用尽可能少的使用电子元器件的方式设计,有效降低整个系统的成本。(6)系统实现高精度采集。无线传感器节点具有一定的存储和计算能力。尽管无线传感器节点网络分布密度大且数据采集量大,每个节点均能将监测区域釆集到的大量环境信息高精度地传至上位机存储分析。第二章 智能农场开发基础2.1物联网简介2.1.1物联网内涵物联网(The Internet of Things, IOT),既“物物相连的互联网”。目前,关于物联网比较准确的定义是:物联网是通过各种感知设备和系统、条码与二维码、全球定位系统,按照约定的通信协议,将物与物、人与物、人与人连接起来,通过各种接入网、互联网等网络进行信息交换,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种信息网络,在这种网络中,每一个物件都可以寻址,每一个物件都可以控制,每一个物件都可以通信。物联网与传统的互联网是有着本质区别的,二者的区别在于:首先,物联网是对具有全面感知能力的物体和人的互联集合,物联网全面感知的目的是随时随地对物体进行信息采集和获取,采用的技术手段主要有RFID技术、二维码技术、GPS技术、传感器技术、无线传感器网络等。物联网作为各种感知技术的综合应用,其应用过程需要多种类型的传感器,这些能够捕获不同信息且具有不同信息格式的传感器都作为不同的信息源,按一定规律采集所需要的信息,并且传感器上传的数据具有实时性;其次,物联网对数据具有可靠传送能力,物联网上的传感器数量极其庞大,形成了海量的采集信息,这就要求物联网必须适应各种异构网络和协议以确保传输过程中数据的正确性和及时性,物联网是一种建立在互联网上的网络,作为互联网的延伸,物联网能够遵循约定的通信协议,通过相应的软硬件实现规定的通信规则,将各种有线和无线网络与互联网融合,准确实时地将采集到的物体信息传递出去;最后,物联网能够实现智能处理,智能处理可以说是物联网最为核心和关键的部分,也是物联网能够得到广泛应用的基础,它能够综合应用当前各个学科比较前沿的技术,对己经经过感知层全面感知和传输层可靠无误传输的数据进行全面的分析和处理,为人们当前从事的各种活动作出指导,这种指导具有前瞻性,且通常是智能化的,并且在物联网中,不仅仅提供了传感器与互联网等各种网络的连接,物联网自身也可以进行智能处理,具有对物体实施智能控制的能力。物联网将传感器技术和智能处理技术相融合,结合云计算、模式识别等各种智能技术,扩充其应用领域。2.1.2物联网体系结构根据物联网的基本特征,物联网的体系结构被分为物联网的感知层、物联网的网络层、物联网的应用层三个层次。物联网的感知层是物联网发展和应用的基础,这一层的功能是使用传感器进行物理世界信息的采集。这一层最常用到的技术有射频识别技术、传感技术、远程操作技术以及ZigBee技术等。物体本身不具备通信能力,感知层用传感器和RFID技术对各种物体进行标识,通过短距离无线通信技术等通信子层的通信模块与网关交互信息。感知层设备具有多种延伸网,包括传感网、无线个域网(WPAN)、家庭网、工业总线等,也可以先组成延伸网再与网关交互。物联网的网络层建立在现有的移动通信网和互联网基础上,网络层的主要作用之一是利用可以连入互联网的各种类型的网络,将数据和控制指令进行安全可靠、准确有效的传输,同时实现数据传输过程中的通信算法。对感知层上传的数据进行存储分析也是物联网网络层的重要组成部分,是应用层众多应用的基础。物联网的应用层实现了研究和开发物联网的目的和意义,这一层在前两层的基础上,结合相应的软、硬件幵发和智能控制技术,为人们呈现出一个无限互联、满意服务、随心控制的全新世界。该层包括为物联网应用提供通用支撑服务和调用接口的应用支撑子层以及各种具体的物联网应用fioj,物联网的具体应用可以分为监控类型的应用,比如物联网在智能环保和智能司法方面的应用;控制类型的应用,比如物联网在智能交通和智能家居方面的应用;查询类型的应用,比如物联网在智能城市和智能交通方面的应用;扫描类型的应用,比如物联网在手机钱包和高速公路不停车收费方面的应用。总之,物联网可以应用到与人们生活息息相关的各个领域。对物联网的研宄仍在继续,物联网的应用领域也正在不断拓宽,随着各项支持物联网的技术的发展,物联网一定能够带给人类更便捷、更贴心的应用。2.2农业物联网2.2.1农业物联网内涵当前,我国正处在从传统农业向现代农业迅速推进的过程当中,现代农业的发展从生产、经营、管理到服务,各个环节都迫切呼唤信息技术的支持。物联网浪潮的到来,为现代农业的发展创造了前所未有的机遇,改造传统农业并发展现代农业,迫切需要使用物联网技术对大田种植、设施园艺、畜禽养殖、水产养殖、农产品物流等农业行业领域的各种农业要素实施数字化设计、智能化控制、精准化运行和科学化管理,从而实现对各种农业要素的“全面感知、可靠传输和智能处理”,进而达到高产、高效、优质、生态、安全的目标。物联网技术在经过十几年的在农业领域的实际应用和不断发展,已经与农业领域紧密结合,形成了农业物联网。研究农业的著名学者、中国农业大学李道亮教授在经过十几年对信息化技术在农业领域应用的探索和研宄以后,给出如下结论:“农业物联网就是物联网技术在农业生产、经营、管理和服务中的具体应用,即运用各类传感器、RFID等感知设备,广泛地采集大田种植、设施园艺、畜禽水产养殖和农产品物流等农业相关信息;通过建立数据传输和格式转换方法,充分利用无线传感器网络、电信网和互联网等多种现代信息传输通道,实现农业信息的可靠传输;最后将获取的海量农业信息进行融合处理,并通过智能化操作终端实现农业的自动化生产、最优化控制、智能化管理、系统化物流、电子化交易,进而实现农业生产集约、高产、优质、高效、生态和安全的目标。从该定义可以看出,农业物联网可以通过感知技术获取更多的数据信息,包括作物信息、农田环境信息、农机作业信息,通过传输技术为我们的农业提供更加丰富的实时信息,通过全面互联共享获得更多的网络服务,通过智能决策提高农业科学决策水平和作业实施水平。2.1.2农业物联网体系结构农业物联网属于交叉学科,是物联网技术在农业领域广泛应用的产物,农业物联网体系划分可以参照物联网体系划分的标准。农业领域的信息要经过产生、传输、处理和应用四个过程农业物联网相应的被分成如图2-1所示的四层模型。图2-1农业物联网的体系结构感知层利用传感器、RFID、GPS、RS和条码技术等各种感知技术,借助各种设备和手段,对自然界中存在并且对农业生产有意义的各类数据信息进行获取,实现“物”的识别。传输层具有完成大范围内信息传输与广泛互联功能,能够将现有的广域网技术与感知层的传感网技术相融合,把感知到的农业信息无障碍、快速、安全、可靠的传送到需要信息的地方,使物品在全球范围能实现远距离大范围通信。处理层通过云计算、数据挖掘、模式识别、预测预警等信息处理技术,实现最终的信息技术与行业的深度融合,完成物品的信息汇总、共享、预测和分析决策等功能。应用层是农业物联网体系结构的最高层,是面向终端用户的,可以根据用户的不同需求搭建不同的操作平台,农业物联网的应用主要实现了大田种植、设施园艺、畜禽养殖、水产养殖、农产品交付过程中管理者的直接参与,通过农业物联网,管理者可以更快的获取各类信息,对于突发情况,管理者可以做出更及时的反应,通过远程控制,管理者可以实现对整个农业生产线更精细的管理,管理者可以从物联网多个应用角度出发对农业进行管理,达到农业生产高产、优质、高效、生态和安全的目标。2.3农业物联网的关键技术ZigBee 技术是一种基于IEEE 802154 协议标准新兴的短距离、低复杂度、低成本、低功耗、双向无线通信技术。ZigBee 可在24 GHz、868 MHz 和915 MHz 等3 个免费频段上工作， 并且最高传输速率分别可达250、20 和40 kb /s， 其各自信道的带宽也不同，分别设有16、1 和10 个信道。ZigBee 根据输出功率和信道环境的不同， 可靠传输距离为1075 m，一般在30 m 左右。耗电量在休眠状态下仅为1 W。在短距离通信的情况下，其工作状态的耗电量为30 mW。为了避免发送数据时的竞争与冲突，ZigBee 的介质接入控制子层（MAC）采用了载波监听多路访问冲突防止（CSMA CA） 的碰撞避免机制。ZigBee 联盟在ZigBee 的网络层（NWK）制定了星型、树型和网状网3 种网络拓扑结构。每个ZigBee 网络最多可支持65 000 个节点。因此， Zig-Bee 的技术特性决定了它是无线传感器网络的最佳选择。2.3.1 ZigBee 技术特点ZigBee 是一种新兴的低成本、低功耗、近距离、低数据速率、低复杂度的无线网络通信技术。主要用于近距离无线连接。它依据802.15.4 标准，在数千个节点之间相互通信。这些节点只需要很少的能量，以接力的方式通过无线将数据从一个节点传到另一个节点，所以它们的通信效率非常高。低功耗：ZigBee 采用了多种节电模式，两节五号电池支持长达6 个月到2 年左右的正常使用时间。通信可靠：采用了CSMA/CA 的碰撞避免机制，每次发送数据都必须等待对方确认，避免了发送数据时的竞争和冲突；网络容量大：理论上可支持达65000 个节点。可以满足大部分网络组网。自愈性强：对于增加或删除节点，节点位置发生变动，节点发生故障等，ZigBee 网络都能够自我修复，能够相应地调整网络拓扑结构，保证整个系统仍然能正常工作。自组织性强：ZigBee 网络节点自己能够感知其他节点的存在，并确定连接关系并组成网络。时延短：通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。安全：ZigBee 提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用通用的AES-128 算法。2.3.2 ZigBee 协议构架ZigBee 协议是在IEEE 802.15.4 标准基础上建立的。完整的ZigBee 协议应包括IEEE802.15.4（该标准定义了RF 射频以及与相邻设备之间的通信）的PHY 和MAC 层，以及ZigBee 堆栈层：网络层（NWK）、应用层和安全服务提供层。ZigBee 协议的每一层负责完成所本层规定的任务，并且向上层提供服务。ZigBee 协议构架如图2-2 所示。图 2-2 ZigBee 协议结构ZigBee 堆栈的不同层与802.15.4 MAC 通过服务接入点（SAP）进行通信。SAP 是某一特定层提供的服务与上层之间的接口。ZigBee 堆栈的大多数层有两个接口：数据实体接口和管理实体接口。数据实体接口的目标是向上层提供所需的常规数据服务。管理实体接口的目标是向上层提供访问内部层参数、配置和管理数据的机制。每一层的服务只要有两种功能，通过SAP 为上一层提供相应服务和调用下一层提供的服务。SAP 是各层之间的唯一接口，而具体的服务以通信原语的形式调用。通信原语分为4 种，图2-3 表示了它们之间的关系。图2-3 服务原语Request：请求原语用于Service User 向Service Provider 请求指定的服务；Confirm：确认原语由Service User 向Service Provider 发送，用来传送一个或多个前面Request 原语的执行结果。Indication：指示原语由Service Provider 发给Service User，用来指示Service Provider 对于Service User的重要内部事件。该事件可能是与一个遥远的服务请求有关，也可能是Service Provider 的一个内部事件引起；Response：响应原语由Service User 向Service Provider 发送，用来表示Service User 对上一次执行Indication 原语的响应。2.3.3 ZigBee 物理层规范物理层通过物理介质为数据链路层提供物理连接，其主要作用是负责处理数据传输率并架空数据出错率，从而透明低传送比特流。Zigbee 协议的物理层完成以下任务：（1）启动和关闭RF 收发器。（2）信道能量检测。（3）对接收到的数据报进行链路质量指示LQI（Link Quality Indication）。（4）为CSMA/CA 算法提供空闲信道评估CCA（Clear Channel Assessment）。（5）对通信信道频率进行选择。（6）数据包的传输和接收。ZigBee 的物理层定义了物理信道和MAC 层之间的接口，它提供物理层管理服务和数据服务。物理层管理服务维护一个物理层相关数据组成的数据库，物理层数据服务从无线物理信道上收发数据。ZigBee 物理层定义了2 个工作频率，分别是2.4GHz 频段和868/915MHz 频段。两个频段都基于直接序列扩频（DSSS），使用的物理层数据包格式相同，两个频段之间的区别在于工作频率、调制技术和传输速率。2.4GHz 频段是全球统一的不需要申请的ISM 频段。美国采用的ISM 频段是915MHz，欧洲采用的ISM 频段是868MHz，这两个频段的制定避免了2.4GHz 频段附近各种无线通信设备之间的干扰。ZigBee工作频段共划分为27 个信道，物理信道分配如图2-4 所示。其中868MHz 有1 个信道，915MHz 有10 个信道，2450MHz 有16 个信道。图2-4 ZigBee 工作频率和数据速率比较2.3.4 ZigBee MAC 层规范ZigBee MAC 层沿用了传统无线网络中的带冲突避免的载波多路侦听访问技术CSMA/CA 方式，这样可以提高系统的兼容性。而这种设计使多种拓扑网络的应用变得简单化，可实现有效的功耗管理。MAC 层完成的具体任务如下：（1）协调器产生并发送信标帧。（2）支持PAN 网络的关联和取消关联操作。（3）普通设备根据协调器的信标帧与协调器同步。（4）使用CSMA-CA 机制共享物理信道。（5）为设备的安全性提供支持。（6）在两个对等的MAC 实体之间提供一个可靠的数据链路。（7）处理和维护时隙保障GTS（Guaranteed Time Slot）机制。ZigBee 的MAC 层引入了超帧结构和信标帧的概念。MAC 层引入这两个概念使网络管理更加方便。在ZigBee 中，我们选用超帧为周期来使LR-WPAN 网络内设备之间进行通信。每个超帧是以协调器发出信标帧的时候为始，在这个信标帧中包含了超帧将要持续的时间以及如何对这段时间的分配等信息。网络中的普通设备接收到这个信标帧后，就可以依据其中的内容安排自己的任务。MAC 层也提供两种类型服务：MAC 层管理服务（MAC sub-layer management entity，MLME）和MAC层数据服务。管理服务维护一个存储MAC 层协议相关信息的数据库，而数据服务保证MAC 协议数据单元（MPDU）在物理层数据服务中正确收发。2.3.5 ZigBee 网络层规范ZigBee 网络层主要功能包括网络连接和断开时所采用的机制，信息传输过程中所采用的安全性机制，以及设备的路由发现、维护和转交。并且，网络层存储着邻居设备的发现和相关节点的信息。网络层要确保MAC 层正常工作，还要为应用层提供合适的服务接口。网络层完成的主要功能如下：（1）配置新的设备参数：网络层配置合适的协议，比如建立新的协调器并发起建立网络，或者加入一个已有的网络。（2）建立网络。（3）连接或者断开网络：网络层能提供连接或者断开网络的功能，如果节点是协调器或者是路由器，还可以让子节点断开网络。（4）分配网络地址：如果本节点是协调器或者是路由器，则为新连接该节点的子节点分配网络地址。（5）邻居节点的发现：网络层能发现和记录网络邻居信息。（6）建立路由：网络层提供路由功能。（7）控制接收：网络层能控制接收器的接受时间和状态，以保证MAC 层的同步和正常接收等。（8）产生网络层的数据包：当网络层接受到来自应用层的数据包后，对数据包进行解析，然后加上适当的网络层包头向MAC 传输。（9）网络拓扑的路由功能：网络层提供路由数据包的功能，如果数据包的目的节点为本节点，则将该数据包向应用层发送；如果不是，则将该数据包转发给路由表中的下一个节点。为了向应用层提供接口，网络层提供了数据服务实体（NLDE）和管理服务实体（NLME）两个功能服务实体。NLDE 通过数据实体服务接入点（NLDE-SAP）为应用层提供数据传输服务，NLME 通过管理实体服务接入点（NLME-SAP）为应用层提供网络管理服务。并且，NLME 还完成对网络信息库（NIB）的维护和管理。2.3.6 ZigBee 应用层规范Zigbee 应用层包括应用支持子层APS、应用框架AF、Zigbee 设备对象ZDO。它们共同为各应用开发者提供统一的接口。一、应用支持子层APSAPS 层定义了网络层和应用层之间的一个接口。接口服务由APS 数据实体（APSDE）和APS 管理实体（APSME）提供。APS 层完成的主要功能：（1）APS 层协议数据单元（APDU）的处理。（2）APSDE 提供在同一个网络中的两个或者更多的应用实体之间的数据通信。它通过APSDE 服务接入点（APSDE-SAP）完成；（3）APSME 提供多种服务给应用对象，这些服务包含安全服务和绑定设备，并维护管理对象的数据库，也就是我们常说的AIB。它通过APSME 服务接入点（APSME-SAP）完成。二、应用框架AFZigBee 中的应用框架（Application Framework）为驻扎在ZigBee 设备中的应用对象提供了活动的环境，并且为每个应用对象传输数据提供了键值对KVP（Key Value Pair Service）服务和报文MSG（GenericMessage Service）服务两种服务。在应用框架中，应用对象通过APS 数据实体服务接入点发送和接受数据。用户最多可以定义240 个相对独立的应用程序对象，且任何一个对象的端点编号是在1 到240 之间。此外有两个附加的终端节点是为了APSDE-SAP 的使用：端点号0 固定用于ZDO 数据接口；端点241-254保留，留给将来扩展使用；端点255 固定用于所有应用对象广播数据的数据接口功能。每一个应用都对应一个配置文件（Profile），包括设备ID，事务集群ID，属性ID 等。AF 通过这些信息来决定服务类型。三、 ZigBee 设备对象ZDOZigBee 设备对象（ZDO）定义了一个的功能函数，在应用对象、设备profile 和APS 之间提供了一个接口。ZDO 满足所有在ZigBee 协议栈中应用操作的一般需要，位于应用框架和应用支持子层之间。它提供以下的功能：（1）初始化应用支持子层，网络层，安全服务提供者等。（2）发现节点以及节点功能。在无信标的网络中，加入的节点只对其父节点可见。而其他节点可以通过ZDO 的功能来确定网络的拓扑结构以及节点所能提供的功能。（3）网络的维护和管理功能。（4）安全加密管理：主要包括安全密钥的建立和发送，以及安全授权。（5）节点管理：对于网络协调器和路由器，ZDO 提供网络监测、获取路由和绑定信息等一系列节点管理功能。（6）绑定管理：应用支持子层提供绑定的功能，由ZDO 提供绑定功能的管理，它确定了绑定表的大小，绑定的发起和解除等功能。第三章 系统的数据融合处理3.1 数据融合的原理及意义3.1.1数据融合的原理1973年,美国国防部资助开发了吉纳信号理解系统，该系统是数据融合最早的雏形，标志着数据融合技术最早在军事领域出现,此后，随着计算机技术和通信技术紧密地互相结合并快速发展，数据融合技术被广泛应用于军事、民用和科研领域的数据处理,并且在数据处理的实际应用中，数据融合技术得到了极大的发展。数据融合技术是应用在数据处理方面的多学科交叉的新技术，其研宄的内容具有多样性的特点，对从信息源获得的可用信息可以进行多种综合处理，并且数据融合技术的分析和决策方法涉及多个知识领域,所以到目前为止，数据融合并没有一个统一的定义，根据资料，数据融合技术可以较为贴切的归纳为:数据融合技术是一种信息处理技术，对按时序获得的观测信息，使用计算机在特定准则下加以自动分析、综合,以完成所需的决策和评估任务。数据融合处理的数据可以来自多个不同的信息源，对数据的处理方法可以来自不同科研领域的不同技术，数据融合的原理可以概括如下:首先，采集观测目标数据，即应用传感器等感知技术获得最原始的信息或数据，采集到的观测数据形式有多种，通常是时间函数数据、输出矢量、成像数据和属性说明等;其次，提取特征矢量，即对用感知技术采集到的观测数据进行特征提取，得到感知数据的特征矢量，再次，模式识别处理,这一处理过程是针对所获得的特征矢量进行,该过程采用诸如汇聚算法等统计模式识别算法对所获得的特征矢量进行处理，得到各个传感器关于目标的目标属性判决，然后关联，关联过程是针对传感器获得的数据而进行的，针对不同的目标，传感器节点会获得不同的数据，将所有传感器采集获得的数据按照统一目标分组，这一过程即为关联；最后，数据合成，该过程的合成不是简单的数据组合，而是将数据进行综合加工处理的数据融合，经融合后得到关于目标的一致性解释与描述。3.1.2数据融合的意义本系统的数据采集网络采用基于ZigBee技术的无线传感器网络，数据融合对于无线传感器网络的意义可以表述如下:(1)减少冗余信息，降低能量消耗为了增强采集数据的准确性并确保整个无线传感器网络的稳定性和鲁棒性，无线传感器节点需要大量且广泛的分布于采集区域内，相邻无线传感器节点的采集区域可能重叠，从而导致相邻传感器节点发送的信息存在冗余性。曾有学者计算显示，传感器节点使用无线方式传输1比特到100米远所消耗的能量可供执行3000条指令，在这种情况下汇聚节点并未获得更多的信息，反而使网络消耗了更多的能量，因此，在保证精度的情况下，对传感器节点采集到的感知数据信息进行融合处理，能够大大降低无线通信过程中的数据传输，而处理器进行数据计算所消耗的能量，远远小于数据在通信过程中消耗的能量，所以在传感器节点采集到数据之后到发送数据之前进行数据冗余处理，可以有效的减少无线传输过程中的数据传输量，达到去除冗余信息、降低能量消耗的目的。(2)提高采集信息的准确性无线传感器节点负责采集影响农作物生长的环境参数信息，由于传感器节点存在因成本和体积而导致的精度问题，加之进行数据采集时周围环境因素的影响以及使用无线通信进行数据传递时容易受到干扰和破坏，单一传感器节点获得的数据信息往往存在不可靠性。使用数据融合技术，对采集同一信息的多个传感器所釆集到的数据进行数据融合处理，就可以有效提高所采集信息的精度和准确性。(3)提高数据收集效率对传感器节点采集到的数据进行数据融合处理，减少了需要传输的数据量，从某种程度上降低了数据链路过程中的链路难度，减少了数据在无线通信过程中的冲突碰撞，减轻了网络的传输拥塞,降低了数据的传输延迟，有效提高了数据收集效率。3.2 数据融合的分类与方法传感器网络中的数据融合技术可以有不同的分类方式，根据对传感器数据的融合级别，数据融合技术可以被分为：像素级融合、特征级融合、决策级融合。上述的数据融合方法各有特点，在具体应用的过程中应该根据具体数据融合的目的和条件选择合适的融合方法。在物联网的实际应用中，三个级别的数据融合技术可以综合使用。有的应用中数据形式比较简单，不需要进行像素级融合，就使用灵活的特征级融合手段，而有的应用要处理大量原始数据，则选用像素级融合。一个给定的系统，可能涉及多个级别的数据融合技术。在无线传感器网络系统的设计和实现过程中，并没有一种通用的数据融合方法，对于传感器网络的数据融合，总是根据具体的实际应用背景，来选择相应的融合算法。传感器网络数据融合的方法有很多，如图3-1所示,本文主要介绍几种常用的数据融合方法。图3-1常见的数据融合方法第四章 智能农场设计与实现4.1系统总体设计基于zigbee的智能农场设计系统由无线传感器数据采集网络和智能监测处理中心组成，其体系结构如图4-1所示。无线传感器数据采集网络的功能是实现网络的组建和感知数据的采集，由传感器节点在硬件的基础上基于ZigBee无线通信协议组建Mesh网络。传感器节点又分为终端节点、路由器节点和协调器节点。终端节点实时采集温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度等环境参数,经由路由节点，数据以多跳中继的方式传达至协调器节点,协调器节点再通过RS-232串口，将数据传至上位机管理系统。智能监测处理中心由数据库服务器和中央计算机两部分组成，实现了最后的应用。首先智能监测处理中心负责本系统的用户的管理，实现了对本系统用户的添加、删除和査询操作。其次，负责对接收到的数据进行存储、显示、将数据绘制成动态曲线进行分析，并对环境参数进行阈值设置,当采集到的数据不在设置范围内的时候进行报警提示，从而实现对农作物生长环境的实时监测。最后负责数据信息的发布，将Web协议移植到其中，系统便可以接入到Internet中，实现“底层(传感器)一Internet网络一远程监控”的结构，能够将整个系统的信息发布到互联网上，实现整个互联网的访问。图4-1智能农业系统整体架构图4.2传感器节点的硬件设计4.2.1硬件设计方案本文设计的基于zigbee的智能农场设计系统,目标是准确实时的获取农作物生长的环境信息，通过分析得到环境变化对农作物生长状况影响的规律，为科学研宄提供全面的参，,实现农业的精准操作，满足现代农业信息化、智能化的需求。数据采集作为本系统工作的第一步，采集到的数据准确可靠，是整个系统正常工作的关键。传感器节点大量分布在田间，节点间有一定的距离，采集到的数据以无线传输的方式传递，如何保证传感器节点数据以最低的丢包率进行传输是需要考虑的重要问题，同时对于数量庞大且分布广泛的传感器节点，如何延长传感器电池的使用时间也是亟需解决的问题。综合以上种种，本系统的无线传感器数据采集网络中的传感器节点的硬件设计，主要依据以下几个方面:(1)低功耗传感器节点以电池供电，能量有限，电池耗尽以后，节点停止工作，整个传感器网络的拓扑结构要相应的变化。因此，如何减少节点的功耗,延长节点的寿命，对于整个网络系统的稳定、高效运行是至关重要的。(2)优良射频性由于无线信号在空气中的传播与通信距离呈指数关系衰减，节点通信距离能够直接影响到无线通信模块的发射功率的消耗,进而引出功耗的问题。因此，节点间通信距离也是限制无线传感器网络应用旳重要原因。提高节点的射频性能可以改善网络工作能力，在同等功耗的条件下通信距离增大，具有更强的实用性。(3)微型化传感器节点在监测区域要大量部署，为了对目标系统本身的特性不构成影响并且方便部署，传感器节点的体积要尽可能的小。(4)低成本系统中传感器节点的数量庞大且功能简单，单个节点的造价能够极大的影响整个系统的成本。所以，在保证节点性能的前提下应该尽可能的降低单个节点的成本能够有效的降低整个系统的成本。(5)可扩展性能够根据不同的需要增加不同的功能器件。基于以上五点要求,本系统中的传感器节点硬件设计成如图4-2所示的结构。图4-2节点硬件示意图CPU部分是传感器节点的处理器模块，也可以称作是数据控制处理模块，是传感器节点的核心模块，对节点数据处理的算法、节点的通信算法以及节点的多任务处理都是在这部分实现的。外部传感器模块包括各种传感器芯片，实现了对农作物生长环境参数的感知。JTAG接口辅助完成对芯片的测试和板控程序的下载。按键