基于ZigBee技术的养殖场室内实时监测系统的设计.doc

安徽大学本科毕业论文（设计）（内封面）题目： 基于ZigBee技术的养殖场实时检测 系统的设计 学生姓名： 朱艳宇 学号： A20614007 院（系）： 数学科学学院专业：信息与计算科学 入学时间： 2006年9月导师姓名：项冰冰 职称/学位： 讲师 导师所在单位： 安徽大学数学科学学院 基于ZigBee技术的养殖场实时监测系统的设计摘要 随着我国国民经济的发展人民的生活水平也日益提高，同时农民也在利用科学技术致富，种田只是他们发家致富的一小部分。现在已有大部分农民大力发展养殖业以提高我国农民生活水平。在利用室内养殖生产中，温度、湿度等因素都将直接关系到室内养殖动物的成长和繁衍。由于ZigBee无线网络技术的出现，笔者介绍了一种基于ZigBee的养殖场监测系统，该系统利用无线通信技术，不需要布置复杂的线路，解决了大部分地区不能使用监测系统的难题，自动组网，并且成本低廉，监测点数量大，最多可达65536个监测点，所以在一定的范围内可达到非常细致的监测目的。这一技术的使用将促进养殖场的智能化和统一化的管理。关键字：养殖场；ZigBee技术；无线传感网络According to ZigBee technical farm actually monitor the design of systemAbstractwith the development of peoples living standard of our country national economy, the farmer also start making use of science technique to amass a fortune.Farming is a part of the work for the farmer.Now the most of farmers begine to develop a farming industry to raise their living standard. In the indoor farming production, such as temperature and degree of humidity etc which will directly relate to the animals which grow up in indoor farming. Because ZigBee technical emergence, the writer introduced a kind of monitor system according to the ZigBee farm, the system makes use of a wireless communication technique, which dont need to set out the circuit of complications, solving a big problem that is a lots of regions can not use the hard nut to crack of monitoring the system, automatic set net, and the cost is cheap, monitor a point to have great capacity, at most can reach to 65536 to monitor to order, So can attain a very meticulous monitor purpose in the certain scope.The use of this technique will promote the management that the intelligence of farm turns and unifies to turn.Key words:farm;ZigBee technique;the wireless sensor目录第一章 引言51.1 ZigBee的由来51.2 ZigBee的特点5第二章ZigBee协议框架52.1 物理层 62.2 媒体存取控制层 62.3 网络层 62.4 应用会聚层 6第三章 ZigBee的网络组成和工作原理 63.1 ZigBee网络的拓扑结构 73.2 ZigBee网络的工作原理 7第四章 基于ZigBee网络的养殖场的测控系统 84.1 ZigBee网络在养殖场中的应用 84.2 养殖场测控系统的网络结构 94.3 系统硬件电路设计 94.3.1 无线通讯电路设计104.3.2 终端节点设计104.4 系统的软件设计 104.4.1 终端节点的程序设计104.4.2 协调器的程序设计10结束语11参考文献 12致谢 13基于ZigBee技术的养殖场实时监测系统的设计第一章 引 言中国是农业大国，大力发展农业信息化，提高生产效率，将会给我国带来巨大的经济利润。ZigBee技术是一种新型的无线传感技术，基于我国农业养殖的现状，提出ZigBee技术在养殖场中的应用及发展前景。运用ZigBee技术可以检测到养殖场室内温度、湿度、光度等等。从而有效地提高养殖利润并且为农民提供便捷和降低成本。1.1 ZigBee的由来人们在使用蓝牙技术的过程中，发现蓝牙技术尽管有许多优点，但仍存在许多缺陷。对工业、家庭自动化控制和遥测遥控领域而言，蓝牙技术显得太复杂，功耗大，距离近，组网规模太小等，而工业自动化对无线通信的需求越来越强烈。正因此，经过人们长期努力，ZigBee协议于2004正式问世了。 ZigBee是一种短距离、低速率无线网络技术，是一种介于射频识别和蓝牙之间的技术提案。ZigBee一般采用IEEE 802.15.4收发器与ZigBee协议栈的组合，在数千个微小的节点之间相互协调实现通信。这些节点只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到另一个节点，所以它们的通信效率非常高。因此，ZigBee在传感器网络、智能家居、工业自动化等领域有广泛的应用。1.2 ZigBee的特点可靠：为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙同时采用了碰撞避免机制，避免了发送数据时的竞争和冲突；节点模块之间具有自动动态组网的功能，信息在整个ZigBee网络中通过自动路由的方式进行传输，这样就保证了信息传输的可靠性。省电：两节五号电池支持长达6个月到2年左右的使用时间 时延短：针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。网络容量大：可支持达65000个节点。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。高保密性：64位出厂编号和支持AES-128加密第二章 ZigBee协议框架IEEE802.15.4仅处理低级MAC层和物理层协议，ZigBee联盟对其网络层协议和应用程序编程接口进行了标准化。完全协议用于一次可直接连接到一个设备的基本节点的4K字节或者作为Hub或路由器的协调器的32K字节。每个协调器可连接多达255个节点，而几个协调器则可形成一个网络，对路由传输的数目则没有限制。ZigBee联盟还开发了安全层，以保证这种便携设备不会意外泄漏其标识，而且这种利用网络的远距离传输不会被其它节点获得。完整的ZigBee协议套件由高层应用规范、应用会聚层、网络层、数据链路层和物理层组成。网络层以上协议由ZigBee联盟制定，IEEE802.15.4负责物理层和链路层标准。ZigBee协议构架如下图所示：应用层网络/安全层媒体接入控制物理层图1：ZigBee协议框架2.1 物理层（Physical Layer）：1)负责无线发射机的激活和关闭；2)信道上的能量检测；3)发送接收信息时的链路质量指示；4)基于CSMACA的空闲信道的评估(CCA)；5）数据的发送和接收。2.2 媒体存取控制层（Media Access Control Layer）： 1)信标帧的产生(协调器)；2)同信标帧保持同步(其他设备)3)支持网络的连接和断开；4)信道采用CsMACA接入；5)维护和处理GTS；6)在对等的MA C实体之间提供一个可靠的通信链路。2.3 网络层（Network Layer）：1)在应用层发来的PDU前添加一个网络层的帧头，构成NPDU；2)确定网络的拓扑结构(星状、树状、网状网络)；3)建立网络；4)加入和离开网络；5)协调器和路由为加入网络的设备分配地址；6)发现并记录邻居表、路由表；7)信息的接收控制(能够控制接收机在何时接收及接收时间的长短，以保障MAC层能够同步)。2.4 应用会聚层：应用层包括应用支持子层 (APS)、应用框架(AF)、Z Bee设备对象 (AD0)和制造商定义的应用对象。其中APS子层负责维护绑定表，同时在绑定的设备之间传输消息。AF可以给应用对象提供两个服务一个键值对和一个普通的消息服务。ZD0负责定义设备在网络中的角色，发现设备和决定它们提供哪种应用服务，发起和响应绑定请求，在网络设备之间建立安全关联。zDO也负责发现网络上的设备并且决定它们提供哪些应用服务 第三章 ZigBee网络的组成和工作原理3.1 ZigBee网络的拓扑结构ZigBee协议的三种拓扑结构，它们是星型结构、树形结构和网状结构，如图2所示。在网状或树型网络中，ZigBee协调器负责启动网络并设置某些关键参数，但是网络可以通过ZigBee路由器进行扩展。在树型网络中，路由者采用分级路由策略传送数据和控制信息。在星型拓扑中，网络由一个ZigBee协调器控制。ZigBee协调器负责初始化并维护网络中的所有其他设备，这些设备均作为终端设备直接与ZigBee协调器通信。图2：ZigBee的拓扑结构3.2 ZigBee网络的工作原理ZigBee推动了无线嵌入式网络的实现。网络设备可以围绕ZigBee协调器将自己组成一个分层网络，路由选择分级结构，或者选择优化路径。ZigBee网络的工作原理如图3所示。ZCRREEEEEEEZCRRZigbee协调器Zigbee路由器Zigbee终端设备源地址目的地址图3：ZigBee网络的工作原理图中所标数字意义如下：1 ZigBee协调器建立了网络并为它设置了操作参数。2 ZigBee路由器通过与ZigBee协调器或者与其他已经存在的ZigBee路由器连接加入网络。3 终端设备可以与任何ZigBee路由器或ZigBee协调器连接。4 通信流量在默认时遵循树形路由器选择路线。5 如果路由器有能力，也可以发现通往特定目的地的最优路径，并将其存储起来以便以后在路由表中使用。第四章 基于ZigBee网络的养殖产的测控系统4.1 ZigBee网络在养殖场中的应用如图4所示，养殖场的测控系统是一个ZigBee无线网络应用网络，ZigBee协议中明确规定有三种拓扑结构：星型结构、树形结构和网状结构。该网络运用星型拓扑结构或树形拓扑结构，由一个负责协调管理的协调器、pc机、路由器和养殖场若干个监控节点组成，显然主节点是本系统的控制核心，负责ZigBee网络的建立、维护等功能，终端监控节点是采集养殖场室内多点的温度、湿度、光度等环境信息。路由器主要用来将多个星型子节点簇连接成一个树形网络，以扩展测量范围，从而达到测量更加精准的目的。温度、湿度、光度测量子节点11测量子节点2测量子节点3路由器1 .协调器管理主节点温度、湿度、光度温度、湿度、光度PC机RS485温度、湿度、光度测量子节点3图4：养殖场系统图系统运行时，pc机可以放在用户的单位等方便操作的地方，测量子节点可根据养殖产的大小规模放置在室内各个适当的位置，必要时可增加路由节点以扩大测量范围，主节点安置在养殖场附近的控制室内，主节点和PC机通过RS485网络通信。子节点可以在每隔一定时间测量并向主控节点发送传感器的数值，当测量到的温度或湿度偏低或偏高时，自动启动相应的设备进行调整，当室内光度不符合规格时，报警器会响起，提醒是否进行通风。4.2 养殖场测控系统的网络结构ZigBee网络可由ZigBee协调器、ZigBee路由器、ZigBee终端设备组成。其中ZigBee协调器是必须具备的，因为它负责建立网络、传输网络信标、管理网络节点、存储网络节点信息和在关联节点之间路由信息。在养殖场室内监测中，采用星型或树型拓扑结构和层次化路由协议。根据室内空间大小，将网络中的所有节点分为若干个簇，簇的范围由网络覆盖面积决定。每个簇选举一个簇首，用于接收本簇内所有节点送来的数据并发送到ZigBee路由器或协调器。同时，簇首也可以接收ZigBee路由器或协调器的控制命令，并发给本簇内的所有节点。ZigBee测量节点将采集的数据(温度、湿度、光度等等)传送给簇首，再由簇首传给路由器或协调器，继而通过RS 485网络传给远程监控计算机。监控中心对数据进行处理、分析，了解养殖场室内的实时环境情况，自动或手动做出进一步的反应，及时处理险情，减少损失。4. 3 系统硬件电路设计4.3.1 无线通信电路设计该系统的协调器、路由器及终端节点的硬件电路的无线通信部分是完全一样的，均包含2部分，无线微控制器模块外围电路设计和与PC机接口电路设计，232接口芯片选用了MAX3232，微处理器均选用了JENNIC公司推出的一款高性能、低功耗、低成本的无线微控制器模块。该模块内置有32位RISC处理器，配置有24G频段的IEEE802154标准的无线收发器，64KB的ROM、96KB的RAM为无线传感器网络的应用提供了多种多样的解决方案，同时高集成化设计简化了总的系统成本。4.3.2 终端节点设计养殖场室内终端节点设计主要包括4部分：无线收发电路、采集电路、控制输出电路及电源电路。其结构如图5所示。PC接口电路温度传感器湿度传感器光度传感器信 号 调 理 电 路微 控 制 器输 出 驱 动 电 路 电源模块图5：节点结构 由于终端节点布线不便及干电池电容量小的缺陷，电源采用12 V蓄电池供电。考虑到普通稳压电路功耗大，导致蓄电池使用周期缩短的问题，该系统电源转换电路采用了DCDC转换，同时电路设计上也使用了低功耗元件，降低了系统功耗。12 V到系统电路33 V的转换。4.4 养殖场室内测控系统的软件设计4.4.1 终端节点的程序设计 软件设计主要是终端节点和协调器的程序设计。传感器节点启动后，进行硬件和网络初始化，完成初始化后，节点进入等待指令状态。接受到指令时，对命令进行解析或执行，同时传感器节点开始通过传感器模块进行采集数据。采集数据完毕后，传感器节点把数据发送到协调器节点，发送成功，节点在此进入等待状态，由图6所示。4.4.2 协调器的程序设计协调器接到数据开始启动，进行硬件的初始化和网络的初始化，建立起一个ZigBee的无线传感器网络。之后协调器节点进入等待状态，等待PC机发送的指令或路由器和节点发送到协调器的信息。当协调器节点接收到PC机的控制指令时，协调器节点解析该指令，并发送相应指令到终端节点。当协调器接收到终端节点发送的指令时，说明该信息为采集养殖场室内的温度、湿度、光度等传感器数据，此后协调器节点处理该数据，并发送到PC机。其过程如图7所示。系统上电系统上电系统初始化系统初始化初始化是否成功 否发送加入网络请求 是5s内是否接到应答否读节点发送数据 是 应答 是是否成功加入网络读PC机发送指令否向节点发放指令读协