（通信与信息系统专业论文）基于wsns技术的农业物联网平台建设及软件远程升级技术研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下 独立进行研究所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本 论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果 对本文的研究作出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方 式标明 本声明的法律责任由本人承担 论文作者签名 耋陴 日期 三丛生业 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留 使用学位论文的规定 同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论 文被查阅和借阅 本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文 保密论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名 牲导师 山东大学硕士学位论文 目录 摘j i j e 1 a b s t r a c t 2 符号说明 4 第一章绪论 5 1 1 研究背景 5 1 2 需求性分析 5 1 2 1 国家政策需求 6 1 2 2 农民生产需求 6 1 3 研究目的和意义 7 1 4 本文结构安排 7 第二章课题研究内容 8 2 1w s n s 技术 8 2 1 1 传感器节点 9 2 1 2 无线网络拓扑 1 0 2 1 3 网络协议 1 2 2 2 农业物联网 l3 2 2 1 物联网简介 l4 2 2 2 物联网在农业应用 15 2 3 软件远程升级 15 2 4 本章小结 16 第三章农业物联网平台建设 17 3 1 平台架构 l7 3 2 前端采集网络设计 1 8 3 2 1 传感器节点设计 1 8 3 2 2 传感器辅助电路设计 2 3 山东大学硕士学位论文 i i 3 2 3 智能网关节点设计 3l 3 2 4z i g b e e 协议及功能设计 4 1 3 2 5 智能网关软件设计 4 6 3 3 信息处理平台设计 4 7 3 3 1 数据库设计 4 8 3 3 2 用户界面设计 5 0 3 4 数据通信协议 5 3 3 5 本章小结 5 5 第四章软件远程升级技术研究 5 6 4 1 软件升级总论 5 6 4 1 1 节点执行环境 5 7 4 1 2 软件分发机制 5 7 4 1 3 数据优化 5 8 4 2 实现思路 5 8 4 3 本章小结 5 9 第五章总结与展望 6 0 5 1 课题总结 6 0 5 2 课题创新点 6 1 5 3 展望 6 2 参考文献 6 3 致谢 6 9 攻读硕士期间获得的成果及参加的项目 7 0 i i 山东大学硕士学位论文 c o n t e n t s c h i n e s ea b s t r a c t 一1 e n g l i s ha b s t r a c t 2 s y m b o l s 4 c h a p t e r ii n t r o d u c t i o n 5 1 1b a c k g r o u n d 5 1 2r e q u i r e m e n t sa n a l y s i s 5 1 2 1n a t i o n a lp o l i c yr e q u i r e m e n t s 6 1 2 2p r o d u c t i o nr e q u i r e m e n t s 6 1 3r e s e a r c hp u r p o s e 7 1 4p a p e rs t r u c t u r e 7 c h a p t e r i it h em a i nw o r k 8 2 1w s n st e c h n o l o g y 8 2 1 1s e n s o rn o d e 9 2 1 2n e t w o r kt o p o l o g y 10 2 1 3n e t w o r kp r o t o c o l 1 2 2 2a g r i c u l t u r eo ft h i n g s 13 2 2 1i n t r o d u c t i o nt ol o t 1 4 2 2 2i o ti na g r i c u l t u r e 15 2 3s o f t w a r eu p g r a d es t r a t e g y 15 2 4c o n c l u s i o n 1 6 c h a p t 盱i i i c o n s t u c t i o no f p l a t f o r m 1 7 3 1p l a t f o r ms t r u c t u r e 1 7 3 2d e s i g no f w s n s 18 3 2 is e n s o rn o d ed e s i g n 18 3 2 2s e n s o rc i r c u i td e s i g n 2 3 1 1 1 山东大学硕士学位论文 3 2 3s m a r tg a t e w a yn o d ed e s i g n 31 3 2 4z i g b e ea n df u n c t i o n sd e s i g n 4 1 3 2 5s o f t w a r ed e s i g no f g a t e w a yn o d e 4 6 3 3i n f o r m a t i o np r o c e s s i n gp l a t f o r md e s i g n 4 7 3 3 1d a t a b a s ed e s i g n 4 8 3 3 2u s e ri r 由 r f k ed e s i g n 5 0 3 4d a t ac o m m u n i c a t i o np r o t o c o l 5 3 3 5c o n c l u s i o n 5 5 c h a p t e rwr e s e a r c h o ns o f t w a r eu p g r a d es t r a t e g y 5 6 4 1s o f t w a r eu p g r a d eo v e r v i e w 5 6 4 i ie x e c u t i o ne n v i r o n m e n t 5 7 4 1 2s o f t w a r ed i s t r i b u t i o nm e c h a n i s m 5 7 4 1 3d a t ao p t i m i z a t i o n 5 8 4 2r e a l i z a t i o no fi d e a s 5 8 4 3c o n c l u s i o n 5 9 c h a p t e rv c o n c l u s i o na n df u t u r ew o r k 6 0 5 1p r o j e e tc o n c l u s i o n 6 0 5 2p r o j e e ti n n o v a t i o n 6 1 5 3f u t u r ew o r k 6 2 r e f e r e n c e s 6 3 a c k n o w l e d g e m e n t 6 9 a c h i e v e m e n t sa n dp r o j e c t s 7 0 w 山东大学硕士学位论文 摘要 本研究课题的主要任务是实现基于w s n s g r t r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s 的农业 物联网平台建设 并且在此基础上进行w s n s 节点的软件远程升级技术的研究 w s n s 是伴随着m e m s 器件技术的发展而产生的新型的传感器领域的传输技 术 拥有低功耗 组网灵活 网络可靠性高等特点 物联网 i n t e r n e to ft h i n g s 应用 随着各项科学技术综合实力的提升 在工业 农业等领域中已经得到了很 大发展 农业物联网的应用 就是依托w s n s 技术作为前端的采集控制网络 然后通 过公网传输 将采集到的信息汇总到后台数据库 为智能化管理提供数据保障和 依据 在采集控制网络设计中 通过将自主设计的s e n s o r 节点 智能网关节点配 合z i g b e e 协议栈实现了稳定的w s n s 网络 并且在w s n s 网络的基础上 增加各 种相应的传感器功能 土壤温湿度 空气温湿度 光照强度 c 0 2 浓度以及c m o s 图像采集等 和执行器功能 电机控制和电磁阀控制等 本人采用c s 架构 实 现信息处理平台设计 实现了采集信息的入库 实时查看以及执行机构的控制等 各种功能 软件远程升级技术是为了满足无线传感器网络大范围应用而进行的技术研 究 能够非常方便管理已经布设的大型网络 维护网络的系统稳定和应用功能的 更新 这项技术的重要性已经在实践中被证实 得到了很多科研机构的充分重视 该项技术的应用 能够使得无线传感器网络功能更加完善 在农业物联网的管理 及应用中将产生巨大的效益 该技术同样会适用于其它应用领域 在课题的后期开发中 除了在技术上进行更深层次的研发外 还将重点进行 运行模式上的改进 依托服务器集群 采用b s 架构实现信息处理服务 用户进 行注册后 将获得独立的存储空间 以存储农业生产过程中的相关数据 在访问 时 用户在任何能够连接网络的地方 都可以通过用户账号及终端设备即可享受 与自己相关的信息服务 关键字 w s n s 物联网 农业 远程升级技术 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h em a i nt a s ko ft h i sr e s e a r c hp r o j e c ti st oa c h i e v et h ec o n s t r u c t i o no fa g r i c u l t u r e o ft h i n g sp l a t f o r mb a s e do nw s n s w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s a n ds t u d ys o f t w a r e u p g r a d es t r a t e g yo fw s n s n o d e w s n si san e wt r a n s m i s s i o nt e c h n o l o g yi ns e n s o r i n gf i e l da c c o m p a n i e db yt h e d e v e l o p m e n to fm e m s d e v i c e s i ti sc h a r a c t e r e dw i t hl o wp o w e rc o n s u m p t i o n f l e x i b l e n e t w o r k i n ga n dh i g hr e l i a b i l i t y i o t i n t e r n e to ft h i n g s a p p l i c a t i o n sh a v eg o tg r e a t d e v e l o p m e n ti na r e a ss u c ha si n d u s t r ya n da g r i c u l t u r e w i t ht h ee n h a n c e m e n to ft h e c o m p r e h e n s i v es t r e n g t ho fs e i e n c ea n dt e c h n o l o g y i na g r i c u l t u r a li n t e r a c to f t h i n g s w ei m p l e m e n tt h ea c q u i s i t i o na n dc o n t r o ln e t w o r k i nf r o n t e n dr e l a y i n go nt h ew s n st e c h n i c a l t h ed a t ac o l l e c t e dw i l lb et r a n s f e r r e di n t o o u rd a t a b a s ei nb a c k e n dt h r o u g ht h ep u b l i cn e t w o r k w h a t sm o r e w ec a nd os o m e i n t e l l i g e n tm a n a g e m e n t sb a s e do nt h ed a t a i nt h ed e s i g no fa c q u i s i t i o na n dc o n t r o l n e t w o r ki nf r o n t e n d t h e r ea r et w os t e p s f i r s t l y w eg e tt h es t a b l ew s n st h r o u g ht h e u s eo fs e n s o rn o d e s s m a r tg a t e w a yn o d ea n dz i g b e es t a c kw h i c ha r ea l ls e l f d e s i g n e d s e c o n d l y w ea d ds o m es e n s o rd e v i c e s s u c ha ss o i lt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y a i r t e m p e r a t u r e h u m i d i t y l i g h ti n t e n s i t y c 0 2c o n c e n t r a t i o n a n dc m o si m a g ea c q u i s i t i o n a n dc o n t r o le q u i p m e n t s s u c ha sm o t o rc o n t r o la n ds o l e n o i dv a l v ec o n t r 0 1 i n t ow s n s i nt h ed e s i g no fi n f o r m a t i o np r o c e s s i n gp l a t f o r mi nb a c k e n d w ea c h i e v et h ed a t a s t o r a g e r e a l t i m eb r o w s i n ga n dc o n t r o lf u n c t i o n s w es t u d yt h es o r w a r eu p g r a d es t r a t e g yi no r d e rt om e e tt h ew i d er a n g e a p p l i c a t i o n so fw s n s i tw i l lb ec o n v e n i e n tt om a n a g et h e 诵d er a n g en e t w o r k s m a i n t a i nn e t w o r ks t a b l ea n du p d a t et h ec h a n g e df e a t u r e s t h ei m p o r t a n to ft h i s t e c h n o l o g yh a sb e e np r o v e db yt b ea p p l i c a t i o n s a n di th a sg o tt h ef u l la t t e n t i o no fm a n y s c i e n t i f i cr e s e a r c hi n s t i t u t i o n s t h ea p p l i c a t i o no ft h i st e c h n o l o g yc a ni m p r o v et h e w s n sf u n c t i o n sa n dp r o d u c eh u g eb e n e f i t si na g r i c u l t u r a lm a n a g e m e n ta n da p p l i c a t i o n 2 山东大学硕士学位论文 o f c o u r s e t h et e c h n o l o g yw i l la l s oa p p l yt oo t h e ra p p l i c a t i o n s i nt h el a t e rd e v e l o p m e n to ft h ep r o j e c t i na d d i t i o nt oad e e p e rl e v e lo fr di n t e c h n o l o g y w ew i l la l s of o c u so nt h eo p e r a t i o nm o d ei m p r o v e m e n t s r e l y i n go ns e r v e r c l u s t e r sa n dt h eb ss t r u c t u r eo fi n f o r m a t i o np r o c e s s i n gs e r v i c e s n s e r sg a l lg e ta s e p a r a t es t o r a g es p a c ea f t e rr e g i s t r a t i o n t os t o r et h er e l e v a n td a t ai nt h ea g r i c u l t u r a l p r o d u c t i o np r o c e s s u s e r sc a na l s oe n j o yw i t ht h e i rr e l a t e di n f o r m a t i o ns e r v i c e s t h r o u g ht h e i ra c c o u n ta n dt e m a i n a le q u i p m e n t a ta n yp l a c ec o n n e c t e db yt h en e t w o r k k e yw o r d s w s n s i n t e m e to ft h i n g s a g r i c u l t u r e s o r w a r eu p g r a d es t r a t e g y 3 山东大学硕士学位论文 符号说明 w s n sw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s 无线传感器网络 i o ti n t e m e to f t h i n g s 物联网 r f i dr a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n 射频识别 r f dr e d u c e df u n c t i o nd e v i c e精简功能节点 f f df u l lf u n c t i o nd e v i c e 全功能节点 z i g b e ez i g b e ep r o t o c o l 短距离通信协议 i 心r a d i of r e q u e n c y 射频 m c um i c r oc o n t r o l l e ru n i t 微控制器 c o m p l e m e n t a r ym e t a lo x i d e c m o s互补性金属氧化半导体 s e m i c o n d u c t o r c v il a b w i n d o w s c v in i 虚拟仪器开发环境 c s c l i e n t s e r v i c e 客户端 服务器模式 b sb r o w s e r s e r v i c e 浏览器 服务器模式 o d b c o p e nd a t a b a s ec o n n e c t i v i t y开放数据库互联 e l fe x e c u t a b l ea n dl i n k i n gf o r m a t可执行链接格式 4 山东大学硕士学位论文 i i u j l 鲁毫詈鲁寡鲁葛曹量 葛墨兽喜曼置一 1 1 研究背景 第一章绪论 物联网 1 胴是国家五大新兴战略产业之一 而农业物联网 3 l 是物联网最重要的 组成部分之一 农业物联网是农业信息化发展到现阶段的产物 它利用现代信息 技术和信息系统为农业产 供 销提供更加丰富有效的信息支持 海量的数据服 务及科学的生产管理 并大大提高农业的综合生产力和经营管理效率 大力发展 农业物联网 开展物联网平台建设1 4 1 是农业信息技术革命的必由之路 精准农业 5 1 是农业现代化的发展方向 它是根据作物生长的性状来调节对作物 的投入 一方面查清农田的土壤性质与生产力空间变异 另一方面通过确定农作 物的生产目标调动土壤生产力 以最少的或最节省的投入达到同等收入或更高收 入 并改善环境 过去农业生长要裂6 1 1 7 1 土壤温湿度 空气温湿度 光照强度 太阳辐射 微量元素含量 p h 值 大气压强 病菌发生动态 作物长势等环境和 作物信息资源 的获取及控制是粗放的 全凭经验 靠感觉 不可靠的 不能从 根本上实现精准农业 通过物联网技术可以实现对农业生长要素的精准测量 能 够真正实现精准农业 物联网技术是实现精准农业的关键技术 在物联网技术的实现中 主要包含前端采集网络 公网传输 后端处理等几 个重要方面 8 1 其中 前端采集网络主要依托w s n s 技术 9 和r f i d 技术 j 公 网传输主要包含电信网络和i n t e r n e t 网络 后端处理包含了数据存储 服务提供等 内容 1 2 需求性分析 我国目前有日光温室和塑料大棚百万公顷以上 而且每年以1 0 3 0 的速度 增长 不难看出 我国农业市场的潜在性和巨大性 农业物联网作为国家物联网 战略之一 其推广和应用 在经济领域和社会领域都会产生不可估量的推动 山东大学硕士学位论文 1 2 1 国家政策需求 1 2 0 0 8 年1 月3 0 日 中共中央国务院出台 中共中央国务院关于切实加强 农业基础建设进一步促进农业发展农民增收的若干意见 1 号文件 意见中明确 提出 积极推进农村信息化 为2 0 0 8 年及以后我国农业及农村信息化工作确定 了基本原则 任务和方向 2 2 0 0 9 年1 1 月3 日 温家宝总理在发表了题为 让科技引领中国可持续发 展 的重要讲话 在这次讲话中 物联网被列为国家五大新兴战略性产业之一 要求着力突破传感网 物联网关键技术 提前部署后m 时代相关技术研发 使信 息网络产业成为推动产业升级 迈向信息社会的发动机 3 2 0 1 1 年 党中央 国务院对农业农村工作提出了以下要求 加快发展现代 农业和转变农业发展方式 坚持做到 两个千方百计 即千方百计保持粮食产量 稳定在1 万亿斤以上 千方百计保持农民收入增长在7 以上 和 两个努力确保 即努力确保不发生区域性重大动物疫情 努力确保不发生重大农产品质量安全 事件 4 在2 0 1 2 年初中央下发的一号文件中指出 实现农业持续稳定发展 长期 确保农产品有效供给 根本出路在科技 只有农业科技才是确保国家粮食安全的 基础支撑 也是突破资源环境约束的必然选择和加快现代农业建设的决定力量 具有显著的公共性 基础性 社会性 同时也再次强调了 坚持科教兴农战略 大幅度增加农业科技投入 把农业科技摆上更加突出的位置 推动农业科技跨越 发展 等促进农业科技发展的指导思想 在依靠科技创新驱动 引领支撑现代农 业建设方面 提出了 明确农业科技创新方向 突出农业科技创新重点 完善农 业科技创新机制 改善农业科技创新条件 着力抓好种业科技创新 等具体发展 措施 1 2 2 农民生产需求 与美 欧等发达国家相比 我国粮食单产量不稳定 抵抗自然灾害能力差 农业现代化的发展相对滞后 导致了农民劳动付出大 经济收入低的现象 在当 今 农民迫切希望经济能力能够得到快速提升 对农业科学生产等现代化方式正 6 山东大学硕士学位论文 在倾入越来越多的关注 科学素养也正在潜移默化中不断提升 农业物联网的发 展 正好适应了部分农民的需求 对减轻农民劳动力 提高经济收入将会产生重 大影响 1 3 研究目的和意义 为了实现我国农业科技创新和农业产量快速增加的需求 本课题尝试基于物 联网技术建设农业物联网示范平台 在实施中 对农作物生产活动中所必须的生 长要素进行监测与采集 根据采集信息的地理位置与所得信息资源进行汇总分析 及时准确地发现问题 解决问题 指导农民生产 通过对农作物生长进行科学控制与管理 实现农作物的优质高产 以此带动 农业生产管理信息化 农业科学技术信息化 进而发展农业市场流通信息化并且 实现农业管理决策信息化等 1 4 本文结构安排 本研究课题的主要任务是实现基于w s n s 的农业物联网平台建设 并且在此 基础上进行w s n s 节点的软件远程升级技术的研究 从任务模块上将工作分为三 部分 针对农业应用的无线传感器网络的实现 信息服务平台的实现和软件远程 升级技术的研究 按照课题研究思路 将论文章节安排如下 第一章 绪论 主要介绍课题的研究背景 需求分析和研究意义 第二章 课题研究内容 主要从w s n s 信息服务平台以及软件远程升级技术 等方面对课题的研究内容进行整体的描述 第三章 农业物联网平台建设 主要具体介绍w s n s 的实现以及信息服务平 台的设计过程 第四章 软件远程升级技术研究 主要具体介绍所研究的软件升级策略 第五章 总结与展望 主要对课题进行整体的总结 对课题的创新点和不足 进行分析 并且提出项目的二期发展计划 7 山东大学硕士学位论文 第二章课题研究内容 本研究课题的任务是实现基于w s n s 的农业物联网平台建设 并且在此基础 上进行w s n s 节点的软件远程升级技术1 1 2 的研究 农业物联网平台建设的最终目标 就是依托具有低功耗 组网灵活 网络可 靠性高 1 3 等特点的w s n s 技术作为前端的采集控制网络 然后通过公网传输 将 采集信息汇总到后台数据库 为智能化管理提供信息依据 在项目实施中 通过 将自主设计的s e n s o r 节点 智能网关 1 4 l f l 5 1 节点配合z i g b c c 协议栈u6 j 1 7 1 实现了稳 定的w s n s 网络 然后在w s n s 网络的基础上 增加相应的传感器功能 如土壤 温湿度 空气温湿度 光照强度 c 0 2 浓度以及c m o s 图像采集等 和执行器功 能 如电机控制和电磁阀控制等 后台信息服务采用c s 架构 掩 实现了数据库 信息备份 传感器采集信息的查看 执行机构的控制等功能 同时为了方便管理已经布设的大型网络 维护网络的系统稳定和功能的更新 在具体的应用环境中只能依靠软件远程升级技术来解决遇到的各种问题 因此 这项技术的研究 对于农业领域大范围无线网络的应用来说需求非常迫切 同样 适用于其它相近领域 2 1w s n s 技术 无线传感器网络技术是测量技术 信息处理技术和通信技术的综合实现 使 得人们能够对特定的环境或事物 包括物理世界 生命系统以及信息技术等 给 以客观的 真实的物理性描述 并且根据描述做出恰当 合适的决策 无线传感 器网络技术的使用者可以是政府机构 工业部门以及普通消费者 这是由无线传 感器网络技术的基本特性决定的 无线传感器网络通常是低功耗 低成本 能够 多跳和自组织的无线通信网络 而且大部分的应用环境要求电池供电 1 9 1 在实际网络中 无线传感器网络就是由在监测区域内部署的大量的微型传感 器节点组成 通过无线通信的方式构建出一个多跳的 自组织的网络系统 协作 感知 采集和处理网络覆盖区域中的被感知对象的信息 并发送给观察者是无线 8 山东大学硕士学位论文 暑詈 鲁 量 曹一 一 i 毫曼 皇 鼍曼吕鼍 皇喜皇昌詈 皇 传感器网络的主要目的 无线传感器网络的三个要素分别是传感器设备 被感知 对象和观测者1 2 0 其中 传感器设备主要依赖于m e m s 2 l 微机电系统 的发展 使得小型化和低成本化成了可能 从技术角度看 无线传感器网络主要包含四个基本单元瞄1 分别是分布式的 传感器域 一个能够互联的无线网络 一种中心信息汇聚节点和较强数据分析能 力的计算机群 在实际应用中 因为采集数据量庞大 传感器节点本身也会做一 些数据分析和处理 以减少传输过程节点能量的消耗和通信阻塞 无线传感器网 络的设计 实际就是传感器节点的设计和无线通信协议的设计 目前 无线传感器网络技术已经在工业自动化 智能建筑 智慧家居 环境 监测 医疗应用 国家安全及军事监控田1 等领域发挥着重大作用 常用无线传感器网络结构如下图2 1 所示 2 1 1 传感器节点 图2 1 1 典型无线传感器网络结构图 在无线传感器网络中 每个传感器节点都是一个微型的嵌入式系统 除了要 进行本地信息收集和数据处理外 还要对其他节点转发来的数据进行存储 管理 融合以及转发等处理 另外有部分节点还要充当系统网关 进行数据协议的转换 等操作 在节点设计中 微型化和低功耗是设计的两个重要指标 传感器节点 主要包含两种 一种是信息采集节点 一种是信息汇聚节点 园 山东大学硕士学位论文 两种节点的设计上有很大的不同 信息采集节点 主要是将现实环境的模拟量 通过节点上的传感器进行检测和量化 然后通过无线进行传输 整个工作过程相 对简单 对处理器 存储器 电源系统等部件要求低 因此能够做到性价比上的 优势 而信息汇聚节点 要负责汇总局部区域内信息采集节点上传过来的数据 并且进行一定量的数据分析 工作内容较为繁重 因此通常采用较高性能的微处 理器和较大容量的存储器 因为系统任务繁重 电量消耗大 供电系统也会有很 高的要求 信息采集节点和信息汇聚节点的结构图分别如下图2 2 a 2 2 b 所示 图2 2 a 信息采集节点结构 2 1 2 无线网络拓扑 图2 2 b 信息汇聚节点结构 网络拓扑 2 4 n e t w o r kt o p o l o g y 是指用传输介质互连各种设备的一种布局形 式 是在特定的物理或逻辑上对网络部件 如节点 设备等 的排列方式 节点 1 0 山东大学硕士学位论文 之间的连接配置是决定网络拓扑结构的唯一方式 在同一个网络结构中 要求节 点之间的物理互连 信号类型及数据传输速率等必须保持一致 在短距离无线应用环境中 网络拓扑结构主要包含三中 分别是s t a r 星型 网络 t r e e 树型 网络和m e s h 网状 网络阔 星型网络就是指节点单元以星型方式连接成网 网络有汇聚节点 其他节点 都直接与中央汇聚节点相连 因为该结构以中央节点为中心 所以星型网络又称 为集中式网络 星型网络具有如下特点 结构简单 便于管理维护 控制简单 便于配置建网 网络延迟时间较小 传输误差较低 在拥有这些优点的同时 也 存在着显著的缺点 可靠性较低 成本高 资源共享能力也较差等 树型网络属于层次分级的集中控制式网络 与星型网络相比 它的通信成本 较低 网络中节点易于扩充 而且寻找路径非常方便 然而 除了叶子节点与其 父亲节点的线路外 其余任何通信线路的故障都会使系统的通信受到难以预测的 影响 网状网络主要指各节点通过传输介质互相连接在一起 节点之间具有网络能 力对等的特性 网状结构决定了每一个节点与其他至少两个相邻节点连接 在网 络性能上 网状网络具有非常高的可靠性 自组网特性体现优良 然而该网络结 构复杂 管理和维护相对较难 而且节点的对等特性使得整个网络的费用较高 三种网络拓扑图如下图2 3 所示 图2 3 w s n s 网络拓扑结构 山东大学硕士学位论文 2 1 3 网络协议 无线传感器网络的通信协议栈与互联网协议栈 t c p i p 的五层协议 2 6 1 相对 应 包括了物理层 数据链路层 网络层 传输层和应用层 除此之外 无线传 感器网络的协议栈还要包括任务管理平台 能量管理平台和移动管理平台口7 这三 项管理服务 任务管理平台使得传感器网络中的节点能够支持复杂的任务和资源 共享 能量管理平台使得节点能够协同工作在能源最高效的方式下 移动管理平 台则使得节点能够在移动过程中 主要是网络切换 进行数据转发 无线传感器 网络协议栈内容结构图如下图2 4 所示 图2 4 w s n s 协议栈内容 1 物理层 物理层 即系统的硬件部分 包含通信硬件电路和其他辅助电路 主要为系 统通信提供频段选择 信号调制 数据发送与接收等 2 数据链路层 数据链路层主要是解决信道的重复利用问题 即多路信号的接入方法 该层 的功能包含帧监测 介质访问以及差错控制等 实现无线传感器网络中点到点或 点到多点的可靠连接 3 网络层 网络层的主要功能是实现网络中数据传输时的路由选择 高效的路由算法是 网络层的研究重点 考虑到无线传感器网络中的节点性能高低不同 因此路由算 1 2 山东大学硕士学位论文 法必须在高可靠性和简单性上进行折中处理 4 传输层 传输层是通信模型中最重要也是最关键的一层 总体负责数据传输和数据控 制 能够为通信主体提供端到端的数据交换机制 并且为应用层提供可靠的数据 传输服务 为网络层提供可靠的目标地址信息 5 应用层 应用层根据不同应用的具体要求 更改应用程序的功能 借助任务管理平台 提供丰富多彩的多任务服务 2 2 农业物联网 农业物联网就是用大量的传感器节点构成一个智能化的针对于农业生产的监 控网络 通过传感器节点上携带的各种传感器检测农作物的生长环境信息 如土 壤温湿度 空气温湿度 光照强度 太阳辐射 微量元素含量 p h 值 大气压强 病菌发生动态 作物长势等环境和作物信息资源 通过真实客观的数据体现 帮 助农民及时发现作物生长过程中的问题 通过对数据的分析 准确地确定发生问 题的位置及原因 通过科学化的管理 将农业生产模式逐渐地从以人力为中心 依赖于孤立机械的原始生产模式向以信息化和软件操作为中心的现代化生产模式 转变 农业物联网结构理念如下图2 5 所示 山东大学硕士学位论文 2 2 1 物联网简介 图2 5 农业物联网结构理念图 物联网 在国外称之为i o t i n t e r n e to f t h i n g s 是科技时代的新型信息网络 如果把物联网比作一个生命体 现有的互联网和电信网络是物联网的骨架和神经 与事物紧密相连的传感器节点是物联网的神经末梢 而强大的信息处理及服务 例 如依托云计算技术圆 则是物联网的大脑 物联网的建设是指把无处不在的末端设备及设施 包括各种传感器 移动终 端设备 工业自动化系统 智能楼宇系统 智慧家居系统 视频监控系统等 与 外界的信息需求者通过各种无线或有线的方式 在空间上进行互联互通 为信息 需求者提供安全可靠的检测信息 控制信息及手段 实现对自然界任意物体和事 物的高效 节能 安全 环保的管理 欧盟曾有定义 说物联网是一个动态的全球网络基础设施 它具有基于标准 的可以互相操作的通信协议及自组织能力 在物联网中 物理空间和虚拟空间中 的 物体 都将具有特有的身份标识 物理属性以及虚拟的特性和智能化的互联 接口 能够与信息网络进行无缝整合 1 4 山东大学硕士学位论文 2 2 2 物联网在农业应用 物联网在农业中应用 实际上就是将传统的农业生产及管理进行信息化的 精准的指导及服务 彻底摆脱传统的依靠经验和感觉的生产管理方式 要做好物联网在农业中的应用 主要有以下3 方面的工作 一是 针对农业 应用的传感器节点的设计 能够对各种生长参数 如土壤温湿度 空气温湿度 光照强度 太阳辐射 微量元素含量 p h 值 大气压强 病菌发生动态 作物长 势等环境和作物信息资源 等进行准确测量 二是 友好的服务于用户终端的信 息平台 该平台能够结合专家研究数据对传感器采集到的数据进行合理有效的 综合的分析 为用户提供科学化的生产参考建议 三是 传感器节点到用户终端 的信息通路 没有信息的远程传输 就没有物联网的概念 在应用中 现有的互 联网络和电信网络构成了物联网的通信网络 2 3 软件远程升级 随着当前技术的快速发展 无线传感器网络的发展正在从实验室研究转向真 正的领域应用 应用需求改善 b u g 修复等切实问题要求传感器网络节点在第一次 布置完成之后需要进行软件的更新升级 从无线传感器网络发展初期开始 软件 升级技术研究的重要性已经得到广泛认可 在传感器网络研究中 远程升级技术的研究已经成为了一个重要方向 在软 件的远程升级中 系统动态修正 对不同节点的支持 系统版本更新是基本的功 能要求 随着研究及应用的深入 有了更加具体的要求 具体表现在以下几点 1 更新要涉及到网络中的任何节点 2 能够对一个节点中所有用户代码进行更新 3 能够检测程序传输过程中的错误 4 分布式的版本控制 引导装载 程序编译 5 能够自动监测程序版本的更新 6 能够把在线更新的标准管理方法提供给用户 7 能够对软件升级过程进行全面监控 对于w s n s 软件无线升级来说 安全性及可靠性也是关键技术 在安全性方 1 5 山东大学硕士学位论文 面 一个不安全的软件升级过程存在系统漏洞 容易被非法利用 2 9 1 因此保证更 新的隐私性 授权性及完整性措施必须足够完善 在可靠性方面 当一个节点下 载新程序的能够容忍网络传输中的错误 能够自动纠正硬件和软件方面的故障 易于使用和维护毫无疑问将成为决定无线传感器网络性能好坏的关键因素 远程的软件升级技术使得易于使用和维护成为了可能 2 4 本章小结 本章主要就研究的课题 基于w s n s 的农业物联网平台建设及远程升级技术 的研究 进行了研究内容方面的介绍和分析 有针对性的对所研究的内容 包含 w s n s 技术 物联网在农业中的应用 软件远程升级技术等 进行了理解性的描述 但是在本章中没有涉及到所做的具体的硬件及软件方面的内容 其重点内容将在 第三 四章进行详细论述 1 6 山东大学硕士学位论文 第三章农业物联网平台建设 物联网平台建设主要包含三个部分 分别是 前端采集网络 传输网络和信 息处理平台 其中传输网络主要是依靠现有的互联网和电信网络 技术上非常成 熟 在建设中直接采用现有方案 因而在论文中将不附加论述 在本文中 将只 针对前端采集网络设计和信息处理平台设计展开详细论述 并且信息处理平台只 做简单的分析应用 其中 前端信息采集网络的设计包含传感器节点设计 传感器及执行机构控 制设计 智能网关设计 传感器网络协议设计等内容 信息处理平台设计主要包 含数据库的设计和用户界面设计 3 1 平台架构 农业物联网平台的运作是这样实现的 我们以农业温室大棚为例进行论述 首先 传感器节点按照预先设计好的网络协议在设定空间内进行组网 然后 传 感器节点所携带的各种传感器 如温湿度 光照强度 c 0 2 土壤水分等传感器 进行物理信息的采集 并交由传感器节点进行简单处理 第三 传感器节点按照 预先设定的信息处理机制 对采集到的信息进行打包压缩 并通过网络协议 传 输至网络网关 第四 网关设备通过对接收到的数据 进行协议转换 然后在公 网上将数据发送到远端的服务器 最后 终端用户通过远程访问服务器 便可得 到所有信息 农业物联网流程如下图3 1 所示 1 7 山东大学硕士学位论文 3 2 前端采集网络设计 图3 1 农业物联网通信架构图 前端采集网络主要包含传感器节点 r f i d 读写器节点 传感器应用电路 智 能网关电路 网关协议 z i g a e e 协议等的设计工作 3 2 1 传感器节点设计 传感器节点的设计包括射频模块设计和相应的采集母板的设计 在本节中将 详细对这两部分进行论述 1 射频模块设计 在无线传感器网络中 无线通信协议采用z i g b e e 协议 目前 市面上能够满 足z i g b e e 协议的射频芯片主要有以下几种 如下表3 1 所示 山东大学硕士学位论文 表3 iz i g b e e 芯片比较 公司s o c r ft r a n s c e i e r t ic c 2 4 3 0c c 2 4 31c c 2 4 2 0c c 2 5 2 0 c c 2 5 3 0 f r e e s c a le x i c1 3 2 l xm c l 3 1 9 x m c l 3 2 0 x a t m e l a t m e g a1 2 8 r f al a t 8 6 r f 2 3 0a 1 8 6 r f 2 3l a t 8 6 r f 2 3 2 a t 8 6 r f 2 l2 m i c r o c h i p m r f 2 4 j 4 0 e m b e re m 2 5 0b i 2 6 0 e m 3 5 1e m 3 5 7 j e 心i c n x p n 5 1 4 8a 5 1 3 9 s ts t 1 3 2 职 1 0 8 对于r f 射频模块的设计 有两种方案可以采用 一是采用s o c 单芯片解决 方案 二是采用r f 收发器外加独立m c u 的设计方案 对于方案一 一旦方案完 成 系统的所有资源都已经确定 对于综合性的应用 灵活性方面不足 但是这 种方案占用空间小 可以大大节省模块的体积 便于微型化 对于第二种方案 我们可以根据应用需求 选择不同性能的m c u 灵活性高 但是因为模块上有两 个芯片 导致设计体积大 综合考虑应用需求 芯片的成本 市场占有率及开发工具的方便性 在我们 的射频模块设计中 采用n 公司的c c 2 4 3 0 f 1 2 8s o c 解决方案 实现系统的处理 功能和射频功能 主控芯片c c 2 4 3 0 f 1 2 8 具有以下性能及参数 1 集成增强型8 0 5 1 内核 可运行在3 2 m h z 2 集成符合i e e e 8 0 2 1 5 4 标准的c c 2 4 2 0 射频收发器 3 低功耗设计 t x 2 7 m a r x 2 7 m a 4 片上自带1 2 8 kf l a s h 和8 k 删 5 8 通道1 2 b i t a d c 5 通道d m a 控制器 6 路定时器 6 电池电量检测 7 a e s 安全协处理器 8 2 个u s a r t 串行通信接口 1 9 山东大学硕士学位论文 在射频模块的设计中 我们