基于物联网的智慧农业系统的设计

物联网综合应用实践课程设计物联网综合应用实践课程设计 题 目 基于物联网的智慧农业系统的设计 院 系 计算机与通信学院 专业年级 11 级物联网 1 班 姓 名 郭盛功 学 号 指导教师 马维俊 摘要 3 1 绪论 4 1 1 农业物联网技术 4 1 1 1 农业物联网产生背景 4 1 2 物联网技术在农业种植环境中的应用 5 1 2 1 物联网技术实现农业种植环境的智能化管理 5 1 2 2 物联网技术实现农产品质量安全有效监管 5 2 基本原理 6 2 1 硬件方面 6 2 1 1 芯片 SHT10 介绍 6 2 1 2 CC2530 介绍 7 2 2 软件方面 9 2 2 1 ZigBee 技术 9 2 2 2 ZigBee 特点 11 2 2 3 ZigBee 协议栈结构 12 2 2 4 无线传感器网络 15 3 农业物联网种植环境监控系统设计 17 3 1 农业物联网种植环境监控系统关键技术 17 3 2 农业物联网种植环境监控系统建构 17 3 3 农业种植监控系统构建 18 3 3 1 系统硬件构建 18 3 3 2 系统软件构建 18 3 3 3 编码 20 四 总结 22 五 参考文献 23 六 致谢信 24 基于物联网的智慧农业系统设计 摘要 智慧农业是农业生产的高级阶段 是集新兴的互联网 移动互联 云计算 和物联网技术为一体 依托部署在农业生产现场的各种传感节点 环境温湿度 土壤水分 二氧化碳 图像等 和无线通信网络实现农业生产环境的智能感知 智能预警 智能决策 智能分析 专家在线指导 为农业生产提供精准化种植 可视化管理 智能化决策 基于 Zigbee 技术的智慧农业解决方案 成本低廉 是一般人都能负担的价格 控制更简单 让每一位刚接触的人都能轻松使用 功耗更低 组网更方便 网 络更健壮 给您带来高科技的全新感受 您的温室大棚规模越大 基于 Zigbee 技术的智慧农业解决方案在使用中 要准确及时地操控所有设备 最值得关注 的应该就是网络信号的稳定性 鉴于温室大棚的网络覆盖区域比较广泛 我们 贴心为您呈现物联无线组网 智慧农业能有效连接物联 Internet 通信网关和超 出物联 Internet 通信网关有效控制区域的其它 Zigbee 网络设备 实现中继组 网 扩大覆盖区域 并传输网关的控制命令到相关网络设备 达到预期传输和 控制的效果 基于先进的 Zigbee 技术 物联无线中继器无需接入网线 就可自 行中继组网 扩散网络信号 让您的网络灵活顺畅运行 保障您的所有设备正 常运行 主要采集温湿度 从而控制农植物的水分和光照 关键词 关键词 ZigbeeZigbee CC2530CC2530 智慧农业 云计算 物联网 智慧农业 云计算 物联网 1 绪论 农业是关系着国计民生的基础产业 我国传统农业在向现代农业发展中面 临着确保农产品总量 调整农业产业结构 改善农产品品质和质量 改善生产 效益低下 资源严重不足且利用率低 环境污染等问题而不能适应农业持续发 展的需要 因此 关于农业物联网技术的研究势在必行 物联网是以感知为目 的的 实现人与人 人与物 物与物全面互联的网络 物联网可以很好地应用 到诸多领域 农业即是其中之一 文章在农业物联网的背景下 设计了农业中最为关键的种植环境智能化检 测系统 一方面对其中的关键技术种植检测硬件系统和软件系统进行设计 主 要包括农业物联网监管系列传感器 无线传感器网络通过模块采集温湿度光照 登信息 经由无线收发模块传输数据 通过后台管理实现对环境信息的远程控 制 随时进行调整和处理 实现对环境信息的远程控制 另一方面是设计了农 业物联网下种植环境监控平台 文章旨在设计出基于物联网技术的农业种植环 境监控系统 能够极大地推进高现代农业的自动化 智能化水平 降低资源占 有率 提高农产品的生产效率及产品的质量 1 11 1 农业物联网技术农业物联网技术 1 1 11 1 1 农业物联网产生背景农业物联网产生背景 农业信息技术是我国现代农业科技的重要内容 大力推进 信息化与农业 现代化融合 是我国现代农业发展方向 农业物联网 即利用物联网技术 即 通过相应的智能传感器设备实时监控农业种植环境 并将各个相应的数据通过 数据采集设备 经过无线网络系统传送到信息控制中心 进而对农业种植环境 进行调节 智能控制农作物健康生长所需环境如温度 湿度以及光照 土壤温 度 含水量 及时灌溉系统 实现农业种植综合生态信息的自动检测 对环境 进行自动监控 1 21 2 物联网技术在农业种植环境中的应用物联网技术在农业种植环境中的应用 1 2 11 2 1 物联网技术实现农业种植环境的智能化管理物联网技术实现农业种植环境的智能化管理 通过在农业种植系统中安装相应的只能控制系统 实现对整农作物种植环 境中各个参数的实时监控 及时掌握农作物生长环境的一些参数 并根据参数 变化适时调控来掌控农作物最佳的生长环境 将生物信息获取方法应用于无线 传感器节点 为温室精准调控提供科学依据 1 2 21 2 2 物联网技术实现农产品质量安全有效监管物联网技术实现农产品质量安全有效监管 农业物联网技术能够通过广泛采用电子标识 条形码 传感器网络 物联 网中间件和网络平台技术等关键技术 实现产品从生产 储运 交易信息的透 明化和实时监控 从而实现农产品从农田到餐桌的全程可管可控 农产品质量 安全有效地监管 2 基本原理 本实验将使用 CC2530 读取温湿度传感器 SHT10 的温度和湿度数据 并通 过 CC2530 内部的 ADC 得到光照传感器的数据 最后将采样到的数据转换然后在 LCD 上显示 其中对温湿度的读取是利用 CC2530 的 I O P1 0 和 P1 1 模拟一 个类 IIC 的过程 对光照的采集使用内部的 AIN0 通道 2 12 1 硬件方面硬件方面 2 1 12 1 1 芯片芯片 SHT10SHT10 介绍介绍 SHT10 是一款高度集成的温湿度传感器芯片 提供全标定的数字输出 它 采用专利的 CMOSens 技术 确保产品具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性 传感器包括一个电容性聚合体测湿敏感元件 一个用能隙材料制成的测温元件 并在同一芯片上 与 14 位的 A D 转换器以及串行接口电路实现无缝连接 SHT10 引脚特性如下 1 VDD GND SHT10 的供电电压为 2 4 5 5V 传感器上电后 要等待 11ms 以越过 休眠 状态 在此期间无需发送任何指令 电源引脚 VDD GND 之间可增加一个 100nF 的电容 用以去耦滤波 2 SCK 用于微处理器与 SHT10 之间的通讯同步 由于接口包含了完全静 态逻辑 因而不存在最小 SCK 频率 3 DATA 三态门用于数据的读取 DATA 在 SCK 时钟下降沿之后改变状态 并仅在 SCK 时钟上升沿有效 数据传输期间 在 SCK 时钟高电平时 DATA 必 须保持稳定 为避免信号冲突 微处理器应驱动 DATA 在低电平 需要一个外 部的上拉电阻 例如 10k 将信号提拉至高电平 上拉电阻通常已包含在微 处理器的 I O 电路中 向 SHT10 发送命令 用一组 启动传输 时序 来表示数据传输的初始化 它包括 当 SCK 时钟高电平时DATA 翻转为低电平 紧接着 SCK 变为低电平 随后是在 SCK 时 钟高电平时 DATA 翻转为高电平 后续命令包含三个地址位 目前只支持 000 和五个命令位 SHT10 会以下述方 式表示已正确地接收到指令 在 第 8 个 SCK 时钟的下降沿之后 将 DATA 拉为低电平 ACK位 在第 9 个 SCK 时钟的下降沿之后 释放 DATA 恢复高电平 测量时序 RH 和 T 发布一组测量命令 表示相对湿度 RH 表示温度 T 后 控制器 要等待测量结束 这个过程需要大约 11 55 210ms 分别对应 8 12 14bit 测 量 确切的时间随内部晶振速度 最多有 15 变化 SHTxx 通过下拉 DATA 至 低电平并进入空闲模式 表示测量的结束 控制器在再次触发 SCK 时钟前 必 须等待这个 数据备妥 信号来读出数据 检测数据可以先被存储 这样控制 器可以继续执行其它任务在需要时再读出数据 接着传输 2 个字节的测量数据 和 1 个字节的 CRC 奇偶校验 需要通过下拉 DATA 为低电平 uC 以确认每 个字节 所有的数据从 MSB 开始 右值有效 例如 对于 12bit 数据 从第 5 个 SCK 时钟起算作 MSB 而对于 8bit 数据 首字节则无意义 用 CRC 数据的确认位 表明通讯结束 如果不使用 CRC 8 校验 控制器可以在测量值 LSB 后 通过保持确认位 ack 高电平 来中止通讯 在测量和通讯结束后 SHTxx 自动转入休眠模式 通讯复位时序 如果与 SHTxx 通讯中断 下列信号时序可以复位串口 当 DATA 保持高电 平时 触发SCK 时钟 9 次或更多 在下一次指令前 发送一个 传输启动 时 序 这些时序只复位串口 状态寄存器内容仍然保留 2 1 22 1 2 CC2530CC2530 介绍介绍 CC2530 是基于 2 4 GHz IEEE802 15 4 ZigBee 和 RF4CE 上的一个片上系 统解决方案 其特点是以极低的总材料成本建立较为强大的网络节点 CC2530 芯片结合了 RF 收发器 增强型 8051 CPU 系统内可编程闪存 8 KB RAM 和许 多其他模块的强大的功能 如今 CC2530 主要有四种不同的闪存版本 CC2530F32 64 128 256 分别具有 32 64 128 256KB 的闪存 其具有多种运行 模式 使得它能满足超低功耗系统的要求 同时 CC2530 运行模式之间的转换时 间很短 使其进一步降低能源消耗 CC2530 包括了 1 个高性能的 2 4 GHz DSSS 直接序列扩频 射频收发器核 心和 1 个 8051 控制器 它具有 32 64 128 kB 可选择的编程闪存和 8 kB 的 RAM 还包括 ADC 定时器 睡眠模式定时器 上电复位电路 掉电检测电路和 21 个可编程 I O 引脚 这样很容易实现通信模块的小型化 CC2530 是一款功耗 相当低的单片机 功耗模式 3 下电流消耗仅 0 2 A 在 32 k 晶体时钟下运行 电流消耗小于 1 A CC2530 芯片使用直接正交上变频发送数据 基带信号的同相分量和正交分 量由 DAC 转换成模拟信号 经过低通滤波 变频到所设定的信道上 当需要发 送数据时 先将要发送的数据写入 128B 的发送缓存中 包头是通过硬件产生的 最后经过低通滤波器和上变频的混频后 将射频信号被调制到 2 4GHz 后经天 线发送出去 CC2530 有两个端口分别为 TX RX RF 端口不需要外部的收发开关 芯片内部已集成了收发开关 CC2530 的存储器 ST M25PE16 是 4 线的 SPI 通信模式的 FLASH 可以整块擦 除 最大可以存储 2M 个字节 工作电压为 2 7v 到 3 6v CC2530 温度传感器模块反向 F 型天线采用 TI 公司公布的 2 4GHz 倒 F 型天 线设计 天线的最大增益为 3 3dB 天线面积为 25 7 7 5mm 该天线完全能 够满足 CC2530 工作频段的要求 CC2530 工作频段为 2 400GHz 2 480GHz 图图 1 CC2530 芯片引脚芯片引脚 CC2530 芯片引脚功能 AVDD1 28 电源 模拟 2 V 3 6 V 模拟电源连接 AVDD2 27 电源 模拟 2 V 3 6 V 模拟电源连接 AVDD3 24 电源 模拟 2 V 3 6 V 模拟电源连接 AVDD4 29 电源 模拟 2 V 3 6 V 模拟电源连接 AVDD5 21 电源 模拟 2 V 3 6 V 模拟电源连接 AVDD6 31 电源 模拟 2 V 3 6 V 模拟电源连接 DCOUPL 40 电源 数字 1 8V 数字电源去耦 不使用外部电路供应 DVDD1 39 电源 数字 2 V 3 6 V 数字电源连接 DVDD2 10 电源 数字 2 V 3 6 V 数字电源连接 GND 接地 接地衬垫必须连接到一个坚固的接地面 GND 1 2 3 4 未使用的连接到 GND P0 0 19 数字 I O 端口 0 0 P0 1 18 数字 I O 端口 0 1 P0 2 17 数字 I O 端口 0 2 P0 3 16 数字 I O 端口 0 3 P0 4 15 数字 I O 端口 0 4 P0 5 14 数字 I O 端口 0 5 P0 6 13 数字 I O 端口 0 6 P0 7 12 数字 I O 端口 0 7 P1 0 11 数字 I O 端口 1 0 20 mA 驱动能力 P1 1 9 数字 I O 端口 1 1 20 mA 驱动能力 P1 2 8 数字 I O 端口 1 2 P1 3 7 数字 I O 端口 1 3 P1 4 6 数字 I O 端口 1 4 P1 5 5 数字 I O 端口 1 5 P1 6 38 数字 I O 端口 1 6 P1 7 37 数字 I O 端口 1 7 P2 0 36 数字 I O 端口 2 0 P2 1 35 数字 I O 端口 2 1 P2 2 34 数字 I O 端口 2 2 P2 3 33 数字 I O 模拟端口 2 3 32 768 kHz XOSC P2 4 32 数字 I O 模拟端口 2 4 32 768 kHz XOSC RBIAS 30 模拟 I O 参考电流的外部精密偏置电阻 RESET N 20 数字输入 复位 活动到低电平 RF N 26 RF I O RX 期间负 RF 输入信号到 LNA RF P 25 RF I O RX 期间正 RF 输入信号到 LNA XOSC Q1 22 模拟 I O 32 MHz 晶振引脚 1 或外部时钟输入 XOSC Q2 23 模拟 I O 32 MHz 晶振引脚 2 2 22 2 软件方面软件方面 2 2 12 2 1 ZigBeeZigBee 技术技术 蜜蜂在发现花丛后会通过一种特殊的肢体语言来告知同伴新发现的食物源 位置等信息 这种肢体语言就是 ZigZag 行舞蹈 是蜜蜂之间一种简单传达信息 的方式 借此意义 Zigbee 作为新一代无线通讯技术的命名 在此之前 ZigBee 也被称为 HomeRF Lite RF EasyLink 或 fireFly 无线电技术 统称 为 ZigBee 简单的说 ZigBee 是一种高可靠的无线数传网络 类似于 CDMA 和 GSM 网 络 ZigBee 数传模块类似于移动网络基站 通讯距离从标准的 75m 到几百米 几公里 并且支持无限扩展 ZigBee 是一个由可多到 65000 个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台 在整个网络范围内 每一个 ZigBee 网络数传模块之间可以相互通信 每个网络 节点间的距离可以从标准的 75m 无限扩展 与移动通信的 CDMA 网或 GSM 网不同的是 ZigBee 网络主要是为工业现场 自动化控制数据传输而建立 因而 它必须具有简单 使用方便 工作可靠 价格低的特点 而移动通信网主要是为语音通信而建立 每个基站价值一般都 在百万元人民币以上 而每个 ZigBee 基站 却不到 1000 元人民币 每个 ZigBee 网络节点不仅本身可以作为监控对象 例如其所连接的传感器直接进行 数据采集和监控 还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料 除此之外 每一个 ZigBee 网络节点 FFD 还可在自己信号覆盖的范围内 和多个不承担网 络信息中转任务的孤立的子节点 RFD 无线连接 ZigBee 技术是一种具有统一技术标准的短距离无线通信技术 其物理层和 数据链路层协议为 IEEE 802 15 4 协议标准 网络层和安全层由 ZigBee 联盟制 定 应用层的开发应用根据用户的应用需要 对其进行开发利用 因此该技术 能够为用户提供机动 灵活的组网方式 根据 IEEE 802 15 4 协议标准 ZigBee 的工作频段分为 3 个频段 这 3 个 工作频段相距较大 而且在各频段上的信道数据不同 因而 在该项技术标准 中 各频段上的调制方式和传输速率不同 它们分别为 868MHz 915MHz 和 2 4GHz 其中 2 4GHz 频段上分为 16 个信道 该频段为全球通用的工业 科学 医学 indus trial scientific and medical ISM 频段 该频段为免付费 免申请的无线电频段 在该频段上 数据传输速率为 250Kb s 另外两个频段 为 915 868MHz 其相应的信道个数分别为 10 个和 1 个 传输速率分别为 40Kb s 和 ZOKb s 868MHz 和 915MHz 无线电使用直接序列扩频技术和二进制 相移键控 BPSK 调制技术 2 4GHz 无线电使用 DSSS 和偏移正交相移键控 O QPSK 在组网性能上 ZigBee 可以构造为星形网络或者点对点对等网络 在每一 个 ZigBee 组成的无线网络中 连接地址码分为 16b 短地址或者 64b 长地址 可 容纳的最大设各个数分别为 216 和 264 个 具有较大的网络容量 在无线通信技术上 采用 CSMA CA 方式 有效地避免了无线电载波之间的 冲突 此外 为保证传输数据的可靠性 建立了完整的应答通信协议 ZigBee 设备为低功耗设各 其发射输出为 0 3 6dBm 通信距离为 30 70m 具有能量检测和链路质量指示能力 根据这些检测结果 设各可以自 动调整设各的发射功率 在保证通信链路质量的条件下 最小地消耗设各能量 为保证 ZigBee 设备之间通信数据的安全保密性 ZigBee 技术采用了密钥长度为 128 位的加密算法 对所传输的数据信息进行加密处理 2 2 22 2 2 ZigBeeZigBee 特点特点 ZigBee 技术则致力于提供一种廉价的固定 便携或者移动设各使用的极低 复杂度 成本和功耗的低速率无线通信技术 这种无线通信技术具有如下特点 1 1 数据传输速率低 数据传输速率低 只有 10 250Kb s 专注于低传输速率应用 无线传感器网络不传输语音 视频之类的大数据量的采集数据 仅仅传输一些采集到的温度 湿度之类的简 单数据 2 2 功耗低 功耗低 工作模式情况下 ZigBee 技术传输速率低 传输数据量很小 因此信号的 收发时间很短 其次在非工作模式时 ZigBee 节点处于休眠模式 耗电量仅仅 只有 1 W 设各搜索时延一般为 30ms 休眠激活时延为 15ms 活动设备信道 接人时延为 15ms 由于工作时间较短 收发信息功耗较低且采用了休眠模式 使得 ZigBee 设各非常省电 ZigBee 节点的电池工作时间可以长达 6 个月到 2 年左右 同时 由于电池时间取决于很多因素 例如电池种类 容量和应用场 合 ZigBee 技术在协议上对电池使用也作了优化 对于典型应用 碱性电池可 以使用数年 对于某些工作时间和总时间 工作时间 休眠时间 之比小于 t 的情况 电池的寿命甚至可以超过 1 年 3 3 数据传输可靠 数据传输可靠 ZigBee 的介质链路层 以 MAC 层 采用 CSMA CA 碰撞避免机制 在这种 完全确认的数据传输机制下 当有数据传送需求时则立刻传送 发送的每个数 据包都必须等待接收方的确认信息 并进行确认信息回复 若没有得到确认信 息的回复就表示发生了碰撞 将再传一次 采用这种方法可以提高系统信息传 输的可靠性 同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙 避免了发送数 据时的竟争和冲突 同时 ZigBee 针对时延敏感的应用做了优化 通信时延和休 眠状态激活的时延都非常短 4 4 网络容量大 网络容量大 ZigBee 的低速率 低功耗和短距离传输的特点使它非常适宜支持简单器 件 ZigBee 定义了两种器件 全功能器件 FFD 和简化功能器件 RFD 网 络协调器 coordinator 是一种全功能器件 而网络节点通常为简化功能器件 如果通过网络协调器组建无线传感器网络 整个网络最多可以支持超过 65 000 个 ZigBee 网络节点 再加上各个网络协调器可互相连接 整个 ZigBee 网络节 点的数目将十分可观 5 5 自动动态组网 自主路由 自动动态组网 自主路由 无线传感器网络是动态变化的 无论是节点的能量耗尽 或者节点被敌人 俘获 都能使节点退出网络 而且网络的使用者也希望能在需要的时候向已有 的网络中加人新的传感器节点 6 6 兼容性 兼容性 ZigBee 技术与现有的控制网络标准无缝集成 通过网络协调器自动建立网 络 采用 CSMA CA 方式进行信道接入 为了可靠传递 还提供全握手协议 7 7 安全性 安全性 ZigBee 提供了数据完整性检查和鉴权功能 在数据传输中提供了三级安 全性 第一级实际是无安全方式 对于某种应用 如果安全并不重要或者上层 已经提供足够的安全保护 器件就可以选择这种方式来转移数据 对于第二级 安全级别 器件可以使用接人控制清单 ACL 来防止非法器仵获取数据 在这一级不采取加密措施 第三级安全级别在数据转移中采用属于高级加 密标准 AES 的对称密码 AES 可以用来保护数据净荷和防止攻击者冒充合法 器件 8 8 实现成本低 实现成本低 模块的初始成本估计在 6 美元左右 很快就能降到 1 5 2 5 美元 且 ZigBee 协议免专利费用 无线传感器网络中可以具有成千上万的节点 如果不 能严格地控制节点的成本 那么网络的规模必将受到严重的制约 从而将严重 地制约无线传感器网络的强大功能 2 2 32 2 3 ZigBeeZigBee 协议栈结构协议栈结构 ZigBee 技术的协议栈结构很简单 不像诸如蓝牙和其他网络结构 这些网 络结构通常分为 7 层 而 ZigBee 技术仅分为 4 层 在 ZigBee 技术中 PHY 层和 MAC 层采用 IEEE 802 15 4 协议标准 其中 PHY 层提供了两种类型的服务 即通过物理层管理实体接口对 PHY 层数据和 PHY 层管理提供服务 PHY 层数据服务可以通过无线物理信道发送和接收物理层协 议数据单元来实现 PHY 层的特征是启动和关闭无线收发器 能量监测 链路质量 信道选择 清除信道评估 以及通过物理介质对数据包进行发送和接收 同样 MAC 层也 提供了两种类型的服务 通过 MAC 层管理实体服务接人点向 MAC 层数据和 MAC 层管理提供服务 MAC 层数据服务可以通过 PHY 层数据服务发送和接收 MAC 层 协议数据单元 MAC 层的具体特征是 信标管理 信道接入 时隙管理 发送确认帧 发 送连接及断开连接请求 除此以外 MAC 层为应用合适的安全机制提供一些方 法 ZigBee 技术的网络 安全层主要用于 ZigBee 的 WPAN 的组网连接 数据管 理以及网络安全等 应用层主要为 ZigBee 技术的实际应用提供一些应用框架模 型等 以便对 ZigBee 技术进行开发应用 图图 2 ZigBee 协议栈结构图协议栈结构图 1 物理层 物理层由半双工的无线收发器及其接口组成 主要作用是激活和关闭射频 收发器 检测信道的能量 显示收到数据包的链路质量 空闲信道评估 选择 信道频率 数据的接受和发送 2 媒体访问控制层 媒体访问控制 MAC 层建立了一条节点和与其相邻的节点之间可靠的数据 传输链路 共享传输媒体 提高通信效率 在协调器的 MAC 层 可以产生网络 信标 同步网络信标 支持 ZigBee 设备的关联和取消关联 支持设备加密 在 信道访问方面 采用 CSMA CA 信道退避算法 减少了碰撞概率 确保时隙分配 GTS 支持信标使能和非信标使能两种数据传输模式 为两个对等的 MAC 实 体提供可靠连接 3 网络层 网络层负责拓扑结构的建立和维护网络连接 主要功能包括设备连接和 断开网络时所采用的机制 以及在帧信息传输过程中所采用的安全性机制 此 外 还包括设备的路由发现和路由维护和转交 并且 网络层完成对一跳 one hop 邻居设备的发现和相关结点信息的存储 一个 ZigBee 协调器创建一 个新网络 为新加入的设备分配短地址等 并且 网络层还提供一些必要的函 数 确保 ZigBee 的 MAC 层正常工作 并且为应用层提供合适的服务接口 网络层要求能够很好地完成在 IEEE 802 15 4 标准中 MAC 子层所定义的 功能 同时 又要为应用层提供适当的服务接口 为了与应用层进行更好的通 信 网络层中定义了两种服务实体来实现必要的功能 这两个服务实体是数据 服务实体 NLDE 和管理服务实体 NLME 网络层的 NLDE 通过数据服务实体服务 访问点 NLDE SAP 来提供数据传输服务 NLME 通过管理服务实体服务访问点 NLME SAP 来提供管理服务 NLME 可以利用 NLDE 来激活它的管理工作 它还 具有对网络层信息数据库 NIB 进行维护的功能 在这个图中直观地给出了网 络层所提供的实体和服务接口等 NLDE 提供的数据服务允许在处于同一应用网络中的两个或多个设备之间传 输应用协议数据单元 APDU NLDE 提供的服务有 产生网络协议数据单元 NPDU 和选择通信路由 选择通信路由 在通信中 NLDE 要发送一个 NPDU 到 一个合适的设备 这个设备可能是通信的终点也可能只是通信链路中的一个点 NLME 需提供一个管理服务以允许一个应用来与协议栈操作进行交互 NLME 需 要提供以下服务 配置一个新的设备 configuring a new device 具有充 分配置所需操作栈的能力 配置选项包括 ZigBee 协调器的开始操作 加入一 个现有的网络等 4 应用层 应用层包括三部分 应用支持子层 APS ZigBee 设备对象 ZDO 和应 用框架 AF 应用支持子层的任务是提取网络层的信息并将信息发送到运行在 节点上的不同应用端点 应用支持子层维护了一个绑定表 可以定义 增加或 移除组信息 完成 64 位长地址 IEEE 地址 与 16 位短地址 网络地址 一对 一映射 实现传输数据的分割与重组 应用支持子层连接网络层和应用层 是 它们之间的接口 这个接口由两个服务实体提供 APS 数据实体 APSDE 和 APS 管理实体 APSME APS 数据实体为网络中的节点提供数据传输服务 它会 拆分和重组大于最大荷载量的数据包 APS 管理实体提供安全服务 节点绑定 建立和移除组地址 负责 64 位 IEEE 地址与 16 位网络地址的地址映射 4 ZigBee 设备对象负责设备的所有管理工作 包括设定该设备在网络中的角 色 协调器 路由器或终端设备 发现网络中的设备 确定这些设备能提供的 功能 发起或响应绑定请求 完成设备之间建立安全的关联等 用户在开发 ZigBee 产品时 需要在 ZigBee 协议栈的 AF 上附加应用端点 调用 ZDO 功能以 发现网络上的其他设备和服务 管理绑定 安全和其他网络设置 ZDO 是一个 特殊的应用对象 它驻留在每一个 ZigBee 节点上 其端点编号固定为 0 AF 应用框架是应用层与 APS 层的接口 它负责发送和接收数据 并为接收 到的数据寻找相应的目的端点 2 2 42 2 4 无线传感器网络无线传感器网络 WSN 是 wireless sensor network 的简称 即无线传感器网络 无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成 通过无线通信方式形成的一个多跳的自组织的网络系统 其目的是协作地感知 采集和处理网络覆盖区域中被感知对象的信息 并发送给观察者 传感器 感 知对象和观察者构成了无线传感器网络的三个要素 微机电系统 Micro Electro Mechanism System MEMS 片上系统 SOC System on Chip 无线通信和低功耗嵌入式技术的飞速发展 孕育出 无线传感器网络 Wireless Sensor Networks WSN 并以其低功耗 低成本 分布式和自组织的特点带来了信息感知的一场变革 无线传感器网络就是由部 署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成 通过无线通信方式形成的一 个多跳自组织网络 很多人都认为 这项技术的重要性可与因特网相媲美 正如因特网使得计 算机能够访问各种数字信息而可以不管其保存在什么地方 传感器网络将能扩 展人们与现实世界进行远程交互的能力 它甚至被人称为一种全新类型的计算 机系统 这就是因为它区别于过去硬件的可到处散布的特点以及集体分析能力 然而从很多方面来说 现在的无线传感器网络就如同远在 1970 年的因特网 那 时因特网仅仅连接了不到 200 所大学和军事实验室 并且研究者还在试验各种 通讯协议和寻址方案 而现在 大多数传感器网络只连接了不到 100 个节点 更多的节点以及通讯线路会使其变得十分复杂难缠而无法正常工作 另外一个 原因是单个传感器节点的价格目前还并不低廉 而且电池寿命在最好的情况下 也只能维持几个月 不过这些问题并不是不可逾越的 一些无线传感器网络的 产品已经上市 并且具备引人入胜的功能的新产品也会在几年之内出现 无线传感器网络所具有的众多类型的传感器 可探测包括地震 电磁 温 度 湿度 噪声 光强度 压力 土壤成分 移动物体的大小 速度和方向等 周边环境中多种多样的现象 基于 MEMS 的微传感技术和无线联网技术为无线传 感器网络赋予了广阔的应用前景 这些潜在的应用领域可以归纳为 军事 航空 反恐 防爆 救灾 环境 医疗 保健 家居 工业 商业等领域 3 农业物联网种植环境监控系统设计 3 13 1 农业物联网种植环境监控系统关键技术农业物联网种植环境监控系统关键技术 物联网技术应用在农业种植环境监控系统控制中 关键技术为一下两部分 意识感知层的进行无线数据感知与采集 而是通过网络传输层远程智能化控制 对采集到的数据通过计算机分析 控制农作物生长所需的空气 温度 水分等 进而实现精准农业 3 23 2 农业物联网种植环境监控系统建构农业物联网种植环境监控系统建构 基于物联网技术的农业种植环境监控系统如 图图 3 3 基于物联网技术的农业种植环境监控系统框图基于物联网技术的农业种植环境监控系统框图 基于物联网技术的农业种植监控系统核心包括以下几部分 感知层 数据感知与采集 实现种植环境中的土壤湿度 空气温度湿度 光照及自动灌溉系统的实时感知的试纸传送到 ZigBee 协调器节点上 应用层 该系统负责对采集的数据进行存储 信息处理和控制指令的下达 为用户提供分析 决策依据 用户可随时随地提供电脑灯终端进行查询 3 33 3 农业种植监控系统构建农业种植监控系统构建 3 3 13 3 1 系统硬件构建系统硬件构建 1 无线节点模块 ZigBee 是基于 IEEE802 11 4 协议的一簇展集 主要针 对于低成本 低功耗的射频应用一部分是网关协调器及传感节点 2 传感及控制模块 温度传感器 湿度传感器 光照强度传感器 3 电源板 提供无线节点模块和传感控制模块连接 同时为系统供电 农业种植环境监控系统硬件构建如图 2 所示 图图 4 4 农业种植环境监控系统硬件构建农业种植环境监控系统硬件构建 在以上设计的硬件系统中 以 MCU 为控制中心 电池模块对系统供电和连 接 传感及控制模块对种植环境进行实施检测采集数据 通过 ZigBee 无线网络 进行数据和信息并比对标准生长环境参数 各个硬件模块经由无线收发模块传 输数据 实现对环境信息的远程控制 3 3 23 3 2 系统软件构建系统软件构建 系统的软件设计工作主要有 传感器节点程序设计如 3 所示 ZigBee 协议栈程 序设计如图 4 所示 图图 5 5 传感器节点程序设计传感器节点程序设计 图图 6 6 网络协调器软件流程图网络协调器软件流程图 3 33 3 3 3 编码编码 void main int wendu int shidu char s 16 UINT8 adc0 value 2 float shuzi 0 SET MAIN CLOCK SOURCE CRYSTAL 设置系统时钟源为 32MHz 晶 体振荡器 GUI Init GUI 初始化 GUI SetColor 1 0 显示色为亮点 背景色为 暗点 GUI PutString5 7 25 6 OURS CC2530 显示 OURS CC2530 GUI PutString5 7 10 22 Temp GUI PutString5 7 10 35 Humi GUI PutString5 7 10 48 Light LCM Refresh while 1 th read 从采集模块读取温度和湿度的 数据 sprintf s ch