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物联网综合应用实践课程设计382020年4月19日文档仅供参考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31 绪论41.1 农业物联网技术41.1.1 农业物联网产生背景41.2 物联网技术在农业种植环境中的应用51.2.1 物联网技术实现农业种植环境的智能化管理51.2.2 物联网技术实现农产品质量安全有效监管52 基本原理62.1硬件方面62.1.1芯片SHT10介绍62.1.2 CC2530介绍72.2 软件方面92.2.1 ZigBee技术92.2.2 ZigBee特点112.2.3 ZigBee协议栈结构122.2.4 无线传感器网络153 农业物联网种植环境监控系统设计173.1 农业物联网种植环境监控系统关键技术173.2 农业物联网种植环境监控系统建构173.3农业种植监控系统构建183.3.1 系统硬件构建183.3.2 系统软件构建183.33 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:Zigbee,CC2530,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,中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、改进农产品品质和质量,改进生产效益低下、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。物联网能够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,无线传感器网络经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,经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。1.1 农业物联网技术1.1.1 农业物联网产生背景 农业信息技术是中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”是中国现代农业发展方向。”农业物联网”即利用物联网技术,即经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经过数据采集设备,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。1.2 物联网技术在农业种植环境中的应用1.2.1 物联网技术实现农业种植环境的智能化管理 经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。1.2.2 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经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, 并经过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。 2.1硬件方面2.1.1芯片SHT10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 2.45.5V。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。上拉电阻一般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(当前只支持”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(00000101表示相对湿度 RH,00000011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 经过下拉 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。检测数据能够先被存储,这样控制器能够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。 需要经过下拉 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,控制器能够在测量值 LSB 后,经过保持确认位 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,下列信号时序能够复位串口: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,状态寄存器内容依然保留。2.1.2 CC2530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 和许多其它模块的强大的功能。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0.2A,在32 k晶体时钟下运行,电流消耗小于1A。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,包头是经过硬件产生的。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,能够整块擦除,最大能够存储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25.77.5mm。该天线完全能够满足CC2530工作频段的要求(CC2530工作频段为2.400GHz2.480GHz)。 图1.CC2530芯片引脚CC2530芯片引脚功能AVDD1 28 电源(模拟) 2-V3.6-V 模拟电源连接AVDD2 27 电源(模拟) 2-V3.6-V 模拟电源连接AVDD3 24 电源(模拟) 2-V3.6-V 模拟电源连接AVDD4 29 电源(模拟) 2-V3.6-V 模拟电源连接AVDD5 21 电源(模拟) 2-V3.6-V 模拟电源连接AVDD6 31 电源(模拟) 2-V3.6-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-V3.6-V 数字电源连接DVDD2 10 电源(数字) 2-V3.6-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GNDP0_0 19 数字I/O 端口0.0P0_1 18 数字I/O 端口0.1P0_2 17 数字I/O 端口0.2P0_3 16 数字I/O 端口0.3P0_4 15 数字I/O 端口0.4P0_5 14 数字I/O 端口0.5P0_6 13 数字I/O 端口0.6P0_7 12 数字I/O 端口0.7P1_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1.2P1_3 7 数字I/O 端口1.3P1_4 6 数字I/O 端口1.4P1_5 5 数字I/O 端口1.5P1_6 38 数字I/O 端口1.6P1_7 37 数字I/O 端口1.7P2_0 36 数字I/O 端口2.0P2_1 35 数字I/O 端口2.1P2_2 34 数字I/O 端口2.2P2_3 33 数字I/O 模拟端口2.3/32.768 kHz XOSCP2_4 32 数字I/O 模拟端口2.4/32.768 kHz XOSCRBIAS 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LNARF_P 25 RF I/O RX 期间正RF 输入信号到LNAXOSC_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22.2 软件方面2.2.1 ZigBee技术蜜蜂在发现花丛后会经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,而且支持无限扩展。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网络数传模块之间能够相互通信,每个网络节点间的距离能够从标准的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网络节点不但本身能够作为监控对象,例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控,还能够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 250Kbs;另外两个频段为915868MHz,其相应的信道个数分别为10个和1个,传输速率分别为40Kbs和ZOKbs,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(OQPSK)。在组网性能上,ZigBee能够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CSMACA方式,有效地避免了无线电载波之间的冲突,另外,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 03.6dBm,通信距离为3070m,具有能量检测和链路质量指示能力,根据这些检测结果,设各能够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。2.2.2 ZigBee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)数据传输速率低只有10250Kbs,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)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1W。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能够长达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,碱性电池能够使用数年,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,电池的寿命甚至能够超过1年。(3)数据传输可靠ZigBee的介质链路层(以MAC层)采用CSMACA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马上传送,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,采用这种方法能够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)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,而网络节点一般为简化功能器件。如果经过网络协调器组建无线传感器网络,整个网络最多能够支持超过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)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)兼容性ZigBee技术与现有的控制网络标准无缝集成。经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)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,器件就能够选择这种方式来转移数据。对于第二级安全级别,器件能够使用接人控制清单(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能够用来保护数据净荷和防止攻击者冒充合法器件。(8)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1.52.5美元,且ZigBee协议免专利费用。无线传感器网络中能够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。2.2.3 ZigBee协议栈结构ZigBee技术的协议栈结构很简单,不像诸如蓝牙和其它网络结构,这些网络结构一般分为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:即经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层数据服务能够经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,以及经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:经过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层数据服务能够经过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2 ZigBee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,能够产生网络信标,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。另外,还包括设备的路由发现和路由维护和转交。而且,网络层完成对一跳(onehop)邻居设备的发现和相关结点信息的存储。一个ZigBee协调器创立一个新网络,为新加入的设备分配短地址等。而且,网络层还提供一些必要的函数,确保ZigBee的MAC层正常工作,而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 802154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经过数据服务实体服务访问点(NLDESAP)来提供数据传输服务,NLME经过管理服务实体服务访问点(NLMESAP)来提供管理服务。NLME能够利用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,能够定义、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它设备和服务,管理绑定、安全和其它网络设置。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。2.2.4 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,经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,经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能够不论其保存在什么地方,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,而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当前还并不低廉,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,而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能够归纳为: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3.1 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,而是经过网络传输层远程智能化控制对采集到的数据经过计算机分析,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。3.2 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。3.3农业种植监控系统构建3.3.1 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4 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,经过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。3.3.2 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5 传感器节点程序设计图6 网络协调器软件流程图3.33 编码void main() int wendu; int shidu; char s16; UINT8 adc0_value2; 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-CC2530GUI_PutString5_7(10,22,Temp:);GUI_PutString5_7(10,35,Humi:);GUI_PutString5_7(10,48,Light:);LCM_Refresh();while(1) th_read(&tem,&hum); /从采集模块读取温度和湿度的数据 sprintf(s, (char*)%d%d C, (INT16)(int)tempera / 10),(INT16)(int)tempera % 10); /将采集的温度结果转换为字符串格式 GUI_PutString5_7(48,22,(char *)s); /显示采集的温湿度的结果 LCM_Refresh(); sprintf(s,(char*)%d%d %,(INT16)(int)humidity / 10),(INT16)(int)humidity % 10); /将采集的湿度结果转换为字符串的格式 GUI_PutString5_7(48,35,(char *)s); /显示采集结果 LCM_Refresh();四 总结本次为期两周的课程设计中,主要目的是设计一个基于物联网的农业种植环境温湿度数据采集系统。该系统是一个采用CC2530无线单片机进行温湿度的数据采集,而且结合Zigbee协议架构进行编程的设计,主要是基于CC2530的温湿度数据采集系统模块的设计,并在IAR集成环境开发环境中进行基于Zigbee架构的编程,节点模块的调试,最后,实现无线传感网络的构建。在基于Zigbee无线传感器节点模块上,能够实现数据的实时采集,处理以及传输等功能。本设计能够实现在谷仓内的温湿度检测,工厂厂房内不同区域的温湿度控制以及大面积的温室培养等功能。 本次课程设计的完成,让我结道,在以后的工作中,还能够继续从以下几个方面着手,进行研究和改进:1、减少节点的能量消耗。在无线传感网络中某个节点失效,不会导致整个网络瘫痪,减少节点的能量消耗是不可避免要面正确问题之一。2、减少路由发现过程中的开销。这其实也是减少节点的能量消耗的一种措施,尽量减少在路由发现过程中所损失的能量。3、路由选择。路由优化选择能够尽量避免不必要的路由请求的广播以及信息传输,做到这一点不但能够提高效率,也能够在减少能量消耗方面做出贡献。五 参考文献1 孙利民 . 清华大学出版社 . .2 张拓.无线多点温度采集系统的设计.武汉:武汉理工大学, .3 陈旭.基于zigbee的可移动温度采集系统.武汉:武汉科技大学, 3 雷纯 .自动化技术与应用. ,29(2)4347.5 王翠茹 . 仪表技术与传感器. .No.7.103105.6 景军锋.微型机与应用. .No.23.3335.7 .8 . 周立功单片机有限公司