基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)演示系統(tǒng)

1、*實(shí)踐教學(xué)*蘭州理工大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院2013年秋季學(xué)期物聯(lián)網(wǎng)綜合應(yīng)用實(shí)踐課程設(shè)計(jì)題 目：基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)演示系統(tǒng) 專業(yè)班級(jí)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 成 績： 0 摘 要 現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，智能科技的概念也應(yīng)運(yùn)而生，隨著人們對(duì)生活品質(zhì)的要求逐漸提高，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)配置已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足人們的需求，因此，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能農(nóng)業(yè)控制正慢慢地走進(jìn)人們的生活中來。這種新型的智能農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)是在已有的基礎(chǔ)上，把快捷，安全的農(nóng)業(yè)工作很好的融進(jìn)人性化的高科技管理模式，不僅可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備和設(shè)備之間的控制，還可以實(shí)現(xiàn)人為的遠(yuǎn)程控制，通訊功能，其最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)設(shè)備，安防設(shè)備以及通信設(shè)備通過無線網(wǎng)絡(luò)連接到智

2、能控制系統(tǒng)中，由控制系統(tǒng)對(duì)農(nóng)業(yè)設(shè)備和安防等設(shè)備進(jìn)行異地監(jiān)視和控制，為人們營造出更美好的生活環(huán)境。 本論文設(shè)計(jì)是基于物聯(lián)網(wǎng)和智能農(nóng)業(yè)相結(jié)合的背景下，實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中的光線，溫度,濕度等因素的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并通過通信模塊和管理系統(tǒng)作出相應(yīng)的控制，以提升環(huán)境的安全性、舒適性、便利性。在無線傳感網(wǎng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行全面深入的研究，采用CC2530和數(shù)字溫濕度傳感器的溫濕度采集系統(tǒng)，并且使用LCD1602點(diǎn)陣式液晶屏顯示菜單，有良好的人機(jī)對(duì)話界面。同時(shí)設(shè)計(jì)了聲光報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在參數(shù)超標(biāo)時(shí)及時(shí)的報(bào)警。關(guān)鍵字:CC2530，智能農(nóng)業(yè)，溫濕度采集，無線傳感網(wǎng)絡(luò)目錄摘 要1第一章 緒論21.1智能農(nóng)業(yè)概述31.2物

3、聯(lián)網(wǎng)智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)開發(fā)背景31.3物聯(lián)網(wǎng)智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)意義4第二章 系統(tǒng)開發(fā)工具52.1 ZigBee技術(shù)52.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)102.3 GPRS通信模塊112.4 CC2530介紹12第三章 需求分析143.1 實(shí)際業(yè)務(wù)工作流程153.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)153.3 設(shè)計(jì)特點(diǎn)163.4 設(shè)計(jì)原則17第四章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)174.1 傳感器節(jié)點(diǎn)WSN網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)計(jì)184.2 嵌入式服務(wù)器終端模塊設(shè)計(jì)194.3 程序流程圖224.4總體軟件結(jié)構(gòu)圖224.5 編碼24總 結(jié)26致 謝27參考文獻(xiàn)28 第一章 緒論1.1 智能農(nóng)業(yè)概述通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、控制技術(shù)的迅猛發(fā)展與提高，促使了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了生活現(xiàn)

4、代化，生產(chǎn)環(huán)境舒適化、安全化。這些高科技已經(jīng)影響到人們生活的方方面面，改變了人們生活習(xí)慣，提高了人們生活質(zhì)量，農(nóng)業(yè)智能化也正是在這種形勢下應(yīng)運(yùn)而生的。智能農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)的主要功能包括通信、設(shè)備自動(dòng)控制、安全防范三個(gè)方面。隨著新技術(shù)和自動(dòng)化的發(fā)展，傳感器的使用數(shù)量越來越大，功能也越來越強(qiáng)，各種傳感器都已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化這給智能農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供極大方便。1.2物聯(lián)網(wǎng)智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)開發(fā)背景2009年1月，IBM公司提出了“智慧地球”的理念；2009年8月，溫家寶在中科院無錫高新微納傳感網(wǎng)工程技術(shù)研發(fā)中心考察時(shí)，提出了“感知中國”。物聯(lián)網(wǎng)被預(yù)言為繼計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)與移動(dòng)通信網(wǎng)之后的世界信息產(chǎn)業(yè)第三次浪

5、潮，一時(shí)間很多人預(yù)見到了一場新的技術(shù)革命。農(nóng)業(yè)是當(dāng)今世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢，中國作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，對(duì)于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的需求更為迫切，怎樣合理經(jīng)濟(jì)地以少投入獲得多回報(bào)，這不僅是可持續(xù)發(fā)展的要求，更是社會(huì)進(jìn)步的體現(xiàn)。農(nóng)田的環(huán)境監(jiān)測是支撐精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)的關(guān)鍵，實(shí)時(shí)、方便、有效地采集農(nóng)業(yè)環(huán)境參數(shù)是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的重要基礎(chǔ)。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)多采用有線組網(wǎng)的方式或者直接采用人工實(shí)地檢測獲得環(huán)境數(shù)據(jù)，這兩者都具有局限性。有線組網(wǎng)方式缺乏靈潘陛，受地理環(huán)境的限制，線路資源損耗較大，難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)測；人工實(shí)地檢測更耗費(fèi)人力、物力，且獲取的數(shù)據(jù)量有限，此外受主觀因素限制，測量結(jié)果難免出現(xiàn)誤差。新興的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為農(nóng)田信息獲取

6、提供了一個(gè)嶄新的思路。本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，研究人員在總控制室就能對(duì)農(nóng)田進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，根據(jù)空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、土壤濕度和土壤pH值等農(nóng)情信息做出正確決策，滿足精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)自動(dòng)化、經(jīng)濟(jì)化、準(zhǔn)確化的要求。在互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)普及的今天，互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)聯(lián)系起了每一個(gè)人，隨著各種消費(fèi)電子的智能化，還有無線傳感器的迅速發(fā)展，人們想到了是否可以用網(wǎng)絡(luò)將每一個(gè)物體都聯(lián)系起來，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物體的智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理。這樣就形成了一種新的網(wǎng)絡(luò)，被稱為物聯(lián)網(wǎng)。物聯(lián)網(wǎng)的核心仍然是互聯(lián)網(wǎng)，通過各種有線和無線網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)融合，將物體的信息實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地傳遞出去。對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，大大加快了智能農(nóng)業(yè)的

7、發(fā)展。在國家大力推動(dòng)工業(yè)化與信息化兩化融合的大背景下，物聯(lián)網(wǎng)將是農(nóng)業(yè)行業(yè)乃至更多行業(yè)信息化過程中一個(gè)比較現(xiàn)實(shí)的突破口。物聯(lián)網(wǎng)是下一個(gè)超過萬億的行業(yè)。1.3物聯(lián)網(wǎng)智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)意義 智能農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)可以定義為一個(gè)過程或者一個(gè)系統(tǒng)。利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、綜合布線技術(shù)、將與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有關(guān)的各種子系統(tǒng)，有機(jī)地結(jié)合在一起，通過統(tǒng)籌管理，讓工作更加舒適、安全、有效。與普通農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相比，智能農(nóng)業(yè)可以提供方便快捷的生產(chǎn)環(huán)境其網(wǎng)絡(luò)化功能可以提供遙控溫濕度采集,防盜報(bào)警,電話遠(yuǎn)程控制,可編程定時(shí)控制及計(jì)算機(jī)控制等多種功能和手段。與普通農(nóng)業(yè)相比，智能農(nóng)業(yè)不僅提供舒適宜人且高品位的生活空間，實(shí)現(xiàn)更智能的農(nóng)業(yè)

8、安防系統(tǒng);物聯(lián)網(wǎng)中的無線傳感器應(yīng)用對(duì)智能防災(zāi)，燈光控制，以及聯(lián)網(wǎng)都提供了一種很好的解決辦法。而且使用GPRS通信模塊，可以將農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的突發(fā)事件信息告知戶主，并且進(jìn)行智能報(bào)警。這樣就極大降低了意外災(zāi)難的損失。使生活更加舒適、便利和安全。因智能農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)布線簡單、功能靈活，擴(kuò)展容易而被人們廣泛接受和應(yīng)用。 第二章 系統(tǒng)開發(fā)工具該部分主要介紹系統(tǒng)所采用的技術(shù)及開發(fā)工具，涉及,采用的架構(gòu)ZigBee技術(shù)的模塊、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）、GPRS通信模塊等。2.1 ZigBee技術(shù)ZigBee協(xié)議棧定義了四層，分別是物理層、媒體訪問控制層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。物理層和媒體訪問控制層由IEEE802.15

9、.4-2003定義，上層的網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層由Zigbee聯(lián)盟定義。應(yīng)用層分別包括ZDO（Zigbee設(shè)備對(duì)象），APS（應(yīng)用支持子層）和AF（應(yīng)用框架）組成。Zigbee協(xié)議棧每一層負(fù)責(zé)完成所規(guī)定的任務(wù)，并且向上層提供服務(wù)，各層之間的接口通過所定義的邏輯鏈路來提供服務(wù)。 ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖1 ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)圖所示。圖1 ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)圖1. 物理層物理層由半雙工的無線收發(fā)器及其接口組成，主要作用是激活和關(guān)閉射頻收發(fā)器；檢測信道的能量；顯示收到數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量；空閑信道評(píng)估；選擇信道頻率；數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送。2. 媒體訪問控制層媒體訪問控制（MAC）層建立了一條節(jié)點(diǎn)和與其相鄰

10、的節(jié)點(diǎn)之間可靠的數(shù)據(jù)傳輸鏈路，共享傳輸媒體，提高通信效率。在協(xié)調(diào)器的MAC層，可以產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)，同步網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)；支持ZigBee設(shè)備的關(guān)聯(lián)和取消關(guān)聯(lián)；支持設(shè)備加密；在信道訪問方面，采用CSMA/CA信道退避算法，減少了碰撞概率；確保時(shí)隙分配（GTS）；支持信標(biāo)使能和非信標(biāo)使能兩種數(shù)據(jù)傳輸模式，為兩個(gè)對(duì)等的MAC實(shí)體提供可靠連接。3. 網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)連接，主要功能包括設(shè)備連接和斷開網(wǎng)絡(luò)時(shí)所采用的機(jī)制，以及在幀信息傳輸過程中所采用的安全性機(jī)制。此外，還包括設(shè)備的路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)和轉(zhuǎn)交。并且，網(wǎng)絡(luò)層完成對(duì)一跳(onehop)鄰居設(shè)備的發(fā)現(xiàn)和相關(guān)結(jié)點(diǎn)信息的存儲(chǔ)。一個(gè)ZigBe

11、e協(xié)調(diào)器創(chuàng)建一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)，為新加入的設(shè)備分配短地址等。并且，網(wǎng)絡(luò)層還提供一些必要的函數(shù)，確保ZigBee的MAC層正常工作，并且為應(yīng)用層提供合適的服務(wù)接口。網(wǎng)絡(luò)層要求能夠很好地完成在IEEE 802154標(biāo)準(zhǔn)中MAC子層所定義的功能，同時(shí)，又要為應(yīng)用層提供適當(dāng)?shù)姆?wù)接口。為了與應(yīng)用層進(jìn)行更好的通信，網(wǎng)絡(luò)層中定義了兩種服務(wù)實(shí)體來實(shí)現(xiàn)必要的功能。這兩個(gè)服務(wù)實(shí)體是數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體(NLDE)和管理服務(wù)實(shí)體(NLME)。網(wǎng)絡(luò)層的NLDE通過數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體服務(wù)訪問點(diǎn)(NLDESAP)來提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，NLME通過管理服務(wù)實(shí)體服務(wù)訪問點(diǎn)(NLMESAP)來提供管理服務(wù)。NLME可以利用NLDE來激活它的管理工作

12、，它還具有對(duì)網(wǎng)絡(luò)層信息數(shù)據(jù)庫(NIB)進(jìn)行維護(hù)的功能。 在這個(gè)圖中直觀地給出了網(wǎng)絡(luò)層所提供的實(shí)體和服務(wù)接口等。 NLDE提供的數(shù)據(jù)服務(wù)允許在處于同一應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)或多個(gè)設(shè)備之間傳輸應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元(APDU)。NLDE提供的服務(wù)有：產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)單元(NPDU)和選擇通信路由。選擇通信路由，在通信中，NLDE要發(fā)送一個(gè)NPDU到一個(gè)合適的設(shè)備，這個(gè)設(shè)備可能是通信的終點(diǎn)也可能只是通信鏈路中的一個(gè)點(diǎn)。NLME需提供一個(gè)管理服務(wù)以允許一個(gè)應(yīng)用來與協(xié)議棧操作進(jìn)行交互。 NLME需要提供以下服務(wù)：配置一個(gè)新的設(shè)備(configuring a new device)。具有充分配置所需操作棧的能力。配置

13、選項(xiàng)包括：ZigBee協(xié)調(diào)器的開始操作，加入一個(gè)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)等。 4. 應(yīng)用層應(yīng)用層包括三部分：應(yīng)用支持子層（APS）、ZigBee設(shè)備對(duì)象（ZDO）和應(yīng)用框架（AF）。應(yīng)用支持子層的任務(wù)是提取網(wǎng)絡(luò)層的信息并將信息發(fā)送到運(yùn)行在節(jié)點(diǎn)上的不同應(yīng)用端點(diǎn)。應(yīng)用支持子層維護(hù)了一個(gè)綁定表，可以定義、增加或移除組信息；完成64位長地址（IEEE地址）與16位短地址（網(wǎng)絡(luò)地址）一對(duì)一映射；實(shí)現(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)的分割與重組；應(yīng)用支持子層連接網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，是它們之間的接口。這個(gè)接口由兩個(gè)服務(wù)實(shí)體提供：APS數(shù)據(jù)實(shí)體（APSDE）和APS管理實(shí)體（APSME）。APS數(shù)據(jù)實(shí)體為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，它會(huì)拆分和重組大

14、于最大荷載量的數(shù)據(jù)包。APS管理實(shí)體提供安全服務(wù)，節(jié)點(diǎn)綁定，建立和移除組地址，負(fù)責(zé)64位IEEE地址與16位網(wǎng)絡(luò)地址的地址映射4。ZigBee設(shè)備對(duì)象負(fù)責(zé)設(shè)備的所有管理工作，包括設(shè)定該設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色（協(xié)調(diào)器、路由器或終端設(shè)備），發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備，確定這些設(shè)備能提供的功能，發(fā)起或響應(yīng)綁定請(qǐng)求，完成設(shè)備之間建立安全的關(guān)聯(lián)等。用戶在開發(fā)ZigBee產(chǎn)品時(shí)，需要在ZigBee協(xié)議棧的AF上附加應(yīng)用端點(diǎn)，調(diào)用ZDO功能以發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上的其他設(shè)備和服務(wù)，管理綁定、安全和其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)置。ZDO是一個(gè)特殊的應(yīng)用對(duì)象，它駐留在每一個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)上，其端點(diǎn)編號(hào)固定為0。AF應(yīng)用框架是應(yīng)用層與APS層的接口。它負(fù)

15、責(zé)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，并為接收到的數(shù)據(jù)尋找相應(yīng)的目的端點(diǎn)。2.1.1 ZigBee技術(shù)特點(diǎn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)由大量的節(jié)點(diǎn)根據(jù)自組織網(wǎng)絡(luò)的方式構(gòu)成，一般節(jié)點(diǎn)通過各種方式大量部署在被感知對(duì)象內(nèi)部或者附近。這些節(jié)點(diǎn)通過無線自組織傳輸網(wǎng)絡(luò)，以協(xié)作的方式感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中的信息，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)任意地點(diǎn)的信息在任意時(shí)間的采集、處理和分析。圖2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 無中心。WSN 沒有嚴(yán)格的控制中心，所有節(jié)點(diǎn)地位平等，是一個(gè)對(duì)等式網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)加入或離開網(wǎng)絡(luò)，任何節(jié)點(diǎn)的故障不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，具有很強(qiáng)的抗毀性。1. 自組織。網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)和展開無需依賴于任何預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，節(jié)點(diǎn)通過分層協(xié)議和分

16、布式算法協(xié)調(diào)各自的行為,節(jié)點(diǎn)開機(jī)后就可以快速、 自動(dòng)地組成一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)。2. 動(dòng)態(tài)拓?fù)?。WSN 是一個(gè)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，節(jié)點(diǎn)可以隨處移動(dòng)；一個(gè)節(jié)點(diǎn)可能會(huì)因?yàn)殡姵啬芰亢谋M或其它故障，退出網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，也可能由于工作的需要而被添加到網(wǎng)絡(luò)中。ZigBee會(huì)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時(shí)發(fā)生變化，因此網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具有動(dòng)態(tài)拓?fù)浣M織功能。3. 節(jié)點(diǎn)數(shù)量眾多，分布密集。WSN節(jié)點(diǎn)數(shù)量大、分布范圍廣。這樣的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具備一定的軟、硬件健壯性和容錯(cuò)性。2.1.2 ZigBee技術(shù)的優(yōu)勢1. 低功耗。在低耗電待機(jī)模式下，2節(jié)5號(hào)干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6-24個(gè)月，甚至更長。這是ZigBee的突出優(yōu)勢。相比較，藍(lán)牙能工作數(shù)周、W

17、iFi可工作數(shù)小時(shí)。2. 低成本。通過大幅簡化協(xié)議（不到藍(lán)牙的1/10），降低了對(duì)通信控制器的要求，按預(yù)測分析，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節(jié)點(diǎn)需要32KB代碼，子功能節(jié)點(diǎn)少至4KB代碼，而且ZigBee免協(xié)議專利費(fèi)。3. 低速率。ZigBee工作在250kbps的通訊速率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。4. 近距離。傳輸范圍一般介于10100m之間，在增加RF發(fā)射功率后，亦可增加到1-3km。這指的是相鄰節(jié)點(diǎn)間的距離。如果通過路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。5. 短時(shí)延。ZigBee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進(jìn)一

18、步節(jié)省了電能。相比較，藍(lán)牙需要3-10s、WiFi需要3s。6. 高容量。ZigBee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)；同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成65000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng)。7. 高安全。ZigBee提供了三級(jí)安全模式，包括無安全設(shè)定、使用接入控制清單(ACL)防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES128)的對(duì)稱密碼，以靈活確定其安全屬性。8. 免執(zhí)照頻段。采用直接序列擴(kuò)頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療2.4GHz(全球) (ISM)頻段。2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network,

19、 簡稱WSN）就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳的自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其目的是協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中被感知對(duì)象的信息，并發(fā)送給觀察者。傳感器、感知對(duì)象和觀察者構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)要素。 隨著微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanism System,簡稱MEMS)、片上系統(tǒng)（SOC， System on Chip）、無線通信和低功耗嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展,孕育出無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks, WSN)，并以其低功耗、低成本、分布式和自組織的特點(diǎn)帶來了信息感知的一場變革。無線傳感器網(wǎng)

20、絡(luò)就是由部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)6。 很多人都認(rèn)為，這項(xiàng)技術(shù)的重要性可與因特網(wǎng)相媲美：正如因特網(wǎng)使得計(jì)算機(jī)能夠訪問各種數(shù)字信息而可以不管其保存在什么地方，傳感器網(wǎng)絡(luò)將能擴(kuò)展人們與現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行遠(yuǎn)程交互的能力。它甚至被人稱為一種全新類型的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，這就是因?yàn)樗鼌^(qū)別于過去硬件的可到處散布的特點(diǎn)以及集體分析能力。然而從很多方面來說，現(xiàn)在的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就如同遠(yuǎn)在 1970 年的因特網(wǎng)，那時(shí)因特網(wǎng)僅僅連接了不到 200所大學(xué)和軍事實(shí)驗(yàn)室，并且研究者還在試驗(yàn)各種通訊協(xié)議和尋址方案。而現(xiàn)在，大多數(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)只連接了不到 100個(gè)節(jié)點(diǎn)，更多的節(jié)點(diǎn)

21、以及通訊線路會(huì)使其變得十分復(fù)雜難纏而無法正常工作。另外一個(gè)原因是單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的價(jià)格目前還并不低廉，而且電池壽命在最好的情況下也只能維持幾個(gè)月。不過這些問題并不是不可逾越的，一些無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)品已經(jīng)上市，并且具備引人入勝的功能的新產(chǎn)品也會(huì)在幾年之內(nèi)出現(xiàn)。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所具有的眾多類型的傳感器，可探測包括地震、電磁、溫度、濕度、噪聲、光強(qiáng)度、壓力、土壤成分、移動(dòng)物體的大小、速度和方向等周邊環(huán)境中多種多樣的現(xiàn)象。基于MEMS的微傳感技術(shù)和無線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)賦予了廣闊的應(yīng)用前景。這些潛在的應(yīng)用領(lǐng)域可以歸納為:軍事、航空、反恐、防爆、救災(zāi)、環(huán)境、醫(yī)療、保健、家居、工業(yè)、商業(yè)等領(lǐng)域。2.

22、3 GPRS通信模塊GPRS是通用分組無線服務(wù)技術(shù)（General Packet Radio Service)的簡稱，它是GSM移動(dòng)電話用戶可用的一種移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS可以說是GSM的延續(xù)。GPRS和以往連續(xù)在頻道傳輸?shù)姆绞讲煌?，是以封包（Packet）式來傳輸，因此使用者所負(fù)擔(dān)的費(fèi)用是以其傳輸資料單位計(jì)算，并非使用其整個(gè)頻道，理論上較為便宜。GPRS的傳輸速率可提升至56甚至114Kbps。GPRS經(jīng)常被描述成“2.5G”，也就是說這項(xiàng)技術(shù)位于第二代（2G）和第三代（3G）移動(dòng)通訊技術(shù)之間。它通過利用GSM網(wǎng)絡(luò)中未使用的TDMA信道，提供中速的數(shù)據(jù)傳遞。GPRS突破了GSM網(wǎng)只能提供電路

23、交換的思維方式，只通過增加相應(yīng)的功能實(shí)體和對(duì)現(xiàn)有的基站系統(tǒng)進(jìn)行部分改造來實(shí)現(xiàn)分組交換，這種改造的投入相對(duì)來說并不大，但得到的用戶數(shù)據(jù)速率卻相當(dāng)可觀。而且，因?yàn)椴辉傩枰F(xiàn)行無線應(yīng)用所需要的中介轉(zhuǎn)換器，所以連接及傳輸都會(huì)更方便容易。如此，使用者既可聯(lián)機(jī)上網(wǎng)，參加視訊會(huì)議等互動(dòng)傳播，而且在同一個(gè)視訊網(wǎng)絡(luò)上（VRN）的使用者，甚至可以無需通過撥號(hào)上網(wǎng)，而持續(xù)與網(wǎng)絡(luò)連接。GPRS分組交換的通信方式在分組交換的通信方式中，數(shù)據(jù)被分成一定長度的包（分組），每個(gè)包的前面有一個(gè)分組頭（其中的地址標(biāo)志指明該分組發(fā)往何處）。數(shù)據(jù)傳送之前并不需要預(yù)先分配信道，建立連接。而是在每一個(gè)數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)，根據(jù)數(shù)據(jù)報(bào)頭中的信息（

24、如目的地址），臨時(shí)尋找一個(gè)可用的信道資源將該數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送出去。在這種傳送方式中，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收方同信道之間沒有固定的占用關(guān)系，信道資源可以看作是由所有的用戶共享使用。GPRS由于數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在絕大多數(shù)情況下都表現(xiàn)出一種突發(fā)性的業(yè)務(wù)特點(diǎn)，對(duì)信道帶寬的需求變化較大，因此采用分組方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送將能夠更好地利用信道資源。例如一個(gè)進(jìn)行WWW瀏覽的用戶，大部分時(shí)間處于瀏覽狀態(tài)，而真正用于數(shù)據(jù)傳送的時(shí)間只占很小比例。這種情況下若采用固定占用信道的方式，將會(huì)造成較大的資源浪費(fèi)。在系統(tǒng)中，使用串口和GPRS模塊進(jìn)行通信，將我們的數(shù)據(jù)通過GPRS模塊發(fā)送到用戶手機(jī)上。2.4 CC2530介紹CC2530 是基于2.

25、4-GHz IEEE802.15.4、ZigBee 和RF4CE 上的一個(gè)片上系統(tǒng)解決方案。其特點(diǎn)是以極低的總材料成本建立較為強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530 芯片結(jié)合了RF 收發(fā)器，增強(qiáng)型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8-KB RAM 和許多其他模塊的強(qiáng)大的功能。如今CC2530 主要有四種不同的閃存版本：CC2530F32/64/128/256，分別具有32/64/128/256KB 的閃存。其具有多種運(yùn)行模式，使得它能滿足超低功耗系統(tǒng)的要求。同時(shí)CC2530運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間很短，使其進(jìn)一步降低能源消耗。 CC2530包括了1個(gè)高性能的2.4 GHz DSSS（直接序列擴(kuò)頻）射頻收

26、發(fā)器核心和1個(gè)8051控制器，它具有32/64/128 kB可選擇的編程閃存和8 kB的RAM，還包括ADC、定時(shí)器、睡眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路、掉電檢測電路和21個(gè)可編程I/O引腳，這樣很容易實(shí)現(xiàn)通信模塊的小型化。CC2530是一款功耗相當(dāng)?shù)偷膯纹瑱C(jī)，功耗模式3下電流消耗僅0.2A，在32 k晶體時(shí)鐘下運(yùn)行，電流消耗小于1A。CC2530芯片使用直接正交上變頻發(fā)送數(shù)據(jù)。基帶信號(hào)的同相分量和正交分量由DAC轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，經(jīng)過低通濾波，變頻到所設(shè)定的信道上。當(dāng)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入128B的發(fā)送緩存中，包頭是通過硬件產(chǎn)生的。最后經(jīng)過低通濾波器和上變頻的混頻后，將射頻信號(hào)被調(diào)制到

27、2.4GHz，后經(jīng)天線發(fā)送出去。CC2530有兩個(gè)端口分別為TX/RX，RF端口不需要外部的收發(fā)開關(guān)，芯片內(nèi)部已集成了收發(fā)開關(guān)。CC2530的存儲(chǔ)器ST-M25PE16是4線的SPI通信模式的FLASH，可以整塊擦除，最大可以存儲(chǔ)2M個(gè)字節(jié)。工作電壓為2.7v到3.6v。CC2530溫度傳感器模塊反向F型天線采用TI公司公布的2.4GHz倒F型天線設(shè)計(jì)。天線的最大增益為3.3dB，天線面積為25.7×7.5mm。該天線完全能夠滿足CC2530工作頻段的要求（CC2530工作頻段為2.400GHz2.480GHz）。 圖3 CC2530芯片引腳CC2530芯片引腳功能AVDD1 28

28、電源（模擬） 2-V3.6-V 模擬電源連接AVDD2 27 電源（模擬） 2-V3.6-V 模擬電源連接AVDD3 24 電源（模擬） 2-V3.6-V 模擬電源連接AVDD4 29 電源（模擬） 2-V3.6-V 模擬電源連接AVDD5 21 電源（模擬） 2-V3.6-V 模擬電源連接AVDD6 31 電源（模擬） 2-V3.6-V 模擬電源連接DCOUPL 40 電源（數(shù)字） 1.8V 數(shù)字電源去耦。不使用外部電路供應(yīng)。DVDD1 39 電源（數(shù)字） 2-V3.6-V 數(shù)字電源連接DVDD2 10 電源（數(shù)字） 2-V3.6-V 數(shù)字電源連接GND - 接地 接地襯墊必須連接到一個(gè)堅(jiān)固

29、的接地面。GND 1，2，3，4 未使用的連接到GNDP0_0 19 數(shù)字I/O 端口0.0P0_1 18 數(shù)字I/O 端口0.1P0_2 17 數(shù)字I/O 端口0.2P0_3 16 數(shù)字I/O 端口0.3P0_4 15 數(shù)字I/O 端口0.4P0_5 14 數(shù)字I/O 端口0.5P0_6 13 數(shù)字I/O 端口0.6P0_7 12 數(shù)字I/O 端口0.7P1_0 11 數(shù)字I/O 端口1.0-20-mA 驅(qū)動(dòng)能力P1_1 9 數(shù)字I/O 端口1.1-20-mA 驅(qū)動(dòng)能力P1_2 8 數(shù)字I/O 端口1.2P1_3 7 數(shù)字I/O 端口1.3P1_4 6 數(shù)字I/O 端口1.4P1_5 5 數(shù)

30、字I/O 端口1.5P1_6 38 數(shù)字I/O 端口1.6P1_7 37 數(shù)字I/O 端口1.7P2_0 36 數(shù)字I/O 端口2.0P2_1 35 數(shù)字I/O 端口2.1P2_2 34 數(shù)字I/O 端口2.2P2_3 33 數(shù)字I/O 模擬端口2.3/32.768 kHz XOSCP2_4 32 數(shù)字I/O 模擬端口2.4/32.768 kHz XOSCRBIAS 30 模擬I/O 參考電流的外部精密偏置電阻RESET_N 20 數(shù)字輸入 復(fù)位，活動(dòng)到低電平RF_N 26 RF I/O RX 期間負(fù)RF 輸入信號(hào)到LNARF_P 25 RF I/O RX 期間正RF 輸入信號(hào)到LNAXOSC

31、_Q1 22 模擬I/O 32-MHz 晶振引腳1或外部時(shí)鐘輸入XOSC_Q2 23 模擬I/O 32-MHz 晶振引腳2 第三章 需求分析隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)、家庭人口結(jié)構(gòu)以及信息技術(shù)的發(fā)展變化,人們對(duì)農(nóng)業(yè)環(huán)境的安全性、舒適性、效率性、透明性提出了更高的要求。同時(shí)越來越多的人們要求農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不僅要具備簡單的智能，更要求整個(gè)系統(tǒng)在功能擴(kuò)展、外延以及服務(wù)方面能夠做到簡單、方便、輕松、安全。很顯然我們的生活需要改變，智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)提供廣泛的信息交互功能，優(yōu)化生產(chǎn)環(huán)境，幫助人們有效地利用網(wǎng)絡(luò)的便捷性各種實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境的控制。3.1實(shí)際業(yè)務(wù)工作流程 整個(gè)系統(tǒng)主要由三部分組成：傳感器節(jié)點(diǎn)WSN網(wǎng)絡(luò)，嵌入式服務(wù)器終

32、端，GPRS通信模塊及其他裝置。其中傳感器節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)中包含了多個(gè)無線傳感器節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是由一個(gè)傳感器模塊加上一個(gè)ZigBee通信模塊組成的。傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測，檢測到的數(shù)據(jù)通過ZigBee通信模塊傳到節(jié)點(diǎn)控制，節(jié)點(diǎn)控制處理收集到的信息，做出相應(yīng)的操作處理。手機(jī)終端可以遠(yuǎn)程通過GPRS網(wǎng)絡(luò)，連接到嵌入式服務(wù)器終端中心控制臺(tái)，中心控制臺(tái)處理連接的信息，通過ZIgBee模塊發(fā)送處理信息到相應(yīng)的ZigBee模塊，節(jié)點(diǎn)控制臺(tái)收到指令作出相應(yīng)的處理。系統(tǒng)流程如圖3-1。圖4 整體框架圖3.2 設(shè)計(jì)目標(biāo)由于設(shè)計(jì)情況比較多種多樣性，信號(hào)的覆蓋采取整體設(shè)計(jì)，局部進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)施，由于每個(gè)房間的封閉性，可能會(huì)引起

33、信號(hào)的衰減，采取信號(hào)覆蓋區(qū)域連接，各個(gè)區(qū)域內(nèi)的信號(hào)能夠連通進(jìn)行信號(hào)的傳輸，系統(tǒng)使用的無線信號(hào)傳輸頻率是2.4GHz，在此頻率的無線傳感網(wǎng)絡(luò)為全球統(tǒng)一的，無需申請(qǐng)的ISM頻段，同時(shí)可以對(duì)無線信號(hào)進(jìn)行加密，保證了無線傳輸數(shù)據(jù)的安全性。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的需求進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，主要實(shí)現(xiàn)如下設(shè)計(jì)目標(biāo)：1. 當(dāng)用戶需要遠(yuǎn)程控制時(shí)，只要用手機(jī)發(fā)送指定命令的短信息，通過GPRS模塊的接收，并將短信息翻譯成為可以識(shí)別的命令傳輸給控制器，控制器經(jīng)過處理，通過ZigBee模塊的無線傳輸將命令發(fā)送到與空調(diào)相連接的控制器上，通過控制器實(shí)現(xiàn)了對(duì)其的控制。2當(dāng)我們需要遠(yuǎn)程控制空氣加濕器的開關(guān)時(shí)，只要用手機(jī)發(fā)送指定命令的短

34、信息，通過GPRS模塊的接收，并將短信息翻譯成為可以識(shí)別的命令傳輸給控制器，控制器經(jīng)過處理，通過ZigBee模塊的無線傳輸將命令發(fā)送到與空氣加濕器相連接的控制器上，通過控制器實(shí)現(xiàn)了對(duì)空氣加濕器的控制。3.3 設(shè)計(jì)特點(diǎn)1它的對(duì)象是結(jié)構(gòu)和特性完全相異的各種生產(chǎn)設(shè)備，相互之間兼容性比較差，設(shè)備之間的數(shù)據(jù)共享比較困難。2從用戶的角度來說，用戶需要簡化設(shè)備的操作過程，統(tǒng)一設(shè)備的操作方法因此，組建智能農(nóng)業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)時(shí)需要考慮的問題有很多。3.4 設(shè)計(jì)原則基于設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，列出了系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則：1.標(biāo)準(zhǔn)化:家庭自動(dòng)化產(chǎn)品應(yīng)當(dāng)依照國際上流行的相關(guān)協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)，充分保證各廠家產(chǎn)品間的兼容性和相互操作能力。2.開放性:

35、目前，在智能農(nóng)業(yè)、家庭自動(dòng)化、家電網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域尚處于一家一戶自行開發(fā)的局面，而實(shí)際上用戶不可能全部使用同一廠家生產(chǎn)的產(chǎn)品，這將極大阻礙互聯(lián)互通和長遠(yuǎn)發(fā)展。因此，家庭自動(dòng)化系統(tǒng)應(yīng)該具有開放的協(xié)議、統(tǒng)一的接口。3.模塊化:采用模塊化的設(shè)計(jì)可以適應(yīng)各種場合的需要，保障用戶的利益并允許系統(tǒng)的逐步到位。模塊之間遵循一定的協(xié)議，可以相互通訊和協(xié)調(diào)。4.實(shí)用性:人們購買農(nóng)業(yè)自動(dòng)化產(chǎn)品是為了享有更加便利舒適的生活，絕非追逐潮流的概念。 第四章 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 物聯(lián)網(wǎng)智能農(nóng)業(yè)要將各成體系，互不相連的子系統(tǒng)協(xié)調(diào)起來，就必須有一個(gè)兼容性強(qiáng)的中央處理平臺(tái)，接受并處理控制設(shè)施發(fā)出的信息，然后傳送信號(hào)給你希望控制的家電或者其他家居

36、子系統(tǒng)。中央處理平臺(tái)職能就是在智能局域網(wǎng)中，引導(dǎo)和規(guī)劃子系統(tǒng)中的各種信號(hào)，有了它，你可以通過手持無線遙控設(shè)備來和家居子系統(tǒng)進(jìn)行快速的溝通。中央處理平臺(tái)還必須具有良好的擴(kuò)展性能，以滿足用戶在使用過程中不斷增長的需求點(diǎn)。 目前已經(jīng)出現(xiàn)的主流中央家居處理平臺(tái)分為兩類，其中一類平臺(tái)是網(wǎng)關(guān)式中央家居處理平臺(tái)。這種方式推出的家庭網(wǎng)關(guān)集成智能系統(tǒng)中，網(wǎng)關(guān)與中央處理平臺(tái)組合，這種平臺(tái)能夠與安全防范系統(tǒng)、自動(dòng)化系統(tǒng)，以及互聯(lián)網(wǎng)結(jié)成一體，實(shí)現(xiàn)控制、娛樂、交流和信息分享等方面的智能化。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)選擇了第一種平臺(tái)，主要是三個(gè)模塊：傳感器節(jié)點(diǎn)WSN網(wǎng)絡(luò)模塊，嵌入式服務(wù)器終端模塊，GPRS通信模塊及其他裝置。4.1 傳

37、感器節(jié)點(diǎn)WSN網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)計(jì)WSN模塊主要是以AT89C51為核心處理器，使用多個(gè)I/O口進(jìn)行傳感器檢測陣列的信號(hào)采集，其中包括溫度、濕度、光線、等信號(hào)的檢測，如溫濕度傳感器芯片SHT10。SHT10 是一款高度集成的溫濕度傳感器芯片， 提供全標(biāo)定的數(shù)字輸出。它采用專利的CMOSens 技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個(gè)電容性聚合體測濕敏感元件、一個(gè)用能隙材料制成的測溫元件，并在同一芯片上，與 14 位的 A/D 轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路實(shí)現(xiàn)無縫連接。SHT10 引腳特性如下：1. VDD，GND SHT10 的供電電壓為 2.45.5V。傳感器上電后，要等待 11m

38、s 以越過“休眠”狀態(tài)。在此期間無需發(fā)送任何指令。電源引腳（VDD，GND）之間可增加一個(gè) 100nF 的電容，用以去耦濾波。2. SCK 用于微處理器與 SHT10 之間的通訊同步。由于接口包含了完全靜態(tài)邏輯，因而不存在最小 SCK 頻率。3. DATA 三態(tài)門用于數(shù)據(jù)的讀取。DATA 在 SCK 時(shí)鐘下降沿之后改變狀態(tài)，并僅在 SCK 時(shí)鐘上升沿有效。數(shù)據(jù)傳輸期間，在 SCK 時(shí)鐘高電平時(shí)，DATA 必須保持穩(wěn)定。為避免信號(hào)沖突，微處理器應(yīng)驅(qū)動(dòng) DATA 在低電平。需要一個(gè)外部的上拉電阻（例如：10k）將信號(hào)提拉至高電平。上拉電阻通常已包含在微處理器的 I/O 電路中。通過傳感器采集到的數(shù)

39、據(jù)，由ZigBee無線模塊傳輸?shù)焦?jié)點(diǎn)控制器，然后由紅外發(fā)射芯片IR6721C芯片進(jìn)行家電設(shè)備控制信號(hào)的發(fā)射，可以完成家庭內(nèi)部控制和GPRS遠(yuǎn)程控制；使用通信串口連接無線數(shù)據(jù)傳輸芯片ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊,ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊是UART 接口半雙工無線傳輸模塊。本文采用了加強(qiáng)型的ZigBee無線技術(shù)，符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的無線數(shù)據(jù)通信設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)多設(shè)備間的數(shù)據(jù)透明傳輸；通過無線ZigBee進(jìn)行組網(wǎng)通信，無線功能強(qiáng)大，具備中繼路由和終端設(shè)備功能。4.2 嵌入式服務(wù)器終端模塊設(shè)計(jì)嵌入式服務(wù)器終端模塊硬件主要有中心控制器、GPRS模塊和ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊。其中中心控制器是單片機(jī)，單片機(jī)為本系統(tǒng)的核心部件，

40、它除了具備單片機(jī)最小系統(tǒng)的必備期間外，它的串口通過RS232電路與MC703模塊通信，單片機(jī)的P0口與顯示器相連，P1口與鍵盤相連。P2口用各種控制及傳感器的連接。GPRS模塊采用華為的MC703模塊如圖4-4，該模塊具有一路串口，波特率為115200bps，通過該路串口，該模塊可以與單片機(jī)進(jìn)行通信。另外，華為公司的MC703模塊價(jià)格相對(duì)低廉，且支持部分標(biāo)準(zhǔn)AT命令，此外還支持華為公司拓展的命令，使用起來更加的靈活。ZigBee網(wǎng)絡(luò)模塊可以方便用戶使用各種移動(dòng)智能終端，輕松控制任何基于ZigBee協(xié)議的產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)高速、安全、可靠傳輸。本系統(tǒng)采用ARM11S3C6410控制芯片為核心控制

41、器，完成所有家庭內(nèi)部數(shù)據(jù)的處理，包括數(shù)據(jù)的采集與控制命令的發(fā)出，是整個(gè)智能家居控制的核心，采用Linux嵌入式系統(tǒng)為家居總中心監(jiān)控系統(tǒng)，能夠自動(dòng)運(yùn)行、處理數(shù)據(jù)，通過串口管理、無線網(wǎng)絡(luò)來控制各控制終端，并且中心控制器通過GPRS模塊實(shí)現(xiàn)家庭系統(tǒng)與手機(jī)的通信，使用戶可以通過短信方式實(shí)現(xiàn)家庭系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制。整個(gè)系統(tǒng)以智能家居中心控制臺(tái)做為信息的控制中心，負(fù)責(zé)各個(gè)模塊的協(xié)調(diào)其中手機(jī)終端可以向主機(jī)發(fā)送查詢與命令信息，空調(diào)控制模塊與窗簾控制模塊等為智能控制模塊，具有單獨(dú)的模塊控制程序，它們向主機(jī)發(fā)送溫濕度信息，同時(shí)分別接收主機(jī)發(fā)送的空調(diào)控制信號(hào)，主機(jī)通過程序查詢的方式獲取此信息。人體感應(yīng)模塊與液化氣泄露檢

42、測模塊則只能向主機(jī)發(fā)送信號(hào)，主機(jī)通過中斷方式獲取其信息。因此系統(tǒng)中主機(jī)的軟件控制成為關(guān)鍵因素。WSN網(wǎng)絡(luò)模塊與嵌入式服務(wù)器終端模塊通過基于ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)完成通信，傳輸一個(gè)指令的數(shù)據(jù)包由以下幾部分組成：起始編碼bite01,地址編碼bite2,數(shù)據(jù)類型編碼bite4,功能編碼bite5,效驗(yàn)編碼bite6,結(jié)束編碼bite7.每個(gè)編碼1個(gè)字節(jié)，發(fā)送數(shù)據(jù)范圍在0255之間，不同家庭內(nèi)部的起始編碼都是惟一的，防止相互信號(hào)的干擾，每個(gè)接收終端在接收到數(shù)據(jù)后，都進(jìn)行地址碼判斷是否為自己接收的數(shù)據(jù)包，是則接收，否則不接收，接收到數(shù)據(jù)包后，對(duì)數(shù)據(jù)要執(zhí)行的功能進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)正確，則進(jìn)行解碼，并且在解碼

43、成功后通過ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)出一個(gè)確認(rèn)接受碼，中心控制器在接收到確認(rèn)接收碼后停止再次發(fā)生控制指令，否則間隔100ms再次發(fā)生相同指令，確保整個(gè)ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信的準(zhǔn)確性和完整性。每個(gè)智能終端在正確接收到中心控制器的控制信號(hào)后，必須根據(jù)信號(hào)完成相應(yīng)家庭內(nèi)部的控制工作，所以家電設(shè)備的控制信號(hào)都是由統(tǒng)一的嵌入式服務(wù)器終端模塊外編碼完成的。 主機(jī)的單片機(jī)采用ARM的ATmega128，具有4K的EPROM，4K的SRAM，支持8個(gè)外部中斷，53個(gè)可編程I/O口3，完全滿足系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計(jì)要求。EPROM 可編程存儲(chǔ)器的引入便于以軟件方式，在斷電的情況下保存系統(tǒng)的狀態(tài)變量，如各種模

44、式開關(guān)狀態(tài)變量。各個(gè)功能以模塊的形式實(shí)現(xiàn)，各個(gè)模塊的切換通過狀態(tài)機(jī)的完成。單片機(jī)的初始化數(shù)據(jù)設(shè)置：void main(void)LCD_init(); / LCD 初始化Uart1_init(); / 串口初始化Device_init(); / 中斷初始化LCD_Display(); / 液晶顯示rF905_init(); / rf905 模塊初始化GSM_init(); / GSM 模塊初始化EEPROM_READ(0x22,SysInforBuf); /在EPROM 中讀取系統(tǒng)狀態(tài)信息state=SMS_Standby; /設(shè)定系統(tǒng)初始狀態(tài)while(1)switch(state)case

45、 Dehumidifier: /自動(dòng)抽濕狀態(tài)Dehumidifier_75();break;case SMS_Standby: /接收GSM 模塊回復(fù)信息Receive_Check();break;case SMS_CMGR: /讀取手機(jī)短信并處理Receive_CMGR();break;case SMS_CMGD: /刪除手機(jī)短信break;case SMS_CMGS: /向手機(jī)發(fā)送短信Receive_CMGS();break;case SMS_Answer: /讀取手機(jī)來短信信息Receive_Ans();break;default:break;為了保證電路的可靠性，復(fù)位電路是必不可少的一

46、部分，復(fù)位操作有手動(dòng)復(fù)位和上電自動(dòng)復(fù)位兩種。如圖4-8、圖4-9所示的復(fù)位電路基本功能是：當(dāng)系統(tǒng)上電時(shí)，提供復(fù)位信號(hào)，直到系統(tǒng)電源穩(wěn)定撤銷復(fù)位信號(hào)。為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的演示才撤銷復(fù)位信號(hào)，以防止電源開關(guān)或電源插頭分合過程中引起的抖動(dòng)而影響復(fù)位。其中手動(dòng)復(fù)位電路的工作原理：在單片機(jī)啟動(dòng)0.1S后，電容C兩端的電壓持續(xù)充電為5V，這時(shí)候10K電阻兩端的電壓接近于0V，RST處于低電平所以系統(tǒng)正常工作。當(dāng)按鍵按下的時(shí)候，開關(guān)導(dǎo)通，這個(gè)時(shí)候電容兩端形成了一個(gè)回路，電容被短路，所以在按鍵按下的這個(gè)過程中，電容開始釋放之前充的電量。隨著時(shí)間的推移，電容的電壓在0.1S內(nèi)，從5V釋放到變?yōu)榱?

47、.5V，甚至更小。根據(jù)串聯(lián)電路電壓為各處之和，這個(gè)時(shí)候10K電阻兩端的電壓為3.5V，甚至更大，所以RST引腳又接收到高電平。單片機(jī)系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位。4.3軟件流程圖開始系統(tǒng)時(shí)鐘初始化讀取溫濕度數(shù)據(jù)顯示溫濕度數(shù)據(jù)LCD初始化圖5 軟件流程圖4.4總體軟件結(jié)構(gòu)圖 溫濕度采集模塊主要包括無線傳感模塊和數(shù)據(jù)采集模塊,由數(shù)據(jù)采集模塊完成溫濕度的采集。4.4.1無線傳感模塊 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計(jì)目標(biāo)方面與傳統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)有所區(qū)別，前者是以數(shù)據(jù)為中心的，后者以傳輸數(shù)據(jù)為目的。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)通常運(yùn)行在人無法接近的惡劣甚至危險(xiǎn)的遠(yuǎn)程環(huán)境中，所以除了少數(shù)節(jié)點(diǎn)需要移動(dòng)以外，大部分節(jié)點(diǎn)都是靜止不動(dòng)的。在被監(jiān)

48、測區(qū)域內(nèi)，節(jié)點(diǎn)任意散落，節(jié)點(diǎn)除了需要完成感測特定的對(duì)象以外，還需要進(jìn)行簡單的計(jì)算，維持互相之間的網(wǎng)絡(luò)連接等功能。并且由于能源的無法替代以及低功耗的多跳通信模式節(jié)，設(shè)計(jì)無線傳感節(jié)點(diǎn)時(shí)，有效的延長網(wǎng)絡(luò)的生命周期以及節(jié)點(diǎn)的低功耗成為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究的核心問題。在節(jié)省功耗的同時(shí)增加通信的隱蔽性，避免長距離的無線通信易受外界噪聲干擾的影響，也都是在設(shè)計(jì)傳感器網(wǎng)絡(luò)時(shí)需要攻克的新難題。圖6 無線傳感器節(jié)點(diǎn)模型無線傳感網(wǎng)絡(luò)的建立是基于傳感器加無線傳輸模塊的，傳感器采集的數(shù)據(jù)，簡單處理后經(jīng)過無線傳輸模塊傳到服務(wù)器或應(yīng)用終端。目標(biāo)、觀測節(jié)點(diǎn)傳感節(jié)點(diǎn)和感知視場是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)所包括的4個(gè)基本實(shí)體對(duì)象。另外，要完成

49、對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的應(yīng)用刻畫，還需要對(duì)遠(yuǎn)程任務(wù)管理單元、外部網(wǎng)絡(luò)和用戶進(jìn)行定義。大量傳感節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署，單個(gè)節(jié)點(diǎn)經(jīng)過初始的通信和協(xié)商，通過自組織方式自行配置，形成一個(gè)傳輸信息的單跳鏈接或一系列的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)，協(xié)同形成對(duì)目標(biāo)的感知視場。傳感節(jié)點(diǎn)檢測的目標(biāo)信號(hào)經(jīng)過傳感器本地簡單處理后通過單播或廣播以多跳的方式通過鄰近傳感節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)接^測節(jié)點(diǎn)。用戶和遠(yuǎn)程任務(wù)管理單元?jiǎng)t能夠通過衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)或Internet等外部網(wǎng)絡(luò)，與觀測節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的交互。觀測節(jié)點(diǎn)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)布查詢請(qǐng)求和控制指令，接收傳感節(jié)點(diǎn)返回的目標(biāo)信息。圖7 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信體系結(jié)構(gòu)無線傳輸模塊可以實(shí)現(xiàn)短距離（小于300米）的信號(hào)傳輸。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)不同需求選擇傳感器，如電壓電流、功耗、溫濕度、液面、震動(dòng)、壓力等等。4.4.2 數(shù)據(jù)采集模塊溫濕度探頭直接使用IIC接口進(jìn)行控制。其電路原理圖如下所示： 圖8 數(shù)據(jù)采集模塊電路圖本實(shí)驗(yàn)將使用CC2530 讀取溫濕度傳感器SHT10的溫度和濕度數(shù)據(jù)，并將采樣到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換然后再LCD顯示。其中對(duì)溫濕度的讀取是利