zigbee的智能農(nóng)場系統(tǒng)的設(shè)計方案

...wd......wd......wd...題目：基于Zigbee智能農(nóng)場系統(tǒng)設(shè)計方案2014年12月16日摘要物聯(lián)網(wǎng)作為信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮,在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用將會解決一系列科學(xué)技術(shù)問題,例如分布在廣域空間的信息獲取,高效可靠的信息傳輸以及面向不同應(yīng)用的智能決策等,將是實現(xiàn)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變的助推器和加速器。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中,溫度、濕度、光照強度CO?濃度、水分以及其他養(yǎng)分等多種自然因素共同影響農(nóng)作物的生長,傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的管理方式遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有到達精細(xì)化管理的標(biāo)準(zhǔn),只能算是粗放式管理,在這種管理方式下,通過人的感知能力管理上述環(huán)境參數(shù),無法到達準(zhǔn)確性要求,要實現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的智能化管理,建設(shè)一個實用、可靠、可長期監(jiān)測的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是非常必要的。因此,本文設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng),該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確實時的獲取農(nóng)作物生長的環(huán)境信息并對這些信息進展遠(yuǎn)程監(jiān)測。為了提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，降低人工勞動量，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化，設(shè)計了基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)。系統(tǒng)實現(xiàn)了對設(shè)施農(nóng)業(yè)的空氣溫度、土壤溫濕度、光照度、CO?濃度等數(shù)據(jù)信息的采集、傳輸和處理，并能對農(nóng)作物生長環(huán)境進展自動調(diào)節(jié)，使農(nóng)作物處于最正確生長環(huán)境，有效提高農(nóng)作物產(chǎn)量，具有很高的實用推廣價值。關(guān)鍵詞：ZigBee；監(jiān)測系統(tǒng)；智能農(nóng)業(yè)；農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；ABSTRACTAsthethirdwaveintheinformationindustry,TheInternetofThingsapplicationsinagriculturewillbeaddressedinaseriesofscientificandtechnicalissues,suchasobtaininginformationfromwideareaspatialdistribution,realizingefficientandreliabletransmissionofinformationandmakingintelligentdecisionsfordifferentapplicationrequirementsandenvironments,anditwillbetheboosterandacceleratortoachievethetransitionfromtraditionaltomodernagriculture.Intheprocessofagriculturalproduction,avarietyofnaturalfactorssuchastemperature,humidity,illuminationintensity,theCO?concentration,moisture,andotherelementsjointlyaffectthegrowthofcrops.Traditionalagriculturalmanagementisfarfromreachingthestandardsofmeticulousmanagement,whichcanonlyberegardedasextensivemanagement.Inthisway,managingtheenvironmentalparametersbyhumanperceptionisunabletomeettheaccuracyrequirements.Toachievetheintelligentmanagement,theestablishmentofapractical,reliable,long-termmonitoringagriculturalenvironmentalmonitoringsystemisverynecessary.Forthisreason,anintelligentagriculturemonitoringsystemisdesignedinthispaperbasedonTheInternetofThings.Thesystemcangetthecropgrowthenvironmentalinformationaccuratelyandinreal-time,itcanalsomonitortheseinformationremotely.Inordertoimprovetheefficiencyofagriculturalproduction，reducetheamountoflabor，achievetheintelligentagriculture，asmartagriculturalmanagementsystembasedonZigBeewirelesssensornetworkswasdesigned．Thesystemcancompletethecollection，transmission，processingofthefacilityagriculturedataandinformation，suchasairtemperature，soiltemperatureandhumidity，lightintensity，carbondioxideconcentration，andcanautomaticallyadjustthecropgrowthenvironment，makethecropsinthebestgrowingenvironment．Therebythesystemcaneffectivelyincreasecropyieldsandhashighpracticalvaluetopopularize．Keywords:ZigBee；intelligentagriculture；AgricultureofThings目錄TOC\o"1-3"\u摘要2ABSTRACT3目錄4第一章緒論61.1課題的研究背景61.2課題研究的目的與意義61.2.1課題研究目的71.2.2課題現(xiàn)實意義7第二章智能農(nóng)場開發(fā)根基92.1物聯(lián)網(wǎng)簡介92.1.1物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)涵92.1.2物聯(lián)網(wǎng)體系構(gòu)造92.2農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)102.2.1農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)涵102.1.2農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系構(gòu)造112.3農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)122.3.1ZigBee技術(shù)特點122.3.2ZigBee協(xié)議構(gòu)架132.3.3ZigBee物理層標(biāo)準(zhǔn)142.3.4ZigBeeMAC層標(biāo)準(zhǔn)152.3.5ZigBee網(wǎng)絡(luò)層標(biāo)準(zhǔn)162.3.6ZigBee應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)16第三章系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合處理183.1數(shù)據(jù)融合的原理及意義183.1.1數(shù)據(jù)融合的原理183.1.2數(shù)據(jù)融合的意義183.2數(shù)據(jù)融合的分類與方法19第四章智能農(nóng)場設(shè)計與實現(xiàn)214.1系統(tǒng)總體設(shè)計214.2傳感器節(jié)點的硬件設(shè)計224.2.1硬件設(shè)計方案224.2.2處理器模塊234.2.3外部傳感器模塊254.2.4無線通信模塊254.3傳感器節(jié)點的軟件設(shè)計274.3.1節(jié)點軟件開發(fā)環(huán)境274.3.2Z-Stack協(xié)議找研究274.3.3網(wǎng)絡(luò)組建284.3.4數(shù)據(jù)傳輸304.4智能農(nóng)場處理中心的設(shè)計與實現(xiàn)33第五章結(jié)論36致謝37參考文獻38第一章緒論1.1課題的研究背景農(nóng)業(yè)歷來被認(rèn)為是穩(wěn)民心、安天下的產(chǎn)業(yè),我國人口占世界總?cè)丝诘?2%,耕地面積卻缺乏世界耕地面積的7%,一直創(chuàng)造著以缺乏世界7%的耕地養(yǎng)活世界近22%人口的奇跡。隨著經(jīng)濟的高速開展,資源短缺、環(huán)境惡化與人口劇增的矛盾越來越突出,我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)在走過了近30年的以資源換產(chǎn)量、以高投入換糧食增產(chǎn)的道路后不得不面對因根基薄弱、科技含量缺乏、生產(chǎn)技術(shù)落后而導(dǎo)致的農(nóng)業(yè)產(chǎn)量增長緩慢、生產(chǎn)效益低下、農(nóng)業(yè)不能得到很好的開展等諸多問題。我國要開展現(xiàn)代化信息化農(nóng)業(yè),同樣有諸多問題亟需解決,例如資源緊缺的問題,僅水資源緊缺就會嚴(yán)重影響我國農(nóng)作物產(chǎn)量,還有生態(tài)環(huán)境惡化的問題,生態(tài)環(huán)境退化會帶來非常嚴(yán)重的土壤退化,不利于我國農(nóng)業(yè)長期開展,還有我國農(nóng)產(chǎn)品安全問題將直接影響國民的正常生活。為了保障我國農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)量供應(yīng),同時保證我國農(nóng)產(chǎn)品食物安全和農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境安全,提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營精細(xì)化管理水平,實現(xiàn)農(nóng)村經(jīng)濟可持續(xù)開展,我們必須根據(jù)農(nóng)業(yè)開展的實際需求,掌握農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù),加快開展現(xiàn)代化、信息化、智能化農(nóng)業(yè),到達提高我國農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、合理利用農(nóng)業(yè)資源、改善生態(tài)環(huán)境的目的,從而推動農(nóng)村經(jīng)濟迅速開展并推動中國經(jīng)濟高速增長。作為信息產(chǎn)業(yè)的第三次浪潮,物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以在土壤和水資源的可持續(xù)利用、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程精細(xì)化管理、農(nóng)產(chǎn)品與食品安全可追溯系統(tǒng)和大型農(nóng)業(yè)機械作業(yè)服務(wù)調(diào)度、遠(yuǎn)程工況監(jiān)測與故障診斷等多個農(nóng)業(yè)領(lǐng)域開展。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)通過信息感知技術(shù)可以獲取更多的信息,包括作物信息、農(nóng)業(yè)環(huán)境信息、農(nóng)機作業(yè)信息等,為智能農(nóng)業(yè)提供更加豐富的實時信息,通過全面互聯(lián)共享可以獲得更多的網(wǎng)絡(luò)服務(wù),提高智能農(nóng)業(yè)科學(xué)決策水平和作業(yè)實施水平。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)必將為改造傳統(tǒng)農(nóng)業(yè),改變農(nóng)業(yè)增產(chǎn)方式,開展信息化、智能化、可持續(xù)開展的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)揮重要作用,引領(lǐng)我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的未來開展。我國?國家中長期科學(xué)和技術(shù)開展規(guī)劃綱要?中,明確將“傳感器網(wǎng)絡(luò)及智能信息處理〞作為“重點領(lǐng)域及其優(yōu)先主題〞,“農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)〞己經(jīng)納入“十二五〞“863〞方案開展綱要,作為物聯(lián)網(wǎng)重要分支之一的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)必將在我國具有廣闊的應(yīng)用前景。1.2課題研究的目的與意義1.2.1課題研究目的在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中,溫度、濕度、光照強度、C02濃度、水分、以及其他養(yǎng)分等多種自然因素共同影響農(nóng)作物生長。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的管理方式遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有到達精細(xì)化管理的標(biāo)準(zhǔn),只能算是粗放式管理,在這種管理方式下,通過人的感知能力來管理上述環(huán)境參數(shù),是無法到達準(zhǔn)確性要求的。而智能農(nóng)業(yè),是通信、計算機和農(nóng)學(xué)等假設(shè)干學(xué)科和領(lǐng)域共同開展并相互結(jié)合所形成的產(chǎn)物,它將信息采集、傳輸、處理和控制集成在一起,使人們更容易獲得農(nóng)作物生長各個階段的各類信息,也讓人們更容易掌控這些信息,通過人工智能與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的結(jié)合真正實現(xiàn)人與自然的交互。智能農(nóng)業(yè)的核心問題可以概括為以下四局部,即農(nóng)業(yè)信息的獲取、對所獲取信息的管理、經(jīng)信息分析做出的決策、由決策而決定的具體實施方針,在這四局部中,對農(nóng)業(yè)信息的獲取是智能農(nóng)業(yè)的起點,也是非常關(guān)鍵的一點,做不到準(zhǔn)確實時的獲取農(nóng)業(yè)信息,就無法建造真正的智能農(nóng)業(yè)。而實現(xiàn)智能農(nóng)業(yè),建設(shè)一個實用、可靠、可長期監(jiān)測的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是非常必要的。隨著通信、計算機、傳感網(wǎng)等技術(shù)的迅猛開展,將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)中己經(jīng)是目前的開展趨勢,它將采集到的溫度、濕度、光照強度、土壤水分、土壤溫度、植物生長狀況等農(nóng)業(yè)信息進展加工、傳輸和利用,為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)在各個時期的精準(zhǔn)管理和預(yù)測預(yù)警提供信息支持,追求以最少的資源消耗獲得最大的優(yōu)質(zhì)產(chǎn)出,使農(nóng)業(yè)增長由主要依賴自然條件和自然資源向主要依賴信息資源轉(zhuǎn)變,使不可控的產(chǎn)業(yè)得以有效控制。本文采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù),將物聯(lián)網(wǎng)與農(nóng)業(yè)信息的采集相結(jié)合,設(shè)計了基于zigbee的智能農(nóng)場設(shè)計系統(tǒng),目的是實現(xiàn)目標(biāo)監(jiān)測區(qū)域內(nèi),無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的自動組網(wǎng)、影響農(nóng)作物生長的環(huán)境參數(shù)的實時采集以及上位機監(jiān)測軟件的數(shù)據(jù)分析和遠(yuǎn)程監(jiān)測,同時為了降低傳感器節(jié)點的能耗、提高采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度,提出了KDF算法用于數(shù)據(jù)處理。1.2.2課題現(xiàn)實意義與傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)相比,本文設(shè)計的智能農(nóng)場設(shè)計系統(tǒng)有以下優(yōu)點:(1)無線傳感器節(jié)點能夠自動組網(wǎng)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的某個節(jié)點因電池耗盡或者節(jié)點出現(xiàn)故障等原因停頓工作時,傳感器網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點個數(shù)會動態(tài)的增加或者減少,整個傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)錁?gòu)造會隨之發(fā)生相應(yīng)的變化。本文設(shè)計的無線傳感器節(jié)點,能夠在無任何人工幫助的情況下,通過控制網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錂C制和遵守網(wǎng)絡(luò)形成協(xié)議來自動形成具有轉(zhuǎn)發(fā)大量監(jiān)測數(shù)據(jù)功能的多跳自組織網(wǎng)絡(luò),并且能夠保證網(wǎng)絡(luò)形成后一直工作,具有很高的魯棒性和可靠性。(2)無線傳感器節(jié)點能夠?qū)崿F(xiàn)低功耗并且獲得高準(zhǔn)確度的數(shù)據(jù)。由于傳感器節(jié)點尺寸小,只能采取電池供電,而電池能量有限,傳感器節(jié)點均分布在田間,數(shù)量龐大且分布廣泛,經(jīng)常更換電池會帶來非常繁瑣且繁重的工作量。如何減少節(jié)點的功耗,延長節(jié)點壽命,對于整個系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定、高效運行是至關(guān)重要的,同時,由于采集和傳輸過程中周圍環(huán)境的干擾,數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性有待提高。本文采用基于卡爾曼濾波的數(shù)據(jù)融合方法解決這兩個問題。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中,處理器進展數(shù)據(jù)計算所消耗的能量,遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于數(shù)據(jù)在通信過程中消耗的能量,本文的數(shù)據(jù)融合,是在節(jié)點采集數(shù)據(jù)之后到發(fā)送數(shù)據(jù)之前進展的數(shù)據(jù)冗余處理,有效減少了無線傳輸過程中的數(shù)據(jù)傳輸量,到達節(jié)能的目的,并且卡爾曼濾波可以有效消除感知數(shù)據(jù)的干擾及不確定性,從而獲得更加準(zhǔn)確可靠的環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)。(3)系統(tǒng)實現(xiàn)資源共享。將Web協(xié)議移植到系統(tǒng)中,將系統(tǒng)通過Tomcat服務(wù)器在線發(fā)布,系統(tǒng)便可以接入到Internet中,實現(xiàn)“底層(傳感器)一Internet網(wǎng)絡(luò)一遠(yuǎn)程監(jiān)控〞的構(gòu)造,能夠?qū)⒄麄€系統(tǒng)的信息發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)上,既可以隨時隨地對影響農(nóng)作物的環(huán)境參數(shù)進展監(jiān)測,又實現(xiàn)了農(nóng)業(yè)信息資源的共享,為今后物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域中的進一步研究與探索奠定了重要的技術(shù)根基。(4)網(wǎng)絡(luò)部署方便。傳感器節(jié)點在監(jiān)測區(qū)域要大量部署,為了對目標(biāo)系統(tǒng)本身特性不構(gòu)成影響并且方便部署,傳感器節(jié)點體積要盡可能小。本系統(tǒng)中的節(jié)點采用微型化設(shè)計,部署一次就可以長期穩(wěn)定工作,不容易受到人為因素的影響。(5)系統(tǒng)實現(xiàn)低成本。系統(tǒng)中傳感器節(jié)點數(shù)量龐大且功能簡單,單個節(jié)點的造價能夠極大的影響整個系統(tǒng)的成本。所以,在保證節(jié)點性能的前提下應(yīng)該盡可能降低單個節(jié)點的成本,本系統(tǒng)的傳感器節(jié)點在保證電路正常、穩(wěn)定工作的前提下,采用盡可能少的使用電子元器件的方式設(shè)計,有效降低整個系統(tǒng)的成本。(6)系統(tǒng)實現(xiàn)高精度采集。無線傳感器節(jié)點具有一定的存儲和計算能力。盡管無線傳感器節(jié)點網(wǎng)絡(luò)分布密度大且數(shù)據(jù)采集量大,每個節(jié)點均能將監(jiān)測區(qū)域釆集到的大量環(huán)境信息高精度地傳至上位機存儲分析。第二章智能農(nóng)場開發(fā)根基2.1物聯(lián)網(wǎng)簡介2.1.1物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)涵物聯(lián)網(wǎng)(TheInternetofThings,IOT),既“物物相連的互聯(lián)網(wǎng)〞。目前,關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)比較準(zhǔn)確的定義是:物聯(lián)網(wǎng)是通過各種感知設(shè)備和系統(tǒng)、條碼與二維碼、全球定位系統(tǒng),按照約定的通信協(xié)議,將物與物、人與物、人與人連接起來,通過各種接入網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)等網(wǎng)絡(luò)進展信息交換,以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種信息網(wǎng)絡(luò),在這種網(wǎng)絡(luò)中,每一個物件都可以尋址,每一個物件都可以控制,每一個物件都可以通信。物聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)是有著本質(zhì)區(qū)別的,二者的區(qū)別在于:首先,物聯(lián)網(wǎng)是對具有全面感知能力的物體和人的互聯(lián)集合,物聯(lián)網(wǎng)全面感知的目的是隨時隨地對物體進展信息采集和獲取,采用的技術(shù)手段主要有RFID技術(shù)、二維碼技術(shù)、GPS技術(shù)、傳感器技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等。物聯(lián)網(wǎng)作為各種感知技術(shù)的綜合應(yīng)用,其應(yīng)用過程需要多種類型的傳感器,這些能夠捕獲不同信息且具有不同信息格式的傳感器都作為不同的信息源,按一定規(guī)律采集所需要的信息,并且傳感器上傳的數(shù)據(jù)具有實時性;其次,物聯(lián)網(wǎng)對數(shù)據(jù)具有可靠傳送能力,物聯(lián)網(wǎng)上的傳感器數(shù)量極其龐大,形成了海量的采集信息,這就要求物聯(lián)網(wǎng)必須適應(yīng)各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)和協(xié)議以確保傳輸過程中數(shù)據(jù)的正確性和及時性,物聯(lián)網(wǎng)是一種建設(shè)在互聯(lián)網(wǎng)上的網(wǎng)絡(luò),作為互聯(lián)網(wǎng)的延伸,物聯(lián)網(wǎng)能夠遵循約定的通信協(xié)議,通過相應(yīng)的軟硬件實現(xiàn)規(guī)定的通信規(guī)那么,將各種有線和無線網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)融合,準(zhǔn)確實時地將采集到的物體信息傳遞出去;最后,物聯(lián)網(wǎng)能夠?qū)崿F(xiàn)智能處理,智能處理可以說是物聯(lián)網(wǎng)最為核心和關(guān)鍵的局部,也是物聯(lián)網(wǎng)能夠得到廣泛應(yīng)用的根基,它能夠綜合應(yīng)用當(dāng)前各個學(xué)科比較前沿的技術(shù),對己經(jīng)經(jīng)過感知層全面感知和傳輸層可靠無誤傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進展全面的分析和處理,為人們當(dāng)前從事的各種活動作出指導(dǎo),這種指導(dǎo)具有前瞻性,且通常是智能化的,并且在物聯(lián)網(wǎng)中,不僅僅提供了傳感器與互聯(lián)網(wǎng)等各種網(wǎng)絡(luò)的連接,物聯(lián)網(wǎng)自身也可以進展智能處理,具有對物體實施智能控制的能力。物聯(lián)網(wǎng)將傳感器技術(shù)和智能處理技術(shù)相融合,結(jié)合云計算、模式識別等各種智能技術(shù),擴大其應(yīng)用領(lǐng)域。2.1.2物聯(lián)網(wǎng)體系構(gòu)造根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的基本特征,物聯(lián)網(wǎng)的體系構(gòu)造被分為物聯(lián)網(wǎng)的感知層、物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層、物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層三個層次。物聯(lián)網(wǎng)的感知層是物聯(lián)網(wǎng)開展和應(yīng)用的根基,這一層的功能是使用傳感器進展物理世界信息的采集。這一層最常用到的技術(shù)有射頻識別技術(shù)、傳感技術(shù)、遠(yuǎn)程操作技術(shù)以及ZigBee技術(shù)等。物體本身不具備通信能力,感知層用傳感器和RFID技術(shù)對各種物體進展標(biāo)識,通過短距離無線通信技術(shù)等通信子層的通信模塊與網(wǎng)關(guān)交互信息。感知層設(shè)備具有多種延伸網(wǎng),包括傳感網(wǎng)、無線個域網(wǎng)(WPAN)、家庭網(wǎng)、工業(yè)總線等,也可以先組成延伸網(wǎng)再與網(wǎng)關(guān)交互。物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層建設(shè)在現(xiàn)有的移動通信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)根基上,網(wǎng)絡(luò)層的主要作用之一是利用可以連入互聯(lián)網(wǎng)的各種類型的網(wǎng)絡(luò),將數(shù)據(jù)和控制指令進展安全可靠、準(zhǔn)確有效的傳輸,同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸過程中的通信算法。對感知層上傳的數(shù)據(jù)進展存儲分析也是物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層的重要組成局部,是應(yīng)用層眾多應(yīng)用的根基。物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用層實現(xiàn)了研究和開發(fā)物聯(lián)網(wǎng)的目的和意義,這一層在前兩層的根基上,結(jié)合相應(yīng)的軟、硬件幵發(fā)和智能控制技術(shù),為人們呈現(xiàn)出一個無限互聯(lián)、滿意服務(wù)、隨心控制的全新世界。該層包括為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供通用支撐服務(wù)和調(diào)用接口的應(yīng)用支撐子層以及各種具體的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用fioj,物聯(lián)網(wǎng)的具體應(yīng)用可以分為監(jiān)控類型的應(yīng)用,比方物聯(lián)網(wǎng)在智能環(huán)保和智能司法方面的應(yīng)用;控制類型的應(yīng)用,比方物聯(lián)網(wǎng)在智能交通和智能家居方面的應(yīng)用;查詢類型的應(yīng)用,比方物聯(lián)網(wǎng)在智能城市和智能交通方面的應(yīng)用;掃描類型的應(yīng)用,比方物聯(lián)網(wǎng)在手機錢包和高速公路不停車收費方面的應(yīng)用?？傊?物聯(lián)網(wǎng)可以應(yīng)用到與人們生活息息相關(guān)的各個領(lǐng)域。對物聯(lián)網(wǎng)的研宄仍在繼續(xù),物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用領(lǐng)域也正在不斷拓寬,隨著各項支持物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)的開展,物聯(lián)網(wǎng)一定能夠帶給人類更便捷、更貼心的應(yīng)用。2.2農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)2.2.1農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)涵當(dāng)前,我國正處在從傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)迅速推進的過程當(dāng)中,現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的開展從生產(chǎn)、經(jīng)營、管理到服務(wù),各個環(huán)節(jié)都迫切呼喚信息技術(shù)的支持。物聯(lián)網(wǎng)浪潮的到來,為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的開展創(chuàng)造了前所未有的機遇,改造傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)并開展現(xiàn)代農(nóng)業(yè),迫切需要使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對大田種植、設(shè)施園藝、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)產(chǎn)品物流等農(nóng)業(yè)行業(yè)領(lǐng)域的各種農(nóng)業(yè)要素實施數(shù)字化設(shè)計、智能化控制、精準(zhǔn)化運行和科學(xué)化管理,從而實現(xiàn)對各種農(nóng)業(yè)要素的“全面感知、可靠傳輸和智能處理〞,進而到達高產(chǎn)、高效、優(yōu)質(zhì)、生態(tài)、安全的目標(biāo)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在經(jīng)過十幾年的在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的實際應(yīng)用和不斷開展,已經(jīng)與農(nóng)業(yè)領(lǐng)域嚴(yán)密結(jié)合,形成了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。研究農(nóng)業(yè)的著名學(xué)者、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)李道亮教授在經(jīng)過十幾年對信息化技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的探索和研宄以后,給出如下結(jié)論:“農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)就是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)營、管理和服務(wù)中的具體應(yīng)用,即運用各類傳感器、RFID等感知設(shè)備,廣泛地采集大田種植、設(shè)施園藝、畜禽水產(chǎn)養(yǎng)殖和農(nóng)產(chǎn)品物流等農(nóng)業(yè)相關(guān)信息;通過建設(shè)數(shù)據(jù)傳輸和格式轉(zhuǎn)換方法,充分利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、電信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)等多種現(xiàn)代信息傳輸通道,實現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息的可靠傳輸;最后將獲取的海量農(nóng)業(yè)信息進展融合處理,并通過智能化操作終端實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的自動化生產(chǎn)、最優(yōu)化控制、智能化管理、系統(tǒng)化物流、電子化交易,進而實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)集約、高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)和安全的目標(biāo)。從該定義可以看出,農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可以通過感知技術(shù)獲取更多的數(shù)據(jù)信息,包括作物信息、農(nóng)田環(huán)境信息、農(nóng)機作業(yè)信息,通過傳輸技術(shù)為我們的農(nóng)業(yè)提供更加豐富的實時信息,通過全面互聯(lián)共享獲得更多的網(wǎng)絡(luò)服務(wù),通過智能決策提高農(nóng)業(yè)科學(xué)決策水平和作業(yè)實施水平。2.1.2農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系構(gòu)造農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)屬于穿插學(xué)科,是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的產(chǎn)物,農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系劃分可以參照物聯(lián)網(wǎng)體系劃分的標(biāo)準(zhǔn)。農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的信息要經(jīng)過產(chǎn)生、傳輸、處理和應(yīng)用四個過程農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)相應(yīng)的被分成如圖2-1所示的四層模型。圖2-1農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的體系構(gòu)造感知層利用傳感器、RFID、GPS、RS和條碼技術(shù)等各種感知技術(shù),借助各種設(shè)備和手段,對自然界中存在并且對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有意義的各類數(shù)據(jù)信息進展獲取,實現(xiàn)“物〞的識別。傳輸層具有完成大范圍內(nèi)信息傳輸與廣泛互聯(lián)功能,能夠?qū)F(xiàn)有的廣域網(wǎng)技術(shù)與感知層的傳感網(wǎng)技術(shù)相融合,把感知到的農(nóng)業(yè)信息無障礙、快速、安全、可靠的傳送到需要信息的地方,使物品在全球范圍能實現(xiàn)遠(yuǎn)距離大范圍通信。處理層通過云計算、數(shù)據(jù)挖掘、模式識別、預(yù)測預(yù)警等信息處理技術(shù),實現(xiàn)最終的信息技術(shù)與行業(yè)的深度融合,完成物品的信息匯總、共享、預(yù)測和分析決策等功能。應(yīng)用層是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)體系構(gòu)造的最高層,是面向終端用戶的,可以根據(jù)用戶的不同需求搭建不同的操作平臺,農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用主要實現(xiàn)了大田種植、設(shè)施園藝、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖、農(nóng)產(chǎn)品交付過程中管理者的直接參與,通過農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng),管理者可以更快的獲取各類信息,對于突發(fā)情況,管理者可以做出更及時的反響,通過遠(yuǎn)程控制,管理者可以實現(xiàn)對整個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)線更精細(xì)的管理,管理者可以從物聯(lián)網(wǎng)多個應(yīng)用角度出發(fā)對農(nóng)業(yè)進展管理,到達農(nóng)業(yè)生產(chǎn)高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)和安全的目標(biāo)。2.3農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)ZigBee技術(shù)是一種基于IEEE802．15．4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)新興的短距離、低復(fù)雜度、低成本、低功耗、雙向無線通信技術(shù)。ZigBee可在2．4GHz、868MHz和915MHz等3個免費頻段上工作，并且最高傳輸速率分別可達250、20和40kb/s，其各自信道的帶寬也不同，分別設(shè)有16、1和10個信道。ZigBee根據(jù)輸出功率和信道環(huán)境的不同，可靠傳輸距離為10～75m，一般在30m左右。耗電量在休眠狀態(tài)下僅為1μW。在短距離通信的情況下，其工作狀態(tài)的耗電量為30mW。為了防止發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭與沖突，ZigBee的介質(zhì)接入控制子層〔MAC〕采用了載波監(jiān)聽多路訪問\沖突防止〔CSMA\CA〕的碰撞防止機制。ZigBee聯(lián)盟在ZigBee的網(wǎng)絡(luò)層〔NWK〕制定了星型、樹型和網(wǎng)狀網(wǎng)3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)造。每個ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可支持65000個節(jié)點。因此，Zig-Bee的技術(shù)特性決定了它是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的最正確選擇。2.3.1ZigBee技術(shù)特點ZigBee是一種新興的低成本、低功耗、近距離、低數(shù)據(jù)速率、低復(fù)雜度的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)。主要用于近距離無線連接。它依據(jù)802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個節(jié)點之間相互通信。這些節(jié)點只需要很少的能量，以接力的方式通過無線將數(shù)據(jù)從一個節(jié)點傳到另一個節(jié)點，所以它們的通信效率非常高。低功耗：ZigBee采用了多種節(jié)電模式，兩節(jié)五號電池支持長達6個月到2年左右的正常使用時間。通信可靠：采用了CSMA/CA的碰撞防止機制，每次發(fā)送數(shù)據(jù)都必須等待對方確認(rèn)，防止了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突；網(wǎng)絡(luò)容量大：理論上可支持達65000個節(jié)點?？梢詽M足大局部網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)。自愈性強：對于增加或刪除節(jié)點，節(jié)點位置發(fā)生變動，節(jié)點發(fā)生故障等，ZigBee網(wǎng)絡(luò)都能夠自我修復(fù)，能夠相應(yīng)地調(diào)整網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)造，保證整個系統(tǒng)仍然能正常工作。自組織性強：ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點自己能夠感知其他節(jié)點的存在，并確定連接關(guān)系并組成網(wǎng)絡(luò)。時延短：通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短。安全：ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用通用的AES-128算法。2.3.2ZigBee協(xié)議構(gòu)架ZigBee協(xié)議是在IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)根基上建設(shè)的。完整的ZigBee協(xié)議應(yīng)包括IEEE802.15.4〔該標(biāo)準(zhǔn)定義了RF射頻以及與相鄰設(shè)備之間的通信〕的PHY和MAC層，以及ZigBee堆棧層：網(wǎng)絡(luò)層〔NWK〕、應(yīng)用層和安全服務(wù)提供層。ZigBee協(xié)議的每一層負(fù)責(zé)完成所本層規(guī)定的任務(wù)，并且向上層提供服務(wù)。ZigBee協(xié)議構(gòu)架如圖2-2所示。圖2-2ZigBee協(xié)議構(gòu)造ZigBee堆棧的不同層與802.15.4MAC通過服務(wù)接入點〔SAP〕進展通信。SAP是某一特定層提供的服務(wù)與上層之間的接口。ZigBee堆棧的大多數(shù)層有兩個接口：數(shù)據(jù)實體接口和管理實體接口。數(shù)據(jù)實體接口的目標(biāo)是向上層提供所需的常規(guī)數(shù)據(jù)服務(wù)。管理實體接口的目標(biāo)是向上層提供訪問內(nèi)部層參數(shù)、配置和管理數(shù)據(jù)的機制。每一層的服務(wù)只要有兩種功能，通過SAP為上一層提供相應(yīng)服務(wù)和調(diào)用下一層提供的服務(wù)。SAP是各層之間的唯一接口，而具體的服務(wù)以通信原語的形式調(diào)用。通信原語分為4種，圖2-3表示了它們之間的關(guān)系。圖2-3服務(wù)原語Request：請求原語用于ServiceUser向ServiceProvider請求指定的服務(wù)；Confirm：確認(rèn)原語由ServiceUser向ServiceProvider發(fā)送，用來傳送一個或多個前面Request原語的執(zhí)行結(jié)果。Indication：指示原語由ServiceProvider發(fā)給ServiceUser，用來指示ServiceProvider對于ServiceUser的重要內(nèi)部事件。該事件可能是與一個遙遠(yuǎn)的服務(wù)請求有關(guān)，也可能是ServiceProvider的一個內(nèi)部事件引起；Response：響應(yīng)原語由ServiceUser向ServiceProvider發(fā)送，用來表示ServiceUser對上一次執(zhí)行Indication原語的響應(yīng)。2.3.3ZigBee物理層標(biāo)準(zhǔn)物理層通過物理介質(zhì)為數(shù)據(jù)鏈路層提供物理連接，其主要作用是負(fù)責(zé)處理數(shù)據(jù)傳輸率并架空數(shù)據(jù)出錯率，從而透明低傳送比特流。Zigbee協(xié)議的物理層完成以下任務(wù)：〔1〕啟動和關(guān)閉RF收發(fā)器?！?〕信道能量檢測?！?〕對接收到的數(shù)據(jù)報進展鏈路質(zhì)量指示LQI〔LinkQualityIndication〕?！?〕為CSMA/CA算法提供空閑信道評估CCA〔ClearChannelAssessment〕?！?〕對通信信道頻率進展選擇?！?〕數(shù)據(jù)包的傳輸和接收。ZigBee的物理層定義了物理信道和MAC層之間的接口，它提供物理層管理服務(wù)和數(shù)據(jù)服務(wù)。物理層管理服務(wù)維護一個物理層相關(guān)數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)庫，物理層數(shù)據(jù)服務(wù)從無線物理信道上收發(fā)數(shù)據(jù)。ZigBee物理層定義了2個工作頻率，分別是2.4GHz頻段和868/915MHz頻段。兩個頻段都基于直接序列擴頻〔DSSS〕，使用的物理層數(shù)據(jù)包格式一樣，兩個頻段之間的區(qū)別在于工作頻率、調(diào)制技術(shù)和傳輸速率。2.4GHz頻段是全球統(tǒng)一的不需要申請的ISM頻段。美國采用的ISM頻段是915MHz，歐洲采用的ISM頻段是868MHz，這兩個頻段的制定防止了2.4GHz頻段附近各種無線通信設(shè)備之間的干擾。ZigBee工作頻段共劃分為27個信道，物理信道分配如圖2-4所示。其中868MHz有1個信道，915MHz有10個信道，2450MHz有16個信道。圖2-4ZigBee工作頻率和數(shù)據(jù)速率比較2.3.4ZigBeeMAC層標(biāo)準(zhǔn)ZigBeeMAC層沿用了傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)中的帶沖突防止的載波多路偵聽訪問技術(shù)CSMA/CA方式，這樣可以提高系統(tǒng)的兼容性。而這種設(shè)計使多種拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用變得簡單化，可實現(xiàn)有效的功耗管理。MAC層完成的具體任務(wù)如下：〔1〕協(xié)調(diào)器產(chǎn)生并發(fā)送信標(biāo)幀?！?〕支持PAN網(wǎng)絡(luò)的關(guān)聯(lián)和取消關(guān)聯(lián)操作?！?〕普通設(shè)備根據(jù)協(xié)調(diào)器的信標(biāo)幀與協(xié)調(diào)器同步?！?〕使用CSMA-CA機制共享物理信道?！?〕為設(shè)備的安全性提供支持?！?〕在兩個對等的MAC實體之間提供一個可靠的數(shù)據(jù)鏈路?！?〕處理和維護時隙保障GTS〔GuaranteedTimeSlot〕機制。ZigBee的MAC層引入了超幀構(gòu)造和信標(biāo)幀的概念。MAC層引入這兩個概念使網(wǎng)絡(luò)管理更加方便。在ZigBee中，我們選用超幀為周期來使LR-WPAN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)設(shè)備之間進展通信。每個超幀是以協(xié)調(diào)器發(fā)出信標(biāo)幀的時候為始，在這個信標(biāo)幀中包含了超幀將要持續(xù)的時間以及如何對這段時間的分配等信息。網(wǎng)絡(luò)中的普通設(shè)備接收到這個信標(biāo)幀后，就可以依據(jù)其中的內(nèi)容安排自己的任務(wù)。MAC層也提供兩種類型服務(wù)：MAC層管理服務(wù)〔MACsub-layermanagemententity，MLME〕和MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)。管理服務(wù)維護一個存儲MAC層協(xié)議相關(guān)信息的數(shù)據(jù)庫，而數(shù)據(jù)服務(wù)保證MAC協(xié)議數(shù)據(jù)單元〔MPDU〕在物理層數(shù)據(jù)服務(wù)中正確收發(fā)。2.3.5ZigBee網(wǎng)絡(luò)層標(biāo)準(zhǔn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)層主要功能包括網(wǎng)絡(luò)連接和斷開時所采用的機制，信息傳輸過程中所采用的安全性機制，以及設(shè)備的路由發(fā)現(xiàn)、維護和轉(zhuǎn)交。并且，網(wǎng)絡(luò)層存儲著鄰居設(shè)備的發(fā)現(xiàn)和相關(guān)節(jié)點的信息。網(wǎng)絡(luò)層要確保MAC層正常工作，還要為應(yīng)用層提供適宜的服務(wù)接口。網(wǎng)絡(luò)層完成的主要功能如下：〔1〕配置新的設(shè)備參數(shù)：網(wǎng)絡(luò)層配置適宜的協(xié)議，比方建設(shè)新的協(xié)調(diào)器并發(fā)起建設(shè)網(wǎng)絡(luò)，或者參加一個已有的網(wǎng)絡(luò)?！?〕建設(shè)網(wǎng)絡(luò)?！?〕連接或者斷開網(wǎng)絡(luò)：網(wǎng)絡(luò)層能提供連接或者斷開網(wǎng)絡(luò)的功能，如果節(jié)點是協(xié)調(diào)器或者是路由器，還可以讓子節(jié)點斷開網(wǎng)絡(luò)。〔4〕分配網(wǎng)絡(luò)地址：如果本節(jié)點是協(xié)調(diào)器或者是路由器，那么為新連接該節(jié)點的子節(jié)點分配網(wǎng)絡(luò)地址。〔5〕鄰居節(jié)點的發(fā)現(xiàn)：網(wǎng)絡(luò)層能發(fā)現(xiàn)和記錄網(wǎng)絡(luò)鄰居信息。〔6〕建設(shè)路由：網(wǎng)絡(luò)層提供路由功能?！?〕控制接收：網(wǎng)絡(luò)層能控制接收器的承受時間和狀態(tài)，以保證MAC層的同步和正常接收等?！?〕產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)包：當(dāng)網(wǎng)絡(luò)層承受到來自應(yīng)用層的數(shù)據(jù)包后，對數(shù)據(jù)包進展解析，然后加上適當(dāng)?shù)木W(wǎng)絡(luò)層包頭向MAC傳輸?！?〕網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞穆酚晒δ埽壕W(wǎng)絡(luò)層提供路由數(shù)據(jù)包的功能，如果數(shù)據(jù)包的目的節(jié)點為本節(jié)點，那么將該數(shù)據(jù)包向應(yīng)用層發(fā)送；如果不是，那么將該數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)給路由表中的下一個節(jié)點。為了向應(yīng)用層提供接口，網(wǎng)絡(luò)層提供了數(shù)據(jù)服務(wù)實體〔NLDE〕和管理服務(wù)實體〔NLME〕兩個功能服務(wù)實體。NLDE通過數(shù)據(jù)實體服務(wù)接入點〔NLDE-SAP〕為應(yīng)用層提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，NLME通過管理實體服務(wù)接入點〔NLME-SAP〕為應(yīng)用層提供網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)。并且，NLME還完成對網(wǎng)絡(luò)信息庫〔NIB〕的維護和管理。2.3.6ZigBee應(yīng)用層標(biāo)準(zhǔn)Zigbee應(yīng)用層包括應(yīng)用支持子層APS、應(yīng)用框架AF、Zigbee設(shè)備對象ZDO。它們共同為各應(yīng)用開發(fā)者提供統(tǒng)一的接口。一、應(yīng)用支持子層APSAPS層定義了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層之間的一個接口。接口服務(wù)由APS數(shù)據(jù)實體〔APSDE〕和APS管理實體〔APSME〕提供。APS層完成的主要功能：〔1〕APS層協(xié)議數(shù)據(jù)單元〔APDU〕的處理?！?〕APSDE提供在同一個網(wǎng)絡(luò)中的兩個或者更多的應(yīng)用實體之間的數(shù)據(jù)通信。它通過APSDE服務(wù)接入點〔APSDE-SAP〕完成；〔3〕APSME提供多種服務(wù)給應(yīng)用對象，這些服務(wù)包含安全服務(wù)和綁定設(shè)備，并維護管理對象的數(shù)據(jù)庫，也就是我們常說的AIB。它通過APSME服務(wù)接入點〔APSME-SAP〕完成。二、應(yīng)用框架AFZigBee中的應(yīng)用框架〔ApplicationFramework〕為駐扎在ZigBee設(shè)備中的應(yīng)用對象提供了活動的環(huán)境，并且為每個應(yīng)用對象傳輸數(shù)據(jù)提供了鍵值對KVP〔KeyValuePairService〕服務(wù)和報文MSG〔GenericMessageService〕服務(wù)兩種服務(wù)。在應(yīng)用框架中，應(yīng)用對象通過APS數(shù)據(jù)實體服務(wù)接入點發(fā)送和承受數(shù)據(jù)。用戶最多可以定義240個相對獨立的應(yīng)用程序?qū)ο?，且任何一個對象的端點編號是在1到240之間。此外有兩個附加的終端節(jié)點是為了APSDE-SAP的使用：端點號0固定用于ZDO數(shù)據(jù)接口；端點241-254保存，留給將來擴展使用；端點255固定用于所有應(yīng)用對象播送數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)接口功能。每一個應(yīng)用都對應(yīng)一個配置文件〔Profile〕，包括設(shè)備ID，事務(wù)集群ID，屬性ID等。AF通過這些信息來決定服務(wù)類型。三、ZigBee設(shè)備對象ZDOZigBee設(shè)備對象〔ZDO〕定義了一個的功能函數(shù)，在應(yīng)用對象、設(shè)備profile和APS之間提供了一個接口。ZDO滿足所有在ZigBee協(xié)議棧中應(yīng)用操作的一般需要，位于應(yīng)用框架和應(yīng)用支持子層之間。它提供以下的功能：〔1〕初始化應(yīng)用支持子層，網(wǎng)絡(luò)層，安全服務(wù)提供者等?！?〕發(fā)現(xiàn)節(jié)點以及節(jié)點功能。在無信標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)中，參加的節(jié)點只對其父節(jié)點可見。而其他節(jié)點可以通過ZDO的功能來確定網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)錁?gòu)造以及節(jié)點所能提供的功能?！?〕網(wǎng)絡(luò)的維護和管理功能?！?〕安全加密管理：主要包括安全密鑰的建設(shè)和發(fā)送，以及安全授權(quán)?！?〕節(jié)點管理：對于網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和路由器，ZDO提供網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測、獲取路由和綁定信息等一系列節(jié)點管理功能?！?〕綁定管理：應(yīng)用支持子層提供綁定的功能，由ZDO提供綁定功能的管理，它確定了綁定表的大小，綁定的發(fā)起和解除等功能。第三章系統(tǒng)的數(shù)據(jù)融合處理3.1數(shù)據(jù)融合的原理及意義3.1.1數(shù)據(jù)融合的原理1973年,美國國防部資助開發(fā)了吉納信號理解系統(tǒng)，該系統(tǒng)是數(shù)據(jù)融合最早的雛形，標(biāo)志著數(shù)據(jù)融合技術(shù)最早在軍事領(lǐng)域出現(xiàn),此后，隨著計算機技術(shù)和通信技術(shù)嚴(yán)密地互相結(jié)合并快速開展，數(shù)據(jù)融合技術(shù)被廣泛應(yīng)用于軍事、民用和科研領(lǐng)域的數(shù)據(jù)處理,并且在數(shù)據(jù)處理的實際應(yīng)用中，數(shù)據(jù)融合技術(shù)得到了極大的開展。數(shù)據(jù)融合技術(shù)是應(yīng)用在數(shù)據(jù)處理方面的多學(xué)科穿插的新技術(shù)，其研宄的內(nèi)容具有多樣性的特點，對從信息源獲得的可用信息可以進展多種綜合處理，并且數(shù)據(jù)融合技術(shù)的分析和決策方法涉及多個知識領(lǐng)域,所以到目前為止，數(shù)據(jù)融合并沒有一個統(tǒng)一的定義，根據(jù)資料，數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以較為貼切的歸納為:數(shù)據(jù)融合技術(shù)是一種信息處理技術(shù)，對按時序獲得的觀測信息，使用計算機在特定準(zhǔn)那么下加以自動分析、綜合,以完成所需的決策和評估任務(wù)。數(shù)據(jù)融合處理的數(shù)據(jù)可以來自多個不同的信息源，對數(shù)據(jù)的處理方法可以來自不同科研領(lǐng)域的不同技術(shù)，數(shù)據(jù)融合的原理可以概括如下:首先，采集觀測目標(biāo)數(shù)據(jù)，即應(yīng)用傳感器等感知技術(shù)獲得最原始的信息或數(shù)據(jù)，采集到的觀測數(shù)據(jù)形式有多種，通常是時間函數(shù)數(shù)據(jù)、輸出矢量、成像數(shù)據(jù)和屬性說明等;其次，提取特征矢量，即對用感知技術(shù)采集到的觀測數(shù)據(jù)進展特征提取，得到感知數(shù)據(jù)的特征矢量，再次，模式識別處理,這一處理過程是針對所獲得的特征矢量進展,該過程采用諸如會聚算法等統(tǒng)計模式識別算法對所獲得的特征矢量進展處理，得到各個傳感器關(guān)于目標(biāo)的目標(biāo)屬性判決，然后關(guān)聯(lián)，關(guān)聯(lián)過程是針對傳感器獲得的數(shù)據(jù)而進展的，針對不同的目標(biāo)，傳感器節(jié)點會獲得不同的數(shù)據(jù)，將所有傳感器采集獲得的數(shù)據(jù)按照統(tǒng)一目標(biāo)分組，這一過程即為關(guān)聯(lián)；最后，數(shù)據(jù)合成，該過程的合成不是簡單的數(shù)據(jù)組合，而是將數(shù)據(jù)進展綜合加工處理的數(shù)據(jù)融合，經(jīng)融合后得到關(guān)于目標(biāo)的一致性解釋與描述。3.1.2數(shù)據(jù)融合的意義本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)采用基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)融合對于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的意義可以表述如下:(1)減少冗余信息，降低能量消耗為了增強采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性并確保整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和魯棒性，無線傳感器節(jié)點需要大量且廣泛的分布于采集區(qū)域內(nèi)，相鄰無線傳感器節(jié)點的采集區(qū)域可能重疊，從而導(dǎo)致相鄰傳感器節(jié)點發(fā)送的信息存在冗余性。曾有學(xué)者計算顯示，傳感器節(jié)點使用無線方式傳輸1比特到100米遠(yuǎn)所消耗的能量可供執(zhí)行3000條指令，在這種情況下會聚節(jié)點并未獲得更多的信息，反而使網(wǎng)絡(luò)消耗了更多的能量，因此，在保證精度的情況下，對傳感器節(jié)點采集到的感知數(shù)據(jù)信息進展融合處理，能夠大大降低無線通信過程中的數(shù)據(jù)傳輸，而處理器進展數(shù)據(jù)計算所消耗的能量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于數(shù)據(jù)在通信過程中消耗的能量，所以在傳感器節(jié)點采集到數(shù)據(jù)之后到發(fā)送數(shù)據(jù)之前進展數(shù)據(jù)冗余處理，可以有效的減少無線傳輸過程中的數(shù)據(jù)傳輸量，到達去除冗余信息、降低能量消耗的目的。(2)提高采集信息的準(zhǔn)確性無線傳感器節(jié)點負(fù)責(zé)采集影響農(nóng)作物生長的環(huán)境參數(shù)信息，由于傳感器節(jié)點存在因成本和體積而導(dǎo)致的精度問題，加之進展數(shù)據(jù)采集時周圍環(huán)境因素的影響以及使用無線通信進展數(shù)據(jù)傳遞時容易受到干擾和破壞，單一傳感器節(jié)點獲得的數(shù)據(jù)信息往往存在不可靠性。使用數(shù)據(jù)融合技術(shù)，對采集同一信息的多個傳感器所釆集到的數(shù)據(jù)進展數(shù)據(jù)融合處理，就可以有效提高所采集信息的精度和準(zhǔn)確性。(3)提高數(shù)據(jù)收集效率對傳感器節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)進展數(shù)據(jù)融合處理，減少了需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，從某種程度上降低了數(shù)據(jù)鏈路過程中的鏈路難度，減少了數(shù)據(jù)在無線通信過程中的沖突碰撞，減輕了網(wǎng)絡(luò)的傳輸擁塞,降低了數(shù)據(jù)的傳輸延遲，有效提高了數(shù)據(jù)收集效率。3.2數(shù)據(jù)融合的分類與方法傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以有不同的分類方式，根據(jù)對傳感器數(shù)據(jù)的融合級別，數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以被分為：像素級融合、特征級融合、決策級融合。上述的數(shù)據(jù)融合方法各有特點，在具體應(yīng)用的過程中應(yīng)該根據(jù)具體數(shù)據(jù)融合的目的和條件選擇適宜的融合方法。在物聯(lián)網(wǎng)的實際應(yīng)用中，三個級別的數(shù)據(jù)融合技術(shù)可以綜合使用。有的應(yīng)用中數(shù)據(jù)形式比較簡單，不需要進展像素級融合，就使用靈活的特征級融合手段，而有的應(yīng)用要處理大量原始數(shù)據(jù)，那么選用像素級融合。一個給定的系統(tǒng)，可能涉及多個級別的數(shù)據(jù)融合技術(shù)。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)過程中，并沒有一種通用的數(shù)據(jù)融合方法，對于傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)融合，總是根據(jù)具體的實際應(yīng)用背景，來選擇相應(yīng)的融合算法。傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合的方法有很多，如圖3-1所示,本文主要介紹幾種常用的數(shù)據(jù)融合方法。圖3-1常見的數(shù)據(jù)融合方法第四章智能農(nóng)場設(shè)計與實現(xiàn)4.1系統(tǒng)總體設(shè)計基于zigbee的智能農(nóng)場設(shè)計系統(tǒng)由無線傳感器數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)和智能監(jiān)測處理中心組成，其體系構(gòu)造如圖4-1所示。無線傳感器數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)的功能是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的組建和感知數(shù)據(jù)的采集，由傳感器節(jié)點在硬件的根基上基于ZigBee無線通信協(xié)議組建Mesh網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點又分為終端節(jié)點、路由器節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點。終端節(jié)點實時采集溫度、濕度、光照強度、二氧化碳濃度等環(huán)境參數(shù),經(jīng)由路由節(jié)點，數(shù)據(jù)以多跳中繼的方式傳達至協(xié)調(diào)器節(jié)點,協(xié)調(diào)器節(jié)點再通過RS-232串口，將數(shù)據(jù)傳至上位機管理系統(tǒng)。智能監(jiān)測處理中心由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和中央計算機兩局部組成，實現(xiàn)了最后的應(yīng)用。首先智能監(jiān)測處理中心負(fù)責(zé)本系統(tǒng)的用戶的管理，實現(xiàn)了對本系統(tǒng)用戶的添加、刪除和査詢操作。其次，負(fù)責(zé)對接收到的數(shù)據(jù)進展存儲、顯示、將數(shù)據(jù)繪制成動態(tài)曲線進展分析，并對環(huán)境參數(shù)進展閾值設(shè)置,當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)不在設(shè)置范圍內(nèi)的時候進展報警提示，從而實現(xiàn)對農(nóng)作物生長環(huán)境的實時監(jiān)測。最后負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)信息的發(fā)布，將Web協(xié)議移植到其中，系統(tǒng)便可以接入到Internet中，實現(xiàn)“底層(傳感器)一Internet網(wǎng)絡(luò)一遠(yuǎn)程監(jiān)控〞的構(gòu)造，能夠?qū)⒄麄€系統(tǒng)的信息發(fā)布到互聯(lián)網(wǎng)上，實現(xiàn)整個互聯(lián)網(wǎng)的訪問。圖4-1智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)整體架構(gòu)圖4.2傳感器節(jié)點的硬件設(shè)計4.2.1硬件設(shè)計方案本文設(shè)計的基于zigbee的智能農(nóng)場設(shè)計系統(tǒng),目標(biāo)是準(zhǔn)確實時的獲取農(nóng)作物生長的環(huán)境信息，通過分析得到環(huán)境變化對農(nóng)作物生長狀況影響的規(guī)律，為科學(xué)研宄提供全面的參，,實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的精準(zhǔn)操作，滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)信息化、智能化的需求。數(shù)據(jù)采集作為本系統(tǒng)工作的第一步，采集到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，是整個系統(tǒng)正常工作的關(guān)鍵。傳感器節(jié)點大量分布在田間，節(jié)點間有一定的距離，采集到的數(shù)據(jù)以無線傳輸?shù)姆绞絺鬟f，如何保證傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)以最低的丟包率進展傳輸是需要考慮的重要問題，同時對于數(shù)量龐大且分布廣泛的傳感器節(jié)點，如何延長傳感器電池的使用時間也是亟需解決的問題。綜合以上種種，本系統(tǒng)的無線傳感器數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點的硬件設(shè)計，主要依據(jù)以下幾個方面:(1)低功耗傳感器節(jié)點以電池供電，能量有限，電池耗盡以后，節(jié)點停頓工作，整個傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)錁?gòu)造要相應(yīng)的變化。因此，如何減少節(jié)點的功耗,延長節(jié)點的壽命，對于整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的穩(wěn)定、高效運行是至關(guān)重要的。(2)優(yōu)良射頻性由于無線信號在空氣中的傳播與通信距離呈指數(shù)關(guān)系衰減，節(jié)點通信距離能夠直接影響到無線通信模塊的發(fā)射功率的消耗,進而引出功耗的問題。因此，節(jié)點間通信距離也是限制無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用旳重要原因。提高節(jié)點的射頻性能可以改善網(wǎng)絡(luò)工作能力，在同等功耗的條件下通信距離增大，具有更強的實用性。(3)微型化傳感器節(jié)點在監(jiān)測區(qū)域要大量部署，為了對目標(biāo)系統(tǒng)本身的特性不構(gòu)成影響并且方便部署，傳感器節(jié)點的體積要盡可能的小。(4)低成本系統(tǒng)中傳感器節(jié)點的數(shù)量龐大且功能簡單，單個節(jié)點的造價能夠極大的影響整個系統(tǒng)的成本。所以，在保證節(jié)點性能的前提下應(yīng)該盡可能的降低單個節(jié)點的成本能夠有效的降低整個系統(tǒng)的成本。(5)可擴展性能夠根據(jù)不同的需要增加不同的功能器件?；谝陨衔妩c要求,本系統(tǒng)中的傳感器節(jié)點硬件設(shè)計成如圖4-2所示的構(gòu)造。圖4-2節(jié)點硬件示意圖CPU局部是傳感器節(jié)點的處理器模塊，也可以稱作是數(shù)據(jù)控制處理模塊，是傳感器節(jié)點的核心模塊，對節(jié)點數(shù)據(jù)處理的算法、節(jié)點的通信算法以及節(jié)點的多任務(wù)處理都是在這局部實現(xiàn)的。外部傳感器模塊包括各種傳感器芯片，實現(xiàn)了對農(nóng)作物生長環(huán)境參數(shù)的感知。JTAG接口輔助完成對芯片的測試和板控程序的下載。按鍵模塊和LED模塊協(xié)同工作，實現(xiàn)對節(jié)點的操作控制以及工作狀態(tài)顯示的功能。無線通信模塊負(fù)責(zé)完成各種控制指令的交互和感知數(shù)據(jù)的傳輸。MAX3232串行通信，直接通過串口線連接計算機，完成數(shù)據(jù)由傳感器節(jié)點向上位機的傳遞。電源供應(yīng)模塊負(fù)責(zé)為整個節(jié)點提供能量。本系統(tǒng)中的終端節(jié)點和路由器節(jié)點包括外部傳感器模塊、處理器模塊、按鍵模塊、LED模塊、JTAG接口、供電模塊和無線通信模塊，協(xié)調(diào)器節(jié)點在此根基上添加了MAX3232串行通信功能。4.2.2處理器模塊作為無線傳感器節(jié)點最重要的模塊，處理器模塊實現(xiàn)了傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)采集過程中的任務(wù)調(diào)度、采集到數(shù)據(jù)之后對感知數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)融合計算、無線通信傳遞數(shù)據(jù)過程中的路由協(xié)議和傳感器節(jié)點其他功能的拓展，處理器的選擇，是整個傳感器節(jié)點硬件設(shè)計的關(guān)鍵。從成本低、外形小、集成度高、功耗低、運行速度快等方面綜合考慮，本系統(tǒng)選擇TI公司的以低功耗著稱的MSP430F5438作為處理器芯片，處理器模塊電路圖如圖4-3所示。MSP430F5438單片機具有如下特點:圖4-3協(xié)調(diào)器RS232電路原理圖(1)超低功耗MSP430F5438單片機,工作電壓為1.8至3.6V，能夠?qū)Ψ逯蹈哌_25MHz的產(chǎn)品實現(xiàn)最低功耗，工作與待機功耗分別為16(HtA/MHz(每兆赫微安)與0.5|aA，0.5nA的RAM操持模式，0.8tiA的實時時鐘模式，6種不同的省電模式,適合應(yīng)用于電池供電的長時間工作場合。超低功耗的架構(gòu)與高靈活的時鐘系統(tǒng)，可以顯著的延長電池使用壽命。(2)強大的處理能力MSP430F5438單片機是具有]6位RISC的CPU，擁有高達]20KB的程序存儲器、16KBRAM存儲容量、三通道直接存儲器存取(DMA)具有豐富的尋址指令,27條內(nèi)核指令,能以極少的代碼量實現(xiàn)多種新型應(yīng)用。(3)系統(tǒng)工作穩(wěn)定MSP430F5438單片機在IMHz的時鐘下運行，含有16個中斷源,使用靈活，只需6us就可以用中斷請求將CPU喚醒,保證代碼的實時性。看門狗可以產(chǎn)生復(fù)位信號保證程序的正常運行，同時CPU中含有16個存放器和常數(shù)發(fā)生器,有效的保證了處理器的代碼效率。數(shù)字控制的振蕩器(DCO)可將器件從低功耗模式迅速喚醒，在少于6m的時間內(nèi)激活。(4)豐富的片內(nèi)外設(shè)MSP430F5438單片機含有諸如數(shù)控振蕩器(DCO)、晶體振蕩器、看門狗定時器、乘法器、A/D轉(zhuǎn)換器、串行通信接口等豐富的片內(nèi)組件以及諸如射頻(R)、USB、加密和LCD接口等集成外設(shè)。除集成各種智能外，各種高性能模擬與數(shù)字外設(shè)可以大幅度減少CPU的工作量。4.2.3外部傳感器模塊無線傳感器數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點要對影響農(nóng)作物生長的環(huán)境信息進展采集,采集的信息包括農(nóng)作物生長環(huán)境中的溫度、濕度、光照強度、二氧化碳濃度。從量程、精度、供電電壓以及功耗等方面綜合考慮，在外部傳感器模塊中，我們選擇SHT10溫濕度傳感器進展環(huán)境溫度和濕度的采集，選擇TSL2560光照強度傳感器進展環(huán)境光照強度的采集，選擇GSSCZO-SK紅外二氧化碳(C02)傳感器進展環(huán)境中二氧化碳濃度的采集。下面對每一種傳感器進展分別介紹。(1)SHTK)溫濕度傳感器SHT10是瑞士Sensirion公司推出的一款數(shù)字溫濕度傳感器芯片，具有高度集成、超低功耗、高精度、尺寸小、測量范圍寬、抗干擾能力強等特點。SHT10芯片內(nèi)部集成了14位A/D轉(zhuǎn)換器,且采用數(shù)字信號輸出,具有極高的可靠性與長期穩(wěn)定性。(2) TSL2560光照強度傳感器TSL2560是TAOS公司推出的支持串行總線接口SMBus的光照強度傳感器，是一種光-數(shù)字轉(zhuǎn)換器，內(nèi)含光電探測器和A/D轉(zhuǎn)換器,能將光強轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出，具有高速、低功耗、寬量程、可編程靈活配置的特點。TSL2560的輸入工作電壓為2.5V至5.5V之間，可以測量范圍在OLux至38000LUX之間的光照強度,能夠自動抑制50Hz/60Hz的光照波動，具有1.25mmxl.75mm超小封裝,在低功耗模式下,功耗僅為0.75mW。(3) GSSCZO-SK紅外二氧化碳(C02)傳感器GSSCZO-SK是一種采用了NDIR紅外技術(shù)的固態(tài)光電傳感器，在進展二氧化碳濃度采集的同時還可以進展溫度補償，非常適用于溫度和二氧化碳同時測量的環(huán)境。GSSCZO-SK具有體積小、使用時間長、強穩(wěn)定性等特點。4.2.4無線通信模塊對于系統(tǒng)來說,能否將數(shù)據(jù)準(zhǔn)確傳輸關(guān)系到整個系統(tǒng)的性能,而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量與無線通信模塊的性能息息相關(guān)，我們選擇射頻芯片CC2520和射頻放大前端CC2591作為無線通信模塊的主要組成局部。CC2520是被業(yè)內(nèi)廣泛應(yīng)用的射頻收發(fā)器，也是TI公司旗下非常著名的產(chǎn)品，可以提供最先進的工業(yè)級應(yīng)用，CC2520可以在-4(rC至+125°C溫度范圍內(nèi)正常工作，具有非常優(yōu)秀的承受靈敏度和共存性能，有極好的連接性能和非常優(yōu)越的鏈路估計，工作電源電壓范圍為1.8V至3.8V，可低電壓工作,CC2520的特性如圖4-4所示。圖4-4CC2520的特性CC2591是TI公司推出的2.4GHz射頻前端,能夠通過提高輸出功率的功率放大器和增強接收靈敏度的LNA(低噪聲放大器)來增加鏈路預(yù)算，從而顯著增加無線系統(tǒng)的覆蓋范圍。CC2591含有PA(功率放大器)、LNA、幵關(guān)、射頻匹配和不平衡變壓器,可以與TI所有的射頻收發(fā)器和片上系統(tǒng)解決方案相結(jié)合。CC2591具有可連接到TI射頻器件的無縫接口、高達22dBm的輸出功率、斷電時僅lOOnA等特性，能夠通過HGM引腳數(shù)字控制LAN增益，所以CC2591廣泛應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、無線消費類電子系統(tǒng)以及IEEE802.15.4和ZigBee?系統(tǒng)中,CC2591模塊框圖如圖4-5所示。圖4-5CC2591模塊框圖MSP430F5438微處理器與射頻芯片CC2520是以主從控制模式工作的，二者的接口電路如圖4-6所示。圖4-6無線通信模塊與處理器模塊連接圖MSP430F5438微處理器作為主機，射頻芯片CC2520作為從機，主機通過SPI編程來控制從機。從機的SFD、FIFO、FIFOP和CCA4個引腳表示數(shù)據(jù)的收發(fā)狀態(tài),主機通過CSn片選引腳控制數(shù)據(jù)收發(fā)的同步性，采取識別從機FIFO等管腳狀態(tài)的方式完成數(shù)據(jù)的收發(fā)操作，從機中含有各種功能的存放器,主機對這些存放器的操作可以完成從機工作狀態(tài)的設(shè)置。4.3傳感器節(jié)點的軟件設(shè)計4.3.1節(jié)點軟件開發(fā)環(huán)境本系統(tǒng)傳感器節(jié)點軟件幵發(fā)環(huán)境選擇了瑞典IARSystem公司推出的IAREmbeddedWorkbench(IAREW)，IAREW的C/C++穿插編譯器和調(diào)試器是當(dāng)今包容性最強、代碼繼承能力最大且效率非常高的代碼開發(fā)框架,它的功能非常強大，在Windows環(huán)境下，不僅可以支持C/C++代碼的幵發(fā),同時可以實現(xiàn)各種應(yīng)用工程的管理。IAREW對不同的微處理器提供一樣的直觀用戶界面，目前己支持35種以上的8位、16位和32位ARM的微處理器機構(gòu)。4.3.2Z-Stack協(xié)議找研究ZigBee2007/PRO協(xié)議找是TI公司基于ZigBee2007協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)的協(xié)議找，支持TI的MSP430等低功耗微處理器及新一代ZigBee芯片CC2520，該協(xié)議棧以半幵源的形式開放，以庫形式出現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)層可以提供全功能的API函數(shù)集，用戶可以根據(jù)自己的需要修改底層驅(qū)動，方便于程序員的開發(fā)。Z-Stack協(xié)議棧由多個文件夾中的內(nèi)容組成，每個文件夾中內(nèi)容的功能不同且各個文件夾屬于不同的層次，Z-Stack協(xié)議棧軟件目錄及其功能分布如圖4-7所示。圖4-7Z-Stack目錄構(gòu)造及功能分布4.3.3網(wǎng)絡(luò)組建本系統(tǒng)所實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)是基于ZigBee協(xié)議的無線Mesh網(wǎng)絡(luò)(ZigBee-WMNs)，該網(wǎng)絡(luò)中有3種類型的設(shè)備,ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee路由器和ZigBee終端設(shè)備。ZigBee協(xié)調(diào)器是啟動和配置網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，同時協(xié)調(diào)器可以與網(wǎng)絡(luò)以外的設(shè)備進展通信，起到網(wǎng)關(guān)的作用，一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)只允許有一個協(xié)調(diào)器，ZigBee路由器是負(fù)責(zé)路徑發(fā)現(xiàn)和路由維護的設(shè)備，可以釆集數(shù)據(jù)，同時完成路由的工作，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和樹形網(wǎng)絡(luò)可以有多個路由器，星型網(wǎng)絡(luò)不支持路由器，ZigBee終端設(shè)備負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的釆集和簡單的控制，本系統(tǒng)中的終端節(jié)點只能完成數(shù)據(jù)采集和返回數(shù)據(jù)的工作，一個網(wǎng)絡(luò)中可以有多個終端設(shè)備。網(wǎng)絡(luò)組建流程如圖4-8所示。網(wǎng)絡(luò)組建過程如下:圖4-8網(wǎng)絡(luò)組建流程(1)協(xié)調(diào)器組建網(wǎng)絡(luò)節(jié)點首先要翻開電源供電,供電后完成系統(tǒng)的初始化才可以建設(shè)網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器建設(shè)網(wǎng)絡(luò)必須滿足如下條件:節(jié)點具有ZigBee協(xié)調(diào)器功能且沒有參加到其他網(wǎng)絡(luò)中。所以協(xié)調(diào)器建設(shè)網(wǎng)絡(luò)要檢測節(jié)點是否滿足上述條件，不滿足條件的節(jié)點發(fā)起的建網(wǎng)進程會被網(wǎng)絡(luò)層管理實體終止，建網(wǎng)失敗。滿足條件的節(jié)點會執(zhí)行信道掃描，信道掃描包括能量掃描和主動掃描兩個過程，用戶首先對指定的物理層所有默認(rèn)的信道進展能量掃描,獲得每一個信道的能量值,按照能量值由小到大的順序?qū)⑦@些信道排列，能量值超出允許范圍的信道被棄用，接著對允許范圍內(nèi)的信道執(zhí)行主動掃描，找到可以組建新網(wǎng)絡(luò)的信道，該信道通常是當(dāng)前時刻存在網(wǎng)絡(luò)數(shù)目最少的信道。掃描過程中如果找不到可以組建網(wǎng)絡(luò)的信道，要通知上層網(wǎng)絡(luò)建設(shè)失敗，繼續(xù)掃描；如果掃描到適宜的信道,協(xié)調(diào)器需要配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。網(wǎng)絡(luò)管理實體會為新的網(wǎng)絡(luò)選擇一個小于等于Ox3fff且不等于Oxffff的PAN描述符(PANID),PANID在所選信道內(nèi)是唯一的，如果沒有符合條件的PANID，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)失敗;選定PANID后,網(wǎng)絡(luò)管理實體會為協(xié)調(diào)器選擇16位的網(wǎng)絡(luò)地址。配置好網(wǎng)絡(luò)參數(shù)后,協(xié)調(diào)器啟動并運行網(wǎng)絡(luò)，運行網(wǎng)絡(luò)的同時等待其他設(shè)備參加網(wǎng)絡(luò)。(2)路由器和終端設(shè)備參加網(wǎng)絡(luò)路由器和終端節(jié)點上電并完成系統(tǒng)初始化后，同樣要執(zhí)行信道掃描，通過信道掃描發(fā)現(xiàn)信道中存在的網(wǎng)絡(luò)，并接收包含PANID在內(nèi)的信標(biāo)巾貞，信標(biāo)巾貞信息包括信標(biāo)設(shè)備的地址、是否允許連接以及信標(biāo)凈載荷，如果信標(biāo)凈載荷域里的協(xié)議ID與自己的協(xié)議ID一樣，設(shè)備會將匹配的信標(biāo)帕的相關(guān)信息保存。信道掃描完成后,根據(jù)掃描到的網(wǎng)絡(luò)的描述符,設(shè)備會選擇一個網(wǎng)絡(luò)參加。設(shè)備會向協(xié)調(diào)器發(fā)送入網(wǎng)請求，得到協(xié)調(diào)器的允許后,路由器和終端設(shè)備參加網(wǎng)絡(luò)。4.3.4數(shù)據(jù)傳輸數(shù)據(jù)能夠高效的傳輸是網(wǎng)絡(luò)程序開發(fā)的最終目的。本系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)從被采集到最終被傳至上位機，數(shù)據(jù)的傳輸經(jīng)歷了如下四個過程:(1)終端節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)圖4-9終端節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)流程終端節(jié)點采集到數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)進展數(shù)據(jù)融合以后，就要發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送數(shù)據(jù)時，首要按照協(xié)議中規(guī)定的頓形式構(gòu)建帕數(shù)據(jù)，頓數(shù)據(jù)包括頓頭和帖內(nèi)容,其中帖頭包括傾類型、源地址、目的地址、PAN、CLUSTERID等信息,巾貞內(nèi)容包括環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)和電池電壓值等。然后對信道進展偵聽,檢測到信道空閑便立即啟動SPI總線驅(qū)動進展數(shù)據(jù)的發(fā)送。終端節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)的流程如圖4-9所示。(2)路由節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)當(dāng)路由節(jié)點接收到一個數(shù)據(jù)包以后，該數(shù)據(jù)包首先要經(jīng)過MAC層和NWK層的解析以確定該包的目的地址,解析出的目標(biāo)地址決定路由節(jié)點的下一步操作，如果解析出的目的地址與該路由節(jié)點的節(jié)點地址一樣，路由節(jié)點會將數(shù)據(jù)包翻開進展數(shù)據(jù)處理;如果數(shù)據(jù)包的目的地址不是本節(jié)點，路由節(jié)點此時的功能即為轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù),路由節(jié)點要分析出下一跳節(jié)點地址，將數(shù)據(jù)發(fā)給下一跳節(jié)點。路由節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)流程如圖4.10所示。圖4-10路由點消息轉(zhuǎn)發(fā)流程(3)協(xié)調(diào)器節(jié)點接收數(shù)據(jù)圖4-11協(xié)調(diào)器節(jié)點接收數(shù)據(jù)流程ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點或者路由器節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)層必須保證無論什么時候接收機總是處于接收狀態(tài)。協(xié)調(diào)器節(jié)點接收到數(shù)據(jù)以后，SFD被觸發(fā),管腳由低電平變成高電平，進而觸發(fā)IRQ中斷，中斷服務(wù)程序會調(diào)用相關(guān)的函數(shù)進展接收數(shù)據(jù)的處理,經(jīng)過處理后,數(shù)據(jù)會被交由ZigBee協(xié)議棧的MAC層進展進一步處理。協(xié)調(diào)器節(jié)點接收數(shù)據(jù)的流程如圖4-11所示。(4)協(xié)調(diào)器節(jié)點將數(shù)據(jù)上傳至上位機協(xié)調(diào)器節(jié)點通過UART與上位機進展數(shù)據(jù)和控制指令的交互。交互程序幵始以后，協(xié)調(diào)器首先要對UART進展相應(yīng)的初始化：使能UART，規(guī)定起始位、停頓位、奇偶校驗位和流控制方式，同時翻開UART的收發(fā)中斷設(shè)置數(shù)據(jù)長度和數(shù)據(jù)通信波特率。初始化完成以后，當(dāng)有數(shù)據(jù)收發(fā)任務(wù)時，協(xié)調(diào)器節(jié)點就可以執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序，向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)或接收上位機發(fā)出的控制指令。協(xié)調(diào)器節(jié)點通過UART與上位機進展數(shù)據(jù)和控制指令的交互流程如圖4-12所示。圖4-12UART收發(fā)數(shù)據(jù)流程4.4智能農(nóng)場處理中心的設(shè)計與實現(xiàn)智能農(nóng)場處理中心是系統(tǒng)的核心局部，其架構(gòu)如圖4-13所示。在該局部中，用戶可以登錄進入本系統(tǒng)進展節(jié)點環(huán)境參數(shù)查看、設(shè)備運行狀況查詢以及各種綜合管理，整個系統(tǒng)通過Tomcat服務(wù)器在線發(fā)布，用戶可以在任何一臺與Internet相連的PC機上登錄本系統(tǒng)進展數(shù)據(jù)査詢和系統(tǒng)管理。智能監(jiān)測處理中心中設(shè)計了多個為用戶服務(wù)的模塊,具體介紹如下:圖4-13智能農(nóng)場處理中心(1)用戶