基于zigbee的

无线网络技术大作业专业通信工程班级12级通信工程（专升本）姓名王华迎学号201202080005成绩基于Zigbee在农业环境监测中的应用1.1标准协议：无线传感器标准已经发展出关键的设计要求低功率消耗。这项标准定义了对于传感器节点到不同网络接口的必要功能和协议。这些标准中有些包括IEEE802.15.4,无线个域网技术,IEEE802.15.3,短距离无线通信技术。以下段落更为详细的描述了这些标准。IEEE802.15.4:IEEE802.15.4是针对低速无线个域网制定的标准，针对低成本，低复杂度，低功耗。IEEE802.15.4是为无线传感器应用制定的，要求在小范围内实现电池寿命的最大化。这项标准支持基于星型和对等网络拓扑结构的网络设备间的通信，设备在星拓扑与中央控制器的通信在对等网络拓扑特设和自我设置的网络可以形成。基于IEEE802.15.4标准设计的设备支持物理层和数据链路层协议。物理层支持865/915MHZ低带宽和2.4GHZ高带宽。数据链路层使用载波侦听冲突检测机制控制访问无线网络。数据链路层也负责数据帧的验证，帧传输，网络接口，网络同步，设备兼容，保护设备。使用IEEE802.15.4协议的无线传感器应用包括民用住宅，工业，环境监测，控制自动化。Zigbee基于IEEE802.15.4低速无线个域网的标准定义了高层通信协议，Zigbee技术是一项简单，低成本，低功率，嵌入式应用方面的无线通信技术，Zigbee设备可以可以组成网状网络，实现将成百上千的设备连在一起。Zigbee设备使用低功率，一个电池可以使用很多年。这里有三种类型的Zigbee设备：zigbee协调器，zigbee路由器，zigbee终端设备。协调器是网络组成的成员，可以储存信息，实现网路间互联。路由器将多组设备联系在一起，提供不同设备间跳跃式通信。终端设备由传感器，制动器，控制器，可以收集数据，只能和路由器或者协调器进行通信。Zigbee协议在2005年6月正是提出使用。WirelessHART标准提供了一种无线网络协议，这种协议可以实现过程衡量和控制应用。这项标准是基于IEEE802.15.4低功率、2.4GHZ频率而制定的。WirelessHART标准与所有的设备，工具和系统兼容。WirelessHART标准是可靠的，安全的，节能的。支持网状网络，跳跃式网络，同步信息传输。网络通信安全，具有加密，审核，密钥管理机制。功率管理机制使得无线网络设备更加节能。WirelessHART标准的设计支持网状网络，星型网络，和联合网络拓扑结构。一个WirelessHART网络由无线现场设备，网关，过程自动控制，主机应用，和网络管理组成。无线现场设备与过程或者工厂设备连接，网管使得无线设备之间的通信和不同主机之间的通信成为可能。这个过程自动化控制器作为一个单一的持续过程控制器。网络管理器可以配置网路并实现设备之间的相互通信。网络管理也对路由，和网络流量进行管理。网络管理器可以被集成到网关,主机应用程序,或者过程自动化控制器。WirelessHART标准在2007年9月已经被应用到工业，不久将被用于商业。ISA100.11a是为低数据速率无线检测和过程自动应用而制定的。它定义了规格的OSI层，安全和系统管理。标准的重点能耗低、可扩展性、基础设施、鲁棒性、互用性和其他无线设备。ISA100.11a网络使用只有2.4兆赫的广播频道增加可靠性和减少跳的干扰。支持网状和星型拓扑结构。ISA100.11a也提供简单、灵活，可伸缩行的安全功能。基于ipv6的低速无线个域网使得ipv6数据包在网络中的通信成为可能。基于IP协议低功耗设备可以和IP设备直接进行通信。应用6LoWPAN，低功耗设备可以体现所有IP通信和管理的优越性。6LoWPAN标准提供了一个自适应层，新的数据包封装格式和地址管理方法。因为IPV6的数据包要比适应层应用的基于IEEE802.15.4框架的大好多。这种适应层提供了头部压功能，所以可以创建小的数据包以适应IEEE802.15.4的格式。地址管理机制可以出炉通信时的地址管理。6LoWPAN是为了需要进行网络通信的低比特率的设备设计的。IEEE802.15.3是高比特率WPAN物理层和MAC层的协议。是为了支持实时多媒体视频和音频数据流而设计的。IEEE802.15.3在2.4GHZ视频信号下支持从11Mbps到55Mbps的数据流。这个标准是运用时分多址来保障服务的质量的。它支持同步异步数据转发、地址功耗、大数据熟虑、频率性能。这个标准在无线对讲，便携视频电子产品、无线游戏、无绳电话、打印机和电视机应用很广泛。Wibree是为低功耗，短距离、廉价的设备而开发的无线通信技术。它允许小型电源驱动的设备和蓝牙设备进行通信。包括手表、无线键盘、连接到个人电脑和蜂窝系统的运动传感器。Wibree在5-10m的传输距离内2.4GHZ频率下支持1Mbps的传输速率。它是为了同蓝牙设备协同工作开发的，从而使得设备小型化并且具有更高的电源效率。他们运用了现有的蓝牙射频技术和低功耗技术。这一标准是在2006年10月份发布的。1.2温室环境监测的系统设计传统农业只使用孤立和没有沟通能力的机器和设备。农民们必须自己亲自监控作物的生长。即使有些人用电气设备，但他们中大多只限于控制计算机和终端设备的简单通信，此终端设备像传感器而不是像线相连接的传感器，严格上说不能被定义为无线传感器网络。因此，通过使用传感器网络和Zigbee，农业可能变得更加自动化，更加的网络化和智能化。在这个项目中，我们要在温室的地下室部署五种传感器。通过这些部署的传感器，如温室的温度，土壤温度，露点，湿度和光照强度的参数可以实时检测。它的关键是从各种不同的传感器来收集不同的参数。而在温室，监测蔬菜的长势是首要问题。因此，延长电池的寿命，减小数据速率和降低复杂度是非常重要的。从上述关于Zigbee的介绍，我们知道Zigbee满足了可靠性，安全性，低成本，低功耗的要求。近年来，温室大棚种植为提高人们的生活水平带来极大的便利，得到了迅速的推广和应用。种植环境中的温度、湿度、光照度、CO2浓度等环境因子对作物的生产有很大的影响。传统的人工控制方式难以达到科学合理种植的要求，目前国内可以实现上述环境因子自动监控的系统还不多见，而引进国外具有多功能的大型连栋温室控制系统价格昂贵，不适合国情。针对目前大棚发展的趋势，提出了一种大棚智能监控系统的设计。根据大棚智能监控的特殊性，需要传输大棚现场参数给管理者，并把管理者的命令下发到现场执行设备，同时又要使上级部门可随时通过互连网或者手机信息了解区域大棚的实时状况。A、系统概述温室环境监测系统是由一个接收器节点（协调器），许多传感器节点，工作站和数据库组成的。莫特节点和传感器节点共同组成了每个收集节点。当传感器参数进行实时采集，如温室温度，土壤温度，露点，湿度和光照强度，这些数据将提供给的A/D转换器，然后透过量化和编码成为数字信号，它能通过无线传感器通信节点传送。每个无线传感器通信节点有传送和接收的能力。在这种传感器网络中，传感器节点部署在温室，它可以采集实时数据和通过多跳方式传送数据到接收器节点（协调器）。接收器节点完成了数据分析和贮存的任务。同时，接收器节点与GPRS/CDMA连接可以提供远程控制和数据下载服务。在监控室通过运行温室管理软件，接收器节点可以定期收到来自无线传感器节点和在监视器上显示这些数据。B、节点的硬件设计传感器节点是无线传感器网络的基本单位。硬件平台是由密切相关的具体应用要求的传感器节点组成的。因此，最重要的工作是节点设计，可以完美执行无线传感器网络的传送和监测功能，，并体现了Zigbee的技术特点。图4显示了无线传感器网络节点的普遍结构。电源模块为传感器节点提供了必要的能量。数据采集模块被用来接收和转换传感器的信号。数据处理和控制模块的功能是节点设备控制，任务调度，能量计算等。通讯模块被用来在节点与频率选择之间传送数据等。数据采集模块传感器模拟/数字转换器数据处理和控制模块中央处理器内存通信模块zigbee转换单元电源模块图4无线传感器网络节点的通用结构在数据传输单元，Zigbee模块是嵌入式的用来相匹Zigbee协议的MAC层和NET层。我们选择CC2430作为zigbee协议的芯片，它把CPU，射频收发器，网络协议和RAM集合在一起。CC2430运用一个8比特的微控制器（8051），并具有128KB可编程闪存和8KB的RAM。它还包括A/D转换，某些计时器，AES128协处理器，看门狗定时器，32K的晶体休眠模式定时器，上电复位，掉电检测和21个I/O操作系统。基于主芯片、为Zigbee协议提供许多模块。在那些模块的基础上Zigbee传输单元可以很容易地被设计出来。以一个集成温度、湿度和光照的传感器终端设备为例，设计如图5所示。图5传感器节点的硬件设计该SHT11是一种相对于湿度和温度的多传感器模块包括校准的数字输出的单芯片。它可以测试土壤温度和湿度。DS18B20的数字温度传感器，它有3个引脚，并且数据引脚可以直接连接MSP430。它可以检测温室的温度。TCS320是一种数字光传感器。DS18B20和TCS320SHT11,都是数字传感器具有体积小、功耗低的特点。其他传感器节点可以通过改变传感器获得。传感器节点由供电板载电池供电，协调器还允许通过跳线由外部电源跳线确供电。C、节点的软件设计应用系统由一个协调器和几个终端设备组成。每个代码的一般结构是相同的，一个主循环后初始化。协调器软件流程，经协调器开始，应用程序的第一步是硬件，液晶，栈和应用程序变量的初始化并且开放中断。然后，一个网络将被格式化。如果这个网络已被格式化成功，一些网络信息，如物理地址，网络ID，通道号，将会显示在液晶显示屏上。然后，程序将进入应用层和监测Zigbee信号。如果有终端设备或路由器想要加入这一网络，液晶显示屏将显示此信息，并显示了应用节点的物理地址，协调员将分配一个网络地址到该节点。如果节点已加入了这个网络，数据由此节点传送，将由协调器接收，并且显示在液晶显示器上。一个传感器节点软件流程，当每个传感器节点被打开或者在遇到任何航标后一个正在被寻找的协调器被检测到时，它会扫描所有频道。然后执行同步和连接。一旦完成连接，传感器节点便会进入阅读传感器和输出包含节点数据框架的定期循环、如果发送成功，终端设备将进入空闲状态，相反，它会再次收集数据并且发送到协调器，直到发送成功。D、温室监控软件的设计我们用VB语言为测试来构建一个界面，这温室传感器网络的软件，可以安装任何基于Windows操作系统。它有4个对话框选择：设置控制条件，设置定时器，设定相关参数，并显示当前的状态。通过设置一些参数，它可以执行与港口沟通的功能，数据收集和数据浏览。1.3重点概述当前国家的最先进的传感器技术提供了一个设计和开发多种类型的无线传感器应用的一个解决方案，在附录A中对已经存在的可用传感器做出了总结。现有的传感器技术市场包括通用（多用途）节点和网关节点（桥）。通用（多用途）传感器节点的任务是采取从监测的环境中进行测量。等网关节点（桥），它可以配备各种设备，它可以测量各种物理属性，如光照，温度，湿度，气压，速度，加速度，声学，磁场，从通用传感器收集数据，并转达他们到基站。网关节点具有更高的处理能力，电池电源，传输（广播）的范围。通用和网关节点的组合是典型的部署，形成了无线传感器网络。为了使无线传感器应用传感器技术，任务范围可以大致分为三类，如图1第一组是系统。每个传感节点是一个独立系统，以支持不同的应用软件，开发新的平台，操作系统和存储计划是必要的。第二组是通信协议，这使的应用程序和传感器之间实现相互通信。它们还使传感器节点之间的通信。最后一组是服务，以提高应用程序和改善服务系统的性能和网络效率。从应用需求和网络管理的角度，传感器节点能够自我组织起来这一点是很重要的。也就是说，传感器节点可以组织成一个网络，随后是能够有效控制和管理自己。由于传感器节点在功率方面受到限制，处理容量