基于物联网的现代农业大棚实时监控方案

基于物联网的现代农业大棚实时监控方案基于物联网的现代农业大棚实时监控方案基于物联网的现代农业大棚实时监控方案基于物联网的现代农业大棚实时监控方案（SLANRF-SLANRF-SLANRF-SLANRF-WSNA2.0WSNA2.0WSNA2.0WSNA2.0）-2-一、引言适宜的温度、湿度、空气质量、光照强度、土壤成分等是与农作物生存、生长息息相关的基本环境参数，在现代农业大棚生产中，大棚内环境的监测与控制有着十分重要的意义。但是，目前常用的温、湿度测控系统大多存在至少两大缺点：1、需要大量的连线才能把现场传感器信号送到采集卡上，布线施工麻烦，成本也高。2、线路上传送的是模拟信号易受干扰和损耗。如何来解决上述问题？目前最理想的解决方案是基于物联网技术的ZigBee无线传感网解决方案，这个系统不需要现场布线，单节点的成本相对布线方案更低，也不会存在线路上的信号损耗。二、无线传感网概述网关——负责建立和管理网络以及与PC机通信，向网络传达PC机发送的控制命令及把网络中的请求反馈给PC路由——负责连接整个网络及中继数据和指令终端——负责目标控制和数据采集，也可能负责本地数据处理-3-三、ZigBeeZigBeeZigBeeZigBee与无线传感网（WSNWSNWSNWSN）1111、无线传感器网络特征、无线传感器网络特征、无线传感器网络特征、无线传感器网络特征�规模大、密度高�自组织�拓扑变化�多跳路由�安全性差�分布式事实上是对无线网络技术提出的新要求2222、短程无线网络技术、短程无线网络技术、短程无线网络技术、短程无线网络技术无线传感网是应用相关性网络，是一种应用中产生和发展的技术，所以不同的应用领域使用不同的网络技术实现，目前实现WSN的主要技术在于中短程无线通讯技术：ZigBee（802.15.4）、Wi-Fi（802.11）、BlueTooth、UWB等针对广义的WSN应用理论及目前众多实际使用场合的特点，以上三种技术中应用最广、开发成本最低的是基于ZigBee技术的无线传感网络实现。�动态性强�应用相关�以数据为中心�可靠性低�节点能力受限-4-3333、、、、ZigBeeZigBeeZigBeeZigBee无线网络技术无线网络技术无线网络技术无线网络技术IEEEIEEEIEEEIEEE802.15.4802.15.4802.15.4802.15.4ZigBee协议使用IEEE802.15.4规范作为介质访问层（MAC）和物理层（PHY）。IEEE802.15.4总共定义了3个工作频带：2.4GHz、915MHz和868MHz。每个频带提供固定数量的信道。例如，2.4GHz频带总共提供16个信道（信道11-26）、915MHz频带提供10个信道（信道1-10）而868MHz频带提供1个信道（信道0）。协议的比特率由所选择的工作频率决定。2.4GHz频带提供的数据速率为250kbps，915MHz频带提供的数据速率为40kbps而868MHz频带提供的数据速率为20kbps。由于数据包开销和处理延迟，实际的数据吞吐量会小于规定的比特率。IEEE802.15.4MAC数据包的最大长度为127字节。每个数据包都由头字节和16位CRC值组成。16位CRC值验证帧的完整性。此外，IEEE802.15.4还可以选择使用应答数据传输机制。使用这种方法，所有特殊ACK标志位置1的帧均会被它们的接收器应答。这就可以确定帧实际上已经被传递了。如果发送帧的时候置位了ACK标志位而且在一定的超时期限内没有收到应答，发送器将重复进行固定次数的发送，如仍无应答就宣布发生错误。注意接收到应答仅仅表示帧被MAC层正确接收，而不表示帧被正确处理，这是非常重要的。接收节点的MAC层可能正确地接收并应答了一个帧，但是由于缺乏处理资源，该帧可能被上层丢弃。因此，很多上层和应用程序要求其他的应答响应。网络配置ZigBee无线网络可采用多种类型的配置。星型网络配置由一个协调器节点（主设备）和一个或多个终端设备（从设备）组成。协调器是实现了一组很多ZigBee服务的一种特殊的全功能设备（FullFunctionDevice，FFD）。终端设备可能是FFD或简化功能设备（RFD）。RFD是最小而且最简单的ZigBee节点。它只实现了一组最少的ZigBee服务。在星型网络中，所有的终端设备都只与协调器通信。如果某个终端设备需要传输数据到另一个终端设备，它会把数据发送给协调器，然后协调器依次将数据转发到目标接收器终端设备。除了星型网络之外，ZigBee还可以采用点对点网络、群集或网状（mesh）网络配置。由于群集和网状网络具有在多个网络之间路由数据包的功能，因而被称为多跳网络，而星型网络则被称为单跳网络。和任何网络一样，ZigBee网络也是多点接入网络，这意味着网络中的所有节点对通信介质的访问是同等的。有两种类型的多点接入机制。在没有使能信标的网络中，只要信道是空闲的，在任何时候都允许所有节点发送。在使能了信标的网络中，仅允许节点在预定义的时隙内进行发送。协调器会定期以一个标识为信标帧的超级帧开始发送，并且希望网络中的所有节点与此帧同步。在这个超级帧中为每个节点分配了一个特定的时隙，在该时隙内允许节点发送和接收数据。超级帧可能还含有一个公共时隙，在此时隙内所有节点竞争接入信道。-5-网络关联ZigBee网络可以是ad-hoc网络，即可以根据需要组建或不组建新的网络。在星型网络配置中，终端设备在可以执行任何数据传输之前将总是搜索网络。新的网络首先由协调器建立。启动时，协调器会搜索附近的其他协调器，如果没有找到协调器，它就会建立一个自己的网络并选择一个惟一的16位PANID。一旦新网络建立，就会允许一个或多个终端设备与此网络相关联。具体是允许还是不允许新关联由协调器决定。一旦组建了网络，就可能由于物理更改而发生多个网络重叠和PANID冲突。在这种情况下，协调器会启动PANID冲突解决过程并且会有一个协调器将更改其PANID和/或信道。受到影响的协调器会指示它所有的终端设备进行必要的更改。Microchip协议栈的当前版本不支持PANID冲突解决。根据系统需求，协调器会在非易失性存储器中存储所有网络关联，称为邻接表。为了连接到网络，终端设备可能执行孤立通知过程来查找先前与之关联的网络或者执行关联过程来加入一个新网络。在执行孤立通知过程的情况下，协调器将通过查找其邻接表来识别先前与之关联的终端设备。一旦关联到网络，终端设备就可选择通过执行解除关联过程与该网络解除关联。如果需要的话，协调器本身也会启动解除关联过程来强制节点离开网络。Microchip协议栈的当前版本支持新的关联和孤立通知过程。它仅支持由终端设备启动的离开网络过程。协议栈架构Microchip协议栈是采用C语言编写的，可用MPLABC18和Hi-TechPICC-18编译器进行编译。源文件会自动根据所使用的编译器进行必要的更改。Microchip协议栈设计为仅在MicrochipPIC18F系列单片机上运行。Microchip协议栈使用内部闪存程序存储器来存储可配置的MAC地址、网络表和绑定表。因此，必须使用可自编程的闪存存储器单片机。如果需要的话，可以修改非易失性存储器（NVM）程序来支持任何其他类型的NVM而不使用可自编程的单片机。此外，该协议栈旨在在PICDEMZ演示板上运行。但是，它可很容易地移植到任何使用兼容单片机的硬件中。协议栈层Microchip协议栈根据ZigBee规范的定义将其逻辑分为多个层。实现每个层的代码位于一个独立的源文件中，而服务和应用程序接口（ApplicationProgrammingInterfaces，API）则在头文件中定义。协议栈的当前版本不实现安全层。每个层为紧接着的上一层定义一组容易理解的函数。要实现抽象性和模块性，顶层总是通过定义完善的API和紧接着的下一层进行交互。特定层的C头文件（如zAPS.h）定义该层所支持的所有API。必须切记，用户应用程序总是与应用编程支持（ApplicationProgrammingSupport，APS）层和应用层（ApplicationLayer，APL）交互。由每层提供的很多API都是简单的C语言宏，调用下一层中的函数。此方法可以避免与模块化相关的典型开销。协议栈APIMicrochip协议栈-6-由很多模块组成。典型的应用程序总是与应用层（APL）和应用支持子层（APS）接口。但是，如果需要的话，也可以简单地将应用程序与其他模块接口并且/或者根据需要对它们进行自定义。以下部分仅提供对APL和APS模块的详细API描述。如果需要的话，可以在它们各自的头文件中了解其他模块的API详细信息。如需最新信息，可以参考实际的源文件。应用层（APL）APL模块提供高级协议栈管理功能。用户应用程序使用此模块来管理协议栈功能。zAPL.c文件实现了APL逻辑，而zAPL.h文件定义APL模块支持的API。用户应用程序将包含zAPL.h头文件来访问其API。ZigBeeZigBeeZigBeeZigBee特性可靠：采用了碰撞避免机制，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竞争和冲突；节点模块之间具有自动动态组网的功能，信息在整个ZigBee网络中通过自动路由的方式进行传输，从而保证了信息传输的可靠性。ZigBee的媒体接入控制层（MAC层）采用talk-when-ready的碰撞避免机制。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。时延短：针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。通常时延都在15毫秒至30毫秒之间。网络容量大：可支持达65000个节点。安全：ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用通用的AES-128。高保密性：64位出厂编号和支持AES-128加密。数据传输速率低：只有10k字节/秒到250k字节/秒，专注于低传输应用。功耗低：在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月到2年，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。这也是ZigBee的支持者所一直引以为豪的独特优势。成本低：因为ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。且ZigBee协议免收专利费。优良网络拓扑能力：ZigBee具有星、树和网状网络结构的能力。ZigBee设备实际上具有无线网路自愈能力，能简单地覆盖广阔围。有效范围大：有效覆盖范围10～75米之间(通过功放可在低功耗条件实现1000米以上通信距离)，具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定，基本上能够覆盖普通家庭或办公室环境。工作频段灵活：使用的频段分别为2.4GHz(全球)、868MHz(欧洲)及915MHz(美国)，均为免执照频段。ZigBee技术和RFID技术在2004年就被列为当今世界发展最快，市场前景最广阔的十大最新技术中的两个。今后若干年，将是ZigBee技术飞速发展的时期。ZigBee已成为事实上的无线传感网通信技术标准。ZigBeeZigBeeZigBeeZigBee（802.15.4802.15.4802.15.4802.15.4）芯片组单芯片无线收发机：CC2420、CC2520、MJ2440…无线单片机（SoC）：CC2430/2431、CC2530/2531、MC13224、ZIC2410、EM250…CC2430/CC2431是一颗真正的系统芯片(SoC)CMOS解决方案。这种解决方案能够提高性能并满足以ZigBee为基础的2.4GHzISM波段应用对低成本，低功耗的要求。它结合一个高性能2.4GHzDSSS(直接序列扩频)射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器。CC2430/CC2431芯片延用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用1