基于zigbee的智能温室数据采集系统毕业设计(编辑修改稿)

基于zigbee的智能温室数据采集系统毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

的开发环境，以及软件方面的功能。 第 5章 简单阐述了该系统的测试和调试过程。 第 6章 简单说明了我在设计过程中的个人心得以及遇到问题的总结。 齐齐哈尔大学毕业设计 (论文 ) 5 第 2章 智能温室系统技术概述 Zigbee 概述 Zigbee 是基于 标准的低功耗局域网协议。 根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。 这一名称来源于蜜蜂的八字舞， [3]由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡” (zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信。 其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。 主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。 简而言 之， ZigBee 就是一种便宜的、低速率和低功耗的近距离无线组网通讯技术。 (WPN:Wireless Personal Area Network)制定的标准，该工作组成立于 2020 年 12 月，致力于定义一种廉价的，固定、便携或移动设备使用的，低复杂度、低成本、低功耗、低速率的无线连接技术，并于 2020 年 12 月通过了第一个 标准。 随着无线传感器网络技术的发展，无线传感器网络的标准也得到了快速的发展。 标 准定义了在个人区域网中通过射频方式在设备间进行互连的方式与协议，该标准使用避免冲突的载波监听多址接入以方式作为媒体访问机制，同时支持星型与对等型拓扑结构。 在 标 准中指 定了 两个物 理频段 和的 直接扩 频序 列物理 层频段 :868/915MHz 和 的直接序列扩频 (DSSS)物理层频段。 的物理层支持空气中 250kb/s 的速率，而 868/915MHz 的物理层支持空气中 20kb/s 和 40kb/s 的传输速率。 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。 作为支持低速率、低功耗 、短距离无线通信的协议标准， 在无线电频率和数据率、数据传输模型、设备类型、网络工作方式、安全等方面都做出了说明。 并且将协议模型划分为物理层和媒体接入控制层两个子层进行实现。 Zigbee 体系结构 ZigBee 技术与蓝牙类似，是新兴的短距离无线通信技术。 它的优势在于它是一种低功耗、低速度、低成本的无线通信技术， [4]因此在很多领域上都可应用。 ZigBee技术的体系结构主要包括 Application Layer 应用层、 Network Layer 网络层、 MAC Layer媒体接入控制层、 PHY Layer 即物理层，其结构如图 21 所示： 齐齐哈尔大学毕业设计 (论文 ) 6 图 21 ZigBee技术体系结构图 ZigBee 能够使用的频段有 3 个，它们分别为美国的 915 MHz 频段、欧洲的 868 MHz 频段以及 GHz 的 ISM 频段 GHz 的 ISM 频段，不同频段对应可使用的信道分别是 16 个。 在中国采用的频段是 GHz 频段（免申请和免使用费的频段）。 采用直接序列扩频技术 DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum)，它 的传输距离介于 10m 与 75 m 之间，这样能够增加 RF 发射功率，使其高达 500 m。 它的传输速率为 20 到 250 kb/s，对于传感器数据采集和控制的传输有一定优势。 ZigBee 技术具有强大的组网能力，可以形成星型网状网、树型网状网和 MESH 网状网。 星状网络结构主要负责网络中设备的初始和维护工作，它主要由 ZigBee 协调器来控制网络。 星状网中用于直接和协调器进行通信的其它设备叫做终端设备。 在树状和网状网络中，网络和选择网络主要参数是 ZigBee 协调器主要负责形成的，然后再通过路由节点扩张到网络。 星型网络拓扑 其中星状网络拓扑结构图如图 22 所示。 齐齐哈尔大学毕业设计 (论文 ) 7 图 22星型网络拓扑结构图 星状网络拓扑结构是这样形成的。 首先，为作为网络的 PAN 主协调器，应选择一个具有全功能的设备（ FFD），然后再由它来建立一个新的网络，以此来确定该网络的唯一的一个 PAN 标识符，即 PANID 号。 在每个星状网络中， PAN 主协调器只能是唯一的，因而每个星型网络的通信对于当前其他星型网络来说，都是独立的，所以，为保网络的唯一性，应该选择一个新的 PANID 号，这一特点是 Zi gBee 技术所特有的。 当新的网络由协调器建立了以后， [5]其他的各种设备也就可以加入到这个网络之中，用来做为这个星状网络的予节点。 目前，星状网络拓扑结构的优点是其结构简单、实现起来比较容易等，因此它被大量应用在远程监测和控制上。 星状网络结构的简单，主要可以从紧需要执行很少的上层协议、对路由功能的控制相对容易等方面来体现，并且，最重要的是，它方便管理。 管理工作大部分都是由 PAN 协调器来完成的。 但是，它也存在缺陷，那就是只能实现简单的网络，所以在大规模组网的场合里是无法应用的，如果通信中遇到某个节点断开，对其他 节点的通信会造成一定程度上的影响，从而无线网络的覆盖范围也会因此而受到限制了，同时，星状网络拓扑结构的高密度的扩展也很难实现。 树状网络拓扑 树状网络拓扑的结构如图 23 所示，协调器和路由器都属于 FFD 设备， RFD 为终端设备。 终端设备节点的特点是它只能与自己的父节点进行通信。 齐齐哈尔大学毕业设计 (论文 ) 8 图 23 树状网络拓扑结构图 网状网络拓扑 网状网络是一个自由设计的拓扑结构，它的网络优点是自愈能力很强。 其中网络中的所有节点都具有重新路由选择的能力，都是 FFD 设备，因此在网状网络中，节点间的通讯路径并不唯一。 网状网络拓扑结构的适宜环境为比较复杂的环境。 网络中的每个节点都是一个小的路由器， [6]都具有重新路由选择的能力，以确保网络最大限度的可靠性，可以看出网络中任意两个节点的通信路径不是唯一的。 网形拓扑与星形、树形相比，更加复杂，其路由拓扑是动态的，不存在一个固定的路由模式。 这样信息传输的时间更加依赖瞬时网络连接质量，因而难以预计。 Zigbee 的协议栈研究 ZigBee 协议结构前面已经有所介绍，下面将分别具体介绍。 物理层 物理层的 任务是通过无线信道进行安全、有效的数据通信，同时为 MAC 层提供数据和管理服务。 物理层的主要功能有：休眠和激活射频收发器、选择通信信道、对当前信道进行能量检测、指示链路质量、清除信道评估以及无线数据的收发等等。 (1)工作频段和数据速率： ZigBee 工作在 ISM(Industrial Scientific and Medical)频段，即工业、科学、医学频段，该频段为免付费、免申请的无线电频段。 在该频段上， ZigBee 定义了三个工作频段，分别为： 2． 4GHz 频段和 91 5／ 868MHz 频段。 其中 2． 4GHz 是全球通用的 ISM 频段，有 16 个信道，数据传输速率为 250kbps，采用齐齐哈尔大学毕业设计 (论文 ) 9 的是 16 相位正交调制技术 [7](qOffset Quadrature Phase． Shift Keying， OQPSK)；915MHz 是北美的 ISM 频段，有 10 个信道，数据传输速率为 40kbps； 868MHz 是欧洲的 ISM 频段，有 1 个信道，数据传输速率为 20kbps， 915／ 868MHz 采用的是带有二进制移相键控 (Binary PhaseShift Keying ， BPSK) 的直接序列扩频 (Direct SequenceSpread Spectrum， DSSS)技术。 在我国使用的是 的频段。 (2)物理层帧结构格式 ：物理层协议数据单元 (PHY Protocol Data Unit， PPDU)I扫用于数据流同步的同步包头 (Synchronization Header， SHR)、带有帧长度信息的物理层包头 (PHYHeader， PHR)以及含有 MAC 层数据帧的载荷组成的。 MAC 层 MAC 层的主要功能包括：协调器设备产生网络信标；与网络协调器产生的信标进行同步； PAN 无线链路的建立、维护和断开；支持设备的安 全性；信道接入采用冲突兔碰撞载波监听多址接入 (Carrier Sense Multiple Access with Collision Aviodance，CSMA— CA)机制；预留时隙管理；在对等的 MAC 实体中提供一个可靠的链路等等。 如图 24 所示， MAC 层通过两个服务接入点 (Service Access Point， SAP)为它提供两种不同的 MAC 层服务。 即通过 MAC 层公共部分予层 SAP(MAC Common Part SublayerSAP,MCPSSAP)为它提供数据照务；通过 MAC 层管理实 体 SAP(MAC subLayer Management EntitySAP,MLMESAP)为它提供管理服务。 这两种服务为服务协议汇聚层 (Service Specific Converence Sublayer,sscs)和物理层之间提供了一个接口，这个接口通过物理层中的数据服务 SAP(PHY DataSAPPDSAP)和管理实体服务SAP(PhysicalLayer Management EntitySAP,PLMESAP)来实现的。 除了这些外部的接1:3 之强，在 MLME 和 MCPS 之闻还有一 个隐含的接豳，该接口使得 MLME 可以使用 MAC 的数据服务。 MAC 管理实体 图 24 MAC 层参考模型 MAC 公共部分子层 MAC 层个 域信息库 物理层管理实体 物理层数据服务 接入点 MAC 公共部分子层 MAC 公共部分子层 齐齐哈尔大学毕业设计 (论文 ) 10 网络层 网络层 (Network layer,NWK)主要负责网络拓扑结构的建立、维护、命名以及绑定等服务，并且它们协同完成寻址、路由和安全等这些必需服务。 图 25 描述了网络层的构成部分及其各部分接口。 图 25 网络层参考模型 网络层的主要功能有两个：一个是提供一些可以让 MAC 子层正常工作的函数；另一个是为应用层提供合适的服务接口。 其中，为了给应用层提供接口，网络层需要包含两个服务实体来提供必要的一些功能。 这两 [9]个服务实体分别为数据服务实体和管理服务实体。 网络层数据实体 (NWK layer data entity,NLDE)通过它相关的服务接入点 NLDE． SAP 来提供数据传输服务；网络层管理实体 (NWK layer management entity,NLME)通过它相关的服务接入点 来提供管理服务。 NLME 会利用NLDE 来完成一些管理工作，同时维护网络信息库 (Network Information Base,NIB)。 如图 24 所示，网络层分别通过 MCPSSAP 和 MLMESAP 为 MAC 子层提供接口，通过 NLDESAP 和 NLMESAP 为应用层提供接口。 除了这些外部接口之外，网络层在 NLME 和 NLDE 之间还有一个隐含的接口，允许 NLME 使用网络层的数据服务。 网络层功能描述： ZigBee 网络层 主要负责无线通信中网络节点的连接和断开、路由机制的选择以及网络地址的分配等等。 基于 ZigBee 协议的通信网络中，所有的设备都必须有以下三种功能，具体包括：加入网络、离开网络和重新加入网络功能。 此外， ZigBee 网络协调器和路由器还应该具备以下功能： (a)允许终端节点以如下方式加入网络，包括：通过 MAC 层的连接指示命令、通过应用层的连接请求命令以及重新加入请求命令； NLDESAP 网络层数据实体 MLMESAP MCPSSAP 网络层管理实体 NLMESAP 齐齐哈尔大学毕业设计 (论文 ) 11 (b)允许终端节点以如下方式离开网络，包括：通过网络层发送主动断开命令帧和应用层的离开请求命令； (c)参与逻辑网络地址的分配工作； (d)进 行维护邻居设备表工作。 最后， ZigBee 协调器还应该具备建立一个新网络的功能，同时路由器以及终端节点在一个网络中应提供轻便支持。 应用层 ZigBee 应用层 (Application Layer,APL)主要包括应用支持子层 (Application Support SubLayer,APS)、 ZigBee 设备应用以及 ZigBee 设备对象。 下面将依次做简要介绍。 应用支持子。