无线通信技术在我国现代温室中的应用研究毕业论文(编辑修改稿)

无线通信技术在我国现代温室中的应用研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

展至今大约经历了五个阶段 ： 传感器 变送器 I/O 接口板 驱动电路 执行机构 监控程序 工业控制计算机 数字量 开关量 黄河科技学院毕业设计说明书 第 8 页 第一阶段为 20 年代初至 50 年代初，主要用于舰船及军用，采用短波频及电子管技术，至该阶段末期才出现 150 MHzVHF 单工汽车公用移动电话系统 MTS。 第二阶段为 50 年代到 60 年代，此时频段扩展至 UHF450MHz，移动通信设备器件已向半导体过渡，大都为移动环境中的专用系统，并解决了移动电话与公用电话网的接续问题。 第三阶段为 70 年代初至 80 年代初频段扩展至 800 MHz，美国贝尔研究所提出了蜂窝系统概念并于 70 年代末进行了 AMPS 试验。 第四阶段为 80 年代初至 90 年代末，为第二代数字移动通信兴 起与大发展阶段，并逐步向个人通信业务方向迈进。 第五阶段为 90 年代末至今，随着数据通信与多媒体业务需求的发展，适应移动数据、移动计算及移动多媒体运作需要的第三代移动通信开始兴起并得到应用，从而加速推进了全球移动标准化工作，使得样机研制和现场试验得到了蓬勃发展。 科学技术发展日新月异，现代通信技术迅速向农业领域渗透。 从比较成熟、应用广泛的有线通信方式，到近年迅速兴起的无线通信方式，现代化通信方式在各个领域都体现出其重要性。 信息社会，人们对各种信息的获取方式、获取速度以及如何将获取的信息进行最快捷、安全、有效的 传输等方面，展开了广泛深入的研究，各种新技术、新理论不断被应用于新的领域。 温室作为农业生产中现代化程度较高的重要领域，随着技术发展对管理水平也提出了更高的要求。 温室环境信息获取与传输技术以及在线监测需要运用适宜的现代通信手段来实现。 按通信技术传输介质的不同可分为有线和无线两种方式。 有线通信方式具有设备互操作性强、系统可靠性高、抗干扰能力强等优点。 而温室环境湿度高、酸性大、光照强会导致线缆的老化，降低系统的可靠性。 此外传感器与执行机构数量多且分散，导致线缆纵横交错，作物变更时需重新布置，导致系统安装与维护成 本增加。 无线通信方式以组网灵活无需布线等优点在温室局域范围内采用，将各种检测装置、执行机构以及控制器连接起来，实现对温室环境等各项参数的自动检测和控制，应用在环境恶劣的条件下将是非常有意义的 [14]。 黄河科技学院毕业设计说明书 第 9 页 2 无线通信技术及其在我国现代温室中的应用 无线通信常见形式有微波通信、短波通信、移动通信、卫星通信、散射通信和激光通信等。 摆脱物理连接的束缚，不通过电缆实现设备间的互连和信息的传输，成为通信技术研究热点，使得无线通信的需求越来越大，出现了许多无线通信协议。 无线通信技术由近距离、点对点传输的红外技术，到短距 离、点对多点个人局域网，如蓝牙和 ZigBee，到中距离、多 hop 无线局域网，到长距离的便携式电话系统，如 GSM/GPRS 和 CDMA等，不同种类的技术随着需求的不同而不断发展完善，形成了巨大的市场潜力 [14]。 根据通信距离，无线通信技术分为短距离无线通信技术和长距离无线通信技术 [15]。 短距离传输技术 近年来，随着无线个域网 (wireless personal area works，简称 WPAN)的升温，短距离无线数据业务迅速膨胀呈现巨大发展潜力。 实现短距离无线通信的主要技术有蓝牙(Bluetooth)、 WiFi(wireless fidelity)、红外线 (IrDA)、 ZigBee 等 [16]。 蓝牙及其应用现状 蓝牙技术诞生于 1994 年， Ericsson 当时决定开发一种低功耗、低成本的无线接口，以建立手机及其附件间的通信；蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范，是一种近距离无线通信标准，目的是取代数据电缆，实现电子设备之间低功耗、低成本、短距离的无线连接 [17]。 该标准由爱立信、 IBM、诺基亚、英特尔和东芝于 1998 年 5 月共同推出。 蓝牙是一个开放性的、近距离无线通信 技术标准，以低成本的近距离无线连接为基础，其标准版本是 ，工作在全球通用的 ISM 频段，有效范围大约在半径 10m内，采用跳频扩频技术、时分复用多路访问技术和 3 种方式的差错控制技术。 基于蓝牙技术的设备有主设备和从设备之分。 主设备负责设定跳频序列，从设备必须与主设备保持同步。 在组网方式上，通过主设备与从设备可以形成一点到多点的连接，即在主设备周围组成一个微网 (Pico)，网内任何从设备均可与主设备通信，但任何时刻一个主设备同时最多只能与网内的 7 个从设备进行通信。 其优点是功 耗低、实现简单；但蓝牙技 黄河科技学院毕业设计说明书 第 10 页 术遭遇的最大障碍是过于昂贵，突出表现在芯片大小和价格难以下调、抗干扰能力不强、传输距离太短、信息安全问题等。 专家认为蓝牙的应用规模制约着蓝牙的发展 [18, 19]。 蓝牙技术也同样引起农业领域的关注。 杜辉等人在单栋温室中将蓝牙技术用于连接各种检测装置、执行机构以及控制器，各个温室之间采用 CAN 总线相连，构成一种分布式温室群的环境监控系统，实现了对温室环境参数的自动检测和控制管理 [6]。 ZigBee 及其应用现状 ZigBee()技术是一种近几年才兴 起的短距离无线网络通信技术，采用跳频技术和扩频技术。 其特点主要有： ① 功耗低。 传输电流最低可达 30mA 以下，采用休眠模式 ,发射功率仅为 1mW，仅靠两节 5 号电池就可以维持长达 6 个月到 2 年左右的使用时间。 ② 成本低。 ZigBee 工作在免使用费的频段 ，芯片价格约 1 美元。 ③ 近距离。 传输范围一般在 10~100m 之间，在增加 RF 发射功率的情况下，相邻节点的距离可以达到 1~3 km，再通过路由器间的通信接力，可以传输更远。 ④ 网络容量大。 一个ZigBee 网络可以容纳最多 254 个节点，且一个区域内可以同时存在 200 多 个 ZigBee 网络，从而满足了如温室中越来越多的传感器和执行器的应用需求。 ⑤ 通信可靠。 采用了碰撞避免机制，同时为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。 MAC 层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。 ⑥ 网络的自组织、自愈能力强。 ⑦ 低时延。 ZigBee 的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需 15ms，节点连接进入网络只需 30ms。 ⑧ 数据安全。 ZigBee提供了基于循环冗余校验 (CRC)的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证，采用了AES128 的加 密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。 ZigBee 技术的局限性在于其数据传输速率低，在 20~250kb/s 之间，不能满足实时或高速数据传输的要求 [14, 18, 19]。 近几年来， ZigBee技术在温室中的应用十分广泛。 ZhangQian等人设计了基于 ZigBee技术的温室无线监测和控制系统 [20]，该系统已经平稳运行于浙江省丽水市农业科学研究院的现代温室中。 孙学岩开发了一种基于 ZigBee 无线传感器网络的温室测控系统 [21]，并在山东省寿光市蔬菜种植基地日光温室中进行了实验，测试系统中的中心控制节点和传感器节点组成星形网络，系统测试数据传输准确、可靠，数据丢失率为 0。 陈克克等人设计了一种基于 ZigBee 协议的带扩展板的无线传感器节点，并在西北农林科技大学示范大棚进行了网络测试实验，系统采用树状拓扑结构，覆盖面积较大，当终端节点距 黄河科技学院毕业设计说明书 第 11 页 离协调器较远时，通过多跳路由方式实现数据的传递 [22]。 ZigBee 技术的应用，有效推动了温室产业发展。 WiFi 及应用现状 WiFi（ 无线高保真）也是一种无线通信协议。 的最初规范是在 1997 年提出的。 主要目的是提供 WLAN 接入，也是目前 WLAN 的主要技术标准，工作频率。 流行几个版本包括 “a”（ 波段 518GHz 带宽为 54Mb/s） 、 “b”（ 波段214GHz 带宽为 11Mb/s） 、 “g”（ 波段 214GHz 带宽为 22Mb/s） ，规定了协议的物理 (PHY)层和媒体接入控制 (MAC)层，并依赖 TCP/IP 作为网络层。 这种复杂性为用户选择标准化无线平台增加了困难。 由于其优异的带宽是以大功耗为代价的，导致设备功耗非常高，一般只能坚持数小时，这一特点限制了它的推广应用。 虽然随着带有网络接口的智能传感器不断出现，能够解决其开发难、复 杂等问题，但会直接导致其成本的提高 [14]。 综合考虑 WiFi 的优劣性，认为其目前不适合在温室中广泛应用。 RFID 及应用现状 RFID（ 射频识别 ） 是一种非接触式的自动识别技术 [23]。 最基本的 RFID 系统由标签(Tag)、阅读器 (Reader)和天线 (Antenna)三部分组成，在实际应用中还需要其他硬件和软件的支持 [18]。 通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，结合有效的数据库系统及网络体系，可以实现全球范围内物品的跟踪与信息共享。 和传统的条形码技术相比，RFID 技术具有识别工作无须人 工干预、批量远距离读取、对环境要求低、使用寿命长、数据可加密、存储信息可更改等优点。 RFID 技术已经成功的应用于动物养殖的溯源系统中，为食品安全以及物流系统提供了现代化的手段。 但是尚未见在温室生产中应用。 依据畜禽舍养殖中对猪、牛、鸡等饲养时采取的在耳朵上加电子标签的实例，可以将该方式应用于温室蔬菜、果品栽培中。 将作物生长条件相似的小块区域标记电子标签，在使用机器人进行精确灌溉、果实成熟度判断中将极大提高判断精度，提高工作效率。 “十一五 ”期间，国家 863 计划拨专款一亿两千八百万元支持 RFID 项目，将食品溯源 系统一直延续到作物生长过程 [14]。 IrDA 及应用现状 黄河科技学院毕业设计说明书 第 12 页 IrDA（ 红外线数据协会 ） 标准是利用红外线进行点对点通信的技术 [24]。 IrDA 无线设备传输速率已逐步发展到 4Mb/s、 16Mb/s。 目前，支持它的软硬件技术都很成熟，在小型移动设备 （ 如 PDA、手机 ） 上被广泛使用。 它具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用、成本低廉的特点。 IrDA 用于网络上的最大问题在于只能在 2 台设备之间连接，并且存在有视距角度等问题。 杜松怀等人将红外通信技术应用于动物身份识别系统 [25]，依据此思想也 可将其用于温室作物的识别、监测系统中。 与 RFID 技术相比， “红外编码通信 ”技术具有以下优点：抗噪声能力强，发送、接收之间完全电气隔离，信号传输过程不存在频率资源分配及电磁兼容问题，红外信号很难窃取；但同时也存在某些问题，譬如，有源供电模式影响应答器的使用寿命且会增加产品重量，另外红外设备只能用于生产现场的信息传输，但不能满足目前对产品生产、加工和销售全程信息跟踪，不具备后续过程的延续性。 长距离传输技术 短距离传输方式适合于小范围的数据传输与局域网的组建。 而对于远程的数据交换、在线监测就必须使用长距 离通信方式。 常见的长距离通信方式有 GSM、 GPRS、CDMA 三种方式。 具体系统中要选择哪种通信方式取决于用户的实际需要，包括对实时性的要求、终端的数量、通信频繁程度而定。 GSM 及其应用现状 GSM 是当前应用十分广泛的移动电话标准。 其系统包括 GSM 900 MHz， GSM 1800 MHz 及 GSM 1900 MHz 等几个频段。 GSM 无线移动网络覆盖范围广，技术成熟，保密性好，数据传输不受距离的限制。 短消息业务 (short message service， SMS)是 GSM 网络的基本业务，利用无线控 制信道进行传输，性能稳定 [28]。 GSM 在温室数据远程传输中的应用也较普遍。 如孙玉梅等人研制了 GSM 手持仪，通过该仪器将传感器所测得的温室参数以短消息形式传送给管理人员，实现了对温室的实时控制等功能 [26]。 卫勇等人设计了基于 GSM 短信模块的温室环境远程监测系统。 实验证明， SMS 对于少量数据的远距离传输是一种经济有效的方法 [27]。 GPRS 及其应用现状 黄河科技学院毕业设计说明书 第 13 页 GPRS 是 “ 通用分组。