【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 展至今大約經(jīng)歷了五個(gè)階段 ： 傳感器 變送器 I/O 接口板 驅(qū)動(dòng)電路 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 監(jiān)控程序 工業(yè)控制計(jì)算機(jī) 數(shù)字量 開(kāi)關(guān)量 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 8 頁(yè) 第一階段為 20 年代初至 50 年代初，主要用于艦船及軍用，采用短波頻及電子管技術(shù)，至該階段末期才出現(xiàn) 150 MHzVHF 單工汽車(chē)公用移動(dòng)電話(huà)系統(tǒng) MTS。 第二階段為 50 年代到 60 年代，此時(shí)頻段擴(kuò)展至 UHF450MHz，移動(dòng)通信設(shè)備器件已向半導(dǎo)體過(guò)渡，大都為移動(dòng)環(huán)境中的專(zhuān)用系統(tǒng)，并解決了移動(dòng)電話(huà)與公用電話(huà)網(wǎng)的接續(xù)問(wèn)題。 第三階段為 70 年代初至 80 年代初頻段擴(kuò)展至 800 MHz，美國(guó)貝爾研究所提出了蜂窩系統(tǒng)概念并于 70 年代末進(jìn)行了 AMPS 試驗(yàn)。 第四階段為 80 年代初至 90 年代末，為第二代數(shù)字移動(dòng)通信興 起與大發(fā)展階段，并逐步向個(gè)人通信業(yè)務(wù)方向邁進(jìn)。 第五階段為 90 年代末至今，隨著數(shù)據(jù)通信與多媒體業(yè)務(wù)需求的發(fā)展，適應(yīng)移動(dòng)數(shù)據(jù)、移動(dòng)計(jì)算及移動(dòng)多媒體運(yùn)作需要的第三代移動(dòng)通信開(kāi)始興起并得到應(yīng)用，從而加速推進(jìn)了全球移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)化工作，使得樣機(jī)研制和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到了蓬勃發(fā)展。 科學(xué)技術(shù)發(fā)展日新月異，現(xiàn)代通信技術(shù)迅速向農(nóng)業(yè)領(lǐng)域滲透。從比較成熟、應(yīng)用廣泛的有線(xiàn)通信方式，到近年迅速興起的無(wú)線(xiàn)通信方式，現(xiàn)代化通信方式在各個(gè)領(lǐng)域都體現(xiàn)出其重要性。信息社會(huì)，人們對(duì)各種信息的獲取方式、獲取速度以及如何將獲取的信息進(jìn)行最快捷、安全、有效的 傳輸?shù)确矫?，展開(kāi)了廣泛深入的研究，各種新技術(shù)、新理論不斷被應(yīng)用于新的領(lǐng)域。 溫室作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中現(xiàn)代化程度較高的重要領(lǐng)域，隨著技術(shù)發(fā)展對(duì)管理水平也提出了更高的要求。溫室環(huán)境信息獲取與傳輸技術(shù)以及在線(xiàn)監(jiān)測(cè)需要運(yùn)用適宜的現(xiàn)代通信手段來(lái)實(shí)現(xiàn)。按通信技術(shù)傳輸介質(zhì)的不同可分為有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)兩種方式。有線(xiàn)通信方式具有設(shè)備互操作性強(qiáng)、系統(tǒng)可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。而溫室環(huán)境濕度高、酸性大、光照強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致線(xiàn)纜的老化，降低系統(tǒng)的可靠性。此外傳感器與執(zhí)行機(jī)構(gòu)數(shù)量多且分散，導(dǎo)致線(xiàn)纜縱橫交錯(cuò)，作物變更時(shí)需重新布置，導(dǎo)致系統(tǒng)安裝與維護(hù)成 本增加。無(wú)線(xiàn)通信方式以組網(wǎng)靈活無(wú)需布線(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)在溫室局域范圍內(nèi)采用，將各種檢測(cè)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及控制器連接起來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境等各項(xiàng)參數(shù)的自動(dòng)檢測(cè)和控制，應(yīng)用在環(huán)境惡劣的條件下將是非常有意義的 [14]。 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 9 頁(yè) 2 無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)及其在我國(guó)現(xiàn)代溫室中的應(yīng)用 無(wú)線(xiàn)通信常見(jiàn)形式有微波通信、短波通信、移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信、散射通信和激光通信等。擺脫物理連接的束縛，不通過(guò)電纜實(shí)現(xiàn)設(shè)備間的互連和信息的傳輸，成為通信技術(shù)研究熱點(diǎn)，使得無(wú)線(xiàn)通信的需求越來(lái)越大，出現(xiàn)了許多無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議。無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)由近距離、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸?shù)募t外技術(shù)，到短距 離、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)個(gè)人局域網(wǎng)，如藍(lán)牙和 ZigBee，到中距離、多 hop 無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)，到長(zhǎng)距離的便攜式電話(huà)系統(tǒng)，如 GSM/GPRS 和 CDMA等，不同種類(lèi)的技術(shù)隨著需求的不同而不斷發(fā)展完善，形成了巨大的市場(chǎng)潛力 [14]。根據(jù)通信距離，無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)分為短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)和長(zhǎng)距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù) [15]。 短距離傳輸技術(shù) 近年來(lái)，隨著無(wú)線(xiàn)個(gè)域網(wǎng) (wireless personal area works，簡(jiǎn)稱(chēng) WPAN)的升溫，短距離無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)迅速膨脹呈現(xiàn)巨大發(fā)展?jié)摿?。?shí)現(xiàn)短距離無(wú)線(xiàn)通信的主要技術(shù)有藍(lán)牙(Bluetooth)、 WiFi(wireless fidelity)、紅外線(xiàn) (IrDA)、 ZigBee 等 [16]。 藍(lán)牙及其應(yīng)用現(xiàn)狀 藍(lán)牙技術(shù)誕生于 1994 年， Ericsson 當(dāng)時(shí)決定開(kāi)發(fā)一種低功耗、低成本的無(wú)線(xiàn)接口，以建立手機(jī)及其附件間的通信；藍(lán)牙技術(shù)是一種無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)與語(yǔ)音通信的開(kāi)放性全球規(guī)范，是一種近距離無(wú)線(xiàn)通信標(biāo)準(zhǔn)，目的是取代數(shù)據(jù)電纜，實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備之間低功耗、低成本、短距離的無(wú)線(xiàn)連接 [17]。 該標(biāo)準(zhǔn)由愛(ài)立信、 IBM、諾基亞、英特爾和東芝于 1998 年 5 月共同推出。藍(lán)牙是一個(gè)開(kāi)放性的、近距離無(wú)線(xiàn)通信 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以低成本的近距離無(wú)線(xiàn)連接為基礎(chǔ)，其標(biāo)準(zhǔn)版本是 ，工作在全球通用的 ISM 頻段，有效范圍大約在半徑 10m內(nèi)，采用跳頻擴(kuò)頻技術(shù)、時(shí)分復(fù)用多路訪(fǎng)問(wèn)技術(shù)和 3 種方式的差錯(cuò)控制技術(shù)?；谒{(lán)牙技術(shù)的設(shè)備有主設(shè)備和從設(shè)備之分。主設(shè)備負(fù)責(zé)設(shè)定跳頻序列，從設(shè)備必須與主設(shè)備保持同步。在組網(wǎng)方式上，通過(guò)主設(shè)備與從設(shè)備可以形成一點(diǎn)到多點(diǎn)的連接，即在主設(shè)備周?chē)M成一個(gè)微網(wǎng) (Pico)，網(wǎng)內(nèi)任何從設(shè)備均可與主設(shè)備通信，但任何時(shí)刻一個(gè)主設(shè)備同時(shí)最多只能與網(wǎng)內(nèi)的 7 個(gè)從設(shè)備進(jìn)行通信。其優(yōu)點(diǎn)是功 耗低、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單；但藍(lán)牙技 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 10 頁(yè) 術(shù)遭遇的最大障礙是過(guò)于昂貴，突出表現(xiàn)在芯片大小和價(jià)格難以下調(diào)、抗干擾能力不強(qiáng)、傳輸距離太短、信息安全問(wèn)題等。專(zhuān)家認(rèn)為藍(lán)牙的應(yīng)用規(guī)模制約著藍(lán)牙的發(fā)展 [18, 19]。 藍(lán)牙技術(shù)也同樣引起農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的關(guān)注。杜輝等人在單棟溫室中將藍(lán)牙技術(shù)用于連接各種檢測(cè)裝置、執(zhí)行機(jī)構(gòu)以及控制器，各個(gè)溫室之間采用 CAN 總線(xiàn)相連，構(gòu)成一種分布式溫室群的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫室環(huán)境參數(shù)的自動(dòng)檢測(cè)和控制管理 [6]。 ZigBee 及其應(yīng)用現(xiàn)狀 ZigBee()技術(shù)是一種近幾年才興 起的短距離無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，采用跳頻技術(shù)和擴(kuò)頻技術(shù)。其特點(diǎn)主要有： ① 功耗低。傳輸電流最低可達(dá) 30mA 以下，采用休眠模式 ,發(fā)射功率僅為 1mW，僅靠?jī)晒?jié) 5 號(hào)電池就可以維持長(zhǎng)達(dá) 6 個(gè)月到 2 年左右的使用時(shí)間。 ② 成本低。 ZigBee 工作在免使用費(fèi)的頻段 ，芯片價(jià)格約 1 美元。 ③ 近距離。傳輸范圍一般在 10~100m 之間，在增加 RF 發(fā)射功率的情況下，相鄰節(jié)點(diǎn)的距離可以達(dá)到 1~3 km，再通過(guò)路由器間的通信接力，可以傳輸更遠(yuǎn)。 ④ 網(wǎng)絡(luò)容量大。一個(gè)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)可以容納最多 254 個(gè)節(jié)點(diǎn)，且一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在 200 多 個(gè) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，從而滿(mǎn)足了如溫室中越來(lái)越多的傳感器和執(zhí)行器的應(yīng)用需求。 ⑤ 通信可靠。采用了碰撞避免機(jī)制，同時(shí)為要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專(zhuān)用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。 MAC 層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。 ⑥ 網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強(qiáng)。 ⑦ 低時(shí)延。 ZigBee 的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需 15ms，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需 30ms。 ⑧ 數(shù)據(jù)安全。 ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(yàn) (CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，支持鑒權(quán)和認(rèn)證，采用了AES128 的加 密算法，各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。 ZigBee 技術(shù)的局限性在于其數(shù)據(jù)傳輸速率低，在 20~250kb/s 之間，不能滿(mǎn)足實(shí)時(shí)或高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?[14, 18, 19]。 近幾年來(lái)， ZigBee技術(shù)在溫室中的應(yīng)用十分廣泛。 ZhangQian等人設(shè)計(jì)了基于 ZigBee技術(shù)的溫室無(wú)線(xiàn)監(jiān)測(cè)和控制系統(tǒng) [20]，該系統(tǒng)已經(jīng)平穩(wěn)運(yùn)行于浙江省麗水市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院的現(xiàn)代溫室中。孫學(xué)巖開(kāi)發(fā)了一種基于 ZigBee 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室測(cè)控系統(tǒng) [21]，并在山東省壽光市蔬菜種植基地日光溫室中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，測(cè)試系統(tǒng)中的中心控制節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)組成星形網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)測(cè)試數(shù)據(jù)傳輸準(zhǔn)確、可靠，數(shù)據(jù)丟失率為 0。陳克克等人設(shè)計(jì)了一種基于 ZigBee 協(xié)議的帶擴(kuò)展板的無(wú)線(xiàn)傳感器節(jié)點(diǎn)，并在西北農(nóng)林科技大學(xué)示范大棚進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)采用樹(shù)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，覆蓋面積較大，當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)距 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 11 頁(yè) 離協(xié)調(diào)器較遠(yuǎn)時(shí)，通過(guò)多跳路由方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞 [22]。 ZigBee 技術(shù)的應(yīng)用，有效推動(dòng)了溫室產(chǎn)業(yè)發(fā)展。 WiFi 及應(yīng)用現(xiàn)狀 WiFi（ 無(wú)線(xiàn)高保真）也是一種無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議。 的最初規(guī)范是在 1997 年提出的。主要目的是提供 WLAN 接入，也是目前 WLAN 的主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，工作頻率。 流行幾個(gè)版本包括 “a”（ 波段 518GHz 帶寬為 54Mb/s） 、 “b”（ 波段214GHz 帶寬為 11Mb/s） 、 “g”（ 波段 214GHz 帶寬為 22Mb/s） ，規(guī)定了協(xié)議的物理 (PHY)層和媒體接入控制 (MAC)層，并依賴(lài) TCP/IP 作為網(wǎng)絡(luò)層。這種復(fù)雜性為用戶(hù)選擇標(biāo)準(zhǔn)化無(wú)線(xiàn)平臺(tái)增加了困難。由于其優(yōu)異的帶寬是以大功耗為代價(jià)的，導(dǎo)致設(shè)備功耗非常高，一般只能堅(jiān)持?jǐn)?shù)小時(shí)，這一特點(diǎn)限制了它的推廣應(yīng)用。雖然隨著帶有網(wǎng)絡(luò)接口的智能傳感器不斷出現(xiàn)，能夠解決其開(kāi)發(fā)難、復(fù) 雜等問(wèn)題，但會(huì)直接導(dǎo)致其成本的提高 [14]。綜合考慮 WiFi 的優(yōu)劣性，認(rèn)為其目前不適合在溫室中廣泛應(yīng)用。 RFID 及應(yīng)用現(xiàn)狀 RFID（ 射頻識(shí)別 ） 是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù) [23]。最基本的 RFID 系統(tǒng)由標(biāo)簽(Tag)、閱讀器 (Reader)和天線(xiàn) (Antenna)三部分組成，在實(shí)際應(yīng)用中還需要其他硬件和軟件的支持 [18]。通過(guò)射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合有效的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)體系，可以實(shí)現(xiàn)全球范圍內(nèi)物品的跟蹤與信息共享。和傳統(tǒng)的條形碼技術(shù)相比，RFID 技術(shù)具有識(shí)別工作無(wú)須人 工干預(yù)、批量遠(yuǎn)距離讀取、對(duì)環(huán)境要求低、使用壽命長(zhǎng)、數(shù)據(jù)可加密、存儲(chǔ)信息可更改等優(yōu)點(diǎn)。 RFID 技術(shù)已經(jīng)成功的應(yīng)用于動(dòng)物養(yǎng)殖的溯源系統(tǒng)中，為食品安全以及物流系統(tǒng)提供了現(xiàn)代化的手段。但是尚未見(jiàn)在溫室生產(chǎn)中應(yīng)用。依據(jù)畜禽舍養(yǎng)殖中對(duì)豬、牛、雞等飼養(yǎng)時(shí)采取的在耳朵上加電子標(biāo)簽的實(shí)例，可以將該方式應(yīng)用于溫室蔬菜、果品栽培中。將作物生長(zhǎng)條件相似的小塊區(qū)域標(biāo)記電子標(biāo)簽，在使用機(jī)器人進(jìn)行精確灌溉、果實(shí)成熟度判斷中將極大提高判斷精度，提高工作效率。 “十一五 ”期間，國(guó)家 863 計(jì)劃撥專(zhuān)款一億兩千八百萬(wàn)元支持 RFID 項(xiàng)目，將食品溯源 系統(tǒng)一直延續(xù)到作物生長(zhǎng)過(guò)程 [14]。 IrDA 及應(yīng)用現(xiàn)狀 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 12 頁(yè) IrDA（ 紅外線(xiàn)數(shù)據(jù)協(xié)會(huì) ） 標(biāo)準(zhǔn)是利用紅外線(xiàn)進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信的技術(shù) [24]。 IrDA 無(wú)線(xiàn)設(shè)備傳輸速率已逐步發(fā)展到 4Mb/s、 16Mb/s。目前，支持它的軟硬件技術(shù)都很成熟，在小型移動(dòng)設(shè)備 （ 如 PDA、手機(jī) ） 上被廣泛使用。它具有移動(dòng)通信所需的體積小、功耗低、連接方便、簡(jiǎn)單易用、成本低廉的特點(diǎn)。 IrDA 用于網(wǎng)絡(luò)上的最大問(wèn)題在于只能在 2 臺(tái)設(shè)備之間連接，并且存在有視距角度等問(wèn)題。 杜松懷等人將紅外通信技術(shù)應(yīng)用于動(dòng)物身份識(shí)別系統(tǒng) [25]，依據(jù)此思想也 可將其用于溫室作物的識(shí)別、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。與 RFID 技術(shù)相比， “紅外編碼通信 ”技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：抗噪聲能力強(qiáng)，發(fā)送、接收之間完全電氣隔離，信號(hào)傳輸過(guò)程不存在頻率資源分配及電磁兼容問(wèn)題，紅外信號(hào)很難竊取；但同時(shí)也存在某些問(wèn)題，譬如，有源供電模式影響應(yīng)答器的使用壽命且會(huì)增加產(chǎn)品重量，另外紅外設(shè)備只能用于生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的信息傳輸，但不能滿(mǎn)足目前對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)、加工和銷(xiāo)售全程信息跟蹤，不具備后續(xù)過(guò)程的延續(xù)性。 長(zhǎng)距離傳輸技術(shù) 短距離傳輸方式適合于小范圍的數(shù)據(jù)傳輸與局域網(wǎng)的組建。而對(duì)于遠(yuǎn)程的數(shù)據(jù)交換、在線(xiàn)監(jiān)測(cè)就必須使用長(zhǎng)距 離通信方式。常見(jiàn)的長(zhǎng)距離通信方式有 GSM、 GPRS、CDMA 三種方式。具體系統(tǒng)中要選擇哪種通信方式取決于用戶(hù)的實(shí)際需要，包括對(duì)實(shí)時(shí)性的要求、終端的數(shù)量、通信頻繁程度而定。 GSM 及其應(yīng)用現(xiàn)狀 GSM 是當(dāng)前應(yīng)用十分廣泛的移動(dòng)電話(huà)標(biāo)準(zhǔn)。其系統(tǒng)包括 GSM 900 MHz， GSM 1800 MHz 及 GSM 1900 MHz 等幾個(gè)頻段。 GSM 無(wú)線(xiàn)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣，技術(shù)成熟，保密性好，數(shù)據(jù)傳輸不受距離的限制。短消息業(yè)務(wù) (short message service， SMS)是 GSM 網(wǎng)絡(luò)的基本業(yè)務(wù)，利用無(wú)線(xiàn)控 制信道進(jìn)行傳輸，性能穩(wěn)定 [28]。 GSM 在溫室數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸中的應(yīng)用也較普遍。如孫玉梅等人研制了 GSM 手持儀，通過(guò)該儀器將傳感器所測(cè)得的溫室參數(shù)以短消息形式傳送給管理人員，實(shí)現(xiàn)了對(duì)溫室的實(shí)時(shí)控制等功能 [26]。衛(wèi)勇等人設(shè)計(jì)了基于 GSM 短信模塊的溫室環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)證明， SMS 對(duì)于少量數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸是一種經(jīng)濟(jì)有效的方法 [27]。 GPRS 及其應(yīng)用現(xiàn)狀 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 第 13 頁(yè) GPRS 是 “ 通用分組