【文章內(nèi)容簡介】 展至今大約經(jīng)歷了五個階段 ： 傳感器 變送器 I/O 接口板 驅(qū)動電路 執(zhí)行機構(gòu) 監(jiān)控程序 工業(yè)控制計算機 數(shù)字量 開關(guān)量 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 8 頁 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 單工汽車公用移動電話系統(tǒng) MTS。 第二階段為 50 年代到 60 年代，此時頻段擴展至 UHF450MHz，移動通信設(shè)備器件已向半導(dǎo)體過渡，大都為移動環(huán)境中的專用系統(tǒng)，并解決了移動電話與公用電話網(wǎng)的接續(xù)問題。 第三階段為 70 年代初至 80 年代初頻段擴展至 800 MHz，美國貝爾研究所提出了蜂窩系統(tǒng)概念并于 70 年代末進行了 AMPS 試驗。 第四階段為 80 年代初至 90 年代末，為第二代數(shù)字移動通信興 起與大發(fā)展階段，并逐步向個人通信業(yè)務(wù)方向邁進。 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)移動數(shù)據(jù)、移動計算及移動多媒體運作需要的第三代移動通信開始興起并得到應(yīng)用，從而加速推進了全球移動標準化工作，使得樣機研制和現(xiàn)場試驗得到了蓬勃發(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)用廣泛的有線通信方式，到近年迅速興起的無線通信方式，現(xiàn)代化通信方式在各個領(lǐng)域都體現(xiàn)出其重要性。信息社會，人們對各種信息的獲取方式、獲取速度以及如何將獲取的信息進行最快捷、安全、有效的 傳輸?shù)确矫妫归_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)以及在線監(jiān)測需要運用適宜的現(xiàn)代通信手段來實現(xiàn)。按通信技術(shù)傳輸介質(zhì)的不同可分為有線和無線兩種方式。有線通信方式具有設(shè)備互操作性強、系統(tǒng)可靠性高、抗干擾能力強等優(yōu)點。而溫室環(huán)境濕度高、酸性大、光照強會導(dǎo)致線纜的老化，降低系統(tǒng)的可靠性。此外傳感器與執(zhí)行機構(gòu)數(shù)量多且分散，導(dǎo)致線纜縱橫交錯，作物變更時需重新布置，導(dǎo)致系統(tǒng)安裝與維護成 本增加。無線通信方式以組網(wǎng)靈活無需布線等優(yōu)點在溫室局域范圍內(nèi)采用，將各種檢測裝置、執(zhí)行機構(gòu)以及控制器連接起來，實現(xiàn)對溫室環(huán)境等各項參數(shù)的自動檢測和控制，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)計說明書 第 9 頁 2 無線通信技術(shù)及其在我國現(xiàn)代溫室中的應(yīng)用 無線通信常見形式有微波通信、短波通信、移動通信、衛(wèi)星通信、散射通信和激光通信等。擺脫物理連接的束縛，不通過電纜實現(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，使得無線通信的需求越來越大，出現(xiàn)了許多無線通信協(xié)議。無線通信技術(shù)由近距離、點對點傳輸?shù)募t外技術(shù)，到短距 離、點對多點個人局域網(wǎng)，如藍牙和 ZigBee，到中距離、多 hop 無線局域網(wǎng)，到長距離的便攜式電話系統(tǒng)，如 GSM/GPRS 和 CDMA等，不同種類的技術(shù)隨著需求的不同而不斷發(fā)展完善，形成了巨大的市場潛力 [14]。根據(jù)通信距離，無線通信技術(shù)分為短距離無線通信技術(shù)和長距離無線通信技術(shù) [15]。 短距離傳輸技術(shù) 近年來，隨著無線個域網(wǎng) (wireless personal area works，簡稱 WPAN)的升溫，短距離無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)迅速膨脹呈現(xiàn)巨大發(fā)展?jié)摿?。實現(xiàn)短距離無線通信的主要技術(shù)有藍牙(Bluetooth)、 WiFi(wireless fidelity)、紅外線 (IrDA)、 ZigBee 等 [16]。 藍牙及其應(yīng)用現(xiàn)狀 藍牙技術(shù)誕生于 1994 年， Ericsson 當(dāng)時決定開發(fā)一種低功耗、低成本的無線接口，以建立手機及其附件間的通信；藍牙技術(shù)是一種無線數(shù)據(jù)與語音通信的開放性全球規(guī)范，是一種近距離無線通信標準，目的是取代數(shù)據(jù)電纜，實現(xiàn)電子設(shè)備之間低功耗、低成本、短距離的無線連接 [17]。 該標準由愛立信、 IBM、諾基亞、英特爾和東芝于 1998 年 5 月共同推出。藍牙是一個開放性的、近距離無線通信 技術(shù)標準，以低成本的近距離無線連接為基礎(chǔ)，其標準版本是 ，工作在全球通用的 ISM 頻段，有效范圍大約在半徑 10m內(nèi)，采用跳頻擴頻技術(shù)、時分復(fù)用多路訪問技術(shù)和 3 種方式的差錯控制技術(shù)?；谒{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，通過主設(shè)備與從設(shè)備可以形成一點到多點的連接，即在主設(shè)備周圍組成一個微網(wǎng) (Pico)，網(wǎng)內(nèi)任何從設(shè)備均可與主設(shè)備通信，但任何時刻一個主設(shè)備同時最多只能與網(wǎng)內(nèi)的 7 個從設(shè)備進行通信。其優(yōu)點是功 耗低、實現(xiàn)簡單；但藍牙技 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 10 頁 術(shù)遭遇的最大障礙是過于昂貴，突出表現(xiàn)在芯片大小和價格難以下調(diào)、抗干擾能力不強、傳輸距離太短、信息安全問題等。專家認為藍牙的應(yīng)用規(guī)模制約著藍牙的發(fā)展 [18, 19]。 藍牙技術(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牙技術(shù)用于連接各種檢測裝置、執(zhí)行機構(gòu)以及控制器，各個溫室之間采用 CAN 總線相連，構(gòu)成一種分布式溫室群的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對溫室環(huán)境參數(shù)的自動檢測和控制管理 [6]。 ZigBee 及其應(yīng)用現(xiàn)狀 ZigBee()技術(shù)是一種近幾年才興 起的短距離無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，采用跳頻技術(shù)和擴頻技術(shù)。其特點主要有： ① 功耗低。傳輸電流最低可達 30mA 以下，采用休眠模式 ,發(fā)射功率僅為 1mW，僅靠兩節(jié) 5 號電池就可以維持長達 6 個月到 2 年左右的使用時間。 ② 成本低。 ZigBee 工作在免使用費的頻段 ，芯片價格約 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)點的距離可以達到 1~3 km，再通過路由器間的通信接力，可以傳輸更遠。 ④ 網(wǎng)絡(luò)容量大。一個ZigBee 網(wǎng)絡(luò)可以容納最多 254 個節(jié)點，且一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在 200 多 個 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，從而滿足了如溫室中越來越多的傳感器和執(zhí)行器的應(yīng)用需求。 ⑤ 通信可靠。采用了碰撞避免機制，同時為要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。 MAC 層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息。 ⑥ 網(wǎng)絡(luò)的自組織、自愈能力強。 ⑦ 低時延。 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)點連接進入網(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 (CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，支持鑒權(quán)和認證，采用了AES128 的加 密算法，各個應(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，不能滿足實時或高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?[14, 18, 19]。 近幾年來， ZigBee技術(shù)在溫室中的應(yīng)用十分廣泛。 ZhangQian等人設(shè)計了基于 ZigBee技術(shù)的溫室無線監(jiān)測和控制系統(tǒng) [20]，該系統(tǒng)已經(jīng)平穩(wěn)運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)巖開發(fā)了一種基于 ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的溫室測控系統(tǒng) [21]，并在山東省壽光市蔬菜種植基地日光溫室中進行了實驗，測試系統(tǒng)中的中心控制節(jié)點和傳感器節(jié)點組成星形網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)傳輸準確、可靠，數(shù)據(jù)丟失率為 0。陳克克等人設(shè)計了一種基于 ZigBee 協(xié)議的帶擴展板的無線傳感器節(jié)點，并在西北農(nóng)林科技大學(xué)示范大棚進行了網(wǎng)絡(luò)測試實驗，系統(tǒng)采用樹狀拓撲結(jié)構(gòu)，覆蓋面積較大，當(dāng)終端節(jié)點距 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 11 頁 離協(xié)調(diào)器較遠時，通過多跳路由方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳遞 [22]。 ZigBee 技術(shù)的應(yīng)用，有效推動了溫室產(chǎn)業(yè)發(fā)展。 WiFi 及應(yīng)用現(xiàn)狀 WiFi（ 無線高保真）也是一種無線通信協(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)標準，工作頻率。 流行幾個版本包括 “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 TCP/IP 作為網(wǎng)絡(luò)層。這種復(fù)雜性為用戶選擇標準化無線平臺增加了困難。由于其優(yōu)異的帶寬是以大功耗為代價的，導(dǎo)致設(shè)備功耗非常高，一般只能堅持數(shù)小時，這一特點限制了它的推廣應(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)，能夠解決其開發(fā)難、復(fù) 雜等問題，但會直接導(dǎo)致其成本的提高 [14]。綜合考慮 WiFi 的優(yōu)劣性，認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（ 射頻識別 ） 是一種非接觸式的自動識別技術(shù) [23]。最基本的 RFID 系統(tǒng)由標簽(Tag)、閱讀器 (Reader)和天線 (Antenna)三部分組成，在實際應(yīng)用中還需要其他硬件和軟件的支持 [18]。通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，結(jié)合有效的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)體系，可以實現(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)具有識別工作無須人 工干預(yù)、批量遠距離讀取、對環(huán)境要求低、使用壽命長、數(shù)據(jù)可加密、存儲信息可更改等優(yōu)點。 RFID 技術(shù)已經(jīng)成功的應(yīng)用于動物養(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。但是尚未見在溫室生產(chǎn)中應(yīng)用。依據(jù)畜禽舍養(yǎng)殖中對豬、牛、雞等飼養(yǎng)時采取的在耳朵上加電子標簽的實例，可以將該方式應(yīng)用于溫室蔬菜、果品栽培中。將作物生長條件相似的小塊區(qū)域標記電子標簽，在使用機器人進行精確灌溉、果實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，國家 863 計劃撥?？钜粌|兩千八百萬元支持 RFID 項目，將食品溯源 系統(tǒng)一直延續(xù)到作物生長過程 [14]。 IrDA 及應(yīng)用現(xiàn)狀 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 12 頁 IrDA（ 紅外線數(shù)據(jù)協(xié)會 ） 標準是利用紅外線進行點對點通信的技術(shù) [24]。 IrDA 無線設(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，在小型移動設(shè)備 （ 如 PDA、手機 ） 上被廣泛使用。它具有移動通信所需的體積小、功耗低、連接方便、簡單易用、成本低廉的特點。 IrDA 用于網(wǎng)絡(luò)上的最大問題在于只能在 2 臺設(shè)備之間連接，并且存在有視距角度等問題。 杜松懷等人將紅外通信技術(shù)應(yīng)用于動物身份識別系統(tǒng) [25]，依據(jù)此思想也 可將其用于溫室作物的識別、監(jiān)測系統(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：抗噪聲能力強，發(fā)送、接收之間完全電氣隔離，信號傳輸過程不存在頻率資源分配及電磁兼容問題，紅外信號很難竊??；但同時也存在某些問題，譬如，有源供電模式影響應(yīng)答器的使用壽命且會增加產(chǎn)品重量，另外紅外設(shè)備只能用于生產(chǎn)現(xiàn)場的信息傳輸，但不能滿足目前對產(chǎn)品生產(chǎn)、加工和銷售全程信息跟蹤，不具備后續(xù)過程的延續(xù)性。 長距離傳輸技術(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。而對于遠程的數(shù)據(jù)交換、在線監(jiān)測就必須使用長距 離通信方式。常見的長距離通信方式有 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的實際需要，包括對實時性的要求、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)用十分廣泛的移動電話標準。其系統(tǒng)包括 GSM 900 MHz， GSM 1800 MHz 及 GSM 1900 MHz 等幾個頻段。 GSM 無線移動網(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)，利用無線控 制信道進行傳輸，性能穩(wěn)定 [28]。 GSM 在溫室數(shù)據(jù)遠程傳輸中的應(yīng)用也較普遍。如孫玉梅等人研制了 GSM 手持儀，通過該儀器將傳感器所測得的溫室參數(shù)以短消息形式傳送給管理人員，實現(xiàn)了對溫室的實時控制等功能 [26]。衛(wèi)勇等人設(shè)計了基于 GSM 短信模塊的溫室環(huán)境遠程監(jiān)測系統(tǒng)。實驗證明， SMS 對于少量數(shù)據(jù)的遠距離傳輸是一種經(jīng)濟有效的方法 [27]。 GPRS 及其應(yīng)用現(xiàn)狀 黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計說明書 第 13 頁 GPRS 是 “ 通用分組