【正文】 論文 ) 12 Zigbee 技術(shù)與幾種無(wú)線通信技術(shù)的比較 當(dāng)今無(wú)線通訊領(lǐng)域由于其應(yīng)用范圍和要求不同，存在著許多種無(wú)線通訊技術(shù)，各種無(wú)線連接技術(shù)都有著各自的優(yōu)勢(shì)和不足，應(yīng)用在不同的領(lǐng)域之中。其中 APSDE 為處予圊一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)或多個(gè)應(yīng)用實(shí)體間提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)； APSME 為應(yīng)用對(duì)象提供各種管理服務(wù)，其中主要包括安全服務(wù)和設(shè)備的綁定管理等等，同時(shí)它還負(fù)責(zé)維護(hù)管理對(duì)象的數(shù)據(jù)庫(kù)，該數(shù)據(jù)庫(kù)被稱(chēng)之為APS。 應(yīng)用支持子層介紹：應(yīng)用支持子層通過(guò)一系列的服務(wù)為網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層提供了一個(gè)接口，這些服務(wù)都是 ZigBee 設(shè)備對(duì)象和廠商自定義的應(yīng)用 對(duì)象所使用的。 應(yīng)用層 ZigBee 應(yīng)用層 (Application Layer,APL)主要包括應(yīng)用支持子層 (Application Support SubLayer,APS)、 ZigBee 設(shè)備應(yīng)用以及 ZigBee 設(shè)備對(duì)象。 此外， ZigBee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和路由器還應(yīng)該具備以下功能： (a)允許終端節(jié)點(diǎn)以如下方式加入網(wǎng)絡(luò)，包括：通過(guò) MAC 層的連接指示命令、通過(guò)應(yīng)用層的連接請(qǐng)求命令以及重新加入請(qǐng)求命令； NLDESAP 網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體 MLMESAP MCPSSAP 網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體 NLMESAP 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 11 (b)允許終端節(jié)點(diǎn)以如下方式離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)，包括：通過(guò)網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送主動(dòng)斷開(kāi)命令幀和應(yīng)用層的離開(kāi)請(qǐng)求命令； (c)參與邏輯網(wǎng)絡(luò)地址的分配工作； (d)進(jìn) 行維護(hù)鄰居設(shè)備表工作。 網(wǎng)絡(luò)層功能描述： ZigBee 網(wǎng)絡(luò)層 主要負(fù)責(zé)無(wú)線通信中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的連接和斷開(kāi)、路由機(jī)制的選擇以及網(wǎng)絡(luò)地址的分配等等。 如圖 24 所示，網(wǎng)絡(luò)層分別通過(guò) MCPSSAP 和 MLMESAP 為 MAC 子層提供接口，通過(guò) NLDESAP 和 NLMESAP 為應(yīng)用層提供接口。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體 (NWK layer data entity,NLDE)通過(guò)它相關(guān)的服務(wù)接入點(diǎn) NLDE． SAP 來(lái)提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)；網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體 (NWK layer management entity,NLME)通過(guò)它相關(guān)的服務(wù)接入點(diǎn) 來(lái)提供管理服務(wù)。其中，為了給應(yīng)用層提供接口，網(wǎng)絡(luò)層需要包含兩個(gè)服務(wù)實(shí)體來(lái)提供必要的一些功能。圖 25 描述了網(wǎng)絡(luò)層的構(gòu)成部分及其各部分接口。除了這些外部的接1:3 之強(qiáng)，在 MLME 和 MCPS 之聞還有一 個(gè)隱含的接豳，該接口使得 MLME 可以使用 MAC 的數(shù)據(jù)服務(wù)。即通過(guò) MAC 層公共部分予層 SAP(MAC Common Part SublayerSAP,MCPSSAP)為它提供數(shù)據(jù)照務(wù)；通過(guò) MAC 層管理實(shí) 體 SAP(MAC subLayer Management EntitySAP,MLMESAP)為它提供管理服務(wù)。 MAC 層 MAC 層的主要功能包括：協(xié)調(diào)器設(shè)備產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)；與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器產(chǎn)生的信標(biāo)進(jìn)行同步； PAN 無(wú)線鏈路的建立、維護(hù)和斷開(kāi)；支持設(shè)備的安 全性；信道接入采用沖突兔碰撞載波監(jiān)聽(tīng)多址接入 (Carrier Sense Multiple Access with Collision Aviodance，CSMA— CA)機(jī)制；預(yù)留時(shí)隙管理；在對(duì)等的 MAC 實(shí)體中提供一個(gè)可靠的鏈路等等。在我國(guó)使用的是 的頻段。在該頻段上， ZigBee 定義了三個(gè)工作頻段，分別為： 2． 4GHz 頻段和 91 5／ 868MHz 頻段。物理層的主要功能有：休眠和激活射頻收發(fā)器、選擇通信信道、對(duì)當(dāng)前信道進(jìn)行能量檢測(cè)、指示鏈路質(zhì)量、清除信道評(píng)估以及無(wú)線數(shù)據(jù)的收發(fā)等等。 Zigbee 的協(xié)議棧研究 ZigBee 協(xié)議結(jié)構(gòu)前面已經(jīng)有所介紹，下面將分別具體介紹。網(wǎng)形拓?fù)渑c星形、樹(shù)形相比，更加復(fù)雜，其路由拓?fù)涫莿?dòng)態(tài)的，不存在一個(gè)固定的路由模式。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的適宜環(huán)境為比較復(fù)雜的環(huán)境。 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 8 圖 23 樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)? 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)自由設(shè)計(jì)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，它的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)點(diǎn)是自愈能力很強(qiáng)。 樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)? 樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞慕Y(jié)構(gòu)如圖 23 所示，協(xié)調(diào)器和路由器都屬于 FFD 設(shè)備， RFD 為終端設(shè)備。管理工作大部分都是由 PAN 協(xié)調(diào)器來(lái)完成的。目前，星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較容易等，因此它被大量應(yīng)用在遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)和控制上。在每個(gè)星狀網(wǎng)絡(luò)中， PAN 主協(xié)調(diào)器只能是唯一的，因而每個(gè)星型網(wǎng)絡(luò)的通信對(duì)于當(dāng)前其他星型網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，都是獨(dú)立的，所以，為保網(wǎng)絡(luò)的唯一性，應(yīng)該選擇一個(gè)新的 PANID 號(hào)，這一特點(diǎn)是 Zi gBee 技術(shù)所特有的。 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 7 圖 22星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖 星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是這樣形成的。在樹(shù)狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)和選擇網(wǎng)絡(luò)主要參數(shù)是 ZigBee 協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)形成的，然后再通過(guò)路由節(jié)點(diǎn)擴(kuò)張到網(wǎng)絡(luò)。 星狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的初始和維護(hù)工作，它主要由 ZigBee 協(xié)調(diào)器來(lái)控制網(wǎng)絡(luò)。它的傳輸速率為 20 到 250 kb/s，對(duì)于傳感器數(shù)據(jù)采集和控制的傳輸有一定優(yōu)勢(shì)。在中國(guó)采用的頻段是 GHz 頻段（免申請(qǐng)和免使用費(fèi)的頻段）。它的優(yōu)勢(shì)在于它是一種低功耗、低速度、低成本的無(wú)線通信技術(shù)， [4]因此在很多領(lǐng)域上都可應(yīng)用。并且將協(xié)議模型劃分為物理層和媒體接入控制層兩個(gè)子層進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。由于數(shù)據(jù)包開(kāi)銷(xiāo)和處理延遲，實(shí)際的數(shù)據(jù)吞吐量會(huì)小于規(guī)定的比特率。 在 標(biāo) 準(zhǔn)中指 定了 兩個(gè)物 理頻段 和的 直接擴(kuò) 頻序 列物理 層頻段 :868/915MHz 和 的直接序列擴(kuò)頻 (DSSS)物理層頻段。隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)也得到了快速的發(fā)展。簡(jiǎn)而言 之， ZigBee 就是一種便宜的、低速率和低功耗的近距離無(wú)線組網(wǎng)通訊技術(shù)。其特點(diǎn)是近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本。根據(jù)這個(gè)協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)。 第 6章 簡(jiǎn)單說(shuō)明了我在設(shè)計(jì)過(guò)程中的個(gè)人心得以及遇到問(wèn)題的總結(jié)。 第 4章 介紹了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境，以及軟件方面的功能。 第 2章 主要說(shuō)明了 Zigbee 協(xié)議機(jī)器網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)和工作模式，另外還對(duì) zigbee 與其他幾種無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行了比較。 課題的主要研究?jī)?nèi)容 本文主要研究和利用了 Zigbee 技術(shù)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)溫室遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)溫室內(nèi)的溫度、 雨水和光照強(qiáng)度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而達(dá)到溫室智能化的管理。 現(xiàn)有的大多數(shù)智能溫室系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集是通過(guò)采用人工實(shí)地記錄方式或者通過(guò)有線數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離檢測(cè)記錄方式。 由于 農(nóng)作物 的質(zhì)量與產(chǎn)量受種植環(huán)境優(yōu)劣影響很大，因此 農(nóng)民 的收入一直難以穩(wěn)定。建立 智能溫 室數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)，可記錄成長(zhǎng)過(guò)程中所有的環(huán)境變量情況以及 植物 成長(zhǎng)情況并由專(zhuān)家系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制。因此，發(fā)展綠色蔬菜是保障人民身心健康、造福子孫后代、增強(qiáng)人們對(duì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的一件大事。綠色蔬菜是指按照特定生產(chǎn)方式生產(chǎn)，經(jīng)專(zhuān)門(mén)機(jī)構(gòu)認(rèn)定，許可使用綠色食品標(biāo)志的安全、優(yōu)質(zhì)蔬菜，是“綠色食品”的重要組成部分。目前，智能溫室里培育了白菜、蒜苗、辣椒、西紅柿等果蔬，還有紅掌、一品紅等花卉。 去年，海勃灣區(qū)千里山鎮(zhèn)團(tuán)結(jié)新村興建了一棟智能溫室。 作為中原經(jīng)濟(jì)區(qū)的核心區(qū)，浙江省早在 2020 年就提出要優(yōu)化蔬菜產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)蔬菜生產(chǎn)基地建設(shè)、提高蔬菜的產(chǎn)業(yè)化水平、加大科技投入和提高研發(fā)能力、加大蔬菜優(yōu)良品種和先進(jìn)技術(shù)的引進(jìn)及推廣力度；杭州作為中原經(jīng)濟(jì)區(qū)的節(jié)點(diǎn)城市，發(fā)展綠色無(wú)公害蔬菜得天獨(dú)厚。 當(dāng)前，我國(guó)已進(jìn)入加快改造傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)、走中國(guó)特色農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化道路的關(guān)鍵時(shí)刻，農(nóng)業(yè)、農(nóng)村經(jīng)歷著廣泛而深刻的變革，世界范圍也正在孕育一場(chǎng)新的農(nóng)業(yè)科技革命，農(nóng)業(yè)科技的支撐作用更加突出。 智能溫室的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 Zigbee 作為一種新興的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)短距離無(wú)線通信協(xié)議，其協(xié)議棧體系結(jié)構(gòu)是基于標(biāo)準(zhǔn)七層開(kāi)放式系統(tǒng) [1]互聯(lián)網(wǎng)參考模型（ OSI）， 標(biāo)準(zhǔn)定義了下面的兩 層：物理層和媒體接入控制子層：網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用匯聚層、應(yīng)用層都是由 Zigbee 聯(lián)盟制訂的。 由于 Zigbee 技術(shù)具有以上所說(shuō)的特點(diǎn)，因此 Zigbee 技術(shù)在短距離低速率電子設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳說(shuō)應(yīng)用廣泛。 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 2 （ 7）安全高。 （ 6）容量高。 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，進(jìn)一步節(jié)省了電能。如果通過(guò)路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn)。傳輸范圍一般介于 10～ 100m 之間，在增加發(fā)射功率后，亦可增加到 1～ 3km。 （ 3）功耗低：由于 Zigbee 的傳輸速率比較低，傳輸數(shù)據(jù)量較小，并且采用額休眠模式，因此 Zigbee 設(shè)備功耗很低，僅用兩節(jié) 5 號(hào)電池就可以維持長(zhǎng)時(shí)間使用。 相比之下 Zigbee 技術(shù)則是主要針對(duì)低速率、低成本和低功耗的無(wú)線通訊市場(chǎng)，它具有如下特點(diǎn) （ 1）速率低： Zigbee 工作在 20~250kbps 的較低速率，分別提供 250kbps（ ）、40kbps（ 915MHz）和 20kbps（ 868MHz）的原始數(shù)據(jù)吞吐率，來(lái)滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。 在家庭自動(dòng)化、軍工領(lǐng)域和工業(yè)控制領(lǐng)域中， Bluetooth 雖然成本較低，成 熟度高，但是由于其僅有 10 的傳輸距離來(lái)說(shuō)， Bluetooth 可以參與組網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)太少。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)按照傳輸范圍來(lái)劃分，可分為無(wú)線廣域網(wǎng)、無(wú)線城域網(wǎng)、無(wú)線局域網(wǎng)和無(wú)線個(gè)人域網(wǎng)。 environmental monitoring 齊齊哈爾大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) III 目 錄 摘 要 ................................................................................................................................. I Abstract .............................................................................................................................II 目 錄 .............................................................................................................................. III 第 1章 緒論 ...................................................................................................................... 1 智能溫室的研究背景 ....................................................................................... 1 智能溫室的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 ........................................................................... 2 本課題的目的及意義 ....................................................................................... 2 課題的主要研究?jī)?nèi)容 ....................................................................................... 3 論文安排及組織結(jié)構(gòu) ....................................................................................... 3 第 2章 智能溫室系統(tǒng)技術(shù)概述 ...................................................................................... 5 Zigbee 概述 ....................................................................................................... 5 Zigbee 體系結(jié)構(gòu) ............................................................................................... 5 星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)? ........................................................................................ 6 樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)? ......