【正文】 和配置。第5章 簡(jiǎn)單闡述了該系統(tǒng)的測(cè)試和調(diào)試過程。 第2章 智能溫室系統(tǒng)技術(shù)概述 Zigbee概述。這一名稱來源于蜜蜂的八字舞，[3]由于蜜蜂(bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動(dòng)翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在方位信息，也就是說蜜蜂依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信。主要適合用于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域，可以嵌入各種設(shè)備。(WPN:Wireless Personal Area Network)制定的標(biāo)準(zhǔn)，該工作組成立于2002年12月，致力于定義一種廉價(jià)的，固定、便攜或移動(dòng)設(shè)備使用的，低復(fù)雜度、低成本、低功耗、低速率的無線連接技術(shù)。該標(biāo)準(zhǔn)使用避免沖突的載波監(jiān)聽多址接入以方式作為媒體訪問機(jī)制，同時(shí)支持星型與對(duì)等型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。而868/915MHz的物理層支持空氣中20kb/s和40kb/s的傳輸速率。作為支持低速率、低功耗、短距離無線通信的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，、數(shù)據(jù)傳輸模型、設(shè)備類型、網(wǎng)絡(luò)工作方式、安全等方面都做出了說明。 Zigbee體系結(jié)構(gòu)ZigBee技術(shù)與藍(lán)牙類似，是新興的短距離無線通信技術(shù)。ZigBee技術(shù)的體系結(jié)構(gòu)主要包括Application Layer應(yīng)用層、Network Layer網(wǎng)絡(luò)層、MAC Layer媒體接入控制層、PHY Layer即物理層，其結(jié)構(gòu)如圖21所示： 圖21 ZigBee技術(shù)體系結(jié)構(gòu)圖ZigBee能夠使用的頻段有3個(gè)，它們分別為美國(guó)的915 MHz 頻段、歐洲的868 MHz GHz的ISM頻段，不同頻段對(duì)應(yīng)可使用的信道分別是16個(gè)。 采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum)，它的傳輸距離介于10m與75 m之間，這樣能夠增加RF發(fā)射功率，使其高達(dá)500 m。ZigBee技術(shù)具有強(qiáng)大的組網(wǎng)能力，可以形成星型網(wǎng)狀網(wǎng)、樹型網(wǎng)狀網(wǎng)和MESH網(wǎng)狀網(wǎng)。星狀網(wǎng)中用于直接和協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信的其它設(shè)備叫做終端設(shè)備。 星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淦渲行菭罹W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖22所示。首先，為作為網(wǎng)絡(luò)的PAN主協(xié)調(diào)器，應(yīng)選擇一個(gè)具有全功能的設(shè)備（FFD），然后再由它來建立一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)，以此來確定該網(wǎng)絡(luò)的唯一的一個(gè)PAN標(biāo)識(shí)符，即PANID號(hào)。當(dāng)新的網(wǎng)絡(luò)由協(xié)調(diào)器建立了以后，[5]其他的各種設(shè)備也就可以加入到這個(gè)網(wǎng)絡(luò)之中，用來做為這個(gè)星狀網(wǎng)絡(luò)的予節(jié)點(diǎn)。星狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單，主要可以從緊需要執(zhí)行很少的上層協(xié)議、對(duì)路由功能的控制相對(duì)容易等方面來體現(xiàn)，并且，最重要的是，它方便管理。但是，它也存在缺陷，那就是只能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)，所以在大規(guī)模組網(wǎng)的場(chǎng)合里是無法應(yīng)用的，如果通信中遇到某個(gè)節(jié)點(diǎn)斷開，對(duì)其他節(jié)點(diǎn)的通信會(huì)造成一定程度上的影響，從而無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍也會(huì)因此而受到限制了，同時(shí)，星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的高密度的擴(kuò)展也很難實(shí)現(xiàn)。終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)的特點(diǎn)是它只能與自己的父節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。其中網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都具有重新路由選擇的能力，都是FFD設(shè)備，因此在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)間的通訊路徑并不唯一。網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)都是一個(gè)小的路由器，[6]都具有重新路由選擇的能力，以確保網(wǎng)絡(luò)最大限度的可靠性，可以看出網(wǎng)絡(luò)中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的通信路徑不是唯一的。這樣信息傳輸?shù)臅r(shí)間更加依賴瞬時(shí)網(wǎng)絡(luò)連接質(zhì)量，因而難以預(yù)計(jì)。 物理層 物理層的任務(wù)是通過無線信道進(jìn)行安全、有效的數(shù)據(jù)通信，同時(shí)為MAC層提供數(shù)據(jù)和管理服務(wù)。 (1)工作頻段和數(shù)據(jù)速率： ZigBee工作在ISM(Industrial Scientific and Medical)頻段，即工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)學(xué)頻段，該頻段為免付費(fèi)、免申請(qǐng)的無線電頻段。其中2．4GHz是全球通用的ISM頻段，有16個(gè)信道，數(shù)據(jù)傳輸速率為250kbps，采用的是16相位正交調(diào)制技術(shù)[7](qOffset Quadrature Phase．Shift Keying，OQPSK)；915MHz是北美的ISM頻段，有10個(gè)信道，數(shù)據(jù)傳輸速率為40kbps；868MHz是歐洲的ISM頻段，有1個(gè)信道，數(shù)據(jù)傳輸速率為20kbps，915／868MHz采用的是帶有二進(jìn)制移相鍵控(Binary PhaseShift Keying，BPSK)的直接序列擴(kuò)頻(Direct SequenceSpread Spectrum，DSSS)技術(shù)。 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無線鏈路的建立、維護(hù)和斷開；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。即通過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MAC層管理實(shí)體SAP(MAC subLayer Management EntitySAP,MLMESAP)為它提供管理服務(wù)。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)。圖25描述了網(wǎng)絡(luò)層的構(gòu)成部分及其各部分接口。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)體來提供必要的一些功能。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)實(shí)體(NWK layer data entity,NLDE)通過它相關(guān)的服務(wù)接入點(diǎn)NLDE．SAP來提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)；網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體(NWK layer management entity,NLME)。 如圖24所示，網(wǎng)絡(luò)層分別通過MCPSSAP和MLMESAP為MAC子層提供接口，通過NLDESAP和NLMESAP為應(yīng)用層提供接口。 網(wǎng)絡(luò)層功能描述： ZigBee網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)無線通信中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的連接和斷開、路由機(jī)制的選擇以及網(wǎng)絡(luò)地址的分配等等。 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MAC層的連接指示命令、通過應(yīng)用層的連接請(qǐng)求命令以及重新加入請(qǐng)求命令； (b) 允許終端節(jié)點(diǎn)以如下方式離開網(wǎng)絡(luò)，包括：通過網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送主動(dòng)斷開命令幀和應(yīng)用層的離開請(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。 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。 應(yīng)用支持子層介紹：應(yīng)用支持子層通過一系列的服務(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。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)被稱之為APS。 APSMESAP APSDESAP APSDE APSME NLMESAP NLDESAP 圖26 應(yīng)用層參考模型 Zigbee技術(shù)與幾種無線通信技術(shù)的比較當(dāng)今無線通訊領(lǐng)域由于其應(yīng)用范圍和要求不同，存在著許多種無線通訊技術(shù)，各種無線連接技術(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。 Zigbee技術(shù)Zigbee技術(shù)主要用于近距離無線連接和家庭局域網(wǎng)絡(luò)方面， 協(xié)議，[10]該協(xié)議規(guī)定了物理層和低層次的MAC層協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)層以上的協(xié)議和API的制定由Zigbee聯(lián)盟負(fù)責(zé)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。其傳輸速度為10k250kbps,相對(duì)于藍(lán)牙技術(shù)的傳輸速度較慢，適用于對(duì)數(shù)據(jù)需求量小，速度要求不高的環(huán)境。 Wifi技術(shù)無線局域網(wǎng)技術(shù)WLAN（WiFi）,，可實(shí)現(xiàn)十幾兆至幾十兆的無線接入。WLAN制定有一系列標(biāo)準(zhǔn)。目前在一個(gè)器具上增加WiFi至少需要15美元。雖然成本還會(huì)下降，但近期仍只能用于跟蹤價(jià)值較高的資產(chǎn)。WiFi是一個(gè)無中繼轉(zhuǎn)發(fā)能力的單跳網(wǎng)，器具只能連接到接入點(diǎn)（AP）。如果已經(jīng)用于其他以太網(wǎng)業(yè)務(wù)的同一布線再用作WiFi回傳，就需要進(jìn)行認(rèn)證或者把WiFi無線數(shù)據(jù)包隔離開?，F(xiàn)在，需要新興公司正在推進(jìn)WiFi網(wǎng)狀網(wǎng)，其內(nèi)AP被用作路由器，彼此自動(dòng)發(fā)現(xiàn)，可經(jīng)過幾跳轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)。隨著低速率應(yīng)用市場(chǎng)需要的不斷增長(zhǎng)，Zigbee和WiFi系統(tǒng)共處的可能性越來越大，他們不可避免的會(huì)產(chǎn)生相互干擾，所以Zigbee和WiFi之間的共存是一個(gè)待需解決的問題。在該頻帶上有79個(gè)信道，可以隨時(shí)更換頻道以防止干擾，. 當(dāng)發(fā)射功率為1mW時(shí)，其通信距離可達(dá)10m；發(fā)射功率為100mW時(shí)，在這種組網(wǎng)方式下，每一個(gè)Bluetooth設(shè)備都能夠同時(shí)和7個(gè)設(shè)備進(jìn)行通信，而且支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)與點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通信方式，在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信方式下，Bluetooth技術(shù)采用密碼核對(duì)方式進(jìn)行通信，及通信的兩個(gè)設(shè)備需要進(jìn)行設(shè)置相應(yīng)的密碼進(jìn)行配對(duì)，大大增加了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴? 紅外技術(shù)紅外技術(shù)（IrDA,Infrared Data Association)是制定于1993年的一種短距離無線通訊標(biāo)準(zhǔn)。但因其傳輸距離有限、傳輸方向局限大等特點(diǎn)，在應(yīng)用上受到了很大的限制。名稱工作頻段傳輸速率（mbps）功耗傳輸方式安全方式支持組織主要用途Zigbee868MHz915MHz 13mW點(diǎn)到多點(diǎn)AES128Zigbee聯(lián)盟家庭網(wǎng)絡(luò)紅外850nm 110mW點(diǎn)到點(diǎn)無IrDA近距離遙控Bluetooth 11100mW點(diǎn)到多點(diǎn)點(diǎn)到點(diǎn)120位密鑰Bluetooth SIG個(gè)人網(wǎng)絡(luò)Wifi 116070mW點(diǎn)到多點(diǎn)WEP加密WIFI聯(lián)盟局域網(wǎng) 從表21中我們可以看出其他無線通信技術(shù)都只有一種工作頻段和單獨(dú)的傳輸速率，只有Zigbee可以在多種頻段下工作并且可以有多種傳輸速率；在功耗方面也是Zigbee獨(dú)占鰲頭；并且在傳輸方式、安全方式、支持組織和主要用途多方面來看，Zigbee是最適合本次課題的。其中，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與傳感器節(jié)點(diǎn)分別充當(dāng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與端節(jié)點(diǎn)的角色，[11]協(xié)調(diào)器軟件通過與主模塊進(jìn)行通訊，可以實(shí)時(shí)了解室內(nèi)環(huán)境的相關(guān)參數(shù)及進(jìn)行手動(dòng)調(diào)節(jié)。整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用樹型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，傳感器節(jié)點(diǎn)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的葉子節(jié)點(diǎn)，路由器節(jié)點(diǎn)是傳感器節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)，而網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)又是路由器節(jié)點(diǎn)的父節(jié)點(diǎn)。上位機(jī)軟件是整個(gè)室內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)的中樞，實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)環(huán)境的集中控制與管理。最后測(cè)試實(shí)物是否可行后進(jìn)行時(shí)序的仿真，最后下載配置。 設(shè)計(jì)方案 軟件設(shè)計(jì) 軟件仿真 N Y 下載配置 焊接電路圖32 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)的微處理器模塊微處理器是無線傳感器節(jié)點(diǎn)的核心。處理器必須運(yùn)行各種程序，包括時(shí)間要求嚴(yán)格的信號(hào)處理、通信協(xié)議、以及應(yīng)用程序。多種處理任務(wù)可以在不同結(jié)構(gòu)的處理器上執(zhí)行，任務(wù)的分配需要考慮可行性、性能、能量效率以及成本之間的折中問題。結(jié)合了性能優(yōu)良的RF收發(fā)器、業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051CPU、最大128KB的可編程閃存和8KB的RAM。由于CC2530芯片內(nèi)集成了許多特色功能模塊，因此，其典型的外圍電路也就非常簡(jiǎn)潔。CC2530配合很少的外圍元件就可以組成無線通信模塊。本次設(shè)計(jì)基于環(huán)境監(jiān)測(cè)，主要采集大氣的溫度，光照強(qiáng)度和雨水。[14]經(jīng)過對(duì)市場(chǎng)中的傳感器各方面的比較，選用了DS18B20溫度傳感器測(cè)量環(huán)境的溫度；選用MQ2光照傳感器測(cè)量光照強(qiáng)度以及雨滴傳感器測(cè)量雨水。 溫度傳感器DS18B20是單線數(shù)字溫度傳感器，即“一線器件”，具有體積更小、適用電壓更寬、更經(jīng)濟(jì)、可選更小的封裝方式，更寬的電壓適用范圍，適合于構(gòu)建自己的經(jīng)濟(jì)的測(cè)溫系統(tǒng)。主要根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同而改變其外觀。耐磨耐碰，體積小，使用方便，封裝形式多樣，適用于各種狹小空間設(shè)備數(shù)字測(cè)溫和控制領(lǐng)域。DS18B20的特點(diǎn)包括：①獨(dú)特的單線接口方式，DS18B20在與微處理器連接時(shí)僅需要一條口線即可實(shí)現(xiàn)微處理器與DS18B20的雙向通訊。－55℃～+125℃，固有測(cè)溫誤差1℃。④工作電源:（可以數(shù)據(jù)線寄生電源）。⑥測(cè)量結(jié)果以9~12位數(shù)字量方式串行傳送。Φ6。DN40~DN250各種介質(zhì)工業(yè)管道和狹小空間設(shè)備測(cè)溫。M10X1,G1/2”任選。圖33 溫度傳感器電路原理圖 光照傳感器不區(qū)分光源數(shù)字型環(huán)境光照強(qiáng)度傳感器BH1750FVI是日本RHOM株式會(huì)社近些年推出的一種兩線式串行總線接口的集成電路，可以根據(jù)手機(jī)的光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)來進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測(cè)，其具有1~65535lx的高分辨率，可支持較大范圍的光照強(qiáng)度變化。OSC為內(nèi)部的振蕩器提供內(nèi)部邏輯時(shí)鐘，通過相應(yīng)的指令操作即可讀出內(nèi)部存儲(chǔ)的光照數(shù)據(jù)。光照傳感器電路原理圖如圖34所示。在雨滴傳感刮水系統(tǒng)中，用雨滴檢測(cè)傳感器檢測(cè)出雨量，并利用控制器將檢測(cè)出的信號(hào)進(jìn)行變換，根據(jù)變換后的信號(hào)自動(dòng)地按雨量設(shè)定刮水器的間歇時(shí)間，[17]以便隨時(shí)控制刮水器電動(dòng)機(jī)。在智能天窗系統(tǒng)中傳感器一旦檢測(cè)到下雨，會(huì)自動(dòng)關(guān)閉天窗。圖35 雨滴傳感器電路原理圖 智能溫室的串口通信模塊微控制器通過RS232與上位機(jī)通信。發(fā)光二極管TXLED，RXLED用來觀察MAX232工作是否正常，是否會(huì)有數(shù)據(jù)通過該模塊。對(duì)于中心節(jié)點(diǎn)，微控制器將無線模塊