【正文】 考文獻(xiàn)...................................................................................................................................23 六 致謝信.......................................................................................................................................24基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要智慧農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高級(jí)階段，是集新興的互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)、云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為一體，依托部署在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的各種傳感節(jié)點(diǎn)（環(huán)境溫濕度、土壤水分、二氧化碳、圖像等）和無線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的智能感知、智能預(yù)警、智能決策、智能分析、專家在線指導(dǎo)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供精準(zhǔn)化種植、可視化管理、智能化決策。您的溫室大棚規(guī)模越大，基于Zigbee技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)解決方案在使用中，要準(zhǔn)確及時(shí)地操控所有設(shè)備，最值得關(guān)注的應(yīng)該就是網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的穩(wěn)定性?；谙冗M(jìn)的Zigbee技術(shù)，物聯(lián)無線中繼器無需接入網(wǎng)線，就可自行中繼組網(wǎng)，擴(kuò)散網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，讓您的網(wǎng)絡(luò)靈活順暢運(yùn)行，保障您的所有設(shè)備正常運(yùn)行。關(guān)鍵詞：Zigbee，CC2530，智慧農(nóng)業(yè)，云計(jì)算，物聯(lián)網(wǎng)緒論農(nóng)業(yè)是關(guān)系著國計(jì)民生的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)在向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展中面臨著確保農(nóng)產(chǎn)品總量、調(diào)整農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、改善農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)和質(zhì)量，改善生產(chǎn)效益低下、資源嚴(yán)重不足且利用率低、環(huán)境污染等問題而不能適應(yīng)農(nóng)業(yè)持續(xù)發(fā)展的需要。物聯(lián)網(wǎng)是以感知為目的的，實(shí)現(xiàn)人與人、人與物、物與物全面互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)。文章在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的背景下，設(shè)計(jì)了農(nóng)業(yè)中最為關(guān)鍵的種植環(huán)境智能化檢測(cè)系統(tǒng)，一方面對(duì)其中的關(guān)鍵技術(shù)種植檢測(cè)硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要包括農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)管系列傳感器，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通過模塊采集溫濕度光照登信息，經(jīng)由無線收發(fā)模塊傳輸數(shù)據(jù)，通過后臺(tái)管理實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境信息的遠(yuǎn)程控制，隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整和處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境信息的遠(yuǎn)程控制。文章旨在設(shè)計(jì)出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)種植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，能夠極大地推進(jìn)高現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的自動(dòng)化、智能化水平，降低資源占有率，提高農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)效率及產(chǎn)品的質(zhì)量?！稗r(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)”即利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，即通過相應(yīng)的智能傳感器設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控農(nóng)業(yè)種植環(huán)境，并將各個(gè)相應(yīng)的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備，經(jīng)過無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)傳送到信息控制中心，進(jìn)而對(duì)農(nóng)業(yè)種植環(huán)境進(jìn)行調(diào)節(jié)，智能控制農(nóng)作物健康生長所需環(huán)境如溫度、濕度以及光照、土壤溫度、含水量，及時(shí)灌溉系統(tǒng)。 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)種植環(huán)境中的應(yīng)用 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)種植環(huán)境的智能化管理通過在農(nóng)業(yè)種植系統(tǒng)中安裝相應(yīng)的只能控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)整農(nóng)作物種植環(huán)境中各個(gè)參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)掌握農(nóng)作物生長環(huán)境的一些參數(shù)，并根據(jù)參數(shù)變化適時(shí)調(diào)控來掌控農(nóng)作物最佳的生長環(huán)境，將生物信息獲取方法應(yīng)用于無線傳感器節(jié)點(diǎn)，為溫室精準(zhǔn)調(diào)控提供科學(xué)依據(jù)?；驹肀緦?shí)驗(yàn)將使用CC2530讀取溫濕度傳感器SHT10的溫度和濕度數(shù)據(jù)，并通過CC2530內(nèi)部的ADC得到光照傳感器的數(shù)據(jù)。其中對(duì)溫濕度的讀取是利用CC2530的I/O（）模擬一個(gè)類IIC的過程。SHT10 是一款高度集成的溫濕度傳感器芯片，提供全標(biāo)定的數(shù)字輸出。傳感器包括一個(gè)電容性聚合體測(cè)濕敏感元件、一個(gè)用能隙材料制成的測(cè)溫元件，并在同一芯片上，與 14 位的 A/D 轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路實(shí)現(xiàn)無縫連接。傳感器上電后，要等待 11ms 以越過“休眠”狀態(tài)。電源引腳（VDD，GND）之間可增加一個(gè) 100nF 的電容，用以去耦濾波。由于接口包含了完全靜態(tài)邏輯，因而不存在最小 SCK 頻率。DATA 在 SCK 時(shí)鐘下降沿之后改變狀態(tài)，并僅在 SCK 時(shí)鐘上升沿有效。為避免信號(hào)沖突，微處理器應(yīng)驅(qū)動(dòng) DATA 在低電平。上拉電阻通常已包含在微處理器的 I/O 電路中。它包括：當(dāng) SCK 時(shí)鐘高電平時(shí)DATA 翻轉(zhuǎn)為低電平，緊接著 SCK 變?yōu)榈碗娖?，隨后是在 SCK 時(shí)鐘高電平時(shí) DATA 翻轉(zhuǎn)為高電平。SHT10 會(huì)以下述方）式表示已正確地接收到指令：在第 8 個(gè) SCK 時(shí)鐘的下降沿之后，將 DATA 拉為低電平（ACK位）。測(cè)量時(shí)序(RH 和 T)：發(fā)布一組測(cè)量命令（‘00000101’表示相對(duì)濕度 RH，‘00000011’表示溫度 T）后，控制器要等待測(cè)量結(jié)束。確切的時(shí)間隨內(nèi)部晶振速度，最多有177。SHTxx 通過下拉 DATA 至低電平并進(jìn)入空閑模式，表示測(cè)量的結(jié)束。檢測(cè)數(shù)據(jù)可以先被存儲(chǔ)，這樣控制器可以繼續(xù)執(zhí)行其它任務(wù)在需要時(shí)再讀出數(shù)據(jù)。需要通過下拉 DATA 為低電平，uC以確認(rèn)每個(gè)字節(jié)。用 CRC 數(shù)據(jù)的確認(rèn)位，表明通訊結(jié)束。在測(cè)量和通訊結(jié)束后，SHTxx 自動(dòng)轉(zhuǎn)入休眠模式。在下一次指令前，發(fā)送一個(gè)“傳輸啟動(dòng)”時(shí)序。 CC2530介紹CC2530 、ZigBee 和RF4CE 上的一個(gè)片上系統(tǒng)解決方案。CC2530 芯片結(jié)合了RF 收發(fā)器，增強(qiáng)型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8KB RAM 和許多其他模塊的強(qiáng)大的功能。其具有多種運(yùn)行模式，使得它能滿足超低功耗系統(tǒng)的要求。 GHz DSSS（直接序列擴(kuò)頻）射頻收發(fā)器核心和1個(gè)8051控制器，它具有32/64/128 kB可選擇的編程閃存和8 kB的RAM，還包括ADC、定時(shí)器、睡眠模式定時(shí)器、上電復(fù)位電路、掉電檢測(cè)電路和21個(gè)可編程I/O引腳，這樣很容易實(shí)現(xiàn)通信模塊的小型化。CC2530芯片使用直接正交上變頻發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)需要發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，先將要發(fā)送的數(shù)據(jù)寫入128B的發(fā)送緩存中，包頭是通過硬件產(chǎn)生的。CC2530有兩個(gè)端口分別為TX/RX，RF端口不需要外部的收發(fā)開關(guān)，芯片內(nèi)部已集成了收發(fā)開關(guān)。該天線完全能夠滿足CC2530工作頻段的要求（～）。不使用外部電路供應(yīng)。GND 1，2，3，4 未使用的連接到GND P0_0 19 數(shù)字I/O P0_1 18 數(shù)字I/O P0_2 17 數(shù)字I/O P0_3 16 數(shù)字I/O P0_4 15 數(shù)字I/O P0_5 14 數(shù)字I/O P0_6 13 數(shù)字I/O P0_7 12 數(shù)字I/O P1_0 11 數(shù)字I/O 驅(qū)動(dòng)能力 P1_1 9 數(shù)字I/O 驅(qū)動(dòng)能力 P1_2 8 數(shù)字I/O P1_3 7 數(shù)字I/O P1_4 6 數(shù)字I/O P1_5 5 數(shù)字I/O P1_6 38 數(shù)字I/O P1_7 37 數(shù)字I/O P2_0 36 數(shù)字I/O P2_1 35 數(shù)字I/O P2_2 34 數(shù)字I/O P2_3 33 數(shù)字I/O ，活動(dòng)到低電平RF_N 26 RF I/O RX 期間負(fù)RF 輸入信號(hào)到LNA RF_P 25 RF I/O RX 期間正RF 輸入信號(hào)到LNA XOSC_Q1 22 模擬I/O 32MHz 晶振引腳1或外部時(shí)鐘輸入 XOSC_Q2 23 模擬I/O 32MHz 晶振引腳2 軟件方面 ZigBee技術(shù)蜜蜂在發(fā)現(xiàn)花叢后會(huì)通過一種特殊的肢體語言來告知同伴新發(fā)現(xiàn)的食物源位置等信息，這種肢體語言就是ZigZag行舞蹈，是蜜蜂之間一種簡(jiǎn)單傳達(dá)信息的方式。在此之前ZigBee也被稱為“HomeRF Lite”、“RFEasyLink”或“fireFly”無線電技術(shù)，統(tǒng)稱為ZigBee。ZigBee數(shù)傳模塊類似于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站。ZigBee是一個(gè)由可多到65000個(gè)無線數(shù)傳模塊組成的一個(gè)無線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊之間可以相互通信，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75m無限擴(kuò)展。而移動(dòng)通信網(wǎng)主要是為語音通信而建立，每個(gè)基站價(jià)值一般都在百萬元人民幣以上，而每個(gè)ZigBee“基站”卻不到1000元人民幣。除此之外，每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(FFD)還可在自己信號(hào)覆蓋的范圍內(nèi)，和多個(gè)不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的孤立的子節(jié)點(diǎn)(RFD)無線連接。根據(jù)IEEE ，ZigBee的工作頻段分為3個(gè)頻段，這3個(gè)工作頻段相距較大，而且在各頻段上的信道數(shù)據(jù)不同，因而，在該項(xiàng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中，各頻段上的調(diào)制方式和傳輸速率不同。（O－QPSK）。在無線通信技術(shù)上，采用CSMA－CA方式，有效地避免了無線電載波之間的沖突，此外，為保證傳輸數(shù)據(jù)的可靠性，建立了完整的應(yīng)答通信協(xié)議。為保證ZigBee設(shè)備之間通信數(shù)據(jù)的安全保密性，ZigBee技術(shù)采用了密鑰長度為128位的加密算法，對(duì)所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息進(jìn)行加密處理。這種無線通信技術(shù)具有如下特點(diǎn)：（1）數(shù)據(jù)傳輸速率低只有10～250Kb／s，專注于低傳輸速率應(yīng)用。（2）功耗低工作模式情況下，ZigBee技術(shù)傳輸速率低，傳輸數(shù)據(jù)量很小，因此信號(hào)的收發(fā)時(shí)間很短，其次在非工作模式時(shí)，ZigBee節(jié)點(diǎn)處于休眠模式，耗電量?jī)H僅只有1μW。由于工作時(shí)間較短、收發(fā)信息功耗較低且采用了休眠模式，使得ZigBee設(shè)各非常省電，ZigBee節(jié)點(diǎn)的電池工作時(shí)間可以長達(dá)6個(gè)月到2年左右。對(duì)于典型應(yīng)用，堿性電池可以使用數(shù)年，對(duì)于某些工作時(shí)間和總時(shí)間（工作時(shí)間＋休眠時(shí)間）之比小于t％的情況，電池的壽命甚至可以超過1年。在這種完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制下，當(dāng)有數(shù)據(jù)傳送需求時(shí)則立刻傳送，發(fā)送的每個(gè)數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息，并進(jìn)行確認(rèn)信息回復(fù)，若沒有得到確認(rèn)信息的回復(fù)就表示發(fā)生了碰撞，將再傳一次，采用這種方法可以提高系統(tǒng)信息傳輸?shù)目煽啃?。同時(shí)ZigBee針對(duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時(shí)延和休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短。ZigBee定義了兩種器件：全功能器件（FFD）和簡(jiǎn)化功能器件（RFD）。如果通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)最多可以支持超過65 000個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，再加上各個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可互相連接，整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)目將十分可觀。（6）兼容性ZigBee技術(shù)與現(xiàn)有的控制網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)無縫集成。為了可靠傳遞，還提供全握手協(xié)議。第一級(jí)實(shí)際是無安全方式，對(duì)于某種應(yīng)用，如果安全并不重要或者上層已經(jīng)提供足夠的安全保護(hù)，器件就可以選擇這種方式來轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)。在這一級(jí)不采取加密措施。AES可以用來保護(hù)數(shù)據(jù)凈荷和防止攻擊者冒充合法器件。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中可以具有成千上萬的節(jié)點(diǎn)，如果不能嚴(yán)格地控制節(jié)點(diǎn)的成本，那么網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模必將受到嚴(yán)重的制約，從而將嚴(yán)重地制約無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)大功能。在ZigBee技術(shù)中，PHY層和 MAC層采用IEEE ，其中，PHY層提供了兩種類型的服務(wù)：即通過物理層管理實(shí)體接口對(duì)PHY層數(shù)據(jù)和PHY層管理提供服務(wù)。PHY層的特征是啟動(dòng)和關(guān)閉無線收發(fā)器，能量監(jiān)測(cè)，鏈路質(zhì)量，信道選擇，清除信道評(píng)估，以及通過物理介質(zhì)對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行發(fā)送和接收。MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)可以通過PHY層數(shù)據(jù)服務(wù)發(fā)送和接收MAC層協(xié)議數(shù)據(jù)單元。除此以外，MAC層為應(yīng)用合適的安全機(jī)制提供一些方法。圖2 ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)圖物理層由半雙工的無線收發(fā)器及其接口組成，主要作用是激活和關(guān)閉射頻收發(fā)器；檢測(cè)信道的能量；顯示收到數(shù)據(jù)包的鏈路質(zhì)量；空閑信道評(píng)估；選擇信道頻率；數(shù)據(jù)的接受和發(fā)送。在協(xié)調(diào)器的MAC層，可以產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)，同步網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)；支持ZigBee設(shè)備的關(guān)聯(lián)和取消關(guān)聯(lián)；支持設(shè)備加密；在信道訪問方面，采用CSMA/CA信道退避算法，減少了碰撞概率；確保時(shí)隙分配（GTS）；支持信標(biāo)使能和非信標(biāo)使能兩種數(shù)據(jù)傳輸模式，為兩個(gè)對(duì)等的MAC實(shí)體提供可靠連接。此外，還包括設(shè)備的路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)和轉(zhuǎn)交。一個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器創(chuàng)建一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)，為新加入的設(shè)備分配短地址等。網(wǎng)絡(luò)層要求能夠很好地完成在IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)中MAC子層所定義的功能，同時(shí)，又要為應(yīng)用層提供適當(dāng)?shù)姆?wù)接口。這兩個(gè)服務(wù)實(shí)體是數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體(NLDE)和管理服務(wù)實(shí)體(NLME)。NLME可以利用NLDE來激活它的管理工作，它還具有對(duì)網(wǎng)絡(luò)層信息數(shù)據(jù)庫(NIB)進(jìn)行維護(hù)的功能。NLDE提供的數(shù)據(jù)服務(wù)允許在處于同一應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)中的兩個(gè)或多個(gè)設(shè)備之間傳輸應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元(APDU)。選擇通信路由，在通信中，NLDE要發(fā)送一個(gè)NPDU到一個(gè)合適的設(shè)備，這個(gè)設(shè)備可能是通信的終點(diǎn)也可能只是通信鏈路中的一個(gè)點(diǎn)。NLME需要提供以下服務(wù)：①配置一個(gè)新的設(shè)備(configuring a new device)。配置選項(xiàng)包括：ZigBee協(xié)調(diào)器的開始操作，加入一個(gè)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)等。應(yīng)用支持子層的任務(wù)是提取網(wǎng)絡(luò)層的信息并將信息發(fā)送到運(yùn)行在節(jié)點(diǎn)上的不同應(yīng)用端點(diǎn)。這個(gè)接口由兩個(gè)服務(wù)實(shí)體提供：APS數(shù)據(jù)實(shí)體（APSDE）和APS管理實(shí)體（APSME）。APS管理實(shí)體提供安全服務(wù)，節(jié)點(diǎn)綁定，建立和移除組地址，負(fù)責(zé)64位IEEE地址與16位網(wǎng)絡(luò)地址的地址映射[4]。用戶在開發(fā)ZigBee產(chǎn)品時(shí)，需要在ZigBee協(xié)議棧的AF上附加應(yīng)用端點(diǎn)，調(diào)用ZDO功能以發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上的其他設(shè)備和服務(wù)，管理綁定、安全和其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)置。AF應(yīng)用框架是應(yīng)用層與APS層的接口。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN是wireless sensor network的簡(jiǎn)稱，即無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。傳感器、感知對(duì)象和觀察者構(gòu)成了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的三個(gè)要素。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳自組織網(wǎng)絡(luò)。它甚至被人稱為一種全新類型的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，這就是因?yàn)樗鼌^(qū)別于過去硬件的可到處散布的特點(diǎn)以及集體分析能力。而現(xiàn)在，大多數(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)只連接了不到100個(gè)節(jié)點(diǎn)，更多的節(jié)點(diǎn)以及通訊線路會(huì)使其變得十分復(fù)雜難纏而無法正常工作。不過這些問題并不是不可逾越的，一些無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的產(chǎn)品已經(jīng)上市，并且具備引人入勝的功能的新產(chǎn)品也會(huì)在幾年之內(nèi)出現(xiàn)?；贛EMS的微傳感技術(shù)和無線聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)賦予了廣闊的應(yīng)用前景。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)種植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)種植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)種植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)控制中，關(guān)鍵技術(shù)為一下兩部分：意識(shí)感知層的進(jìn)行無線數(shù)據(jù)感知與采集，而是通過網(wǎng)絡(luò)傳輸層遠(yuǎn)程智能化控制對(duì)采集到的數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)分析，控制農(nóng)作物生長所需的空氣、溫度、水分等，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)。 系統(tǒng)硬件構(gòu)建1）無線節(jié)點(diǎn)模塊：，主要針對(duì)于低成本、低功耗的射頻應(yīng)用一部分是網(wǎng)關(guān)協(xié)調(diào)器及傳感節(jié)點(diǎn)； 2）傳感及控制模塊：溫度傳