武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 近年來(lái)，隨著電子技術(shù)、信息技術(shù)的蓬勃發(fā)展與廣泛應(yīng)用，農(nóng)業(yè)溫室技術(shù) 也在向自動(dòng)化、信息化方向發(fā)展?；跓o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)溫 室無(wú)人值守，而且可以進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)的功能。本文從農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的實(shí)際情況出發(fā)， 對(duì)控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的融合技術(shù)進(jìn)行了研究，將蔬菜大棚現(xiàn)場(chǎng)控制網(wǎng)絡(luò)同 i n t e m e t 結(jié)合起來(lái)，提出了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的蔬菜大棚遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。 本文首先分析了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展方向，相關(guān)技術(shù)的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀， 通過(guò)對(duì)現(xiàn)在大棚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的所用技術(shù)的討論，提出了一種以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技 術(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)g p r s 網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)蔬菜大棚溫濕度的系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)無(wú) 線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能需求分析出發(fā)，同時(shí)運(yùn)用基于嵌入式編程思想，從數(shù)據(jù) 采集節(jié)點(diǎn)、基站和遠(yuǎn)程服務(wù)器幾個(gè)角度，具體設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了各自的功能模塊。 系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上可劃分為三個(gè)部分：遠(yuǎn)程監(jiān)控終端發(fā)送模塊，服務(wù)器端數(shù)據(jù) 接收存儲(chǔ)模塊和基于w e b 的數(shù)據(jù)管理模塊。提供了從現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)遠(yuǎn) 程傳輸網(wǎng)絡(luò)管理的整套技術(shù)解決方案。其中數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)從功能上主要有 兩大模塊，無(wú)線通信模塊和數(shù)據(jù)采集模塊，因此數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)主要是通過(guò)這兩 個(gè)模塊設(shè)計(jì)編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。通信模塊主要是通過(guò)z i g b e e 進(jìn)行編程，數(shù)據(jù)采集模塊 則是通過(guò)a d 轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的基站是整個(gè)系統(tǒng)的核心，用來(lái)對(duì)z i g b e e 通信 模塊進(jìn)行相應(yīng)的配置并接收傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，通過(guò)a t 指令初始化g p r s 通信 模塊，利用p p p 協(xié)議將基站連接到g p r s 網(wǎng)絡(luò)，獲得網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商動(dòng)態(tài)分配的口 地址，并與監(jiān)控中心終端或服務(wù)器建立有效連接。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)化數(shù) 控服務(wù)系統(tǒng)的支撐部分，對(duì)于大型的服務(wù)系統(tǒng)而言，信息數(shù)據(jù)的保存是很重要 的，它將記錄系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的所有信息。其中數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)際需求來(lái)建 立各種表，目前本系統(tǒng)建立的表包括日志系統(tǒng)表，用戶系統(tǒng)表。 本文實(shí)現(xiàn)的服務(wù)系統(tǒng)人機(jī)界面友好，操作簡(jiǎn)單，通過(guò)對(duì)遠(yuǎn)程蔬菜大棚溫濕 度數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)的結(jié)果檢測(cè)，本系統(tǒng)能有效的實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程蔬菜大棚溫濕度進(jìn)行監(jiān)測(cè) 顯示，同時(shí)也能支持手機(jī)用戶通過(guò)手機(jī)獲取大棚數(shù)據(jù)并保證操作的安全性，系 統(tǒng)的可擴(kuò)展性強(qiáng)，為以后的無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)控制的進(jìn)一步發(fā)展打下了很好的基礎(chǔ)， 有廣泛的應(yīng)用遠(yuǎn)景和實(shí)用價(jià)值。 關(guān)鍵詞：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)；網(wǎng)絡(luò)通信；g p r s 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n i q u ei ne l e c t r o n i c sa n di n f o r m a t i o ni nr e c e n t y e a r s ，t h et e c h n i q u ei na g r i c u l t u r a lg r e e n h o u s ei su s i n gm o r ea n dm o r ea u t o m a t i o n a n di n f o r m a t i o nt e c h n i q u e s t h er e m o t em o n i t o r i n gf u n c t i o ni sc a r r i e do u ti nt h e g r e e n h o u s eb u tn op e o p l eb a s e do nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k t h e r e f o r et h i st h e s i s r e s e a r c h e so nt h ea m a l g a m a t i o nt e c h n i q u eb e t w e e nc o n t r o ln e t w o r ka n di n f o r m a t i o n n e t w o r k f o ra c t u a lr e q u i r e m e n to fa g r i c u l t u r a lr e s e a r c h ，g r e e n h o u s ef i e l dc o n t r o l n e t w o r ka n di n t e m e ta r ec o n n e c t e di nt h eg r e e n h o u s er e m o t ec o n t r o ls y s t e mb a s e do n i n t e m e t f i r s t l y ，t h ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kd e v e l o p m e n td i r e c t i o ni sa n a l y z e d ，t h e d e v e l o p m e n to fr e l a t e dt e c h n o l o g i e si sd i s c u s s e d ，a f t e rt h e d i s c u s s i o no ft h et e c h n i q u e a b o u tt h eg r e e n h o u s em o n i t o r i n gs y s t e m ，t h es y s t e mw h i c hi st h r o u g ht h eg p r s n e t w o r kt or e a l i z er e m o t em o n i t o r i n gt e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t yo fv e g e t a b l e g r e e n h o u s ei sp r e s e n t e d t h es y s t e mi sb a s e do nw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k t h r o u g h t h en e e d sa n a l y s i so ft h ew i r e l e s sr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m ，a tt h es a m et i m e ，b a s e d o ne m b e d d e dp r o g r a m m i n g ，t h ef u n c t i o nm o d u l e si sd e s i g n e da n dr e a l i z e df r o mt h e d a t ac o l l e c t i o nn o d e s ，b a s es t a t i o n sa n dr e m o t es e r v e r i ns t r u c t l l r ed e s i g n ，t h i ss y s t e mc o n s i s t so ft h r e em o d u l e s ：t e r m i n a lm o d u l eo f d a t a a c q u i s i t i o n a n ds e n d i n g ，d a t a b a s es e r v e rm o d u l eo fd a t ar e c e i v i n ga n d s t o r i n g ，a n dw e b s e r v e rm o d u l eo fd a t am a n a g e m e n t a ni n t e g r a t e dt e c h n i c a ls o l u t i o n o fd a t aa c q u i s i t i o n t r a n s m i s s i o n m a n a g e m e n ti sp r o v i d e d t h ed a t aa c q u i s i t i o ni s d i v i d e di n t ot w om a j o rm o d u l e s ，s u c ha sw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l ea n dd a t a a c q u i s i t i o nm o d u l e t h e r e f o r et h ed a t aa c q u i s i t i o nn o d ei sr e a l i z e db yp r o g r a m m i n g c o m m u n i c a t i o nm o d u l ei sr e a l i z e dt h r o u g hz i g b e ep r o g r a m m i n g ，d a t aa c q u i s i t i o n m o d u l ei sr e a l i z e dt h r o u g ht h ea dc o n v e r t e r t h es y s t e mb a s es t a t i o ni st h ec o r eo f t h ew h o l es y s t e m ，i ti su s e dt oc o n f i g u r et h ez i g b e ec o m m u n i c a t i o nm o d u l eo ft h e c o r r e s p o n d i n gs e n s o r n o d ea n dr e c e i v ed a t af r o ms e n s o rn o d e t h eg p r s c o m m u n i c a t i o nm o d u l ei si n i t i a l i z e dt h r o u g ha tc o m m a n d s ，t h eb a s es t a t i o ni s i i 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 c o n n e c t e dt ot h eg p r sn e t w o r kt h r o u g hp p pp r o t o c o l ，d y n a m i ci pa d d r e s si s a l l o c a t e db yt h en e t w o r ko p e r a t o r s ，a l le f f e c t i v ec o n n e c t i o ni s e s t a b l i s h e db y m o n i t o r i n gc e n t e r so rt e r m i n a l s y s t e md a t a b a s eo ft h ee n t i r en e t w o r ki st h es u p p o r t o ft h es e r v i c ef o rl a r g e - s c a l es y s t e m ，t h es t o r eo fi n f o r m a t i o no fd m ai sv e r yi m p o r t a n t ， i tw i l lr e c o r da 1 1t h elu 1 1 t i m es y s t e mi n _ f o r m a t i o n o n eo ft h ed a t a b a s es y s t e mc a nb e s e tu pa c c o r d i n gt oa c t u a ld e m a n dt oav a r i e t yo ff o r m s atp r e s e n t ，t h et a b l e i n c l u d i n gt h el o gs y s t e mt a b l e s ，t h eu s e rs y s t e mt a b l ei ss e tu p i nt h i sp a p e r , t h es e r v i c es y s t e mi m p l e m e m e dh a sf r i e n d l yi n t e r f a c ea n de a s y o p e r a t i o n ，t h r o u g ht e s t i n gt h em o n i t o r i n gr e s u l to ft h er e m o t ev e g e t a b l eg r e e n h o u s e s t e m p e r a t u r ea n dh u m i d i t y , t h es y s t e mc a ne f f e c t i v e l ya c h i e v et h et e m p e r a t u r ea n d h u m i d i t yd i s p l a yo ft h ev e g e t a b l eg r e e n h o u s e a tt h es a m et i m ei ts u p p o r tt h e f u n c t i o nt h a tm o b i l eu s e r sc a na c c e s st h eg r e e n h o u s ed a t at h r o u g hm o b i l ep h o n e ，i t a l s oe n s u r et h eo p e r a t i o ns e c u r i t y s y s t e ms c a l a b i l i t yi s v e r yg o o d ，t h ef u r t h e r d e v e l o p m e n th a sl a i dag o o df o u n d a t i o nf o rf u t u r ew i r e l e s sr e m o t em o n i t o ra n d c o n t r 0 1 i th a saw i d er a n g eo f a p p l i c a t i o na n dp r a c t i c a lv a l u e k e yw o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s n ) ；r e m o t em o n i t o r i n g ； n e t w o r kc o m m u n i c a t i o n ；g p r s i i i 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明，所呈交的論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及 取得的研究成果。盡我所知，除了文中特另w j j j i l 以標(biāo)注和致謝的地方外， 論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的研究成果，也不包含為獲得 武漢理工大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū)而使用過(guò)的材料。與我一 同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō) 明并表示了謝意。 學(xué)位論文使用授權(quán)書(shū) 本人完全了解武漢理工大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即： 學(xué)校有權(quán)保留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版， 允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)武漢理工大學(xué)可以將本學(xué)位論文的 全部?jī)?nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制 手段保存或匯編本學(xué)位論文。同時(shí)授權(quán)經(jīng)武漢理工大學(xué)認(rèn)可的國(guó)家有 關(guān)機(jī)構(gòu)或論文數(shù)據(jù)庫(kù)使用或收錄本學(xué)位論文，并向社會(huì)公眾提供信息 服務(wù)。 ( 保密的論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定) 研究生( 簽名) 糊 刷州戳) 習(xí)p ， ，i ，i 一 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第1 章緒論 1 1 本文研究背景及其意義 隨著技術(shù)的發(fā)展，溫室環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)正向智能、精確化、信息化、節(jié) 能化等方向發(fā)展，以下四個(gè)方面將是溫室環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控研究的幾個(gè)重要方向： ( 1 ) 作物模型的研究以及作物模型與溫室智能控制的結(jié)合。 作物模型用于描述作物生長(zhǎng)發(fā)育情況與作物生長(zhǎng)環(huán)境因素之間的關(guān)系，作 物模型是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)，也是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)。作物模 型大致可分為機(jī)理模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，溫室控制系統(tǒng)需要建立用環(huán)境參數(shù)描述的 作物模型，并與作物的生長(zhǎng)模型相結(jié)合，根據(jù)作物品種提供相應(yīng)的控制策略， 實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的智能溫室。現(xiàn)有的作物模型由于其復(fù)雜性和描述方式的不兼容， 很難直接與溫室控制系統(tǒng)相結(jié)合，形成完整的控制策略。目前荷蘭和美國(guó)、日 本等農(nóng)業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的作物模型的研究已進(jìn)入實(shí)用化階段【1 ，2 1 。 ( 2 ) 基于嵌入式系統(tǒng)和工業(yè)以太網(wǎng)的溫室監(jiān)控系統(tǒng) 工業(yè)以太網(wǎng)具有和i n t e m e t 相兼容的結(jié)構(gòu)和協(xié)議，因此通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)接入 i n t e r e n t 將節(jié)省軟硬件的開(kāi)發(fā)，大大提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性并降低維護(hù)成本。同時(shí)工 業(yè)以太網(wǎng)的應(yīng)用要求被控設(shè)備具備以太網(wǎng)接口。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，嵌入式 系統(tǒng)功能越來(lái)越強(qiáng)大，不但能實(shí)現(xiàn)設(shè)備控制和通用網(wǎng)絡(luò)的功能，而且還能在其 內(nèi)部集成網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器功能。嵌入式系統(tǒng)體積小，價(jià)格低，安裝和使用方便，對(duì) 環(huán)境要求不高，能夠滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要。用嵌入式系統(tǒng)取代p c 機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)各 種傳感器和控制設(shè)備的監(jiān)控，并開(kāi)發(fā)智能化、網(wǎng)絡(luò)化、無(wú)線化的通用控制器是 網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)發(fā)展的重要研究方向。 ( 3 ) 與i n t e m e t 和移動(dòng)通信技術(shù)相結(jié)合的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng) 針對(duì)農(nóng)業(yè)對(duì)象的多樣性、地域廣闊、偏僻分散、遠(yuǎn)離都市社區(qū)等特點(diǎn)，把 i n t e m e t 和移動(dòng)通信技術(shù)引入到溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，利用i n t e m e t 和移動(dòng)通信技術(shù) 來(lái)解決溫室遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的“最后一公里 問(wèn)題將是一種很好的解決方案，這 將會(huì)在實(shí)際應(yīng)用中有著長(zhǎng)遠(yuǎn)的重要的意義，也是今后控制系統(tǒng)發(fā)展的一個(gè)重要 方向。 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 ( 4 ) 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的信息化智能化管理 溫室在地域上分布分散，設(shè)備種類繁多，若實(shí)現(xiàn)大量溫室的遠(yuǎn)程集群化管 理必然會(huì)遇到系統(tǒng)重復(fù)設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)與訪問(wèn)格式不統(tǒng)一，各溫室的監(jiān)控設(shè) 備不相同，種植的作物品種不相同等問(wèn)題。在工業(yè)生產(chǎn)和企業(yè)管理中，管理信 息系統(tǒng)的應(yīng)用使得企業(yè)信息傳遞的效率大大提高，同時(shí)對(duì)于數(shù)據(jù)的保存和管理 也更加方便靈活。目前許多發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)將管理信息系統(tǒng)應(yīng)用到溫室管理中來(lái)。 通過(guò)信息化智能化的管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和訪問(wèn)的統(tǒng)一管理、系統(tǒng)的可 伸縮性和溫室設(shè)備的模塊化( 如動(dòng)態(tài)調(diào)增減溫室設(shè)備) 、控制策略及從產(chǎn)量預(yù)測(cè) 等商業(yè)邏輯的集中管理、制定統(tǒng)一的作物生長(zhǎng)環(huán)境模型的標(biāo)準(zhǔn)接口。這也是控 制系統(tǒng)的一個(gè)發(fā)展方向。 綜上所述，信息農(nóng)業(yè)需要解決的問(wèn)題重點(diǎn)是兩個(gè)：第一，尋求低成本；第 二，互聯(lián)網(wǎng)接入的方式。隨著我國(guó)移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)也 已基本覆蓋全國(guó)的大部分人口居住區(qū)和人們的活動(dòng)范圍，這為接入互聯(lián)網(wǎng)提供 了新的途徑。其中中國(guó)移動(dòng)公司推出的g p r s 業(yè)務(wù)，使人們可以方便地通過(guò)無(wú) 線終端連接到i n t e m e t 。從而解決了互聯(lián)網(wǎng)的接入問(wèn)題。尋求低成本，因?yàn)闊o(wú)線 傳感器網(wǎng)絡(luò)是低成本、低功耗的網(wǎng)絡(luò)，因此可以結(jié)合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和g p r s 業(yè)務(wù)從而實(shí)現(xiàn)信息農(nóng)業(yè)。 無(wú)線分布式微傳感器系統(tǒng)，即無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，作為一種有效的無(wú)線數(shù)據(jù)獲 取網(wǎng)絡(luò)，可以以大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)方便的配置到人類無(wú)法接近，或?qū)?人類有害的地區(qū)，協(xié)作地感知、采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中感知對(duì)象的信息，并 發(fā)給觀察者，從而極大地?cái)U(kuò)展了現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的功能和人類認(rèn)識(shí)世界的能力。由于它 廉價(jià)、可動(dòng)態(tài)配置、自組織和良好的可擴(kuò)展性，無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)被越來(lái)越多的關(guān)注 和應(yīng)用。在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)、林區(qū)、戰(zhàn)場(chǎng)、生態(tài)監(jiān)測(cè)等多種場(chǎng)合，用來(lái)對(duì)溫度、壓力、 聲波、活動(dòng)等多種數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)及獲取。但是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用相關(guān)的傳感器 節(jié)點(diǎn)分布廣，一般為一次性消費(fèi)，導(dǎo)致無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的成本問(wèn)題、生存期問(wèn)題、 數(shù)據(jù)有效性問(wèn)題、安全問(wèn)題等等還在研究、完善和提高階段。從應(yīng)用角度對(duì)以上 問(wèn)題提出解決的各類協(xié)議方法做進(jìn)一步分析研究，顯得非常必要【3 4 】。 我國(guó)自古以來(lái)就是世界上的農(nóng)業(yè)大國(guó)，但我國(guó)的現(xiàn)代化設(shè)施農(nóng)業(yè)起步卻比 較晚，大約在上個(gè)世紀(jì)的7 0 年代。在過(guò)去的近四十年里先后從國(guó)外引進(jìn)了許多 溫室種植技術(shù)，但從農(nóng)業(yè)設(shè)施、控制技術(shù)、管理技術(shù)上講我們的溫濕農(nóng)業(yè)和溫 室園藝還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于荷蘭和美國(guó)等一些發(fā)達(dá)國(guó)家。國(guó)外的溫室種植，溫室控制 管理技術(shù)已經(jīng)相對(duì)比較成熟。顯然引進(jìn)國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)是發(fā)展我國(guó)設(shè)施農(nóng)業(yè)的 2 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 一條快捷方式，與此同時(shí)我們也要發(fā)展適合我國(guó)環(huán)境資源特點(diǎn)的有我們自主知 識(shí)產(chǎn)權(quán)的溫室控制技術(shù)。 當(dāng)前，隨著嵌入式系統(tǒng)的全面深入地應(yīng)用，嵌入式技術(shù)已經(jīng)成為通信和消 費(fèi)類電子的共同發(fā)展方向。特別是在通信領(lǐng)域，由于其具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能 力以及各種豐富的通信接口，因此在解決數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)认嚓P(guān)問(wèn)題時(shí)， 嵌入式技術(shù)已經(jīng)成為首選的方案。 基于國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目( 項(xiàng)目編號(hào)：2 0 0 6 b a j 0 1 8 0 2 ) ：西部農(nóng)村環(huán)境監(jiān) 測(cè)技術(shù)的集成與環(huán)境監(jiān)測(cè)示范需要進(jìn)行大批量數(shù)據(jù)傳輸以及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸，因 此嘗試使用基于a r m ( l p c 2 1 3 8 ) 處理器和j n 5 1 3 9 傳感器節(jié)點(diǎn)的嵌入式無(wú)線傳感 器網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)對(duì)上述科研項(xiàng)目進(jìn)行探討和解決。 本課題的農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)是監(jiān)測(cè)延安市安塞縣侯門溝村蔬菜大棚的棚內(nèi)溫濕度， 棚內(nèi)土壤的濕度，棚外溫濕度，由于候溝門村的大棚群自西向東共有五排，每 排約有1 5 個(gè)大棚，最長(zhǎng)的大棚為1 2 0 米，有2 個(gè)，最短的為5 0 米，多數(shù)大棚 為6 0 米，因此如果人工進(jìn)行監(jiān)測(cè)的話，需要大棚主人每天都要長(zhǎng)期在棚內(nèi)通過(guò) 溫度計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，這樣十分浪費(fèi)時(shí)間，而且效率不高。 基于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)如圖1 1 所示： 圖1 1 系統(tǒng)的總體框圖 1 2 相關(guān)領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 ( 1 ) 國(guó)外相關(guān)領(lǐng)域研究成果綜述 日本四國(guó)電力集團(tuán)開(kāi)發(fā)的“o p e n p l a n e t ( 簡(jiǎn)稱o p ) 系統(tǒng)是一遠(yuǎn)程監(jiān)控系 統(tǒng)。該系統(tǒng)主要由監(jiān)測(cè)控制l a n 、信息采集單元、數(shù)據(jù)記錄單元、分散控制器、 o p 服務(wù)器等組成，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)溫室的群管理【5 】。 此外日本的f i e l d s e r v e r ( 現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)器) 系統(tǒng)，是基于嵌入式系統(tǒng)的多傳感器 數(shù)據(jù)采集設(shè)備，它可以連接多種傳感器，同時(shí)內(nèi)部集成微型攝像機(jī)，可以同時(shí) 采集溫度、濕度等環(huán)境信息及圖像視頻信息，通過(guò)t c p i p 協(xié)議將數(shù)據(jù)發(fā)送到中 心服務(wù)器。f i e l d s e r v e r 可以使用電池供電，具有體積小、功能強(qiáng)、耗電少等特點(diǎn)， 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 便于架設(shè)在野外工作。 英國(guó)無(wú)線系統(tǒng)公司開(kāi)發(fā)的一系列的無(wú)線通訊設(shè)備，如適合分布廣泛的花園 溫室或儲(chǔ)藏室的無(wú)線的霜凍和入侵警報(bào)系統(tǒng)、便攜的無(wú)線電視系統(tǒng)、遠(yuǎn)程無(wú)線 灑水系統(tǒng)、加熱和通風(fēng)控制等等。 ( 2 ) 國(guó)內(nèi)相關(guān)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀 今年來(lái)我國(guó)溫室面積不斷增加，在提高設(shè)施裝備水平的同時(shí)也正向逐步實(shí) 現(xiàn)自動(dòng)化的方向邁進(jìn)。我國(guó)目前一些大學(xué)、科研院所也開(kāi)展了溫室設(shè)施遠(yuǎn)程控 制技術(shù)研究，并取得了一系列研究成果。 國(guó)家農(nóng)業(yè)信息化工程技術(shù)研究中心開(kāi)發(fā)的智能型遠(yuǎn)程溫室環(huán)境控制器，可 監(jiān)測(cè)溫室內(nèi)空氣溫濕度、土壤和葉面溫度、含水量、光照強(qiáng)度、c 0 2 濃度并進(jìn)行 統(tǒng)計(jì)分析，通過(guò)專家系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室灌溉、施肥、農(nóng)藥噴施、 通風(fēng)換氣等過(guò)程的智慧決策和遠(yuǎn)程分布式調(diào)控。這套設(shè)備集數(shù)據(jù)測(cè)量、存儲(chǔ)、 遠(yuǎn)程控制和自動(dòng)報(bào)警為一體，它使農(nóng)業(yè)專家在辦公室里就能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)看到植物 生長(zhǎng)狀況，并進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)研制的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，由主控微機(jī)、溫室機(jī)和室外氣象 站三大部分組成。主控微機(jī)控制機(jī)房，可對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理。主控微機(jī) 用于完成各種系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置，測(cè)試數(shù)據(jù)的記錄、查詢、打印、控制算法的實(shí) 現(xiàn)以及控制命令的生成等功能。每一個(gè)獨(dú)立的溫室放置一臺(tái)溫室機(jī)、內(nèi)置溫濕 度、c 0 2 等各種傳感器、控制設(shè)備以及攝像鏡頭，可以實(shí)時(shí)將溫室內(nèi)作物生長(zhǎng)狀 況傳輸給辦公現(xiàn)場(chǎng)，同時(shí)可以通過(guò)電話線、數(shù)字信號(hào)傳輸線及i n t e m e t 等將監(jiān)測(cè) 的室內(nèi)外環(huán)境條件和植物生長(zhǎng)狀況傳輸?shù)睫r(nóng)業(yè)專家的計(jì)算機(jī)屏幕上，以便他們 可以根據(jù)提供的信息進(jìn)行生產(chǎn)指導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室環(huán)境的監(jiān)測(cè)控制。 1 3 本文主要工作 基于低成本、互聯(lián)網(wǎng)接入的方式以及低功耗等原因，研究設(shè)計(jì)了基于 a r m 7 ( l p c 2 1 3 8 ) 處理器的嵌入式多接入網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)。系統(tǒng)將充分利用 a r m 7 ( l p c 2 1 3 8 ) 處理器高性能、低功耗、低成本的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)用z i g b e e 協(xié) 議達(dá)到無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸要求，并為一般的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信提供了一 個(gè)經(jīng)濟(jì)、完善的嵌入式通用平臺(tái)。 論文主要討論并完成了基于a r m 7 ( l p c 2 1 3 8 ) 處理器的嵌入式多接入網(wǎng)絡(luò)傳 輸系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，重點(diǎn)將放在軟件設(shè)計(jì)上。 4 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 首先，從應(yīng)用背景需求的角度詳細(xì)闡述了本系統(tǒng)應(yīng)該具備的功能。 其次，根據(jù)功能需求進(jìn)行系統(tǒng)功能規(guī)劃，介紹系統(tǒng)中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)， 例如無(wú)線傳感組網(wǎng)技術(shù)，g p r s 技術(shù)，數(shù)據(jù)庫(kù)等。 再次，從系統(tǒng)的功能角度出發(fā)，將系統(tǒng)劃分三大模塊，分別是數(shù)據(jù)采集節(jié) 點(diǎn)，基站，遠(yuǎn)程主機(jī)服務(wù)器，按系統(tǒng)需求，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)介紹三大模塊。 最后，介紹了系統(tǒng)的實(shí)地安裝所遇到的問(wèn)題以及解決辦法，并對(duì)系統(tǒng)的安 全性和實(shí)時(shí)性做了介紹，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)用提出展望。 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第2 章基于無(wú)線傳感器網(wǎng)蔬菜大棚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架 2 1 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)框架的模型設(shè)計(jì)和分析 在對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的深入分析和了解，根據(jù)調(diào)研國(guó)內(nèi)外先進(jìn)無(wú)線傳感器 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，總結(jié)其成功與失敗的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)的基礎(chǔ)上，本著自主開(kāi)發(fā)的原則，無(wú) 線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)即考慮了傳感器、微機(jī)電系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)三大技術(shù)，又從 實(shí)際出發(fā)，充分考慮到現(xiàn)有的實(shí)際情況，按照整體規(guī)劃分布實(shí)施，為更大規(guī)模 的集成打好良好的基礎(chǔ)。同時(shí)根據(jù)需求和總體目標(biāo)，有選擇的保留，從而縮短 開(kāi)發(fā)周期，降低成本，盡快取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。 從系統(tǒng)的整體功能出發(fā)，系統(tǒng)可以分為三個(gè)部分，即數(shù)據(jù)采集部分，數(shù)據(jù) 轉(zhuǎn)發(fā)部分( 基站) ，遠(yuǎn)程主機(jī)( 提供用戶數(shù)據(jù)查詢) 。因此可以提出系統(tǒng)的整體 模型如圖2 1 所示： 圖2 1 系統(tǒng)整體模型圖 在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)時(shí)，將會(huì)應(yīng)用z i g b e e 協(xié)議，z i g b e e 是一種新興的近距 離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它是一種介于 無(wú)線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙之間的技術(shù)提案，主要用于近距離無(wú)線連接。它是依據(jù) 8 0 2 1 5 4 標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信，這些傳感器只需 要很少的能量，以接力的方式通過(guò)無(wú)線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另外一個(gè) 傳感器，所以它們的通信效率非常高。一般而言，隨著通信距離的增大，設(shè)備 的復(fù)雜度、功耗以及系統(tǒng)成本都在增加、相對(duì)于現(xiàn)有的各種無(wú)線通信技術(shù)，z i g b e e 技術(shù)的低數(shù)據(jù)速率和通信范圍較小的特點(diǎn)，也決定了z i g b e e 技術(shù)適合承載數(shù)據(jù) 流量較小的業(yè)務(wù)。所以z i g b e e 聯(lián)盟預(yù)測(cè)的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括工業(yè)控制、消費(fèi)性 電子設(shè)備、汽車自動(dòng)化、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化和醫(yī)用設(shè)備控制等【6 1 。 數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)，其軟件流程圖如下圖2 2 所示 6 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖2 2 數(shù)據(jù)采集流程圖 數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)是定時(shí)采集數(shù)據(jù)，默認(rèn)設(shè)置是3 分鐘，用戶可以通過(guò)基站向 節(jié)點(diǎn)發(fā)送設(shè)置控制指令設(shè)置數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔。 在實(shí)現(xiàn)基站的功能時(shí)會(huì)用到p p p ( p o i n t t o p o i n tp r o t o c 0 1 ) 協(xié)議，現(xiàn)在全世 界使用得最多的數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議p p p 。用戶接入因特網(wǎng)的一般方法 有兩種。一種是用戶使用撥號(hào)電話線接入因特網(wǎng)，另一種是使用專線接入( 這 通常是用戶人數(shù)較多的單位) 。不管用哪一種方法，在傳送數(shù)據(jù)時(shí)都需要有數(shù)據(jù) 鏈路層協(xié)議1 7 j 。 在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程主機(jī)時(shí)會(huì)用到數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，基于w e b 的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)由一個(gè) w e b 瀏覽器作為用戶界面、一個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器用作信息存儲(chǔ)和一個(gè)連接兩者的 w e b 服務(wù)器組成。w e b 和數(shù)據(jù)庫(kù)這兩種技術(shù)，各自有其優(yōu)點(diǎn)。w e b 具有用戶界 面的定義非常簡(jiǎn)單，關(guān)于定義數(shù)據(jù)的說(shuō)明型語(yǔ)言非常完美，允許巨大傳輸量的 傳輸協(xié)議非常健壯等優(yōu)點(diǎn)。而數(shù)據(jù)庫(kù)的優(yōu)點(diǎn)是它具有清晰定義的數(shù)據(jù)模型，存 儲(chǔ)和獲取數(shù)據(jù)的健壯的方法，發(fā)展用戶界面和應(yīng)用程序邏輯的軟件工具，強(qiáng)大 的授權(quán)和安全機(jī)制，以及控制事務(wù)和維持?jǐn)?shù)據(jù)完整性的有效途徑等?；趙 e b 的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖2 3 所示。 7 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 i ! 竺卜 數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)時(shí) i 添加卜h 卜 服務(wù)器 服務(wù)器 - 數(shù)據(jù)庫(kù) r 1 w w w 臣 圖2 3 基于w e b 的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 用戶值需要通過(guò)安裝在客戶端的瀏覽器發(fā)送信息到w w w 服務(wù)器，服務(wù)器 接收傳遞的參數(shù)后調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中的相應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)，獲得的信息以文本、圖 像、表、圖像或者多媒體對(duì)象的形式在w e b 頁(yè)上顯示。同樣，用戶也可以對(duì)網(wǎng) 絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行添加、修改和刪除操作。 在使用數(shù)據(jù)庫(kù)時(shí)，上位機(jī)的軟機(jī)流程圖如圖2 4 所示 ( 開(kāi)始 ) 杏 圖2 4 上位機(jī)軟件流程圖 p c 機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)的是功能包括初始化節(jié)點(diǎn)的波特率并傳送至每個(gè)節(jié)點(diǎn)，接收 節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，通過(guò)處理子程序顯示并存儲(chǔ)在上位機(jī)中，控制節(jié)點(diǎn)的功耗和 通信速率等，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地監(jiān)測(cè)環(huán)境情況。 8 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體框架 傳感器 組 粵 遠(yuǎn)程服務(wù)器 網(wǎng)絡(luò) 。 客戶端 圖2 5 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體框架圖 本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究基礎(chǔ)上的進(jìn)一步 探索和研究，本著以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為發(fā)展方向，通過(guò)g s m 通 信模塊、g p r s 通信模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程大棚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的控制、管理和操作。服務(wù)系 統(tǒng)既要考慮到同時(shí)與多個(gè)客戶端即遠(yuǎn)程用戶的通信，并執(zhí)行遠(yuǎn)程用戶發(fā)送過(guò)來(lái) 的命令，同時(shí)還要考慮到與主節(jié)點(diǎn)之間的通信，并對(duì)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控 并反饋給操作用戶端，在通信過(guò)程中，還要考慮到用戶的合法性、操作的安全 性等等?；跓o(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的總體框架圖如圖2 5 所示。 ( 1 ) 遠(yuǎn)程客戶端。遠(yuǎn)程客戶端在本系統(tǒng)中采用的是基于c s 模式的實(shí)現(xiàn)方 式，在客戶端，操作用戶首先需要獲得服務(wù)器端的安全認(rèn)證后才可以操作，然后 操作用戶可以查詢節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，在操作過(guò)程中，用戶可以在客戶端查看節(jié)點(diǎn)收集 的數(shù)據(jù)( 大棚內(nèi)外的溫濕度，土壤的濕度) 。管理員也可以在客戶端對(duì)操作用戶進(jìn) 行遠(yuǎn)程管理等等，當(dāng)然隨著研究的進(jìn)一步深入，客戶端最終會(huì)向b s 模式發(fā)展。 9 岢 一 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 ( 2 ) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)主要是收集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)發(fā) 送到基站。在本課題中，無(wú)線傳感器主要收集大棚內(nèi)外的溫濕度，土壤的濕度 信息。然后等待主節(jié)點(diǎn)的查詢信息。當(dāng)接收到主節(jié)點(diǎn)的查詢信息時(shí)，傳感器節(jié) 點(diǎn)就將自己收集的數(shù)據(jù)發(fā)送給主節(jié)點(diǎn)。主節(jié)點(diǎn)然后將信息通過(guò)r s 2 3 2 發(fā)送給基 站( a r m 7 ) 。 ( 3 ) 核心板( 基站) ?；镜闹饕饔檬墙邮諅鞲衅髦鞴?jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的信 息，然后將信息通過(guò)不同的方式發(fā)布。本課題中主要通過(guò)以下三種方式發(fā)布( 1 ) 通過(guò)g p r s 通信模塊以w e b 形式發(fā)布?？蛻舳送ㄟ^(guò)i n t e r n e t 瀏覽。( 2 ) 通過(guò)g s m 通信模塊以短信方式發(fā)布，客戶端以手機(jī)短信方式接收。( 3 ) 通過(guò)l c d 顯示屏 顯示。在大棚的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中，為了方便大棚主人在現(xiàn)場(chǎng)能查詢信息，在大棚現(xiàn) 場(chǎng)的基站上通過(guò)連接l c d 顯示屏顯示大棚內(nèi)外的溫濕度，土壤濕度的信息。核 心板在整個(gè)系統(tǒng)中起著中繼站的作用。 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的最終目的是要將監(jiān)測(cè)得到的數(shù)據(jù)發(fā)布給用戶 端。這樣我們?cè)谠O(shè)計(jì)系統(tǒng)基站端時(shí)采取了分層的模型思想?；镜姆謱樱鐖D 2 6 所示： 隧用層 指令轉(zhuǎn)化層 通信層 數(shù)姑癢支持腠 圖2 6 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基站端功能分層圖 基站分層模型是按邏輯組合功能來(lái)分層的，上一層是建立在下一層的基礎(chǔ) 上，較高層向較低層提供服務(wù)請(qǐng)求，而較低層為較高層提供服務(wù)。最上面一層 是應(yīng)用層，主要是處理一些客戶的命令需求，包括安全認(rèn)證、信息采集、用戶 管理、日志管理等。 l o 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 第3 章基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) 基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的蔬菜大棚系統(tǒng)可以采用無(wú)人值守，因此節(jié)省人力提 高效率，同時(shí)通過(guò)手機(jī)短信和互聯(lián)網(wǎng)方式提供監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并且可以設(shè)定預(yù)警值， 超過(guò)該預(yù)警值可自動(dòng)通過(guò)手機(jī)短信報(bào)警。傳統(tǒng)方法通常采用4 8 5 或c a n 等現(xiàn)場(chǎng) 總線的方式將各個(gè)分散工作的節(jié)點(diǎn)連接構(gòu)成整個(gè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線傳感網(wǎng)克服了 傳統(tǒng)方法施工麻煩，成本高而且受地理?xiàng)l件限制少。 系統(tǒng)在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮以下幾個(gè)因素：第一，系統(tǒng)的穩(wěn)定性、安全性 和可靠性；第二，系統(tǒng)操作的實(shí)時(shí)相應(yīng)能力：第三，用戶界面的友好性，使用 方便。 所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，圍繞上述要求，從以下三個(gè)方面加以實(shí)現(xiàn)，即遠(yuǎn)程客 戶端、網(wǎng)絡(luò)化基站端、后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)。其中，遠(yuǎn)程客戶端實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制和管 理以及信息狀態(tài)查看等；基站端接收客戶端的請(qǐng)求同時(shí)與傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信； 數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)完成操作平臺(tái)與數(shù)據(jù)庫(kù)的連接，實(shí)現(xiàn)用戶信息、日志信息、查詢等 功能。 3 1 開(kāi)發(fā)環(huán)境 ( 1 ) 硬件環(huán)境： 1 ) 遠(yuǎn)程客戶端：p c 機(jī) 2 ) 網(wǎng)絡(luò)化基站端：l p c2 1 3 8 核心板 3 ) 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)：j n 5 1 3 9 節(jié)點(diǎn)板 ( 2 ) 軟件環(huán)境： 1 ) 操作系統(tǒng)：m i c r o s o f tw i n d o w sx pp r o f e s s i o n a l m i c r o s o f tw i n d o w ss e r v e r2 0 0 3 2 ) 開(kāi)發(fā)工具軟件：m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o2 0 0 3 、s q ls e r v e r2 0 0 0 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 3 2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) 3 2 1i e e e8 0 2 1 5 4 和z i g b e e 介紹 i e e e 無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)( p a n ) 工作組的i e e e 8 0 2 1 5 4 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是z i g b e e 技術(shù)的基礎(chǔ)。8 0 2 1 5 4 標(biāo)準(zhǔn)旨在為低能耗的簡(jiǎn)單設(shè)備提供有效覆蓋范圍在1 0 米 左右的低速連接，可廣泛用于交互玩具、庫(kù)存跟蹤監(jiān)測(cè)等消費(fèi)與商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。 傳感器網(wǎng)絡(luò)是其主要市場(chǎng)對(duì)象。 i e e e 8 0 2 1 5 4 滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織( i s o ) 開(kāi)放系統(tǒng)互連( o s i ) 參考模式。 它定義了單一的m a c 層和多樣的物理層，在表2 1 中概括了8 0 2 1 5 4 的一些 特點(diǎn)。 表3 1i e e e8 0 2 1 5 4 協(xié)議架構(gòu) z i g b e ep r o f i l e s 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層 數(shù)據(jù)鏈路層 i e e e 8 0 2 15 4l l c8 0 2 2 l l c i e e e 8 0 2 15 4 m a c 8 6 8 9 15p h y2 4 0 0 p h y i e e e 8 0 2 1 5 4 的m a c 層能支持多種l l c 標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)s s c s ( s e r v i c e s p e c i f i c c o n v e r g e n c es u b l a y e r , 業(yè)務(wù)相關(guān)的會(huì)聚子層) 協(xié)議承載i e e e 8 0 2 2 類型的l l c 標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)允許其他l l c 標(biāo)準(zhǔn)直接使用i e e e 8 0 2 1 5 4 的m a c 層服務(wù)， i e e e 8 0 2 1 5 4 的l l c 層和m a c 層主要功能如下： ( 1 ) l l c 子層的主要功能：傳輸可靠性保障和控制數(shù)據(jù)包的分段與重組 ( 2 ) i e e e 8 0 2 1 5 4 的m a c 協(xié)議主要功能：設(shè)備間無(wú)線鏈路的建立、維護(hù) 和結(jié)束確認(rèn)模式的幀傳送與接收數(shù)據(jù)包的順序傳輸、信道接入控制、幀校驗(yàn)、 預(yù)留時(shí)隙管理、廣播信息管理。 i e e e 8 0 2 1 5 4 定義了兩個(gè)物理層標(biāo)準(zhǔn)，分別是2 4 g h z 物理層和8 6 8 9 1 5 m h z 物理層。它們都基于d s s s ( d i r e c ts e q u e n c es p r e a ds p e c t r u m ，直接序列擴(kuò)頻) ， 使用相同的物理層數(shù)據(jù)包格式，區(qū)別在于工作頻率、調(diào)制技術(shù)、擴(kuò)頻碼片長(zhǎng)度 和傳輸速率。2 4 g h z 波段為全球統(tǒng)一的無(wú)需申請(qǐng)的i s m 頻段，有助于z i g b e e 設(shè)備的推廣和生產(chǎn)成本的降低。2 4 g h z 的物理層通過(guò)采用高階調(diào)制技術(shù)能夠提 1 2 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 供2 5 0 k b s 的傳輸速率，有助于獲得更高的吞吐量、更小的通信時(shí)延和更短的工 作周期，從而更加省電。8 6 8 m h z 是歐洲的i s m 頻段，9 1 5 m h z 是美國(guó)的i s m 頻段，這兩個(gè)頻段的引入避免了2 4 g h z 附近各種無(wú)線通信設(shè)備的相互干擾。 8 6 8 m h z 的傳輸速率為2 0 k b s ，9 1 6 m h z 是4 0 k b s 。這兩個(gè)頻段上無(wú)線信號(hào)傳播 損耗較小，因此可以降低對(duì)接收機(jī)靈敏度的要求，獲得較遠(yuǎn)的有效通信距離，從而 可以用較少的設(shè)備覆蓋給定的區(qū)域 7 9 。下表( 如表3 2 ) 概括了8 0 2 1 5 4 的 一些特點(diǎn) 表3 28 0 2 1 5 4 特點(diǎn) 復(fù)雜程度比現(xiàn)有標(biāo)注低通信時(shí)延 = 1 5 m s 目的 只支持?jǐn)?shù)據(jù)通信功耗 約4 5 u s 8 6 8 m h z2 0 k b p s1 頻段，數(shù)據(jù)率及信數(shù) 9 1 5 m h z 4 0 k b p s1 0 m a c 的控制方式星型網(wǎng)絡(luò)，對(duì)等網(wǎng)絡(luò) 2 4 g h z2 5 0 k b p s16 6 4 b i ti e e e 地址，8 b i t 每個(gè)網(wǎng)絡(luò)支持節(jié)數(shù) 6 5 5 3 6 尋址方式 網(wǎng)絡(luò)地址 連接層結(jié)構(gòu)開(kāi)放式溫度 4 0 c 至8 5 c 室內(nèi)：1 0 m 速率 2 5 0 k b p s ；+ 0 d b m t x 傳感器，玩具，控制 傳輸范圍室外：3 0 m - - 7 5 m 速應(yīng)用 領(lǐng)域 率4 0 k b p s ；3 0 0 m 速 率，2 0 k b p s z i g b e e 技術(shù)的主要特點(diǎn)包括一下幾個(gè)部分： ( 1 ) 數(shù)據(jù)傳輸速率低：只有1 0 k 字節(jié)秒到2 5 0 k 字節(jié)秒，專注于低傳輸應(yīng)用； ( 2 ) 功耗低：在低功耗電待機(jī)模式下，兩節(jié)普通5 號(hào)干電池可使用6 個(gè)月 到2 年，免去了充電或者頻繁更換電池的麻煩，這也是z i g b e e 的支持者所一直 引以為豪的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)； ( 3 ) 成本低：因?yàn)閦 i g b e e 數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡(jiǎn)單，所以大大降低了成 本，且z i g b e e 協(xié)議免收專利費(fèi)。 ( 4 ) 網(wǎng)絡(luò)容量大：每個(gè)z i g b e e 網(wǎng)絡(luò)最多可支持2 5 5 設(shè)備，也就是說(shuō)，每個(gè) z i g b e e 設(shè)備可以與另外2 5 4 臺(tái)設(shè)備相連接； ( 5 ) 時(shí)延短：通常時(shí)延都在1 5 毫秒至3 0 毫秒之間。 ( 6 ) 安全：z i g b e e 提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，加密算法采用 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 a e s 1 2 8 ，同時(shí)可以靈活確定其安全屬性； ( 7 ) 有效范圍小：有效覆蓋范圍1 卜7 5 米之間，具體依據(jù)實(shí)際發(fā)射功率 的大小和各種不同的應(yīng)用模式而定，基本上能夠覆蓋普通的家庭或辦公室環(huán)境； ( 8 ) 工作頻段靈活：使用的頻段分別為2 4 g h z ，8 6 8 m h z ( 歐洲) 及9 1 5 m h z ( 美國(guó)) ，均為免執(zhí)照頻段。 完整的z i g b e e 協(xié)議套件由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用會(huì)聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路 層和物理層組成，網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由z i g b e e 聯(lián)盟制定，i e e e 負(fù)責(zé)物理層和鏈路 層標(biāo)準(zhǔn)。 應(yīng)用會(huì)聚層將主要負(fù)責(zé)把不同的應(yīng)用映射到z i g b e e 網(wǎng)絡(luò)上，具體而言包括： ( 1 ) 安全與鑒權(quán)； ( 2 ) 多個(gè)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的會(huì)聚； ( 3 ) 設(shè)備發(fā)現(xiàn)； ( 4 ) 業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)。 網(wǎng)絡(luò)層將主要考慮采用基于a dh o c 技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，應(yīng)包含以下功能： ( 1 ) 通用的網(wǎng)絡(luò)層功能：拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的搭建和維護(hù)，命名和關(guān)聯(lián)業(yè)務(wù)，包含 了尋址、路由和安全； ( 2 ) 同i e e e 8 0 2 1 5 4 標(biāo)準(zhǔn)一樣，非常省電； ( 3 ) 有自組織、自維護(hù)功能，以最大程度減少消費(fèi)者的開(kāi)支和維護(hù)成本。 i e e e 8 0 2 系列標(biāo)準(zhǔn)把數(shù)據(jù)鏈路層分成l l c ( l o g i c a ll i n kc o n t r o l ，邏輯鏈路控 制) 和m a c ( m e d i aa c c e s sc o n t r o l ，媒介介入控制) 兩個(gè)子層。l l c 子層在 i e e e 8 0 2 6 標(biāo)準(zhǔn)中定義，為8 0 2 標(biāo)準(zhǔn)系列共用，通過(guò)s s c s ( s e r v i c e s p e c i f i c c o n v e r g e n c es u b l a y e r , 業(yè)務(wù)相關(guān)的會(huì)聚子層) 協(xié)議承載i e e e 8 0 2 2 類型的l l c 標(biāo) 準(zhǔn)，同時(shí)也允許其他l l c 標(biāo)準(zhǔn)直接使用i e e e 8 0 2 1 5 4 的m a c 層的服務(wù)。 l l c 子層的主要功能包括： ( 1 ) 傳輸可靠性保障和控制； ( 2 ) 數(shù)據(jù)包的分段與重組； ( 3 ) 數(shù)據(jù)包的順序傳輸。 e e 8 0 2 1 5 4 的m a c 協(xié)議包括以下功能： ( 1 ) 設(shè)備間無(wú)線鏈路的建立、維護(hù)和結(jié)束； ( 2 ) 確認(rèn)