基于zigbee的温室测温系统的设计与实现.docx
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基于zigbee的温室测温系统的设计与实现
第一章绪论.............................................................................................................1
1.1引言................................................................................................................1
1.2研究背景........................................................................................................1
1.2.1层出不穷的近距离无线通信技术.........................................................1
1.2.2应运而生的无线传感器网络.................................................................3
1.3国内外研究现状............................................................................................6
1.3.1国外研究现状.........................................................................................7
1.3.2国内研究现状.........................................................................................7
1.4论文研究内容及创新点................................................................................8
1.4.1主要研究内容和创新点.........................................................................8
1.4.2论文的不足之处及今后的研究方向.....................................................9
第二章ZigBee无线通信技术..............................................................................10
2.1ZigBee技术概述.........................................................................................10
2.1.1ZigBee通信频率比较..........................................................................11
2.1.2ZigBee通信信道..................................................................................12
2.2ZigBee与几种短距离无线通信技术的比较.............................................13
2.3ZigBee协议栈.............................................................................................15
2.3.1ZigBee协议栈架构..............................................................................15
2.3.2服务原语...............................................................................................16
2.3.3物理层...................................................................................................16
2.3.4媒体访问控制层...................................................................................18
2.3.5网络层...................................................................................................21
2.3.6应用层...................................................................................................23
2.4ZigBee网络配置.........................................................................................26
2.4.1ZigBee设备功能类型..........................................................................26
2.4.2ZigBee设备节点类型..........................................................................27
2.4.3ZigBee网络拓扑结构..........................................................................28
第三章IEEE802.15.4/ZigBee..............................................................................10
3.1IEEE802.15.4标准......................................................................................10
3.2ZigBee技术.................................................................................................11
3.2.1ZigBee概述..........................................................................................11
3.2.2ZigBee技术优势..................................................................................12
3.3IEEE802.15.4/ZigBee通信协议.................................................................13
3.3.1物理层...................................................................................................13
3.3.2MAC层.................................................................................................14
3.3.3网络层...................................................................................................16
3.3.4应用支持子层（APS）.............................................................................17
3.4IEEE802.15.4/ZigBee协议网络拓扑.........................................................19
第四章系统硬件设计
第五章系统软件实现
第六章结论与展望
第一章绪论
1.1引言
我国是一个农业大国，每年都有大量的新粮收获也有
部分陈粮积压，由于储存不当造成大量的粮食浪费，给国
家和人民造成巨大的经济损失。
为了减少损失，以往采取
用人工的办法定期对粮食进行晾晒、通风、喷洒药剂等，防
止因存储不当引起虫害，但这样做消耗人力和财力，且效
果不佳，发霉变质等现象仍然仔在。
随着科学技术的发展，传统的人工定期定点查看粮仓
温度的方法，已逐渐被电子监测温度设备所取代。
本文设
计了一套粮仓温度监测系统。
采用ZigBee技术的无线通
信网络对仓库各点温度进行监测，管理者可以在控制室随
时了解仓库现场的信息，使粮仓管理实现自动化、智能化。
目前，高带速、大流量的带式输送设备在港
曩、矿豳、电力等行业褥到了广泛应用，毽连续、
大负荷运转和长期磨损，会导致输送设备中的电
动机、减速器、滚筒、托辊等装置出现不平衡、
不对中、摩擦严重等机械故障。
努了避免事敌、
确保设备的正常运转，工作人员需要对重要设备
的温度等重要参数进行监测。
建立一个覆盖范围
广、可靠性离、易于使罱j|饔维护酶无线传感器网
络，对现场的输送设备进行实时在线监测，从而
全两掌握设备的工作状态，适时调度、及时维
护，霹有效降低事故率，提高生产效率，增进企
业的经济效盎。
基于ZigBee技术的无线测温系
统，具有复杂度低、网络容量大、功耗低、可靠
性菇、自组织鱼愈麓力强、安装方便、维护简单
的优点。
温湿度与生产和生活密切相关，在工农业生产
中，如温室、大棚等很多地方都会对温度和湿度同时
进行实时监测，以保证生产在恒定某温度和湿度范
围内进行安全生产。
对这些生产基地的管理，如果
采用人工定时测量，不但要耗费大量的人力，而且不
能够做到实时监控；如果采用有线测控系统，则需要
铺设光纤或者电缆，这样不但增加了成本，而且降低
了系统的灵活性和可扩展性。
本文主要针对当前环
境监测中面临的网络布线困难、成本高及实时性差
等问题，提出了基于ZigBee技术的远程无线温湿度
测控系统，该系统主要由低功耗微小无线传感网络
节点通过自组织方式构成⋯，可利用网络节点功耗
低、工作时间长、成本低的特点，实现危险区域的低
成本无人连续在线监测。
1.2研究背景
1.2.1层出不穷的近距离无线通信技术
近几年来，随着网络及通信技术的飞速发展，人们对无线通信的要求越来
越高，近距无线通信技术正日益成为关注的焦点。
目前应用较广泛的近距通信
技术包括蓝牙、无线局域网IEEE802.11和红外数据传输；同时还有一些颇具发
展潜力的近距无线技术标准，如超宽带和ZigBee等。
它们或基于传输速度、距
离、耗电量的特殊要求，或着眼于功能的扩充性，或符合某些单一应用的特别
要求，或建立竞争技术的差异化等[2]。
下面逐一介绍其主要特点：
蓝牙以低成本、短距离无线连接为基础，为固定的或移动的终端设备提供
廉价的接入服务。
其传输频段为全球公众通用的2.4GHzISM频段，采用跳频扩
频技术FHSS（FrequencyHopspingSpreadSpectrum），信道带宽为1MHz，异步非
对称连接最高数据速率为723.2Kbps，连接距离一般小于10m。
目前，新的蓝牙
标准和技术主要研究加强速率和距离方面，其2.0版拟支持高达10Mbps以上的
速率，使用蓝牙技术的无线电收发器的连接距离可达10m，使用高增益天线可
以将有效通信范围扩展到100m，可以应用于无线设备、图像处理设备、智能卡、
身份识别等安全产品，以及娱乐消费、家用电器、医疗健身和建筑等领域。
蓝
牙是个“时髦”的词汇，但是人们很快就发现这种技术在工业应用中的局限性。
当用于传输大量的信息时，其1Mbps的数据传输速率根本无法满足需要。
而由
于蓝牙设备本身的复杂性以及功耗较大，与工业控制领域所要求的低功耗，高
可靠性相去甚远。
Wi-Fi（WirelessFidelity），即IEEE802.11x，最初规范是1997年提出的。
无
线局域网最大的特点是便携性，主要用于解决办公室无线局域网和校园网中用
户与用户终端的无线接入。
IEEE802.11流行的几个版本包括：
IEEE802.11a，在
5.8GHz频段最高速率为54Mbps；IEEE802.11b，在2.4GHz频段速率为
1Mbps~11Mbps；IEEE802.11g，在2.4GHz频段与IEEE802.11b兼容，最高速率
亦可达到54Mbps。
Wi-Fi规定了协议的物理层PHY（PhysicalLayer）和介质访问控
制子层MAC（MediaAccessControl），并依赖TCP/IP作为网络层。
由于其优异的
带宽是以较高的功耗为代价的，因此大多数便携Wi-Fi装置都需要较高的电能储
备，这限制了它在工业场合的推广和应用。
IrDA利用红外线进行点对点通信，是第一个实现无线个域网的技术。
起初，
采用IrDA标准的无线设备仅能在lm范围内以115.2Kbps速率传输数据，很快便
发展到4Mbps以及16Mbps的速率。
目前它的软硬件技术已相当成熟，在许多
小型移动设备如掌上电脑、手机上得到广泛使用。
它具有移动通信所需的体积
小、功耗低、连接方便、简单易用、成本低的特点。
由于IrDA只能同时在2台
设备之间连接，并且存在有视距角度等问题，因此一般不会用于工业网络上。
超宽带UWB（UltraWideband）是一种无线载波通信技术，它不采用正弦载
波，而是利用ns级的非正弦窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。
美
国FCC规定UWB为：
在3.1~10.6GHz频段中占用500MHz以上的带宽。
UWB
可以在l0m范围内，支持高达110Mbps的_______数据传输率。
UWB技术具有系统复杂
度低、发射信号的功率谱密度低、对信道衰落不敏感、低截获能力、定位精度
高等优点，尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入[3]。
ZigBee是一种新兴的短距离、低速率、介于无线标记技术和蓝牙之间的无
线网络技术，它有自己的无线电标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实
现通信。
这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从
一个传感器传到另一个传感器，所以它们的通信效率非常高。
最后这些数据可
以进入计算机，用于分析或者被另外一种无线技术收集。
ZigBee技术以2.4GHz
为主要频段，采用直接序列扩频技术DSSS（DirectSequenceSpreadSpectrum），
被业界认为是最有可能应用在工业监控、传感器网络、家庭内智能控制、安全
系统等领域的无线技术[4]。
表1-1比较形象地反映了ZigBee与其他几种通信技术之间存在的差异。
1.2.2应运而生的无线传感器网络
随着微电子系统、数字电子、网络和通信技术等方面的飞速发展，融合了
传感器技术、嵌入式计算技术、通信技术、分布式信息处理技术、微电子制造
技术和软件编程技术的无线传感器网络（WirelessSensorNetwork，简称WSN）技
术应运而生。
无线传感器网络是一种新兴的科学技术网络，是由大量具有特定
功能的传感器节点通过自组织的无线通信方式，相互传递信息，协同地完成特
定功能的智能专用网络。
可以实时监测、感知和采集网络所监控区域内的环境
或监测对象的信息，并对收集到的信息进行处理后传送给终端用户[5,7]。
Internet将数字世界连在了一起，而无线传感器网络是连接现实的物理世界
与互联网的数字世界之间的桥梁。
随着越来越多的无线传感器网络系统的出现，
物理世界与数字世界的连接会越来越紧密。
无线传感器网络被认为是21世纪最
重要的技术之一，美国商业周刊和MIT技术评论在预测未来技术发展的报告中，
分别将其列为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的10大新技术之一。
1.2.2.1无线传感器网络的体系结构
具有感知、计算和通信能力的无线传感器网络由传感器节点、汇聚节点（Sink
节点）、Internet或通信卫星、监控中心等部分构成。
大量的传感器节点通过飞行
器撒播、人工布置或火箭弹射等方式被任意散布在指定的监测区域内部或附近，
每个节点都可以收集数据，通过自组织的方式构成网络。
传感器节点通过无线
多跳的Ad-hoc路由方式把数据传送到Sink节点。
Sink节点通过移动通信网络、
Internet、卫星通信等方式把数据传送到监控中心。
用户可以通过监控中心对传
感器网络进行配置和管理，发布监测任务以及收集监测数据[2]。
图1-1是一个典
型的无线传感器网络的体系结构图。
传感器节点是一种微型嵌入式设备，由于节点成本低、功耗小，电源能量、
通信能力以及计算和存储能力有限，为了完成各种任务，传感器节点需要完成
监测数据的采集和转换、数据的管理和处理、应答汇聚节点的任务请求和节点
控制等多种工作。
从网络功能上看，传感器节点兼顾了传统网络节点的终端和
路由器双重功能。
Sink节点是处理能力、存储能力和通信能力相对较强的一类传感器节点或
者是不具备监测能力的一类网关节点，它连接传感器网络与外部网络，实现两
种协议栈之间的通信协议转换，同时发布监控中心下发的监测任务，把收集的
数据转发到外部网络。
由于汇聚节点通信能耗较大，一般需要携带更大的电能。
1.2.2.2无线传感器网络节点的组成结构
无线传感器网络节点兼作传统网络的终端和路由器双重功能，除了进行本
地信息收集和数据处理外，还要对其他节点转发的数据进行存储、管理和融合
等处理，同时与其他节点协作完成一些特定任务。
典型的节点结构如图1-2所示，主要包括电源模块、传感器模块、信号处理
电路、A/D转换模块、存储器、微处理器模块和射频收发模块等。
电源模块为传
感器节点提供正常工作所必需的能源；传感器模块负责对环境信息进行采集并
做一定的数据转换，被监测的物理信号决定了传感器的类型；A/D转换模块将模
拟信号转换为数字信号；微处理器模块负责协调节点各部分的工作，如对感知
部件获取的信息进行必要的处理和保存，控制感知部件和电源的工作模式等；
射频收发模块按照一定的通信协议与其他传感器节点或观察者进行通信，主要
由低功耗、短距离的无线通信模块组成[11]。
1.2.2.3无线传感器网络的特点及应用领域
无线传感器网络与传统网络相比有一些独有的特点：
节点数量大，密度高，
采用空间位置寻址；节点的能量、计算能力和存储容量有限；无线传感器网络
的拓扑结构易变化，具有自组织能力；传感器节点具有数据融合能力。
随着无线传感器网络技术的发展，传感器节点的成本越来越低，而功能却
日益强大，使得以前造价昂贵的无线传感器网络逐渐在军事、民用、商业等各
个领域得到了很好的发展和应用[10]。
（1）军事应用
由于无线传感器网络是由密集型、低成本、随机分布的节点组成的，自组
织性和容错能力使其不会因为某些节点在恶意攻击中的损坏而导致整个系统的
崩溃，这一点使无线传感器网络非常适合应用于恶劣的战场环境中，包括监控
我军兵力、装备和物资，监视冲突区，侦察敌方地形和布防，定位攻击目标，
评估损失，侦察和探测核、生物和化学攻击等[13]。
图1-2无线传感器网络节点组成结构图
传感器模块
信号处理电路A/D转换模块微处理器模块射频收发模块
电源模块存储器
（2）医疗应用
无线传感器网络在医疗研究、护理领域也表现出了其优势。
如果在住院病
人身上安装特殊用途的传感器节点，如心率和血压监测设备，利用无线传感器
网络，医生就可以随时了解被监护病人的病情，进行及时处理。
还可以利用无
线传感器网络长时间地收集人的生理数据，从而研制新的药品。
（3）环境科学
无线传感器网络为野外获取随机性的研究数据提供了方便，比如，跟踪候
鸟和昆虫的迁移，研究环境变化对农作物的影响，监测海洋、大气和土壤的成
分等[14]。
ALERT系统中就有数种传感器来监测降雨量、河水水位和土壤水分，
并依此预测山洪爆发的可能性。
类似地，无线传感器网络对准确、及时地预报
森林火灾也有帮助，还可以应用在精细农业中，以监测农作物中的害虫、土壤
的酸碱度和施肥状况等。
（4）工业监控
随着社会的进步和发展，在工业生产过程中首要强调的是安全问题。
在那
些危险的工业环境如井矿、核电厂、钢材加工厂等，工厂可以通过无线传感器
网络来进行过程监控实施安全检测。
在工业自动化生产线上，可以通过组建无
线传感器网络来构建监控系统。
利用监控系统可以大大改善工厂的运作条件，
大大降低检查设备的成本，同时由于可以提前发现问题，这样能够缩短设备停
机时间，提高效率，并延长设备的使用时间。
（5）其他方面的应用
探索外部星球一直是人类梦寐以求的理想，借助于航天器布撒的无线传感
器网络节点实现对星球表面大范围、长时间、近距离的监测和探索，选定着陆
场地，是一种经济可行的方案[15]。
当嵌入家具和家电中的传感器与执行机构所
组成的无线网络接入Internet时，将会为我们提供更加舒适、方便和人性化的智
能家居环境。
1.3国内外研究现状
无线传感器网络的基本思想起源于20世纪70年代，研究的重点主要放在
国防项目上。
进入21世纪，随着近年来国际上对无线传感器网络的广泛关注，
尤其是无线传感器网络在国防军事、国家安全、环境科学、交通管理、医疗卫
生、反恐、灾害监测、空间探索等领域的巨大潜在应用价值，使得很多政府机
构和科研单位对于无线传感器网络研究方面的投入也在不断加大，从而使无线
传感器网络研究发展取得了很大的进步[6]。
1.3.1国外研究现状
从国外的研究现状看，1978年，美国国防部高级研究项目局在卡耐基—梅
隆大学成立了分布式传感器网络工作组，拉开了无线传感器网络的研究序幕。
美国陆军早在2001年就提出了“灵巧传感器网络通信”计划，近期又确立了“无
人值守地面传感器群”和“战场环境侦察与监视系统”项目，美国
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