SRT计划项目结题研究论文无线传感器网络在温室监测中的应用.doc
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1、SRT计划项目研究论文项目名称: 无线传感器网络在温室监测中的应用 申 请 者: 院系名称: 工 学 院 专 业: 自 动 化 指导教师: 职称: 教 授 2009 年 11 月 29 日南京农业大学工学院教务处制无线传感器网络在温室监测中的应用XXXX(南京农业大学工学院电气系 )摘要:本系统将利用一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术,即ZigBee组建一个无线传感器网络,将各节点传感器检测到的信息通过处理器处理后,传送给无线通信模块与其他节点进行通信,最终通过网络协调器将各节点所收集信息传送到监测主机,对接收到的信息进行进一步的处理,直观的显示出所监测温室的参
2、数,最终达到全面监测温室信息的目的。关键词:ZigBee;IEEE 802154;无线传感器网络;温室精准调控Wireless sensor network application in greenhouse monitoring Wang Zhiyu(Nanjing agricultural university institute of electrical system 3226303 E-mail: xiaobai585)Abstract: The system will use a close, low complexity, low power consumption, low d
3、ata rate, low cost of two-way wireless communication technology, namely ZigBee form a wireless sensor network, each node will detect sensor information through the processor, send wireless communication module and other nodes communicate via the Internet, eventually tuner will each node collected in
4、formation transmitted to monitor host, the information for further treatment, intuitive shows which monitoring, the parameters of greenhouse comprehensive monitoring information of greenhouse.Keywords: ZigBee;IEEE 802.15.4; Wireless sensor networks; Precise control of greenhouse0 引言温室培育是我国农业的发展方向,它的
5、经济收益非常高、前景被普遍看好,然而对温室的监测控制方面,目前我国很大程度上还是处于人工采集信息,手工处理信息的阶段,效率十分低下。有线的监测设备存在布线困难,监测范围小等缺点。而以ZigBee协议为基础的温室无线传感器网络,是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信技术。这种无线传感器网络的实现提高了温室的实时监测能力,并且减少了室内布线,使整个监测系统更灵活有效地存在于温室的各个角落,可以有效的为温室生产节约成本,提高经济效益,降低工作人员的劳动强度等。1 Zigbee无线网络技术1.1 无线通信协议ZigBeeZigBee技术是一种新兴的短距离的、低速率无线通信网络
6、技术,它是一种介于无线标记技术和蓝牙技术之间的技术方案,主要用于近距离无线连接,其技术标准由IEEE802.15.4工作小组制订。2002年英国Invensys公司、日本三菱电气公司、美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司四大巨头共同加盟“ZigBee联盟”,ZigBee技术正是在他们的合力推动而产生的。ZigBee协议在2003年通过后,于2004年正式问世。ZigBee无线技术以其短距离、低速率、低时延、低功耗、低成本等优点弥补了无线通信技术的空缺,也满足了以传感器和自组织网络为代表的无线传感器网络的要求。无线传感器网络并不要求较高的带宽,但要求较低的时延与较低的功耗。正如ZigBee联
7、盟主席所说,ZigBee是无线传感网络最好的选择。1.2 ZigBee的研究进展进入2006年以来,市场上己经陆续出现了各种基于ZigBee技术的产品。据美国ZigBee联盟主席 BobHeile博士介绍,ZigBee应用领域主要有移动增值、家庭自动化、家庭安全、工业与环境控制与个人医疗看护等,应用产品则有移动终端、家电产品、消费性电子、PC周边产品与感测器等。北京赫立讯公司推出的无线定位方案已开始在煤矿行业中打开了市场,该公司利用其ZigBee无线网络模块,运用区域定位技术,通过定位网络中的参考节点接收目标节点(矿工随身携带)的无线信号强度RSSI和无线信号质量LQI等信息,从而随时了解矿工
8、的工作位置,同时还可以通过矿工身上的传感器,接收并上报该区域瓦斯浓度变化等信息。基于ZigBee无线传输的自动抄表系统、智能建筑和楼宇自动化系统等的解决方案也陆续得到市场的认可。作为唯一的面向WSN的技术标准,ZigBee的目标是建立一个无所不在的传感器网络。从成立到现在,ZigBee联盟己经从最初的13家公司发展到100多家知名企业加盟的商业团体,在众多企业的追棒下,ZigBee技术呈现出蓬勃的发展趋势。同时,为了增强ZigBee标准的易用性和对大型网络的支持,ZigBee联盟已经批准在最初的协议栈规范中增加高级功能和更高灵活性能的 ZigBeePRO框架堆栈,它在最初规范的基础上增加了网络
9、可伸缩性、分解片段(分解较长消息和实现与其它协议和系统交互的能力)、频率捷变和自动设备寻址管理能力。未来的ZigBee除了增强自身功能外,将向着更廉价、更省电、与IPv6结合的方面发展。IPv6拥有巨大的地址空间,可以为每一个ZigBee节点分配一个全球唯一的网络地址,同时提供安全的通信保障和优良的QOS保证。ZigBee与IPV6的结合将会将WSN的推广和普及推向一个新的高峰。1.3 ZigBee技术的特点ZigBee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台,十分类似现有的移动通信的CDMA网或GSM网,每一个ZigBee网络数传模块类似移动网络的一个基站,在整个网络
10、范围内,它们之间可以进行相互通信。每个网络节点间的距离可以从标准的75米,到扩展后的几百米,甚至几公里,另外整个ZigBee网络还可以与现有的其它的各种网络连接,如可以通过互联网或者GPRS网远程监控一个ZigBee控制网络。不同的是,ZigBee网络主要是为自动化控制数据传输而建立,而移动通信网主要是为语音通信而建立。每个移动基站价值一般都在白万元人民币以上,而每个ZigBee基站却不到1000元人民币。每个Zigbee网络节点不仅本身可以监控对象,如传感器直接进行数据采集和监控,还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料,除此之外,每个ZigBee网络节点还可在自己信号覆盖的范围内,和多个
11、不承担网络信息中转任务的孤立的子节点无线连接。每个ZigBee网络节点可以支持多到31个的传感器和受控设备,每一个传感器和受控设备终端可以有8种不同的接口方式,可以采集和传输数字量和模拟量。ZigBee是一种高可靠的无线数据传输网络,采取了IEEE 802.15.4强有力的无线物理层所规定的全部,同时增加了逻辑网络、网络安全和应用层。一般而言,随着通信距离的增大,设备的复杂度、功耗以及系统成本都在增加。相对于现有的各种无线通信技术,ZigBee技术将是功耗和成本最低的技术,同时又由于ZigBee技术具有数据速率低和通信范围较小的特点,因此ZigBee技术适合于承载数据流量较小的业务。1.4 Z
12、igBee技术的主要优点:(1)节能:由于工作周期很短、收发信息功耗较低、并且采用了休眠模式;(2) 可靠: 采用了碰撞避免机制,同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避免了发送数据时的竞争和冲突。MAC层可以采用完全确认的数据传输机制,每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息;(3) 成本低: 模块的初始成本估计在6美元左右,很快就能降到1.5美元到2.5美元之间,且ZigBee协议是免专利费的;(4) 时延短: 针对时延敏感的应用做了优化,通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。设备搜索时延典型值为30ms,休眠激活时延典型值是15ms,活动设备信道接入时延为15ms;(5) 网络
13、容量大: 一个ZigBee网络可以容纳最多254个从设备和一个主设备,一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络;(6) 安全: ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能,加密算法采用AES一128,同时各个应用可以灵活确定其安全属性。1.5 ZigBee协议标准完整的ZigBee协议由高层应用规范、应用支持子层、网络层、媒体访问控制层和物理层组成。其中媒体访问控制层和物理层由IEEE 802.15.4标准定义;ZigBee联盟则定义了ZigBee协议的上面三层,ZigBee协议栈结构如图1所示。ZigBee的协议架构以OSI七层参考模型为基础,只定义了其中与无线个域网应用相关的协议
14、层。ZigBee协议栈的每层为其上层提供一套服务功能:数据实体提供数据传输服务,管理实体提供其他服务。每个服务实体和上层之间的接口称作“服务访问点(SAP)”。这些服务在ZigBee规范中是通过层间信息流来描述的,层间信息流是一系列离散的事件,每个事件通过层间SAP发送一个服务原语。 图1 ZigBee的协议架构服务原语是一个抽象概念,它仅仅指定了实现特定的服务需要传递的信息,而与实现服务的具体方式无关,也就是说在调用下层服务时,只需要遵循统一的原语规范,并不需要去了解如何处理原语,这样就做到了数据层与层之间的透明传输。一种服务原语包括一个和多个服务原语,原语中的参数用来传递提供服务所要求的信
15、息。OSFRM规定了4种类型的服务原语:(l)请求(request)。请求原语由上层指向服务实体,请求启动一项服务。(2)指示(indication)。指示原语由服务实体指向上层,告知与其相关的服务实体事件信息。该事件可能与远端服务请求逻辑相关,也可能是服务实体内部事件。(3)响应(response)。响应原语由上层指向服务实体,完成此前指示原语启动的过程。(4)证实(confirm)。证实原语由服务实体指向上层,传递此前服务请求的结果。【a】IEEE 802.15.4协议层IEEE 802.15.4标准定义了物理层和MAC子层。物理层包括射频收发器和底层控制模块,MAC层为高层提供访问物理信
16、道的服务接口。IEEE 802.15.4的物理层通过射频硬件和软件在MAC子层和射频信道之间提供接口。物理层的主要任务是在物理介质上透明的传输比特流,提供物理层数据服务和管理服务,分别通过物理层数据服务访问点PD一SAP和物理层管理访问点PLME一SAP与MAC层交换数据和管理信息。物理层信息数据库PIB里保存有与PAN网络相关的数据,物理层通过射频服务接入点RF一SAP来控制射频模块的工作。图2 IEEE 802.15.4层的参考模型IEEE 802.15.4的MAC层处理所有信道的访问,通过一定的共享机制使网络中的节点能有序平等地访问信道。MAC层的主要功能包括:为PAM协调器发出网络标志
17、信号、同步时序信号、完成个人区域网的建立和分离、保证无线通信信道的安全、为信道访问提供CSMA/CA机制及保证MAC层实体之间的可靠传输等。MAC层提供两种服务:MAC层数据服务MCPS和MAC层管理服务MLME。前者保证MAC协议数据单元在物理层数据服务中正确收发,后者维护一个存储MAC层协议状态相关信息的数据库。MAC层通过MAC通用部分子层服务访问点MCPS一SAP来进行提供MAC层数据服务,用MAC子层管理实体服务访问点MLME一SAP来提供MAC层管理服务。在MAC层参考模型中PD一SAP是PHY层提供给MAC的数据服务接口,PLME一SAP是PHY层给MAC层提供的管理服务接口,而
18、MLME一SAP是由MAC层提供给NWK层的管理服务接口,而MCPS一SAP是MAC层提供给NWK层的数据服务接口。PHY层和MAC层的参考模型如图2所示。【b】ZigBee协议层ZigBee协议层包括网络层和应用层。网络层(NWK)负责拓扑结构的建立和维护网络连接,独立处理传入数据请求、关联、解除关联和孤立通知请求等。网络层要求能够确保IEEE 802.15.4标准的MAC层正常工作,并且为应用层提供合适的服务接口。ZigBee网络层提供了两个必须的功能服务实体:数据服务实体NLDE和管理服务实体NLME。NLDE通过网络层数据服务实体服务访问点NLDE一SAP提供数据传输服务,NLME通过
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