基于ZigBee的温室环境监控系统设计 (1).docx

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1、大连海洋大学农业硕士学位论文MASTERAL DISSERTATION基于ZigBee的温室环境监控系统设计钱影研究领域： 农业信息化 选题类别： 规划与设计类 指导教师： 冷 芳 校外实践指导教师：沈晔华论文答辩日期：摘 要在进行农业的种植、培育和生产的过程当中，有着许多因素都会制约作物的最终产量，比如光照强度、环境温度、空气湿度、土壤湿度以及空气中CO2的浓度。从古至今的数千年的农业种植过程当中，这些影响作物产量的重要因素一直无法精确地被控制，基本上是靠着经验来进行粗略地判断。但是这根本无法使农业生产的效益最大化，正是因为这个原因，使中国始终是一个农业大国，而非农业强国。正因为农业体量大、

2、却不发达的特点，本论文使用ZigBee技术，对温室大棚监控系统进行了开发。这个系统当中包含了三个主要节点，分别是终端采集、控制节点和数据汇集。通过这三个节点的设计，我们就能够利用无ZigBee无线自组网络对光照强度、环境温度、空气湿度、土壤湿度以及空气中CO2的浓度等数据进行实时采集处理，并且将其传输给电脑端，进行后续的处理与分析。网络的加入与退出以及上传的传感器数值和接受命令都是由无线通信模块完成的，收集传感器的数据和将数据封包是由数据采集模块来完成，用户输入以及系统信息的输出是由人机交互模块完成的，电源检测及控制模块操作着系统电源电量相关的检测和传感器电源控制，用户远程就可以对节点进行操作

3、，这个模块是由系统配置实现的。控制节点可以使上行发送其控制的节点开启和关闭模式，这样也可以采集数据汇集节点下行输出的开启和关闭设备的指令。通过本篇论文，实现了对监控系统三个节点的软件以及硬件设计，经过测试，证明该设计有效。关键词：ZigBee技术；数据采集；温室环境检测AbstractIn the process of agricultural of farming, cultivating and producing,there are many factors that limit the final yield of crops, such as light intensity, env

4、ironment temperature, humidity of the air, soil moistureand CO2 concentration in the air.Thousands of years of agricultural production from ancient times to the present,these important factors affecting crop yields have not been accurately controlled,its all about making rough judgments based on exp

5、erience.But this simply does not maximize the benefits of agricultural production,thats why,China has always been a large agricultural country, not a strong agricultural country.It is because of the characteristics of large volume of agriculture, but underdeveloped, this paper uses ZigBee technology

6、 to develop the greenhouse monitoring system. This system contains three nodes, which are terminal collection, control node and data collection node. Through the design of these three nodes, we can use wireless self-grouping network to collect real-time data such as light intensity, ambient temperat

7、ure, air humidity, soil humidity andCO2 concentration in the air, and transmit it to the processor for performing final processing and analysis. The joining and quitting of the network as well as uploading sensor values and receiving commands are completed by the wireless communication module, acqui

8、sition of sensor data and data packet are completed by the data acquisition module,user input and system information output are completed by the human-computer interaction module,andthe detection of system power and the control of sensor power are accomplished by the power detection and control modu

9、le, and the user remotely operates the node through the system configuration module. The control node can send the on or off state of the node it controls to the uplink, and can also receive the command to turn on or off the device from the downlink output of the data collection node.Through this pa

10、per, the software and hardware design of the three nodes of the monitoring system are realized. After the test, it proves that the design is effective.Keywords: ZigBee technology；data acquisition；greenhouse environment monitor目 录摘要Abstract1 绪论1.1研究背景11.1.1课题背景与研究意义11.1.2温室系统的研究现状21.1.3无线通信技术研究现状41.2

11、系统研究现状51.2.1系统简介51.2.2系统发展与应用71.2.3系统在国内外的发展情况71.3本论文课题的研究意义92 无线传感器网络与ZigBee技术2.1 无线传感网络112.2 ZigBee无线通信技术122.3 本课题的主要工作及安排143 系统总体设计3.1 系统整体设计方案153.2 系统架构选择163.2.1 总线型163.2.2 GPRS型163.2.3混搭型173.3 终端采集与控制183.3.1 终端数据采集节点183.3.2 终端控制节点183.4 网关设备193.5后台数据库服务器设计193.6信息平台204 系统详细设计与实现4.1系统硬件设计224.1.1 核

12、心板模块硬件设计224.1.2终端采集节点硬件设计224.1.3终端控制节点硬件设计254.2 系统软件设计274.2.1 下位机软件设计274.2.2 ZigBee精简协议栈简介294.2.3 终端采集节点软件介绍304.2.4 终端控制节点设计314.2.5 数据汇总节点软件设计325测试结果及分析5.1测试工具介绍335.2数据格式协议335.2.1下行数据包345.2.2上行数据包345.3数据采集及控制设备测试356总结与展望6.1总结376.2展望37参考文献致谢IV第2章ZigBee无线通信技术1 绪论1.1 研究背景农业自古以来就在社会当中具有极高的地位，无论是广大民众还是统治

13、阶级都极为重视农业生产，因为发达的农业可以增加粮食产量，不论何时粮食都是国民生存的根本所在，只有让大家吃饱穿暖，才能进一步地去发展科技和进行劳动，因此农业对于各行各业而言都具有重要的奠基作用。农业对于各行各业而言都具有重要的奠基作用Error! Reference source not found.。2007年6月，国家农业部根据我们国家农业的发展现状以及将来的发展方向，制定了农业科技发展规划(2006-2020)Error! Reference source not found.，希望能够推进机械在农业当中的应用。五年之后，国务院又发布了全国现代化农业发展规划(2011-2015)Error

14、! Reference source not found.，希望能够将信息化应用到农业当中。四年之后，农业部出台的“十三五”全国农业农村信息化发展规划Error! Reference source not found.提出要加快脚步促进工业和信息化对于农业的推动，进而提高农业生产效率。2016年，“十三五”的农业农村信息化发展主要指标指出农业物联网这样的信息技术在农业当中的应用比例要进一步提高，这份规划涉及了五个大的领域，在“十三五”期间从各个领域来加速推动农业现代化，而且智慧农业作为重要的项目被着重强调Error! Reference source not found.。在我国有数以亿计的人

15、口从事着农业生产，这是其他国家所远不能及的，中国从事农业生产的悠久历史也是其他国家所不能及的Error! Reference source not found.，这一切都是因为自古以来我国的统治阶级就深知如果不能将农业发展起来，势必会导致不能吃饱的人民们可能将会爆发内乱，从而引起战争，导致国家的政治环境和经济环境不安稳，进而甚至会威胁到统治阶级的统治的牢固程度。由此可见充足的土地和足够的粮食产量无论对于国家、民族和我们个人都有着极其重要的作用，就像曾经古代东汉末年三国时期的蜀国丞相诸葛孔明，他不仅仅是一位杰出的军事家、政治家、书法家、文学家和发明家，他还是一位对于农业领域有着突出贡献的人，他上

16、任之后首先就是着重加强了蜀国的农业生产，在蜀国的农业经历了发展之后才从偏安一隅的川府之地变成了后来成为三足鼎立之一的强盛的蜀国。由此我们可以知道农业无论对于古代还是现代而言都具备着不可替代的作用。由于可使用耕地不断缩减，人口数量不断攀升，所以引起了粮食不足的情况Error! Reference source not found.，如今随着这种情况愈演愈烈，中国甚至已经逐步成为了世界上粮食进口的第一大国，中国自己生产的粮食不光早已经不足以养活我们自己国家的人民群众，甚至还有了极其庞大的粮食需求的缺口的出现，而这种情况的出现是有悖于农业大国和粮食大国的名声的，这种情况是完全不应该发生的。因此中国一

17、方面应该从根本的发展政策上重新审视农业生产问题，并且制定相对的发展战略，不然按照目前这种情况，一个拥有十几亿人口，其中几亿人口都在从事农业及其相关的专业的国家温饱问题竟然需要依赖其他国家，这其实是个非常荒谬，而且不应该出现的现状。针对这种情况的发生，十九大报告强调，“确保国家粮食安全，把中国人的饭碗牢牢端在自己手中”Error! Reference source not found.。而就目前的情况来看，显然情况并不是很乐观，我们中国目前拥有农民的数量接近六个亿，然而中国在拥有六个亿农民的情况下，不能保证拥有富裕出来的粮食出口就算了，甚至无法保证粮食自给自足，以至于我们中国成为了世界上最大的粮

18、食进口国Error! Reference source not found.。这样的情况显然是极度危险的，超过国家人口总数三分之一的人民在从事农业相关的行业，国家却依然要面对巨大的粮食缺口。与我们中国的这种情况相对的是美国，美国只有区区三百万人从事农业生产相关的行业，但是他们美国却成为了世界第一大粮食出口国Error! Reference source not found.。这是个让人难以接受的事实，中国有着超出美国近三百倍的从事农业相关行业的人口数量，但是不光无法实现粮食出口，甚至还成为了世界上粮食缺口最大的国家。因此，中国如何能够在减小农业从业人员的工作压力的同时提高农业生产效率，在保证环

19、境尽量不受污染的情况下提高农业生产效率，增加粮食产量就成为了目前我国需要面对的一个非常迫切的问题，所以如果能够顺利地在减小农业从业人员的工作压力的同时提高农业生产效率，在保证环境尽量不受污染的情况下提高农业生产效率，增加粮食产量将会是一项具有重大研究意义的工作。1.2国内外研究现状与研究意义在美国、日本以及荷兰等发达国家的智慧农业水平已经比较高了，他们的发达是比较全面的，这可以体现在各个方面，比如在温室内环境因素的控制技术和方法方面，而且他们还可以在做到对温室内环境因素做到精准控制的同时在成本上做到节约。当然任何事物的发展都是循序渐进的，不可能一蹴而就，国外发达国家智慧农业的发展同样也是如此，

20、他们技术的发展大致可以分成三个阶段，分别为定值控制阶段、PID 控制阶段以及智能控制阶段这三个阶段Error! Reference source not found.。现在来讲，在智慧农业领域取得比较高的成就的依然是一些发达国家，发展中国家在智慧农业方面的研究还是较为欠缺。北美洲的美国、欧洲的荷兰以及亚洲的日本等等发达国家由于有着先进的通讯、计算机和传感器技术作为支撑，所以在智慧农业领域的发展自然是占尽先机的。从智慧农业开始起步到现在的几十年时间里，已经研究出了一些极具代表性的成果，这些成果都代表着智慧农业的突破，都是人类农业走向智能化的路上的里程碑，其中就有灌溉测控系统(美国)、温室管理软件

21、(荷兰)、环境测控技术(日本)以及温室远程计算机遥控技术(英国)等Error! Reference source not found.。其中，“人工气候室”非常具有代表性，它是由美国发明的。Error! Reference source not found.。从此，智慧农业的研究逐渐开始进入一个白热化时期，所产生的科研成果也是呈现出一个井喷的状态。比如，当时荷兰就把专家系统应用到了园艺培育当中，达成了温室的智能化和精准化控制的目的Error! Reference source not found.。计算机为微机的出现奠定了基础，而微机也在不断地发展当中，逐渐完善和精准，功能也越来越多样化和智能

22、化，如今微机技术也被引入到了温室控制系统当中，使得温室系统的发展更加地科学和高效，使农业生产更加智能化，更加省时省力，极大程度地节约了人力物力，降低了经济成本，提高了生产效率Error! Reference source not found.。使用电脑对植物的生长环境进行模拟，这样可以使得温室栽培控制系统更加地科学，增大作物产量Error! Reference source not found.。随着时代的发展、科学技术不断地发展以及智慧农业本身的底蕴不断地加深和智慧农业理论地不断完善还有就是智慧农业领域相关技术地不断成熟，目前在智慧农业领域理论和技术走在前列的国家已经不再致力于单因素的智慧农

23、业研究，而是从单个方面向多个领域协调互通地研究和解决问题Error! Reference source not found.。当然，由于我们中国在温室种植方面起步较晚，因此在经验上的欠缺以及在技术上的不足是不太可能在短时间内弥补得上的，所以我们中国的温室种植技术至今依然和在智慧农业起步较早的国外发达国家存在着差距，有着很多的不足之处需要加强和学习。比如中国在温室种植相关法律规范和规定上面依然有着许多疏漏，在温室种植相关的物资和仪器的生产方面还是没有一个比较统一的质量标准，因此在温室种植的方方面面目前都缺少一个规范。但是随着时间的推移，我们中国在温室种植方面其实也在陆陆续续地不断取得一系列突破，

24、比如温度、CO2浓度以及光照强度等多种因素都可以由温室监控系统控制，除此之外温室监控系统还能够对肥料和营养液等因素进行调控，这样的温室监控系统是由毛罕平教授研发出来的，毛教授来自江苏理工大学。Error! Reference source not found.,Error! Reference source not found.。这个突破对于我们中国的温室种植技术有着非常重要的意义，这不光意味着中国温室控制技术的进步，还意味着中国在温室控制领域不再仅局限于传统的控制方式，而是正式开始了自动化的进程。在这之后，随着我国科学家的不断研究，单片机技术不断地进步，并且为温室的自动化起到了奠基的作用Er

25、ror! Reference source not found.Error! Reference source not found.。随着在科学的不断探索和研究的不断深入，Lab VIEW技术也不断地发展，而这为温室大棚温湿度解耦模糊控制监测系统也起到了非常重要的奠基作用。解耦参数的引入，模糊控制方法的采用令温室监控系统在温度以及湿度的检测和控制方面得到了加强Error! Reference source not found.。PID为基础的温室当中的温度控制器是由岳文杰先生研制出来的。它不仅可以使温室系统的稳定性和精确性得到提高，还能使响应性以及鲁棒性得到质的飞跃Error! Referen

26、ce source not found.。同时，RBF 神经网络也可以在温室系统当中发挥重要的作用，它可以模拟以及预测温室当中的湿度，并且预测未来时间段内的湿度变化情况以及趋势，这是由许童羽等首先提出的Error! Reference source not found.。专家系统还能够和模糊控制系统相合作，这能够充分地利用人类知识来为温室系统服务，通过推测和判断条件，能够发现作物生长过程当中出现的问题Error! Reference source not found.。分析了解我国温室大棚的发展现状之后，针对市面上有的常见的温室环境监控系统所存在的问题原因，本文使用了无线传感器网络作为基础设计

27、了温室大棚的监控系统为主体。本系统采用了ZigBee无线通信的节点解决了多个传感器之间复杂的布局问题，通过收集温室大棚内的空气温度、空气湿度、光照度这一系列的数据，能够让工作人员在第一时间就能了解温室大棚内的关于环境的信息，而且还能控制执行机构通过上传来的信息，自动控制有关的电器设备，让整个温室大棚的环境控制预先设置的环境范围内9。因此，本文设计了一种以Zigbee的无线传感器网络作为基础设施的温室大棚环境监控。1.3 本论文框架结构（1）第一章首先讲述了温室大棚监控系统的研究背景以及其重要影响；之后与国内外农业温室大棚发展的经历与现状形成对比，使用了基于无线传感器网络的温室大棚环境监控这一种

28、方法；结尾，简要的阐述了本论文地主要工作和论文地组织结构。（2）第二章是对现在常用的几种典型短地距离无线通信做了详细地分析和鲜明地对比，制定了ZigBee无线组网方案，并介绍了ZigBee的技术。（3）第三章主要写出了基于无线传感器网络地温室大棚内环境监控系统地硬件设计模块，确定了系统整体的设计方案，创建了系统硬件平台地搭建。（4）第四章是系统地软件设计。先介绍了下位机软件怎么设计，其中还有包括TI公司地Z-Stack协议栈，分析组织框架，操作流程等；完成了下位机节点间地无线组网及通信功能；之后，分析了服务器的的软件的设计，包括SQLServer数据库和TCP传输协议的操作等，最后的介绍了上位

29、机软件地设计，包括如何编写上位机显示界面，阀值的程序等。（5）第五章主要介绍了系统的测试，对系统的功能及其性能进行了相应的实验并进行测试与结果的分析。（6）第六章是对论文的总结及回顾课题地全部工作，以及说明了系统存在的一些不足的部分。342 ZigBee无线通信技术2.1 无线传感网络无线传感器网络(wireless sensor networks,WSN)在当今世界的科技舞台上备受关注。因为它不仅涉及多学科、高交叉度而且又是知识高度密集，所以成为了全世界最前沿的最炙手可热的研究领域。它包含了多项最新的高科技技术，如嵌入式计算技术、传感器技术、现代网络及无线通信和分布式信息处理等。通过使用高度

30、集成的传感器模块和控制模块，能够在各种复杂环境下实现对其进行监测、分析和适度控制等工作。通过功能各异的传感器模块采集到的数据信息以无线的方式发送，通过灵活的自组网络被传送到用户终端，这样就实现了人类渴望已久的物理世界、计算机世界以及人类世界这三元世界的高度联通的先进生活模式。 无线传感器网络技术作为一种新兴的高科技信息技术，已经被世界许多国家的军事界、工业界和学术界人士作为重要研究对象。美国开始对无线传感器网络的研究起步相当早，大约从 20 世纪 90 年代就已经开始了，并主要运用在军事上且已经大面积推广了。美国国防预先研究计划局在 2001 年的时候，在“网络嵌入式软件技术”项目的帮助下，资

31、助了加州伯克利大学开发一种名为“Smart Dust”(智能灰尘)或“Mote”的无线传感器网络开发系统。并且从那时起一直持续到现在，DARPA 每年都会投入大约几千万美元进行无线传感器网络技术的研究开发工作。与此同时，越来越多的美国许多著名公司和大学也加入了研究和开发无线传感器网络的大军。他们根据自身所拥有的优势与资源，以不用的角度与层次为起点，展开了极其深入的开发研究工作。比如加州大学的洛杉矶分校的 CENS,WINS,NES 等实验室和麻省理工学院（MIT）都无一例外的获得了 DARPA 的支持与帮助，着手于研究超低功耗的无线传感器网络工作，业界里所广泛关注的协议就是出自 MIT 的研究

32、；还有奥本大学也同时获得了DARPA 的帮助，着手于研究关于自组织传感器网络方面的工作；另外宾汉顿大学计算机专业实验室在移动自组织网络层协议、传感器级网络系统的应用层上的独创设计等方面也做出了相当多的工作；还有州立克利夫兰大学所属的移动计算研究室在基于 IP 的移动网络及自组织网络方面结合了无线传感器网络技术等最新技术进行了大量研究工作。 我国开始对无线传感器网络的研究也相当早，不说传统意义上的传感器研究，单说现代意义上的传感器网络研究早在 1999 年中国科学院知识创新工程试点领域方向研究的“信息与自动化领域研究报告”中，作为该领域中的五个重大项目之一(当时的项目名称:重点地区灾害实时监测、

33、预警和决策支持示范系统。中科学院计算技术研究所在对于 IPv6 无线传感器网络节点以及配合于IEEE802.15.4 标准并满足 ZigBee 规范的无线传感器网络等方面做了相当多的研究性工作，并且成功支持了完全自主开发的 GAINS 系列无线传感器网络节点，并同时实现了产业化。浙江大学的现代控制工程研究所也跟上形势成立了“无线传感器网络控制实验室”，并联合了相关的公司展开了专门从事面向传感器网络的分布自治系统关键技术和协调控制理论方面的研究工作；山东省科学院在 2004 年 10 月开始，启动了关于无线传感器网络节点操作系统的研究开发工作；还有北京邮电大学、国防科技大学、清华大学、中国科学技

34、术大学、哈尔滨工业大学、电子科技大学、武汉理工大学、南京航空航天大学、东南大学和大连理工大学等众多单位在无线传感器网络方面也都做了相当多的工作。 无线传感器网络在国家安全问题以及国民经济领域等诸多方面均有着广阔的应用前景。在未来，传感器网络的发展方向将向天、空、海、陆、地下一体化综合传感器网络的目标发展，最终将实现现实世界与数字世界的高度联通与融合，未来每个角落都将有无线传感器的设置，整个世界就是一个整体，世界各地就像一个人的各个器官一样，运用起来相当的自如。人们的生活方式就会从根本意义上被彻底的改变 。2.2 常用短距离无线网络技术比较目前应用较为广泛的短距离无线传输方案主要有，ZigBee

35、技术、Bluetooth技术、 Wi-Fi技术、UWB技术以及红外技术。这儿种典型近距离无线通信技术的性能对比 如表2-1所示。表2-1 几种通信技术性能比较Tab. 2-1 The comparison of several communication techniques技术 传输速率 传输介质 有效物理范围 功耗 成本ZigBee 20 250kbps2.4GHz150m低小 Bluetooth 1Mbps2.4GHz10m较高较大Wi-Fi11Mbps 2.4GHz100m高大UWB500Mbps高于2.5GHz10m较低小IrDA16Mbps980nm红外定向12低大1、ZigBee

36、技术ZigBee是能够连接很多无线数传模块构成地数据传输的网络，在这个无线网络里，无线数据传输模块都可以与其他传输模块随时互相进行通信交流，这样网络节点与网络节点之间的距离就可以无限扩大。跟别的网络模式不一样的是，ZigBee网络大部分主要使用在农业、工业生产中的无线数据传输。符合ZigBee技术具有简单、使用方便、工作可靠和价格低地特点。创建移动通信网络基站在造价上就成本太高，多达千万，但ZigBee网络地每个节点的成本却不超过600元。ZigBee网络地每个节点，其本身不仅仅可以成为终端节点直接获取收集到的数据，也可以当作网络的中继节点帮助其他节点传输数据资料。此外，每一个ZigBee节点

37、还能够在自身地有效通信范围内，通过连接其他一些不负责网络信息中转任务的节点，一起完成网络的组建。2、蓝牙技术Bluetooth技术基于低成本的短距离的无线个人传输设备，目的是能够使用全球都可以使用的无线传输环境，载频选取国际通用地2.4GHzISM频带，通过无线电波实现在笔记本、移动电话、PDA和办公打印机等设备之间地无线信息传输服务，能够让各个设备之间实现简单便捷、安全和低功耗便宜的数据和语音通信。3、Wi-Fi技术Wi-Fi(WirelessFidelity)是一种无线联网技术，也是在无线局域网的范畴内，一般用来指使用了IEEE(美国电气和电子工程师协会)802.11b标准地微电子产品，其

38、主要特点是传输速率很高、可靠性强、组网快速便捷、可移动性好、网络结构具有弹性則。Wi-Fi的兼容性也很好，釆用了和蓝牙一样的2.4GHzISM免特许频段，现在是当前无线局域网络市场地主流标准。4、UWB技术超宽带通信UWB(UltraWideBand)是一种无线载波通信技术，它使用的是一种纳秒级的非正选波传输数据，所以它占有的频率是很宽泛的，UWB的技术系统复杂度很低，发生出的信号功能也相对比较差，对信号不敏感，获取能力也相对较低，其使用的范围多在室内一些紧密的环境里。 综上所述，通过对ZigBee、蓝牙、Wi-Fi、UWB这几种典型的短距离无线通信技术性能的对比与分析。可以看出ZigBee技

39、术相较于其它几种典型的短距无线通信技术，更适合在农业温室大棚的监控系统中进行应用与推广。2.3 ZigBee技术简介ZigBee技术又被称为“紫蜂协议”，它是一种以功耗不是很高的以IEEE802.15.4标准的局域网协议为基础的无线通信技术，它的特点是功耗不高以及距离并不远Error! Reference source not found.。而且ZigBee的协议是由四个部分组成的，从下往上依次是物理层、介质访问控制层、网络层以及应用层Error! Reference source not found.。IEEE802.15.4规定了物理层和介质访问控制层的定义，ZigBee联盟规定了网络层以

40、及应用层的定义。例如，2.4GHz频段为全世界的主流频段、915MHz频段为美国的主流频段以及868MHz频段为欧洲的主流频段。世界范围上，主要为传输速率是250kbit/s的16个信道、美国范围上，主要为传输速率是40kbit/s的1个信道、欧洲范围上，主要为传输速率是20kbit/s的10个信道，虽然它们的个数、频段以及传输速率不同，但是在传输距离上它们有着一致性，都在10m到75m的范围内。ZigBee技术比其他无线通讯技术更加简单和方便，所以应用得更为广泛，具有更广阔的开发前景和开发意义。2.3.1 ZigBee技术的主要特点1.占用系统资源少目前为了能够使设备带有智能性，嵌入操作系统

41、成为了大多数的设备的解决方案。在无线传感器网络研究的领域，由于空间大，设备的灵活度要求也极高所以也需要嵌入式设计加入其中。这样的设计既提高了节点的智能性又带来了更多的存储空间可利用。可在实际应用中，大棚的使用面积广阔，范围大，所以使用的传感器节点都需要方便小巧，精益求精。这造成了存储资源的范围变得很有限。并且ZigBee 协议所占的资源空间相对要少很多，用户可以把系统资源不占用的空间节省下来做别的，使之能程度进一步提高。2.电池命时间长符合 ZigBee 协议标准的节点的设计都带有低功率的优点，这种设计虽然限制了节点的传输速率，但ZigBee协议优点是可以长时间工作并且可以长时间连续工作。根据

42、终端节点自身的特点，通常设置在温室，山区，城边缘等人烟稀少，环境复杂恶劣的地方。为ZigBee换电池既费时又费力，有时甚至很危险。ZigBee协议有多种电源模式。ZigBee终端节点的状态大部分时候保持在睡眠状态，即功耗最低的状态，这将使电池更加耐用，大大减少人力资本。当ZigBee终端节点需要工作时，可以使用睡眠定时器自动唤醒节点，也可以使用外部中断唤醒节点。这种设计不仅节省了能量，而且提高了节点的灵活性。由普通电池供电的ZigBee终端节点通常可以工作3个月或更长时间。3.网络的大小几乎无限量ZigBee 协议规定每个节点设备的物理地址为 64位，而 64 位的二进制位能够编址的范围是 2

43、64 =18446744073709551616，而这个数字可以说几乎是无限的。ZigBee 协议这样设计节点物理地址的原因是，无线传感节点与我们常见的一些无线设备功能不同。常见的无线设备大多传递的信息是供人们交互的，比如声音、图像、视频等。但是 ZigBee 节点的特点是广阔的、无死角的大面积多功能覆盖。可以这么说，只要配合上相应的传感器就能采集到任何信息。所以它所需要容纳的信息量要远比人们的交流对信息的需求量大的多，所以非常大的网络是设计时必需要考虑的。4.相对较大的无线覆盖范围每一个ZigBee节点的无线电频率覆盖范围在1，100米范围内。这数字比GSM小得多，但在大多数用感应器的环境中

44、，这数字非常大。此外，远程射频硬件能以更大的功耗为代价来实现。对于感应器节点来说，低功耗是最重要的，无线传所能传输的多远已经没有那么重要了5.低廉的价格现在，与ZigBee标准相匹配的相应硬件设备能大规模生产。几十亿的ZigBee感应器节点遍布世界，单块芯片的多少钱非常合理，人民币大约50元。，由于ZigBee具有很明显的优势在，ZigBee科学技术越来越受人们的关注与使用。随着ZigBee技术的快速发展该技术在各个领域都将有着非常光明的前途。2.3.2 ZigBee无线网络拓补结构ZigBee协议的网络拓扑结构分类与IEEE802.15.4标准完全兼容，存在三种组网形式：星型网络（Star）

45、，树型网络（Tree）以及网状网络（Mesh）。1、星型网络拓扑星型拓扑无线感应器网络由一个无线协调节点和多个无线感应器节点组成。可以算是最简单的网络系统，在感应器较少的小型监控系统很实用。在这种网络结构中，感应器节点通过协调器与主机进行信息之间交换。感应器节点不行直接交换信息，却能通过协调器传递相应的信息。 协调器终端节点图2-2星型结构Fig. 2-2 Star topology diagram2、树形网络拓补树形网络拓扑如图2-7所示。树型网络是一种典型的对等网拓扑结构。协调器作为整个网络树网络系统的核心技术，负责通过路由器向外扩展网络。因为路由器的存在，使得整个系统的稳定性和鲁棒性较星

46、型网络有了很大的提升。当两个节点之间有障碍物阻挡的时候，两个节点不行直接通讯。在树形结构的网络中，数据由路由器转发，由于每个子节点只能与父节点进行通信，虽然数据最终以多跳的形式到达目的节点，但经历了较长的数据链路，传播效率不高，而为了实现数据的跨障碍转发，数据延迟率会很高，如2-7所示： 协调器 路由器 终端节点图2-3树型结构Fig. 2-3Tree topology diagram3、树形网络拓补网状拓扑结构由协调器，路由器和终端节点三部分构成，与树型拓扑结构一样。该网拓扑结构具有很强的健壮性和良好的可扩展性，通过多条路线传输数据，保证了传输的靠谱性。即使出现个别链路或节点出现故障问题，也

47、不会导致网络出现瘫痪的状态。如下图2-4所示。 协调器 路由器 终端节点图2-4网状拓扑结构Fig. 2-4 Mesh topology diagram2.3.3 协议站结构在ZigBee的体系结构中，它通常是量化其协议标准的层。各层都需要完成有关的任务，为上一层提供相应的服务。层到层通过已怎么创建的逻辑链路接口提供客服。ZigBee技术的体系结构包括PHY物理层，macbook网络层，NWK网络层和APL应用框架层。协议的组成如图2-5所示。图2.-5ZigBee协议架构Fig. 2-5 Zigbee protocol stack structure不难看出ZigBee网络协议体系只有4层，跟7