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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，并对采集的信息进行二次处理。这个ZigBee 信息处理系统被分为多个子模块以此来提高处理不同端的信息的精确性信息数据收集部分负责连接各子系统传导的信息；交互系统负责转化用户与系统指令的输入和输出；无线区域网络信息接收端负责连通网络，再通过网络系统传输各子系统需要的数据；而电源控制部分进行
3、对各个模块启动与关闭的操作，通过这样的系统可以实现远程操作，对各节点进行自由控制也大大提升了整个系统的灵活性，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
4、 intensity, environment 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 judgmen
5、ts based on experience.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 Zi
6、gBee technology 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, a
7、mbient temperature, 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 communicatio
8、n module, acquisition 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 a
9、nd control module, 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.
10、Through this paper, 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.
11、3无线通信技术研究现状41.2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
12、系统硬件设计224.1.1 核心板模块硬件设计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
13、的地位，无论是广大民众还是统治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(
14、2011-2015)Error! 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技术的结合从而推进农业农村现代化发展，助力农村生产力的提高，为乡村振兴提供技术支撑和保障。“十三五”规划对农业现代化提出的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! Ref
15、erence source not found.。我国从事农业生产的人数是世界上屈指可数的，而我国传统农业农业的起源时间和发展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
16、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
17、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
18、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
19、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
20、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，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
21、向智能化的路上的里程碑，其中就有灌溉测控系统(美国)、荷兰的温室技术、日本的环境测控管理系统等 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
22、精准，功能也越来越多样化和智能化，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
23、家已经不再致力于单因素的智慧农业研究，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
24、陆陆续续地不断取得一系列突破，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
25、室的自动化起到了奠基的作用Error! 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
26、跃Error! Reference 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.。由于我国近现代农业技术发展进程与发达国家相比还比较落后，对温室大棚管理和运行还缺乏经验。本文在此
27、技术背景下，从我国温室系统的缺陷和不足出发，对其改善和提高提供解决方案。我国温室管理领域相关人员可以通过无线网络系统对温室大棚进行实时监控。温室大棚作为一种区域模块化系统，可以将生产区域进行灵活划分但具有一定难度和复杂性，这为ZigBee技术的运用提供了先决条件。采用ZigBee技术对温室大棚进行各节点的精细化管理，为了辅助这个技术的高效运行，收集温室内的各项数据（空气中含水量，温度以及日照强度等）成为了不可缺少的一环。工作人员能够通过各项数据反映的信息对温室管理的模式和内容进行及时的调整，也可以运用ZigBee技术实现生产和管理设备的自动化运行，预设温室运行所需的各项数据指标，进行自动管理，
28、这不仅大幅度提升了工作效率，也减少了人工成本。由此得出，ZigBee技术适应了温室管理系统转型升级的需要。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对拓宽生产范围的重要作用。其次本章节会将国内外对温室大棚的管理进行对比从中得出差异，对无线传感进行必要讲解再推出本文写作目的和布局构造。（2）第二章主要目的是引出ZigBee技术，从无线通信中寻找有效的信息和经验，根据得出的信息编织出一个无线通信网络系统来对ZigBee技术进行深入的阐述和说明。（3）第三章以无线传感系统为落脚点，利用网络的高效性和模块间相关性，构建一个系统的信息处理平台，使各部分在充分发挥自身作用
29、的同时又服务于整体。（4）第四章则对如何设计符合无线传感系统的软件进行说明。本章节基于软件设计的框架和过程对整个系统进行了由下位机到上位机的分解设计，首先解决机体系统的无线组网和信息传导问题；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，最后介绍了上位机软件的设计编制主界面，计算系统等。（5）第五章的主要内容是对设计的系统进行试运行，测试系统的整体运行效果，对测试结果进行分析再得出结论。（6）第六章对整篇文章进行总结说明，对系统中存在的一些不足的部分作相关说明。332 ZigBee无线通信技术2.1 无线传感网络无线传感器网络(wireless sen
30、sor 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，
31、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，资助了加州伯克利大学开发一种名为“Smart Dust”(智能尘土)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
32、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；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
33、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、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。在这种趋势下越来越多的科学院校和科研组织都进入
34、到相关研究的潮流中，如果无线传感的研究能取得突破，那么这即将为信息化和自动化技术提供诸多便利。在这股“洪流”中，以浙江大学为突出代表：浙江大学研究所设立实验室以专门从事对无线传感控制系统的研究和开发，这中间也对分系统控制法做出了强调。在国家科技政策的导向下，越来越多知名院校启动研究，比如电子科技大学，国防科技大学，清华大学等老牌科研强校，这些院校立足于该系统的整体性和相关性做出极大努力。科技对中国特色社会主义市场经济和现代国防的贡献是毋庸置疑的。对经济而言，技术革新带来的新的生产技术和工艺能够大幅度提升我国制造业的生产效率；对国防安全而言，科技是国防实现创新的先决条件。所以，无线传感网络体系在
35、将来中国能否实现海陆空一体化目标的过程中扮演者非常重要的角色。如果无线传感技术未来在世界范围内得到广泛应用，那么世界的整体化进程将到达一个新的高度，从而对新的局势带来机遇和挑战。2.2 常用短距离无线网络技术的对比ZigBee，蓝牙，Wi-Fi等信息技术的运用是当前阶段最为广泛的技术手段，下表（2-1）是对这几种技术的进行效果对比图：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 Blu
36、etooth 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，
37、但ZigBee网络地每个节点的成本却不超过600元。相关性作为ZigBee技术最为突出的特点，这个特性赋予了单位网络系统既可以独立的进行信息收集和处理，也能作为一个子系统与其他子系统搭建沟通路径的能力。抛开相关性这个特性，ZigBee技术甚至能过沟通一部分无关联性的子系统，拓宽了系统构建的模块范围。2、Bluetooth(蓝牙)蓝牙是通过2.4G赫兹的特定频率进行短距离运作，之所以成为短距离传输技术，是因为蓝牙只能通过单体设备和特定频率接收信号，如果不满足任一条件，蓝牙就会因为频带断开而失去效用。但是，蓝牙使用范围宽泛如手机，办公设备，机械仪器等都能通过单体设备的频带连接实现交互。3、Wi-F
38、i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)作为一种无线信息传输交互途径，能够在非常广泛的频率范围内进行工作，还拥有纳秒级的传输速度，实用性高。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
39、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。 通过对上述信息传输技术的介绍，综合考虑上述技术的适用范围和工作效率，ZigBee技术在其中脱颖而出，成为相较于其他技术更为适应农业温室大棚测控系统发展需要的手段。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，分别是实际操作设备，网络传导，访问信息筛选和监控以及系统实际应用44。以
40、上系统允许部分在不同的环境下实际应用不尽相同。例如，2.4GHz频段为全世界的通用频率。就不同国家来讲，英美的适用频率分别为886M赫兹和916M赫兹。就全世界来讲，主要使用15M赫兹，在此基础上产生了16个拥有250KB左右每秒传输速度的信息通道；就美国的情况，美国通常使用速度为40KB每秒的信息通道；英国则主要使用10个20KB每秒的信息通道。通过使用不同频率减少信息干扰，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 ZigB
41、ee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，许多区域都会采用加设另外的系统来解决智能化程度不高的问题。因为无线网络是一个巨大的信息集散平台，信息处理往往具有一定难度和复杂性，为了提高信息处理和流通的效率，需要加设一个辅助系统来帮助主系统的信息处理，这也叫做嵌入式系统设计。这个加设的系统技能提高系统允许的整体智能化程度，也能节省主系统的空间，使整个系统更具可操作性。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投入到其他的
42、操作中，增强系统灵活性。2.系统待命时间长利用ZigBee技术设计的系统具有高续航能力，这主要是因为低能耗和低功率两个因素，但是这也限制了系统的运行效率。另外，ZigBee系统的装配难度大，管理和人工成本高，所以ZigBee系统通常需要设置于人口密度较小的地方，但是这并不影响系统的使用，因为ZigBee系统会在完成信息处理后周期性进入待机状态以此来保证系统能维持相对稳定的状态，延长使用周期。这种设计相较于普通系统更具有灵活性和实用性，一般情况下，ZigBee系统的运行时间会比普通系统多36月。3.网络覆盖面广，容量大ZigBee系统通常是实用二进制来进行模块编制和内容编写，通过二进制把ZigB
43、ee的网络地址进行转换后得到的数量是非常庞大的（长达20位数），这就成为了该系统内部储存空间几乎用之不尽的主要原因，庞大的空间呼应了“爆炸式”信息过滤的状况。但是ZigBee系统并不等于一般意义上的无线信息传输技术，因为ZigBee能够让个节点都拥有与传感器适配的能力，这意味着各节点通过传感器覆盖各个方面的信息，并不局限于影音等可交互的信息。这就要求要有一个足够打的网络系统来支撑该系统的运行。4.无线信息可适配性强每个单节的频率范围大概在1到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，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
44、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无线扩展系统节点无线扩展系统能够和ZigBee运行标准相匹配，该扩展系统能够以不同的形式存在星间链域式扩展，网状扩展，树状扩展。 1.星间链域式扩展 星间链域式扩展又称星型拓补，在这个扩展系统中，存在一个起核心作用的协
45、调节点，它负责向个节点传输指令和信息，同时还有多个响应节点对协调节点发出的信息做出回应，然后通过协调节点向主系统传递信息。这个扩展系统在复杂程度并不高但是实用范围比较广。 协调器终端节点图2-2星型结构Fig. 2-2 Star topology diagram2、 树状扩展树状扩展是一种结构性的处理系统。树状扩展系统的关键部分依然是协调节点，但是在这个系统中发挥着不一样的作用在这个系统中，协调节点以路由器为信息载体，向外进行扩展。这是与星型扩展相比的主要优势：向外扩展大幅度提升了系统的灵活性和可控性。当两个节点之间有障碍物阻挡的时候，信息无法直接通过网络通道。因为有路由器这一外部媒介存在，各
46、节点的信息并不能进行对等传输，而是下位节点的信息必须也只能经过上位节点，所以个节点的信息传导过程会具有信息跳点式的流动方式，这也是路由器数据处理会出现延迟的主要原因之一。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、网状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“协议站结构”中的“协议”就体现出了该结构的主要特点即在ZigBee系统运行过程中，各节点需要与协调节点进行一个类似于签订工作协议的流程，这意味着各节点和各运行模块处理信息后要向上层模块进行反馈即下位节点与上位节点直接是一种服务与被服务的关系。ZigBee系统主要是在协议和运行标准框架下由操作系统（physical物理层），Mac网络系统组成，结构说明如下图所示：图2.-5ZigBee协议架构Fig. 2-5 Zigbee protocol stack structure不难看出ZigBee