实验原理
依托省级实验教学示范中心——河南省计算机实验教学示范中心和许昌学院物联网实验教学示范中心，许昌学院信息工程学院研发了基于物联网的智能无土栽培虚拟仿真实验。本仿真实验以真实无土栽培场景为原型，借助3D模型、2D动画和虚拟现实等虚拟仿真技术，通过器件选型及参数配置、嵌入式程序设计、无线传感器网络参数设置、网络布设和节点优化、信息读写和网络信息传输、远程状态监控和执行器远程操控等仿真交互操作，高度还原了智能无土栽培的信息感知装置设计、执行器装置设计、控制器设计、无线传感器网络布设等工作过程中的技术参数配置、程序设计与控制、工作原理和交互操作等核心要素。
基于物联网技术的智能无土栽培虚拟仿真实验共分为4个核心模块，对应13个知识点，各个工作过程和知识点如下：
（1）数据采集模块
传感器感知原理及应用
ZigBee网络结构
（2）控制系统设计及布设
嵌入式处理器结构及应用
传感器网络网关技术
无线通信技术
无线传感器网络协议栈
无线传感器网络拓扑结构
无线传感器网络最优布设原理
（3）实时监控交互
数据传输协议
执行器原理及应用
（4）作物管理
RFID工作频率
RFID通信协议
RFID标签类别
以下是智能无土栽培4个核心工作过程的具体实验原理和知识点说明。
（一）数据采集模块设计
（1）传感器原理及应用
传感器是一种能感受到被测量信息的检测装置，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。根据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类。传感器是实现自动检测和自动控制的首要环节。智能无土栽培虚拟仿真实验数据采集模块设计环节，通过模拟传感器和测量对象、环境、精度、稳定性、灵敏度、线性范围等要素选择，借助传感器三维动画演示，100%实现了传感器选型知识点学习和考核。
（2）ZigBee网络结构
ZigBee网络结构如图2-1所示。（从物理实现角度）在IEEE 802.15.4网络中，根据设备所具有的通信能力，可以分为全功能设备（Full Function Device , FFD）和精简功能设备（Reduced Function Device , RFD）。FFD设备之间以及FFD设备与RFD设备之间都可以通信。RFD设备之间不能直接通信，只能与FFD设备通信，或者通过一个FFD设备向外转发数据。这个与RFD相关联的FFD设备称为该RFD的协调器（coordinator）。RFD设备主要用于简单的控制应用，如灯的开关、被动式红外线传感器等，传输的数据量较少，对传输资源和通信资源占用不多，这样RFD设备可以采用非常廉价的实现方案。
（从网络组成的角度）IEEE 802.15.4网络中，有一个称为PAN网络协调器（PAN coordinator）的FFD设备，是LR-WPAN网络中的主控制器。PAN网络协调器（以后简称网络协调器）除了直接参与应用以外，还要完成成员身份管理、链路状态信息管理以及分组转发等任务。
（二）控制系统设计及布设
系统主要采用嵌入式自动控制技术，它主要包括微处理器选择及使用等核心要素。系统布设则主要设计无线传感器网络相关知识
（1）微处理器选择知识点
以下是智能无土栽培4个核心工作过程的具体实验原理和知识点说明。
目前，微处理器主要有51系列单片机和STM32处理器两大类。51系列单片机被应用最多的就是89C51和89C52单片机，主要优点是：从内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统；能对片内某些特殊功能寄存器的某位进行处理，如传送、置位、清零、测试等，还能进行位的逻辑运算；片内RAM区间特别开辟了一个双重功能的地址区间，使用较为灵活。51系列单片机的缺点为：EEPROM等功能需要靠扩展，增加了硬件和软件负担；虽然I/O脚使用简单，但高电平时无输出能力；运行速度过慢，特别是双数据指针。因此，51系列单片机无法满足智能智能无土栽培的多任务、实时性要求高、I/O接口繁多等实际工况。相比之下，STM32处理器基于ARM Cortex-M内核，支持串行调试（SWD）和JTAG接口两种调试模式，具备2.0-3.6V的电源供电和I/O接口的驱动电压，具有低功耗特性，可以满足智能无土栽培高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用场景。
（2）协议栈与网关配置知识点
无线传感网络的网关负责连接ZigBee网络和Internet网络，处于ZigBee无线传感器网络与Internet网络之间的通道位置， 它在ZigBee网络和互联网之间搭建一条传输数据的通道，实现了 Zigbee 协议数据包和 TCP/IP 协议数据包的相互转换和数据的双向传输，是智能化无土栽培各装置互联互通的关键。因此，无线传感器网络协议栈搭建和网关配置是理解智能无土栽培装置互联互通的核心要素。在仿真实验过程中，用户需要按照图2-2所示，搭建正确的线传感器网络协议栈并正确配置网关参数，否则无法通过动画模拟演示观看网络的拓扑状态。
（3）无线传感器网络组成与网络拓扑知识点
无线传感器网络主要由传感节点和汇聚节点（Sink节点）组成（见图2-3）。传感节点具有感知和通信功能的节点，在传感器网络中负责监控目标区域并获取数据，以及完成与其他传感器节点的通信，能够对数据进行简单的处理。汇聚节点，又称为基站节点，负责汇总由传感器节点发送过来的数据，并作进一步数据融合以及其他操作，最终把处理好的数据通过网关上传至互联网。无线传感器网络中各感知节点的位置随机分布，并具有自组织特性。因此，无线传感器网络拓扑结构、协议栈设计、节点电路设计、网关配置、节点布设优化等核心要素直接制约着无线传感器网络的数据集采集和通信质量。
无线传感器网络的三种常见拓扑结构为星型拓扑、网状拓扑和树状拓扑，如图2-4所示。星形拓扑结构组网时，电池的使用寿命较长、覆盖范围小;网状拓扑具有组网可靠性高、覆盖范围大的优点，但电池使用寿命短、管理复杂;树状拓扑具有星形和网状拓扑的一些特点，既保证了网络覆盖范围大，同时又不至于电池使用寿命过短。因此，从智能无土栽培对组网简单、成本低以、使用寿命及网络覆盖范围的工程需要，本实验可选择星形拓扑结构。
（4）无线传感器网络覆盖度和节点优化知识点
为了保证无线传感器网络监测的有效性，通常要求监测范围内的每一点都至少处于一个无线传感器节点的监测范围以内；为使无线传感器能够完成对给定区域进行特定的监测任务，必须要进行覆盖控制。无土栽培智能化过程中，传感器节点分布的覆盖度低至关重要。覆盖度太低会造成无线传感器信息丢失，覆盖度过高不仅经济成本高，而且信息冗余会增加无线传感器系统的稳定性和复杂度。
（5）网络通信技术
网络通信技术是指通过计算机和网络通信设备对图形和文字等形式的资料进行采集、存储、处理和传输等,使信息资源达到充分共享的技术，可以分为WiFi、Zigbee、485总线和CAN(Controller Area Network)总线等四种：1)Wi-Fi是一种允许电子设备连接到一个无线局域网（WLAN）的技术，通常使用2.4G UHF或5G SHF ISM 射频频段；2)ZigBee技术主要用于无线个域网（WPAN），是基于IEEE 802.15.4无线标准研制开发的；3)485总线技术采用平衡发送和差分接收，具有抑制共模干扰和抗噪声干扰的能力；4)CAN总线采用数据块编码的方式，数据块根据帧的类型，能够让挂载在总线上的不同节点接收到相同的数据，再根据每个节点的配置对信息进行选择性处理（处理or丢弃）, 具备错误检测功能、错误通知功能、错误恢复功能等能力。
通信技术选择和参数配置对无线传感器网络的信息采集、存储、处理和传输十分重要。在智能无土栽培仿真实验过程中，只有正确选择了Zigbee技术且正确配置汇聚节点网关各项参数，用户才能通过动画看到感知层传感器信息在网络中传输到远端的过程演示，并在远程云平台监控中心看到无土栽培的环境信息。
（三）实时监控及交互
（1）数据传输协议
物联网 (IoT) 设备必须连接互联网。通过连接到互联网，设备就能相互协作，以及与后端服务协同工作。互联网的基础网络协议是 TCP/IP。MQTT（消息队列遥测传输） 是基于 TCP/IP 协议栈而构建的，已成为 IoT 通信的标准。 MQTT 最初由 IBM 于上世纪 90 年代晚期发明和开发。它最初的用途是将石油管道上的传感器与卫星相链接。顾名思义，它是一种支持在各方之间异步通信的消息协议。异步消息协议在空间和时间上将消息发送者与接收者分离，因此可以在不可靠的网络环境中进行扩展。虽然叫做消息队列遥测传输，但它与消息队列毫无关系，而是使用了一个发布和订阅的模型。在 2014 年末，它正式成为了一种 OASIS 开放标准，而且在一些流行的编程语言中受到支持（通过使用多种开源实现）。MQTT 是一种轻量级的、灵活的网络协议，致力于为 IoT 开发人员实现适当的平衡：
① 这个轻量级协议可在严重受限的设备硬件和高延迟/带宽有限的网络上实现。
② 它的灵活性使得为 IoT 设备和服务的多样化应用场景提供支持成为可能。
（2）执行器原理及应用
数据采集模块用于采集传感器数据，并上传至系统服务器。在实时监控端，用户通过控制模块可以对接无土栽培中的各种执行设备，风扇、水泵等，实现自动控制或远程控制。
（四）作物管理模块设计
基于RFID技术的作物管理信息感知装置的工作原理如图2-5所示，主要涉及RFID标签类别、频率及通信协议选择、信息写入等3个知识点。
（1）RFID标签类别知识点
无线射频识别技术（RFID）是一种非接触的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。在智能无土栽培系统中主要用于存储作物架和作物生长相关信息。RFID标签有无源和有源两种类型的，其中有源标签有电源，覆盖范围长（最长可达100米左右）；无源标签没有内置电源/电池，覆盖范围小。所以手持阅读器对作物信息进行监测时，需要选择无源标签、降低干扰，这样不仅不会造成误读，而且适合无电源实际需求。
（2）RFID标签频率及通信协议选择和搭建相应的RFID感知识别系统知识点
RFID的可以分为低频（LF）、高频（HF）和超高频（UHF）三个频段，其中低频段对应于频率范围100-500KHz，高频段对应于频率范围10-15MHz，超高频段对应于频率范围850-950MHz。射频标签的通信标准是标签芯片设计的依据，目前国际上与RFID相关的通信标准主要有:ISO/IEC 18000标准（包括7个部分，涉及125KHz, 13.56MHz, 433MHz, 860－960MHz, 2.45GHz等频段），ISO11785（低频），ISO/IEC 14443标准（13.56MHz），ISO/IEC 15693标准（13.56MHz），EPC标准（包括Class0, Class1和GEN2等三种协议,涉及HF和UHF两种频段）,DSRC标准（欧洲ETC标准，含5.8GHz）。其中，ISO/IEC 14443近耦合IC卡，最大的读取距离为10cm；ISO/IEC 15693 疏耦合IC卡，最大的读取距离为1m。
RFID网络感知系统核心要素是频段和通信标准选择，如果选择不当会导致无法通信和识别读写失败，从而造成无土栽培作物信息漏识别或错误识别。
（3）RFID标签存储信息写入
RFID标签系统由一个询问器(或阅读器)和很多应答器(或标签)组成。智能无土栽培系统中各个作物架上作物生长信息和作物架信息等需要借助读写正确装置写入到RFID标签中，并放置在相应作物架的合适位置，否则RFID感知识别系统无法正确读取和识别。
