基于Zigbee技術(shù)的溫室監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：文中基于Zigbee技術(shù)建立無線監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，用于對(duì)溫室內(nèi)的溫度、濕度和光照強(qiáng)度的監(jiān)控。闡述了監(jiān)控單元的系統(tǒng)架構(gòu)，重點(diǎn)探討了基于Zigbee技術(shù)的無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的硬件設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)通信與數(shù)據(jù)傳輸控制協(xié)議實(shí)現(xiàn)、監(jiān)控主機(jī)應(yīng)用程序及接口等問題。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、功耗小，目前已經(jīng)初步形成產(chǎn)品。
關(guān)鍵詞：無線監(jiān)控系統(tǒng)；zigbee；紅外；濕度；步進(jìn)電機(jī)

0 引言
    隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展，精良化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的概念開始為大多人所接受，其中最有代表的就是溫室大棚技術(shù)，溫室大棚技術(shù)不但可以反季節(jié)生產(chǎn)農(nóng)產(chǎn)品，而且還具有高產(chǎn)出、低蟲害、無污染等眾多優(yōu)點(diǎn)。但大量引入溫室大棚的同時(shí)，一系列的新問題也隨之而來，如：?jiǎn)慰咳肆o法完成溫室大棚內(nèi)的溫度、光照及灌溉等如此繁重復(fù)雜監(jiān)控任務(wù)，因此國(guó)內(nèi)外興起了對(duì)溫室大棚設(shè)施的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究，其中無線通信技術(shù)的快速發(fā)展也為便捷、快速、遠(yuǎn)程的溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)提供了可能。近年來在國(guó)內(nèi)外的市場(chǎng)上出現(xiàn)了眾多采用GPRS技術(shù)的溫室大棚監(jiān)控設(shè)備，該技術(shù)和設(shè)備具有傳輸信息量大、可遠(yuǎn)程操控及具有較高的可靠性，但其設(shè)備造價(jià)和通信費(fèi)都較高，因而很難得到廣泛推廣。因此筆者開發(fā)了一種基于Zigbee技術(shù)的溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有低功耗、低成本、高可靠性、低復(fù)雜度、安裝維護(hù)簡(jiǎn)單和擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，為溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)的推廣提供了一個(gè)不可多得的平臺(tái)。

1 Zigbee無線通信技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    Zigbee是符合IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)的新興無線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，其發(fā)起組織Zigbee聯(lián)盟于2004年底發(fā)布了最早的1．0版本規(guī)范，之后相繼推出了Zigbee2006和Zigbee PRO兩個(gè)升級(jí)版本。有關(guān)Zigbee的產(chǎn)品還大多處于研究階段，但鑒于其眾多的優(yōu)點(diǎn)，相信不久，基于Zigbee技術(shù)的產(chǎn)品將會(huì)得到迅速普及應(yīng)用。
1．1 Zigbee技術(shù)的主要特點(diǎn)
    1)低功耗。在低耗電待機(jī)模式下，2節(jié)5號(hào)干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6～24個(gè)月，甚至更長(zhǎng)。
    2)低成本。通過大幅簡(jiǎn)化協(xié)議(不到藍(lán)牙的1／10)，降低了對(duì)通信控制器的要求。
    3)低速率。在2．4 GHz的工作頻率下可提供250 kbps的原始數(shù)據(jù)吞吐率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。
    4)近距離。相鄰節(jié)點(diǎn)之間傳輸范圍一般介于10～100 m之間，在增加RF發(fā)射功率后，亦可增加到1～3 km。
    5)短時(shí)延。Zigbee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15 ms，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30 ms，進(jìn)一步節(jié)省了電能。
    6)高容量。Zigbee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理多達(dá)254個(gè)子節(jié)點(diǎn)。
    7)高安全。Zigbee提供了三級(jí)安全模式。
    8)免執(zhí)照頻段。采用直接序列擴(kuò)頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ISM)頻段。
1．2 Zigbee協(xié)議的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    Zigbee協(xié)議的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    本設(shè)計(jì)所采用的主控制器是由美國(guó)TI公司生產(chǎn)的CC2430無線單片機(jī)，該單片機(jī)承載了Zigbee技術(shù)的片上系統(tǒng)(SoC)，屬增強(qiáng)型的51單片機(jī)，是高度整合了的系統(tǒng)級(jí)射頻收發(fā)器，其主要特點(diǎn)如下：
    1)芯片內(nèi)部已經(jīng)集成了相關(guān)的RF電路，因此外圍接口電路比較簡(jiǎn)單。
    2)該芯片為增強(qiáng)型8051微處理器，內(nèi)置看門狗、AD轉(zhuǎn)換等模塊，因此功能強(qiáng)大。
    3)該芯片價(jià)格低廉，外圍電路簡(jiǎn)單，因此具有較低的開發(fā)成本。
2 系統(tǒng)硬件組成
    在本系統(tǒng)中，根據(jù)功能硬件組成可分為傳感器終端設(shè)備和中央控制設(shè)備兩大部分，終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集和滴灌開關(guān)、遮光板角度調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)、日光燈和通風(fēng)設(shè)備控制；中央控制設(shè)備則實(shí)現(xiàn)對(duì)各終端收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理比對(duì)和控制輸出。
2．1 傳感器終端
    傳感器終端設(shè)備由RF收發(fā)模塊、傳感器模塊和執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)模塊組成。其中執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)模塊主要是由繼電器電路組成，而傳感器模塊由數(shù)字溫度傳感器DS18B20、數(shù)字濕度傳感器SHT21、微型數(shù)字二氧化碳傳感器S-100及TSL230B光照強(qiáng)度／頻率傳感芯片組成，而RF收發(fā)模塊使用的是TI公司提供的CC2430無線收發(fā)模塊，具體電路原理如圖2所示。

2．2 中央控制
    中央控制設(shè)備由RF收發(fā)模塊、顯示模塊和鍵盤輸入模塊三部分組成，其中RF收發(fā)模塊與終端設(shè)備硬件設(shè)計(jì)中的RF收發(fā)模塊一樣，顯示模塊采用的是四組四位數(shù)碼管，分別顯示溫室大棚內(nèi)的溫度、濕度、二氧化碳濃度及光照強(qiáng)度。其驅(qū)動(dòng)電路如圖3所示。

    鍵盤輸入模塊采用的是4x4的矩陣鍵盤，該輸入模塊包含了數(shù)據(jù)輸入及功能設(shè)定按鈕，具體電路如圖4所示。

3 系統(tǒng)軟件組成
3．1 傳感器終端軟件設(shè)計(jì)
    在本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)終端設(shè)備都具有一個(gè)固定地址，且該地址對(duì)應(yīng)溫室大棚中不同的區(qū)域。該設(shè)備負(fù)責(zé)將本區(qū)域內(nèi)所測(cè)得的原始數(shù)據(jù)發(fā)送至中央控制設(shè)備，并在接受來自中央控制設(shè)備的控制命令后，驅(qū)動(dòng)相應(yīng)設(shè)備執(zhí)行該命令，其工作流程如圖5所示。

3．2 中央控制軟件設(shè)計(jì)
    中央控制設(shè)備負(fù)責(zé)搜集各個(gè)終端設(shè)備發(fā)送過來的溫度、濕度、二氧化碳濃度和光照強(qiáng)度原始數(shù)據(jù)，經(jīng)和參考數(shù)據(jù)比對(duì)后，向該終端設(shè)備發(fā)送相應(yīng)的操作命令，并打印相應(yīng)的溫度、濕度、二氧化碳濃度和光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)，如圖6所示。

4 結(jié)束語
    該監(jiān)控系統(tǒng)成功引入了Zigbee無線通信協(xié)議技術(shù)，且所設(shè)計(jì)的電路硬件模塊功能完整、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)了低成本、低功耗、高可靠性和高效益的目的，因此可廣泛應(yīng)用于蔬菜、水果及花卉栽培等溫室大棚中。