基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線大棚溫濕監(jiān)控系統(tǒng)

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，目前大棚養(yǎng)殖已成為我國(guó)一些農(nóng)村的重要產(chǎn)業(yè)，是當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的主要經(jīng)濟(jì)來(lái)源，大棚養(yǎng)殖逐漸呈現(xiàn)大規(guī)模、集團(tuán)化的特點(diǎn)，因此無(wú)人值守的大規(guī)模大棚自動(dòng)溫濕監(jiān)控系統(tǒng)具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。該系統(tǒng)采用ZigBee無(wú)線收發(fā)設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)，無(wú)需專門(mén)架線，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)省了人力物力，通過(guò)ZigBee射頻收發(fā)模塊可讀取各大棚的數(shù)據(jù)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚溫濕度的控制，實(shí)現(xiàn)真正意義上的無(wú)人值守，與普通無(wú)線技術(shù)相比，還具有低功耗、低成本和網(wǎng)絡(luò)容量大等特點(diǎn)，該系統(tǒng)由中心控制單元和大棚溫濕監(jiān)控終端組成。

1 ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介

ZigBee是一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。它主要工作在無(wú)須注冊(cè)的2.4 GHz ISM頻段，傳輸范圍在10～75 m，典型距離為30 m。ZigBee的基礎(chǔ)是IEEE 802.15.4，這是IEEE無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)工作組的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，被稱作IEEE 802.15.4(ZigBee)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

ZigBee技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)包括以下幾個(gè)部分：

功耗低 由于ZigBee的傳輸速率低，只有10～250 kB／s，發(fā)射功率僅為1 mW，而且采用了休眠模式，功耗低。根據(jù)ZigBee聯(lián)盟的估算，兩節(jié)普通5號(hào)干電池可使用六個(gè)月到兩年。

成本低 模塊的初始成本估計(jì)在6美元左右，很快就能降到1.5～2.5美元之間，且ZigBee協(xié)議是免專利費(fèi)的。

網(wǎng)絡(luò)容量大 一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以容納最多254個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備，一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在最多100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)。

時(shí)延短 針對(duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延都非常短。設(shè)備搜索時(shí)延典型值為30 ms，休眠激活時(shí)延典型值是15 ms，活動(dòng)設(shè)備信道接人時(shí)延為15 ms。

安全 ZigBee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，采用AES-128加密算法。

可靠 采用了碰撞避免機(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。

基于上述特點(diǎn)，ZigBee主要應(yīng)用在短距離范圍并且數(shù)據(jù)傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間。其典型的傳輸數(shù)據(jù)類型有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和重復(fù)性低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)，其目標(biāo)就是針對(duì)農(nóng)業(yè)自動(dòng)化、工業(yè)自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化、遙測(cè)遙控和醫(yī)療護(hù)理等。

2 無(wú)線溫濕監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的形成是自動(dòng)完成的，具有很好的可控性。常見(jiàn)的網(wǎng)絡(luò)類型主要有3種，即星型網(wǎng)、樹(shù)型網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)。ZigBee的解決方案支持每個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器帶有254個(gè)激活節(jié)點(diǎn)，多個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可以聯(lián)結(jié)大型網(wǎng)絡(luò)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備通?？梢詣澐譃閮煞N類型，一種是全功能器件FFD(包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和網(wǎng)絡(luò)路由器)，它承擔(dān)了網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者的功能，可以同網(wǎng)絡(luò)中的任何設(shè)備通信，支持任何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；另一種是簡(jiǎn)化功能器件RFD(網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備)，它不能作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者，只能與FFD通信，兩個(gè)RFD之間不能通信。本設(shè)計(jì)選用樹(shù)型連接方式，多個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可以協(xié)同工作這一特點(diǎn)保證了新增大棚節(jié)點(diǎn)的靈活加入，還可以滿足大規(guī)模的要求。

該溫濕監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)圖示于圖1，該系統(tǒng)由中心控制單元和大棚溫濕監(jiān)控終端組成。

3 無(wú)線溫濕監(jiān)控系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

3.1 中心控制單元主要功能和軟硬件設(shè)計(jì)

中心控制單元主要完成以下功能：

(1)采用巡檢方式，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的各大棚進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控．若出現(xiàn)大棚節(jié)點(diǎn)丟失或大棚溫濕度超出設(shè)定范圍10 min以上，則聲光報(bào)警；

(2)通過(guò)操作面板上的按鍵可增加或減少網(wǎng)絡(luò)中的大棚節(jié)點(diǎn)；

(3)具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，通過(guò)外擴(kuò)的存儲(chǔ)設(shè)備，可對(duì)選定時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)；

(4)通過(guò)操作面板，可對(duì)系統(tǒng)時(shí)間、各大棚溫濕度范圍進(jìn)行修改；

(5)LCD顯示功能

中心控制單元主要由單片機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)組成，包括MEU與ZigBee射頻模塊、聲光報(bào)警模塊、鍵盤(pán)顯示模塊和電源／充電電池模塊。

MCU與ZigBee射頻模塊 采用CC2430，CC2430能夠滿足以ZigBee為基礎(chǔ)的2.4 GHz ISM波段應(yīng)用對(duì)低成本、低功耗的要求。它包括了一個(gè)高性能的2.4 GHz DSSS射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級(jí)小巧高效的8051控制器。在單個(gè)芯片上集成了ZigBee射頻前端、內(nèi)存和微控制器。它使用一個(gè)8位MCU(8051)，具有32／64／128 kB可編程閃存和8 kB的RAM，還包括ADC，幾個(gè)定時(shí)器，AES-128安全協(xié)處理器，看門(mén)狗定時(shí)器，32 kHz晶振的休眠模式定時(shí)器，上電復(fù)位電路，掉電檢測(cè)電路以及21個(gè)可編程I／O引腳。

聲光報(bào)警模塊 通過(guò)喇叭和發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)，在發(fā)生異常情況下，由MCU給出信號(hào)，進(jìn)行聲光報(bào)警。

鍵盤(pán)及顯示模塊 控制鍵盤(pán)采用數(shù)字控制面板，由數(shù)字鍵0～9及確定和取消鍵組成，顯示模塊采用可以顯示兩行字符的LCD，每行可以顯示14個(gè)字符。

中心控制單元MCU軟件流程圖如圖2所示。

3.2 大棚溫濕監(jiān)控終端主要功能和軟硬件設(shè)計(jì)

大棚溫濕監(jiān)控終端主要完成以下功能：

(1)各大棚具有自動(dòng)溫濕檢測(cè)功能，在超出設(shè)定的正常范圍后可啟動(dòng)控制設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)；

(2)LED顯示功能；

(3)節(jié)點(diǎn)低電壓報(bào)警，如果監(jiān)控終端電壓低于正常的工作電壓時(shí)，則向中心控制單元發(fā)出請(qǐng)求更換屯池的信號(hào)。

溫濕監(jiān)控終端主要包括MCU與ZigBee射頻模塊、溫濕傳感器、溫濕控制設(shè)備、鍵盤(pán)顯示模塊和電源／充電電池模塊。主要模塊說(shuō)明如下：

MCU與ZigBee射頻模塊 選用CC2430。

溫濕傳感器 采用瑞士森斯瑞(Sensirion)公司推出的SHT15型超小型、自校準(zhǔn)、多功能式智能傳感器測(cè)量相對(duì)濕度、溫度，SHT15型傳感器是單片、多用途的智能傳感器，其中不僅包含基于濕敏電容器的微型相對(duì)濕度傳感器和基于帶隙電路的微型溫度傳感器，而且還有14位的ADC和雙線串行接口，能輸出經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的相對(duì)濕度和溫度的串行數(shù)據(jù)，SHT15型智能傳感器的相對(duì)濕度測(cè)量范圍0～100％，分辨率達(dá)0.03％，最高精度為±2％RH，溫度測(cè)量范圍-40～+123.8℃，分辨率為0.1℃，電源電壓范圍是2.5～5.5 V，響應(yīng)時(shí)間小于3 s。

溫濕控制設(shè)備 由于大棚對(duì)溫度和濕度的控制設(shè)備多為開(kāi)關(guān)設(shè)備，控制算法采用Bang-Bang控制。即通過(guò)設(shè)定被控量的上下限，來(lái)控制各個(gè)設(shè)備的啟動(dòng)或停止，選用加熱器作為溫度控制設(shè)備，噴霧機(jī)作為濕度控制設(shè)備。

鍵盤(pán)顯示模塊 控制鍵盤(pán)采用數(shù)字控制面板，由數(shù)字鍵0～9及確定和取消鍵組成；顯示模塊采用LED數(shù)碼管顯示，必要時(shí)，打開(kāi)開(kāi)關(guān)可顯示當(dāng)前溫濕度值。

大棚溫濕監(jiān)控終端MCU軟件流程圖如圖3所示。

4 結(jié) 語(yǔ)

運(yùn)用ZigBee技術(shù)組成無(wú)線溫濕度監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)減少了現(xiàn)場(chǎng)布線帶來(lái)的各種問(wèn)題，對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)的管理也比較方便，同時(shí)又可以滿足低功耗、低成本和數(shù)據(jù)傳輸速率不高等要求。為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模大棚溫濕度監(jiān)控的信息化、自動(dòng)化、提高工作效率具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。