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

我國是農(nóng)業(yè)大國，目前大棚養(yǎng)殖已成為我國一些農(nóng)村的重要產(chǎn)業(yè)，是當?shù)剞r(nóng)民的主要經(jīng)濟來源，大棚養(yǎng)殖逐漸呈現(xiàn)大規(guī)模、集團化的特點，因此無人值守的大規(guī)模大棚自動溫濕監(jiān)控系統(tǒng)具有較高的實際應(yīng)用價值。該系統(tǒng)采用ZigBee無線收發(fā)設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)，無需專門架線，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，節(jié)省了人力物力，通過ZigBee射頻收發(fā)模塊可讀取各大棚的數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)對大棚溫濕度的控制，實現(xiàn)真正意義上的無人值守，與普通無線技術(shù)相比，還具有低功耗、低成本和網(wǎng)絡(luò)容量大等特點，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、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。它主要工作在無須注冊的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無線個人區(qū)域網(wǎng)工作組的一項標準，被稱作IEEE 802.15.4(ZigBee)技術(shù)標準。

ZigBee技術(shù)的主要優(yōu)點包括以下幾個部分：

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號干電池可使用六個月到兩年。

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

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

時延短 針對時延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短。設(shè)備搜索時延典型值為30 ms，休眠激活時延典型值是15 ms，活動設(shè)備信道接人時延為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 采用了碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制，每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息。

基于上述特點，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)時間數(shù)據(jù)，其目標就是針對農(nóng)業(yè)自動化、工業(yè)自動化、家庭自動化、遙測遙控和醫(yī)療護理等。

2 無線溫濕監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成

ZigBee網(wǎng)絡(luò)的形成是自動完成的，具有很好的可控性。常見的網(wǎng)絡(luò)類型主要有3種，即星型網(wǎng)、樹型網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)。ZigBee的解決方案支持每個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器帶有254個激活節(jié)點，多個網(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)備通常可以劃分為兩種類型，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，支持任何拓撲結(jié)構(gòu)；另一種是簡化功能器件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RFD之間不能通信。本設(shè)計選用樹型連接方式，多個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可以協(xié)同工作這一特點保證了新增大棚節(jié)點的靈活加入，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 無線溫濕監(jiān)控系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計

3.1 中心控制單元主要功能和軟硬件設(shè)計

中心控制單元主要完成以下功能：

(1)采用巡檢方式，對網(wǎng)絡(luò)中的各大棚進行實時監(jiān)控．若出現(xiàn)大棚節(jié)點丟失或大棚溫濕度超出設(shè)定范圍10 min以上，則聲光報警；

(2)通過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；

(3)具有數(shù)據(jù)存儲功能，通過外擴的存儲設(shè)備，可對選定時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)進行存儲；

(4)通過操作面板，可對系統(tǒng)時間、各大棚溫濕度范圍進行修改；

(5)LCD顯示功能[!--empirenews.page--]

中心控制單元主要由單片機監(jiān)控系統(tǒng)組成，包括MEU與ZigBee射頻模塊、聲光報警模塊、鍵盤顯示模塊和電源／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)用對低成本、低功耗的要求。它包括了一個高性能的2.4 GHz DSSS射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級小巧高效的8051控制器。在單個芯片上集成了ZigBee射頻前端、內(nèi)存和微控制器。它使用一個8位MCU(8051)，具有32／64／128 kB可編程閃存和8 kB的RAM，還包括ADC，幾個定時器，AES-128安全協(xié)處理器，看門狗定時器，32 kHz晶振的休眠模式定時器，上電復(fù)位電路，掉電檢測電路以及21個可編程I／O引腳。

聲光報警模塊 通過喇叭和發(fā)光二極管實現(xiàn)，在發(fā)生異常情況下，由MCU給出信號，進行聲光報警。

鍵盤及顯示模塊 控制鍵盤采用數(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

大棚溫濕監(jiān)控終端主要完成以下功能：

(1)各大棚具有自動溫濕檢測功能，在超出設(shè)定的正常范圍后可啟動控制設(shè)備進行自動調(diào)節(jié)；

(2)LED顯示功能；

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

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、鍵盤顯示模塊和電源／充電電池模塊。主要模塊說明如下：

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、多功能式智能傳感器測量相對濕度、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)過校準的相對濕度和溫度的串行數(shù)據(jù)，SHT15型智能傳感器的相對濕度測量范圍0～100％，分辨率達0.03％，最高精度為±2％RH，溫度測量范圍-40～+123.8℃，分辨率為0.1℃，電源電壓范圍是2.5～5.5 V，響應(yīng)時間小于3 s。

溫濕控制設(shè)備 由于大棚對溫度和濕度的控制設(shè)備多為開關(guān)設(shè)備，控制算法采用Bang-Bang控制。即通過設(shè)定被控量的上下限，來控制各個設(shè)備的啟動或停止，選用加熱器作為溫度控制設(shè)備，噴霧機作為濕度控制設(shè)備。

鍵盤顯示模塊 控制鍵盤采用數(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，打開開關(guān)可顯示當前溫濕度值。

大棚溫濕監(jiān)控終端MCU軟件流程圖如圖3所示。

4 結(jié) 語

運用ZigBee技術(shù)組成無線溫濕度監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)減少了現(xiàn)場布線帶來的各種問題，對傳感器節(jié)點的管理也比較方便，同時又可以滿足低功耗、低成本和數(shù)據(jù)傳輸速率不高等要求。為實現(xiàn)大規(guī)模大棚溫濕度監(jiān)控的信息化、自動化、提高工作效率具有很高的實際應(yīng)用價值。