基于Zigbee技術(shù)的溫室監控系統設計

摘要：文中基于Zigbee技術(shù)建立無(wú)線(xiàn)監控系統，設計實(shí)現了一種溫室環(huán)境監控系統，用于對溫室內的溫度、濕度和光照強度的監控。闡述了監控單元的系統架構，重點(diǎn)探討了基于Zigbee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)監控網(wǎng)絡(luò )的硬件設計、網(wǎng)絡(luò )通信與數據傳輸控制協(xié)議實(shí)現、監控主機應用程序及接口等問(wèn)題。該系統結構簡(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(wú)線(xiàn)監控系統；zigbee；紅外；濕度；步進(jìn)電機

0 引言
隨著(zhù)現代農業(yè)的發(fā)展，精良化農業(yè)生產(chǎn)的概念開(kāi)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)不但可以反季節生產(chǎn)農產(chǎn)品，而且還具有高產(chǎn)出、低蟲(chóng)害、無(wú)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(wèn)題也隨之而來(lái)，如：?jiǎn)慰咳肆o(wú)法完成溫室大棚內的溫度、光照及灌溉等如此繁重復雜監控任務(wù)，因此國內外興起了對溫室大棚設施的遠程監控系統的研究，其中無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的快速發(fā)展也為便捷、快速、遠程的溫室大棚監控系統實(shí)現提供了可能。近年來(lái)在國內外的市場(chǎng)上出現了眾多采用GPRS技術(shù)的溫室大棚監控設備，該技術(shù)和設備具有傳輸信息量大、可遠程操控及具有較高的可靠性，但其設備造價(jià)和通信費都較高，因而很難得到廣泛推廣。因此筆者開(kāi)發(fā)了一種基于Zigbee技術(shù)的溫室大棚監控系統，該系統具有低功耗、低成本、高可靠性、低復雜度、安裝維護簡(jiǎn)單和擴展性強等優(yōu)點(diǎn)，為溫室大棚監控系統的推廣提供了一個(gè)不可多得的平臺。

1 Zigbee無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)系統結構
Zigbee是符合IEEE 802．15．4標準的新興無(wú)線(xiàn)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版本規范，之后相繼推出了Zigbee2006和Zigbee PRO兩個(gè)升級版本。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 )得到迅速普及應用。
1．1 Zigbee技術(shù)的主要特點(diǎn)
1)低功耗。在低耗電待機模式下，2節5號干電池可支持1個(gè)節點(diǎn)工作6～24個(gè)月，甚至更長(cháng)。
2)低成本。通過(guò)大幅簡(jiǎn)化協(xié)議(不到藍牙的1／10)，降低了對通信控制器的要求。
3)低速率。在2．4 GHz的工作頻率下可提供250 kbps的原始數據吞吐率，滿(mǎn)足低速率傳輸數據的應用需求。
4)近距離。相鄰節點(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的響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態(tài)只需15 ms，節點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò )只需30 ms，進(jìn)一步節省了電能。
6)高容量。Zigbee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )結構，一個(gè)主節點(diǎn)可管理多達254個(gè)子節點(diǎn)。
7)高安全。Zigbee提供了三級安全模式。
8)免執照頻段。采用直接序列擴頻在工業(yè)科學(xué)醫療(ISM)頻段。
1．2 Zigbee協(xié)議的系統結構
Zigbee協(xié)議的系統結構如圖1所示。

本設計所采用的主控制器是由美國TI公司生產(chǎn)的CC2430無(wú)線(xiàn)單片機，該單片機承載了Zigbee技術(shù)的片上系統(SoC)，屬增強型的51單片機，是高度整合了的系統級射頻收發(fā)器，其主要特點(diǎn)如下：
1)芯片內部已經(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)該芯片為增強型8051微處理器，內置看門(mén)狗、AD轉換等模塊，因此功能強大。
3)該芯片價(jià)格低廉，外圍電路簡(jiǎn)單，因此具有較低的開(kāi)發(fā)成本。
2 系統硬件組成
在本系統中，根據功能硬件組成可分為傳感器終端設備和中央控制設備兩大部分，終端設備實(shí)現對監控點(diǎn)的數據采集和滴灌開(kāi)關(guān)、遮光板角度調節步進(jìn)電機、日光燈和通風(fēng)設備控制；中央控制設備則實(shí)現對各終端收集的數據進(jìn)行處理比對和控制輸出。