基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線(xiàn)大棚溫濕監控系統

我國是農業(yè)大國，目前大棚養殖已成為我國一些農村的重要產(chǎn)業(yè)，是當地農民的主要經(jīng)濟來(lái)源，大棚養殖逐漸呈現大規模、集團化的特點(diǎn)，因此無(wú)人值守的大規模大棚自動(dòng)溫濕監控系統具有較高的實(shí)際應用價(jià)值。該系統采用ZigBee無(wú)線(xiàn)收發(fā)設備傳輸數據，無(wú)需專(zhuān)門(mén)架線(xiàn)，系統結構簡(jiǎn)單，節省了人力物力，通過(guò)ZigBee射頻收發(fā)模塊可讀取各大棚的數據，并實(shí)現對大棚溫濕度的控制，實(shí)現真正意義上的無(wú)人值守，與普通無(wú)線(xiàn)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)，該系統由中心控制單元和大棚溫濕監控終端組成。

1 ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介

ZigBee是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。它主要工作在無(wú)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的基礎是IEEE 802.15.4，這是IEEE無(wú)線(xiàn)個(gè)人區域網(wǎng)工作組的一項標準，被稱(chēng)作IEEE 802.15.4(ZigBee)技術(shù)標準。

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ZigBee聯(lián)盟的估算，兩節普通5號干電池可使用六個(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(zhuān)利費的。

網(wǎng)絡(luò )容量大 一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )可以容納最多254個(gè)從設備和一個(gè)主設備，一個(gè)區域內可以同時(shí)存在最多100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò )。

時(shí)延短 針對時(shí)延敏感的應用做了優(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)設備信道接人時(shí)延為15 ms。

安全 ZigBee提供了數據完整性檢查和鑒權功能，采用AES-128加密算法。

可靠 采用了碰撞避免機制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預留了專(zhuān)用時(shí)隙，避免了發(fā)送數據時(shí)的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認的數據傳輸機制，每個(gè)發(fā)送的數據包都必須等待接收方的確認信息。

基于上述特點(diǎn)，ZigBee主要應用在短距離范圍并且數據傳輸速率不高的各種電子設備之間。其典型的傳輸數據類(lèi)型有周期性數據、間歇性數據和重復性低反應時(shí)間數據，其目標就是針對農業(yè)自動(dòng)化、工業(yè)自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化、遙測遙控和醫療護理等。

2 無(wú)線(xiàn)溫濕監控系統的構成

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(lèi)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)調器帶有254個(gè)激活節點(diǎn)，多個(gè)網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器可以聯(lián)結大型網(wǎng)絡(luò )。ZigBee網(wǎng)絡(luò )中的設備通?？梢詣澐譃閮煞N類(lèi)型，一種是全功能器件FFD(包括網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器和網(wǎng)絡(luò )路由器)，它承擔了網(wǎng)絡(luò )協(xié)調者的功能，可以同網(wǎng)絡(luò )中的任何設備通信，支持任何拓撲結構；另一種是簡(jiǎn)化功能器件RFD(網(wǎng)絡(luò )終端設備)，它不能作為網(wǎng)絡(luò )協(xié)調者，只能與FFD通信，兩個(gè)RFD之間不能通信。本設計選用樹(shù)型連接方式，多個(gè)網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器可以協(xié)同工作這一特點(diǎn)保證了新增大棚節點(diǎn)的靈活加入，還可以滿(mǎn)足大規模的要求。

該溫濕監控系統總體架構圖示于圖1，該系統由中心控制單元和大棚溫濕監控終端組成。

3 無(wú)線(xiàn)溫濕監控系統的軟硬件設計

3.1 中心控制單元主要功能和軟硬件設計

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(jìn)行實(shí)時(shí)監控．若出現大棚節點(diǎn)丟失或大棚溫濕度超出設定范圍10 min以上，則聲光報警；

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

(3)具有數據存儲功能，通過(guò)外擴的存儲設備，可對選定時(shí)間段內的數據進(jìn)行存儲；

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

(5)LCD顯示功能