基于ZigBee技术的无线大棚温湿监控系统

我国是农业大国，目前大棚养殖已成为我国一些农村的重要产业，是当地农民的主要经济来源，大棚养殖逐渐呈现大规模、集团化的特点，因此无人值守的大规模大棚自动温湿监控系统具有较高的实际应用价值。该系统采用ZigBee无线收发设备传输数据，无需专门架线，系统结构简单，节省了人力物力，通过ZigBee射频收发模块可读取各大棚的数据，并实现对大棚温湿度的控制，实现真正意义上的无人值守，与普通无线技术相比，还具有低功耗、低成本和网络容量大等特点，该系统由中心控制单元和大棚温湿监控终端组成。

1 ZigBee技术简介

ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术。它主要工作在无须注册的2.4 GHz ISM频段，传输范围在10～75 m，典型距离为30 m。ZigBee的基础是IEEE 802.15.4，这是IEEE无线个人区域网工作组的一项标准，被称作IEEE 802.15.4(ZigBee)技术标准。

ZigBee技术的主要优点包括以下几个部分：

功耗低 由于ZigBee的传输速率低，只有10～250 kB／s，发射功率仅为1 mW，而且采用了休眠模式，功耗低。根据ZigBee联盟的估算，两节普通5号干电池可使用六个月到两年。

成本低 模块的初始成本估计在6美元左右，很快就能降到1.5～2.5美元之间，且ZigBee协议是免专利费的。

网络容量大 一个ZigBee网络可以容纳最多254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络。

时延短 针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。设备搜索时延典型值为30 ms，休眠激活时延典型值是15 ms，活动设备信道接人时延为15 ms。

安全 ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加密算法。

可靠 采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。

基于上述特点，ZigBee主要应用在短距离范围并且数据传输速率不高的各种电子设备之间。其典型的传输数据类型有周期性数据、间歇性数据和重复性低反应时间数据，其目标就是针对农业自动化、工业自动化、家庭自动化、遥测遥控和医疗护理等。

2 无线温湿监控系统的构成

ZigBee网络的形成是自动完成的，具有很好的可控性。常见的网络类型主要有3种，即星型网、树型网、网状网。ZigBee的解决方案支持每个网络协调器带有254个激活节点，多个网络协调器可以联结大型网络。ZigBee网络中的设备通常可以划分为两种类型，一种是全功能器件FFD(包括网络协调器和网络路由器)，它承担了网络协调者的功能，可以同网络中的任何设备通信，支持任何拓扑结构；另一种是简化功能器件RFD(网络终端设备)，它不能作为网络协调者，只能与FFD通信，两个RFD之间不能通信。本设计选用树型连接方式，多个网络协调器可以协同工作这一特点保证了新增大棚节点的灵活加入，还可以满足大规模的要求。

该温湿监控系统总体架构图示于图1，该系统由中心控制单元和大棚温湿监控终端组成。

3 无线温湿监控系统的软硬件设计

3.1 中心控制单元主要功能和软硬件设计

中心控制单元主要完成以下功能：

(1)采用巡检方式，对网络中的各大棚进行实时监控．若出现大棚节点丢失或大棚温湿度超出设定范围10 min以上，则声光报警；

(2)通过操作面板上的按键可增加或减少网络中的大棚节点；

(3)具有数据存储功能，通过外扩的存储设备，可对选定时间段内的数据进行存储；

(4)通过操作面板，可对系统时间、各大棚温湿度范围进行修改；

(5)LCD显示功能

中心控制单元主要由单片机监控系统组成，包括MEU与ZigBee射频模块、声光报警模块、键盘显示模块和电源／充电电池模块。

MCU与ZigBee射频模块 采用CC2430，CC2430能够满足以ZigBee为基础的2.4 GHz ISM波段应用对低成本、低功耗的要求。它包括了一个高性能的2.4 GHz DSSS射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器。在单个芯片上集成了ZigBee射频前端、内存和微控制器。它使用一个8位MCU(8051)，具有32／64／128 kB可编程闪存和8 kB的RAM，还包括ADC，几个定时器，AES-128安全协处理器，看门狗定时器，32 kHz晶振的休眠模式定时器，上电复位电路，掉电检测电路以及21个可编程I／O引脚。

声光报警模块 通过喇叭和发光二极管实现，在发生异常情况下，由MCU给出信号，进行声光报警。

键盘及显示模块 控制键盘采用数字控制面板，由数字键0～9及确定和取消键组成，显示模块采用可以显示两行字符的LCD，每行可以显示14个字符。

中心控制单元MCU软件流程图如图2所示。

3.2 大棚温湿监控终端主要功能和软硬件设计

大棚温湿监控终端主要完成以下功能：

(1)各大棚具有自动温湿检测功能，在超出设定的正常范围后可启动控制设备进行自动调节；

(2)LED显示功能；

(3)节点低电压报警，如果监控终端电压低于正常的工作电压时，则向中心控制单元发出请求更换屯池的信号。

温湿监控终端主要包括MCU与ZigBee射频模块、温湿传感器、温湿控制设备、键盘显示模块和电源／充电电池模块。主要模块说明如下：

MCU与ZigBee射频模块 选用CC2430。

温湿传感器 采用瑞士森斯瑞(Sensirion)公司推出的SHT15型超小型、自校准、多功能式智能传感器测量相对湿度、温度，SHT15型传感器是单片、多用途的智能传感器，其中不仅包含基于湿敏电容器的微型相对湿度传感器和基于带隙电路的微型温度传感器，而且还有14位的ADC和双线串行接口，能输出经过校准的相对湿度和温度的串行数据，SHT15型智能传感器的相对湿度测量范围0～100％，分辨率达0.03％，最高精度为±2％RH，温度测量范围-40～+123.8℃，分辨率为0.1℃，电源电压范围是2.5～5.5 V，响应时间小于3 s。

温湿控制设备 由于大棚对温度和湿度的控制设备多为开关设备，控制算法采用Bang-Bang控制。即通过设定被控量的上下限，来控制各个设备的启动或停止，选用加热器作为温度控制设备，喷雾机作为湿度控制设备。

键盘显示模块 控制键盘采用数字控制面板，由数字键0～9及确定和取消键组成；显示模块采用LED数码管显示，必要时，打开开关可显示当前温湿度值。

大棚温湿监控终端MCU软件流程图如图3所示。

4 结 语

运用ZigBee技术组成无线温湿度监控网络减少了现场布线带来的各种问题，对传感器节点的管理也比较方便，同时又可以满足低功耗、低成本和数据传输速率不高等要求。为实现大规模大棚温湿度监控的信息化、自动化、提高工作效率具有很高的实际应用价值。