基于Zigbee技术的温室监控系统设计

摘要：文中基于Zigbee技术建立无线监控系统，设计实现了一种温室环境监控系统，用于对温室内的温度、湿度和光照强度的监控。阐述了监控单元的系统架构，重点探讨了基于Zigbee技术的无线监控网络的硬件设计、网络通信与数据传输控制协议实现、监控主机应用程序及接口等问题。该系统结构简单、成本低、功耗小，目前已经初步形成产品。
关键词：无线监控系统；zigbee；红外；湿度；步进电机

0 引言
    随着现代农业的发展，精良化农业生产的概念开始为大多人所接受，其中最有代表的就是温室大棚技术，温室大棚技术不但可以反季节生产农产品，而且还具有高产出、低虫害、无污染等众多优点。但大量引入温室大棚的同时，一系列的新问题也随之而来，如：单靠人力无法完成温室大棚内的温度、光照及灌溉等如此繁重复杂监控任务，因此国内外兴起了对温室大棚设施的远程监控系统的研究，其中无线通信技术的快速发展也为便捷、快速、远程的温室大棚监控系统实现提供了可能。近年来在国内外的市场上出现了众多采用GPRS技术的温室大棚监控设备，该技术和设备具有传输信息量大、可远程操控及具有较高的可靠性，但其设备造价和通信费都较高，因而很难得到广泛推广。因此笔者开发了一种基于Zigbee技术的温室大棚监控系统，该系统具有低功耗、低成本、高可靠性、低复杂度、安装维护简单和扩展性强等优点，为温室大棚监控系统的推广提供了一个不可多得的平台。

1 Zigbee无线通信技术系统结构
    Zigbee是符合IEEE 802．15．4标准的新兴无线网络通信协议，其发起组织Zigbee联盟于2004年底发布了最早的1．0版本规范，之后相继推出了Zigbee2006和Zigbee PRO两个升级版本。有关Zigbee的产品还大多处于研究阶段，但鉴于其众多的优点，相信不久，基于Zigbee技术的产品将会得到迅速普及应用。
1．1 Zigbee技术的主要特点
    1)低功耗。在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月，甚至更长。
    2)低成本。通过大幅简化协议(不到蓝牙的1／10)，降低了对通信控制器的要求。
    3)低速率。在2．4 GHz的工作频率下可提供250 kbps的原始数据吞吐率，满足低速率传输数据的应用需求。
    4)近距离。相邻节点之间传输范围一般介于10～100 m之间，在增加RF发射功率后，亦可增加到1～3 km。
    5)短时延。Zigbee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15 ms，节点连接进入网络只需30 ms，进一步节省了电能。
    6)高容量。Zigbee可采用星状、片状和网状网络结构，一个主节点可管理多达254个子节点。
    7)高安全。Zigbee提供了三级安全模式。
    8)免执照频段。采用直接序列扩频在工业科学医疗(ISM)频段。
1．2 Zigbee协议的系统结构
    Zigbee协议的系统结构如图1所示。

    本设计所采用的主控制器是由美国TI公司生产的CC2430无线单片机，该单片机承载了Zigbee技术的片上系统(SoC)，属增强型的51单片机，是高度整合了的系统级射频收发器，其主要特点如下：
    1)芯片内部已经集成了相关的RF电路，因此外围接口电路比较简单。
    2)该芯片为增强型8051微处理器，内置看门狗、AD转换等模块，因此功能强大。
    3)该芯片价格低廉，外围电路简单，因此具有较低的开发成本。
2 系统硬件组成
    在本系统中，根据功能硬件组成可分为传感器终端设备和中央控制设备两大部分，终端设备实现对监控点的数据采集和滴灌开关、遮光板角度调节步进电机、日光灯和通风设备控制；中央控制设备则实现对各终端收集的数据进行处理比对和控制输出。
2．1 传感器终端
    传感器终端设备由RF收发模块、传感器模块和执行器驱动模块组成。其中执行器驱动模块主要是由继电器电路组成，而传感器模块由数字温度传感器DS18B20、数字湿度传感器SHT21、微型数字二氧化碳传感器S-100及TSL230B光照强度／频率传感芯片组成，而RF收发模块使用的是TI公司提供的CC2430无线收发模块，具体电路原理如图2所示。

2．2 中央控制
    中央控制设备由RF收发模块、显示模块和键盘输入模块三部分组成，其中RF收发模块与终端设备硬件设计中的RF收发模块一样，显示模块采用的是四组四位数码管，分别显示温室大棚内的温度、湿度、二氧化碳浓度及光照强度。其驱动电路如图3所示。

    键盘输入模块采用的是4x4的矩阵键盘，该输入模块包含了数据输入及功能设定按钮，具体电路如图4所示。

3 系统软件组成
3．1 传感器终端软件设计
    在本系统网络中，每个终端设备都具有一个固定地址，且该地址对应温室大棚中不同的区域。该设备负责将本区域内所测得的原始数据发送至中央控制设备，并在接受来自中央控制设备的控制命令后，驱动相应设备执行该命令，其工作流程如图5所示。

3．2 中央控制软件设计
    中央控制设备负责搜集各个终端设备发送过来的温度、湿度、二氧化碳浓度和光照强度原始数据，经和参考数据比对后，向该终端设备发送相应的操作命令，并打印相应的温度、湿度、二氧化碳浓度和光照强度数据，如图6所示。

4 结束语
    该监控系统成功引入了Zigbee无线通信协议技术，且所设计的电路硬件模块功能完整、结构简单，实现了低成本、低功耗、高可靠性和高效益的目的，因此可广泛应用于蔬菜、水果及花卉栽培等温室大棚中。