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

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，目前大棚養(yǎng)殖已成為我國(guó)一些農(nóng)村的重要產(chǎn)業(yè)，是當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的主要經(jīng)濟(jì)來源，大棚養(yǎng)殖逐漸呈現(xiàn)大規(guī)模、集團(tuán)化的特點(diǎn)，因此無人值守的大規(guī)模大棚自動(dòng)溫濕監(jiān)控系統(tǒng)具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)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(jiǎn)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(shí)現(xiàn)對(duì)大棚溫濕度的控制，實(shí)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(diǎn)，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(jiǎn)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(cè)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(gè)人區(qū)域網(wǎng)工作組的一項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，被稱作IEEE 802.15.4(ZigBee)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

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(jù)ZigBee聯(lián)盟的估算，兩節(jié)普通5號(hào)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(jì)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(fèi)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(shè)備和一個(gè)主設(shè)備，一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在最多100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)。

時(shí)延短 針對(duì)時(shí)延敏感的應(yīng)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(shè)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(shè)備信道接人時(shí)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(jī)制，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突。MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。

基于上述特點(diǎn)，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(shí)間數(shù)據(jù)，其目標(biāo)就是針對(duì)農(nóng)業(yè)自動(dòng)化、工業(yè)自動(dòng)化、家庭自動(dòng)化、遙測(cè)遙控和醫(yī)療護(hù)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(dòng)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(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器帶有254個(gè)激活節(jié)點(diǎn)，多個(gè)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?？梢詣澐譃閮煞N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(dān)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)；另一種是簡(jiǎn)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(gè)RFD之間不能通信。本設(shè)計(jì)選用樹型連接方式，多個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可以協(xié)同工作這一特點(diǎn)保證了新增大棚節(jié)點(diǎn)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(jì)

3.1 中心控制單元主要功能和軟硬件設(shè)計(jì)

中心控制單元主要完成以下功能：

(1)采用巡檢方式，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的各大棚進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控．若出現(xiàn)大棚節(jié)點(diǎn)丟失或大棚溫濕度超出設(shè)定范圍10 min以上，則聲光報(bào)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(diǎn)；

(3)具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，通過外擴(kuò)的存儲(chǔ)設(shè)備，可對(duì)選定時(shí)間段內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)；

(4)通過操作面板，可對(duì)系統(tǒng)時(shí)間、各大棚溫濕度范圍進(jìn)行修改；

(5)LCD顯示功能