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

我國是農(nóng)業(yè)大國，目前大棚養(yǎng)殖已成為我國一些農(nóng)村的重要產(chǎn)業(yè)，是當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的主要經(jīng)濟來源，大棚養(yǎng)殖逐漸呈現(xiàn)大規(guī)模、集團化的特點，因此無人值守的大規(guī)模大棚自動溫濕監(jiān)控系統(tǒng)具有較高的實際應(yīng)用價值。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)，并實現(xiàn)對大棚溫濕度的控制，實現(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，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無線個人區(qū)域網(wǎng)工作組的一項標(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)點包括以下幾個部分：

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號干電池可使用六個月到兩年。

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)議是免專利費的。

網(wǎng)絡(luò)容量大 一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以容納最多254個從設(shè)備和一個主設(shè)備，一個區(qū)域內(nèi)可以同時存在最多100個ZigBee網(wǎng)絡(luò)。

時延短 針對時延敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化，通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延都非常短。設(shè)備搜索時延典型值為30 ms，休眠激活時延典型值是15 ms，活動設(shè)備信道接人時延為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 采用了碰撞避免機制，同時為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙，避免了發(fā)送數(shù)據(jù)時的競爭和沖突。MAC層采用了完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機制，每個發(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，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)時間數(shù)據(jù)，其目標(biāo)就是針對農(nóng)業(yè)自動化、工業(yè)自動化、家庭自動化、遙測遙控和醫(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網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器帶有254個激活節(jié)點，多個網(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)備通常可以劃分為兩種類型，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RFD之間不能通信。本設(shè)計選用樹型連接方式，多個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器可以協(xié)同工作這一特點保證了新增大棚節(jié)點的靈活加入，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

3.1 中心控制單元主要功能和軟硬件設(shè)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)行實時監(jiān)控．若出現(xiàn)大棚節(jié)點丟失或大棚溫濕度超出設(shè)定范圍10 min以上，則聲光報警；

(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；

(3)具有數(shù)據(jù)存儲功能，通過外擴的存儲設(shè)備，可對選定時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲；

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

(5)LCD顯示功能