基于Zigbee技術(shù)的溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)
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近年來在國內(nèi)外的市場上出現(xiàn)了眾多采用GPRS技術(shù)的溫室大棚監(jiān)控設(shè)備，該技術(shù)和設(shè)備具有傳輸信息量大、可遠(yuǎn)程操控及具有較高的可靠性，但其設(shè)備造價(jià)和通信費(fèi)都較高，因而很難得到廣泛推廣。因此筆者開發(fā)了一種基于Zigbee技術(shù)的溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有低功耗、低成本、高可靠性、低復(fù)雜度、安裝維護(hù)簡單和擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，為溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)的推廣提供了一個(gè)不可多得的平臺。
1 Zigbee無線通信技術(shù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
Zigbee是符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的新興無線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，其發(fā)起組織Zigbee聯(lián)盟于2004年底發(fā)布了最早的1.0版本規(guī)范，之后相繼推出了Zigbee2006和Zigbee PRO兩個(gè)升級版本。有關(guān)Zigbee的產(chǎn)品還大多處于研究階段，但鑒于其眾多的優(yōu)點(diǎn)，相信不久，基于Zigbee技術(shù)的產(chǎn)品將會得到迅速普及應(yīng)用。
1.1 Zigbee技術(shù)的主要特點(diǎn)
1)低功耗。在低耗電待機(jī)模式下，2節(jié)5號干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6～24個(gè)月，甚至更長。
2)低成本。通過大幅簡化協(xié)議(不到藍(lán)牙的1/10)，降低了對通信控制器的要求。
3)低速率。在2.4 GHz的工作頻率下可提供250 kbps的原始數(shù)據(jù)吞吐率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。
4)近距離。相鄰節(jié)點(diǎn)之間傳輸范圍一般介于10～100 m之間，在增加RF發(fā)射功率后，亦可增加到1～3 km。
5)短時(shí)延。Zigbee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15 ms，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30 ms，進(jìn)一步節(jié)省了電能。
6)高容量。Zigbee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理多達(dá)254個(gè)子節(jié)點(diǎn)。
7)高安全。Zigbee提供了三級安全模式。
8)免執(zhí)照頻段。采用直接序列擴(kuò)頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ISM)頻段。
1.2 Zigbee協(xié)議的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
Zigbee協(xié)議的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
本設(shè)計(jì)所采用的主控制器是由美國TI公司生產(chǎn)的CC2430無線單片機(jī)，該單片機(jī)承載了Zigbee技術(shù)的片上系統(tǒng)(SoC)，屬增強(qiáng)型的51單片機(jī)，是高度整合了的系統(tǒng)級射頻收發(fā)器，其主要特點(diǎn)如下：
1)芯片內(nèi)部已經(jīng)集成了相關(guān)的RF電路，因此外圍接口電路比較簡單。
2)該芯片為增強(qiáng)型8051微處理器，內(nèi)置看門狗、AD轉(zhuǎn)換等模塊，因此功能強(qiáng)大。
3)該芯片價(jià)格低廉，外圍電路簡單，因此具有較低的開發(fā)成本。
2 系統(tǒng)硬件組成
在本系統(tǒng)中，根據(jù)功能硬件組成可分為傳感器終端設(shè)備和中央控制設(shè)備兩大部分，終端設(shè)備實(shí)現(xiàn)對監(jiān)控點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集和滴灌開關(guān)、遮光板角度調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)、日光燈和通風(fēng)設(shè)備控制;中央控制設(shè)備則實(shí)現(xiàn)對各終端收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理比對和控制輸出。
2.1 傳感器終端
傳感器終端設(shè)備由RF收發(fā)模塊、傳感器模塊和執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)模塊組成。其中執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)模塊主要是由繼電器電路組成，而傳感器模塊由數(shù)字溫度傳感器DS18B20、數(shù)字濕度傳感器SHT21、微型數(shù)字二氧化碳傳感器S-100及TSL230B光照強(qiáng)度/頻率傳感芯片組成，而RF收發(fā)模塊使用的是TI公司提供的CC2430無線收發(fā)模塊，具體電路原理如圖2所示。
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