基于Zigbee技术的温室大棚监控系统

 

　　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。