1 Zigbee無線通信技術系統(tǒng)結構
Zigbee是符合IEEE 802.15.4標準的新興無線網(wǎng)絡通信協(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兩個升級版本。有關Zigbee的產(chǎn)品還大多處于研究階段，但鑒于其眾多的優(yōu)點，相信不久，基于Zigbee技術的產(chǎn)品將會得到迅速普及應用。
1.1 Zigbee技術的主要特點
1)低功耗。在低耗電待機模式下，2節(jié)5號干電池可支持1個節(jié)點工作6～24個月，甚至更長。
2)低成本。通過大幅簡化協(xié)議(不到藍牙的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)的應用需求。
4)近距離。相鄰節(jié)點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)短時延。Zigbee的響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態(tài)只需15 ms，節(jié)點連接進入網(wǎng)絡只需30 ms，進一步節(jié)省了電能。
6)高容量。Zigbee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡結構，一個主節(jié)點可管理多達254個子節(jié)點。
7)高安全。Zigbee提供了三級安全模式。
8)免執(zhí)照頻段。采用直接序列擴頻在工業(yè)科學醫(yī)療(ISM)頻段。
1.2 Zigbee協(xié)議的系統(tǒng)結構
Zigbee協(xié)議的系統(tǒng)結構如圖1所示。
本設計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，該單片機承載了Zigbee技術的片上系統(tǒng)(SoC)，屬增強型的51單片機，是高度整合了的系統(tǒng)級射頻收發(fā)器，其主要特點如下：
1)芯片內(nèi)部已經(jīng)集成了相關的RF電路，因此外圍接口電路比較簡單。
2)該芯片為增強型8051微處理器，內(nèi)置看門狗、AD轉換等模塊，因此功能強大。
3)該芯片價格低廉，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備和中央控制設備兩大部分，終端設備實現(xiàn)對監(jiān)控點的數(shù)據(jù)采集和滴灌開關、遮光板角度調節(jié)步進電機、日光燈和通風設備控制;中央控制設備則實現(xiàn)對各終端收集的數(shù)據(jù)進行處理比對和控制輸出。
2.1 傳感器終端
傳感器終端設備由RF收發(fā)模塊、傳感器模塊和執(zhí)行器驅動模塊組成。其中執(zhí)行器驅動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。
關鍵字：Zigbee技術 溫室大棚監(jiān)控
2.2 中央控制
中央控制設備由RF收發(fā)模塊、顯示模塊和鍵盤輸入模塊三部分組成，其中RF收發(fā)模塊與終端設備硬件設計中的RF收發(fā)模塊一樣，顯示模塊采用的是四組四位數(shù)碼管，分別顯示溫室大棚內(nèi)的溫度、濕度、二氧化碳濃度及光照強度。其驅動電路如圖3所示。
鍵盤輸入模塊采用的是4x4的矩陣鍵盤，該輸入模塊包含了數(shù)據(jù)輸入及功能設定按鈕，具體電路如圖4所示。
3 系統(tǒng)軟件組成
3.1 傳感器終端軟件設計
在本系統(tǒng)網(wǎng)絡中，每個終端設備都具有一個固定地址，且該地址對應溫室大棚中不同的區(qū)域。該設備負責將本區(qū)域內(nèi)所測得的原始數(shù)據(jù)發(fā)送至中央控制設備，并在接受來自中央控制設備的控制命令后，驅動相應設備執(zhí)行該命令，其工作流程如圖5所示。
3.2 中央控制軟件設計
中央控制設備負責搜集各個終端設備發(fā)送過來的溫度、濕度、二氧化碳濃度和光照強度原始數(shù)據(jù)，經(jīng)和參考數(shù)據(jù)比對后，向該終端設備發(fā)送相應的操作命令，并打印相應的溫度、濕度、二氧化碳濃度和光照強度數(shù)據(jù)，如圖6所示。
4 結束語
該監(jiān)控系統(tǒng)成功引入了Zigbee無線通信協(xié)議技術，且所設計的電路硬件模塊功能完整、結構簡單，實現(xiàn)了低成本、低功耗、高可靠性和高效益的目的，因此可廣泛應用于蔬菜、水果及花卉栽培等溫室大棚中。