摘要：文中基于Zigbee技術建立無線監控系統，設計實現了一種溫室環境監控系統，用于對溫室內的溫度、濕度和光照強度的監控。闡述了監控單元的系統架構，重點探討了基于Zigbee技術的無線監控網絡的硬件設計、網絡通信與數據傳輸控制協議實現、監控主機應用程序及接口等問題。該系統結構簡單、成本低、功耗小，目前已經初步形成產品。
關鍵詞：無線監控系統；zigbee；紅外；濕度；步進電機
0 引言
隨著現代農業的發展，精良化農業生產的概念開始為大多人所接受，其中最有代表的就是溫室大棚技術，溫室大棚技術不但可以反季節生產農產品，而且還具有高產出、低蟲害、無污染等眾多優點。但大量引入溫室大棚的同時，一系列的新問題也隨之而來，如：單靠人力無法完成溫室大棚內的溫度、光照及灌溉等如此繁重復雜監控任務，因此國內外興起了對溫室大棚設施的遠程監控系統的研究，其中無線通信技術的快速發展也為便捷、快速、遠程的溫室大棚監控系統實現提供了可能。近年來在國內外的市場上出現了眾多采用GPRS技術的溫室大棚監控設備，該技術和設備具有傳輸信息量大、可遠程操控及具有較高的可靠性，但其設備造價和通信費都較高，因而很難得到廣泛推廣。因此筆者開發了一種基于Zigbee技術的溫室大棚監控系統，該系統具有低功耗、低成本、高可靠性、低復雜度、安裝維護簡單和擴展性強等優點，為溫室大棚監控系統的推廣提供了一個不可多得的平臺。
1 Zigbee無線通信技術系統結構
Zigbee是符合IEEE 802．15．4標準的新興無線網絡通信協議，其發起組織Zigbee聯盟于2004年底發布了最早的1．0版本規范，之后相繼推出了Zigbee2006和Zigbee PRO兩個升級版本。有關Zigbee的產品還大多處于研究階段，但鑒于其眾多的優點，相信不久，基于Zigbee技術的產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5號干電池可支持1個節點工作6～24個月，甚至更長。
2)低成本。通過大幅簡化協議(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的原始數據吞吐率，滿足低速率傳輸數據的應用需求。
4)近距離。相鄰節點之間傳輸范圍一般介于10～100 m之間，在增加RF發射功率后，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只需15 ms，節點連接進入網絡只需30 ms，進一步節省了電能。
6)高容量。Zigbee可采用星狀、片狀和網狀網絡結構，一個主節點可管理多達254個子節點。
7)高安全。Zigbee提供了三級安全模式。
8)免執照頻段。采用直接序列擴頻在工業科學醫療(ISM)頻段。
1．2 Zigbee協議的系統結構
Zigbee協議的系統結構如圖1所示。
本設計所采用的主控制器是由美國TI公司生產的CC2430無線單片機，該單片機承載了Zigbee技術的片上系統(SoC)，屬增強型的51單片機，是高度整合了的系統級射頻收發器，其主要特點如下：
1)芯片內部已經集成了相關的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成本。
2 系統硬件組成
在本系統中，根據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，終端設備實現對監控點的數據采集和滴灌開關、遮光板角度調節步進電機、日光燈和通風設備控制；中央控制設備則實現對各終端收集的數據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收發模塊、傳感器模塊和執行器驅動模塊組成。其中執行器驅動模塊主要是由繼電器電路組成，而傳感器模塊由數字溫度傳感器DS18B20、數字濕度傳感器SHT21、微型數字二氧化碳傳感器S-100及TSL230B光照強度／頻率傳感芯片組成，而RF收發模塊使用的是TI公司提供的CC2430無線收發模塊，具體電路原理如圖2所示。
2．2 中央控制
中央控制設備由RF收發模塊、顯示模塊和鍵盤輸入模塊三部分組成，其中RF收發模塊與終端設備硬件設計中的RF收發模塊一樣，顯示模塊采用的是四組四位數碼管，分別顯示溫室大棚內的溫度、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據輸入及功能設定按鈕，具體電路如圖4所示。
3 系統軟件組成
3．1 傳感器終端軟件設計
在本系統網絡中，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域。該設備負責將本區域內所測得的原始數據發送至中央控制設備，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送過來的溫度、濕度、二氧化碳濃度和光照強度原始數據，經和參考數據比對后，向該終端設備發送相應的操作命令，并打印相應的溫度、濕度、二氧化碳濃度和光照強度數據，如圖6所示。
4 結束語
該監控系統成功引入了Zigbee無線通信協議技術，且所設計的電路硬件模塊功能完整、結構簡單，實現了低成本、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。