基于ZigBee技術(shù)的溫室大棚調(diào)光系統(tǒng)

吳榮升

摘 要：近年來(lái)，隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展以及對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)化的采集和監(jiān)控需求使得Zigbee備受關(guān)注，ZigBee作為一種低復(fù)雜度、低功耗、低成本的雙向無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)正受到人們的喜愛(ài)。本文先簡(jiǎn)單介紹ZigBee技術(shù)并基于ZigBee技術(shù)對(duì)溫室大棚調(diào)光系統(tǒng)進(jìn)行分析。充分利用光照自動(dòng)調(diào)節(jié)控制技術(shù)，提高作物光合作用效率。

關(guān)鍵詞：Zigbee；ZigBee技術(shù)；溫室；調(diào)光系統(tǒng)

1 ZigBee技術(shù)概述

ZigBee是一種低速短距離傳輸?shù)臒o(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。ZigBee協(xié)議從下到上分別為物理層（PHY）、媒體訪(fǎng)問(wèn)控制層（MAC）、傳輸層（TL）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、應(yīng)用層（APL）等。其中物理層和媒體訪(fǎng)問(wèn)控制層遵循IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，網(wǎng)絡(luò)層有ZigBee技術(shù)聯(lián)盟制定，應(yīng)用層的開(kāi)發(fā)程序根據(jù)用戶(hù)自己的應(yīng)用需要，對(duì)其進(jìn)行開(kāi)發(fā)利用，因此該技術(shù)能夠?yàn)橛脩?hù)提供機(jī)動(dòng)、靈活的組網(wǎng)方式。

在一個(gè)ZigBee組成的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，作為16bit的短地址最多可容納65536個(gè)無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊，在這組成的整個(gè)網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)，每一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)數(shù)傳模塊之間可以相互通信，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的距離可以從標(biāo)準(zhǔn)的75m無(wú)限擴(kuò)展。

ZigBee規(guī)范確定了三種設(shè)備類(lèi)型分別為協(xié)調(diào)器，路由器和終端設(shè)備。ZigBee網(wǎng)絡(luò)是由一個(gè)協(xié)調(diào)器以及多個(gè)路由器和多個(gè)終端組成的。在一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中必須有且只有一個(gè)協(xié)調(diào)器，由它負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的啟動(dòng)、網(wǎng)絡(luò)地址的分配、管理網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)維持等，同時(shí)它也可作為與其他類(lèi)型網(wǎng)絡(luò)的通信節(jié)點(diǎn)（網(wǎng)關(guān)）。構(gòu)成協(xié)調(diào)器和路由器的器件必須是全功能設(shè)備，而構(gòu)成終端設(shè)備的器件可以是全功能設(shè)備，也可以是精簡(jiǎn)功能設(shè)備。在ZigBee 的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，設(shè)備是最基本的組成單元，ZigBee 網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是以IEEE802.15.4為基礎(chǔ)的，按需求的應(yīng)用不同ZigBee支持三種自組織無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型，即星形網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)，特別是網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)健壯性和系統(tǒng)可靠性。

2 整體方案設(shè)計(jì)

2.1 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器部分

該溫室大棚調(diào)光系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。該系統(tǒng)由遠(yuǎn)程監(jiān)控機(jī)、主監(jiān)控機(jī)、ZigBee 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、ZigBee 終端設(shè)備、白光 LED 和光照傳感器等部分組成。

系統(tǒng)的硬件核心是CC2530芯片，ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點(diǎn)均由CC2530芯片構(gòu)成。CC2530是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)用的一個(gè)真正的片上系統(tǒng)（SoC）解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530結(jié)合了領(lǐng)先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051 CPU，系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存，8-KB RAM和許多其它強(qiáng)大的功能，具有256KB的閃存。CC2530具有不同的運(yùn)行模式，使得它尤其適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間短進(jìn)一步確保了低能源消耗。同時(shí)本系統(tǒng)選擇CC2530的UA RT0 作為串口通信接口。

2.2 光照度數(shù)據(jù)采集部分

ZigBee傳感器節(jié)點(diǎn)在加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)成功之后，周期性的將光照檢測(cè)電路獲得的電壓信號(hào)送給CC2530芯片的A/D轉(zhuǎn)換接口，該數(shù)據(jù)即反映了光照度。然后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，處理的方法是將采集的數(shù)據(jù)和設(shè)定的閥值進(jìn)行大小的比較，然后通過(guò)脈沖寬度調(diào)制PWM波的占空比來(lái)調(diào)節(jié)白光LED驅(qū)動(dòng)芯片TPS61040 輸入使能端EN的控制信號(hào)，使LED燈發(fā)光的電流穩(wěn)定在所需光強(qiáng)。

本系統(tǒng)中的傳感器采用環(huán)氧樹(shù)脂封裝的光敏電阻LXD5528，它是一種穩(wěn)定可靠的光電轉(zhuǎn)換器件，利用它的光導(dǎo)效應(yīng)，當(dāng)入射光增強(qiáng)時(shí)，電阻阻值下降；入射光減弱時(shí)電阻阻值上升。驅(qū)動(dòng)電路采用恒流驅(qū)動(dòng)電路，使用TI公司的TPS61040芯片。TPS61040開(kāi)關(guān)頻率高達(dá)500 Hz，內(nèi)部有一個(gè)400 mA開(kāi)關(guān)電流限制，可以實(shí)現(xiàn)過(guò)電壓保護(hù)的功能。

2.3 PWM調(diào)光策略

光強(qiáng)控制策略如下：

⑴進(jìn)行AD采樣與閥值比較之后，當(dāng)實(shí)際光強(qiáng)比合適光照區(qū)域最大值大時(shí)，采用軟件編程調(diào)節(jié)PWM使其占空比變小， 光強(qiáng)變小， 逐漸回到光強(qiáng)合適區(qū)；

（2）進(jìn)行AD采樣與閥值比較之后，當(dāng)實(shí)際光強(qiáng)比合適光照區(qū)域最小值小時(shí)，采用軟件編程調(diào)節(jié)PWM使其占空比變大，光強(qiáng)變大， 逐漸回到光強(qiáng)合適區(qū)；

（3）當(dāng)實(shí)際光強(qiáng)在光強(qiáng)合適區(qū)中時(shí)，由于系統(tǒng)誤差的存在， 以及人眼對(duì)光強(qiáng)小范圍的變化不是特別敏感，可以不用調(diào)節(jié)PWM。

3 結(jié)語(yǔ)

由于現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)種植技術(shù)不斷提高，對(duì)于溫室環(huán)境監(jiān)測(cè)以及控制提出了更高的要求才能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化的生產(chǎn)與管理。

本文是基于ZigBee技術(shù)的智能調(diào)光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)從植物光合作用的合適光強(qiáng)為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)溫室的光照進(jìn)行實(shí)時(shí)精準(zhǔn)的監(jiān)測(cè)及控制。為了提高數(shù)據(jù)的精確度避免單點(diǎn)監(jiān)測(cè)帶來(lái)的誤差可以在溫室內(nèi)不同位置安裝多個(gè)節(jié)點(diǎn)，對(duì)同一時(shí)刻不同數(shù)據(jù)的分析處理。從本系統(tǒng)的運(yùn)行試驗(yàn)表明；該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了同一網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于同一對(duì)象進(jìn)行多點(diǎn)監(jiān)控、數(shù)據(jù)的傳輸與處理。比較傳統(tǒng)的有線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)，有特別明顯的優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的光照強(qiáng)度數(shù)據(jù)的采集及控制，從而實(shí)現(xiàn)了在保證農(nóng)作物正常生長(zhǎng)的情況下增加產(chǎn)量。本系統(tǒng)具有比較大的柔性，如更換傳感器以及數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)改系統(tǒng)還可以在其它場(chǎng)合應(yīng)用，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。

[參考文獻(xiàn)]

[1]蔣挺，趙成林.紫峰技術(shù)及其應(yīng)用.北京郵電大學(xué)出版社，2006.

[2]王風(fēng).基于CC2530的ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安電子科技大學(xué)，2012.

[3]王浩.基于ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的光照度監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].中國(guó)農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào)，2013，06：253-256+235.

[4]楊恒.LED照明驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)與實(shí)例精選[M].北京：中國(guó)電力出版社， 2008.

[5]王風(fēng).基于CC2530的ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安電子科技大學(xué)，2012.