基于ZigBee技術(shù)的智能溫室光照系統(tǒng)控制

【摘 要】隨著農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的迅速發(fā)展，農(nóng)業(yè)現(xiàn)走向節(jié)能、高效、精細與環(huán)保，對環(huán)境的要求也越來越苛刻。光照系統(tǒng)控制在花卉植物與節(jié)能家居中得到廣泛的應用。本文簡單介紹ZigBee技術(shù)在智能溫室光照系統(tǒng)中的應用，通過構(gòu)建ZigBee星型網(wǎng)絡對溫室內(nèi)光照強度的采集，并且與設定的閥值進行比較，然后通過脈沖寬度調(diào)節(jié)PWM的占空比來調(diào)節(jié)紅光LED燈的光照強度，從而使溫室內(nèi)達到適宜的光照強度，提高農(nóng)作物光合作用，進而使農(nóng)作物的增產(chǎn)。

【關(guān)鍵詞】ZigBee技術(shù)；智能溫室；光照系統(tǒng)調(diào)控

1.ZigBee技術(shù)簡介

ZigBee 是一種距離短、功耗低、速率低、成本低、復雜度低的新興無線網(wǎng)絡技術(shù)，是基于IEEE802.15.4的無線網(wǎng)絡傳輸協(xié)議的，它添加了邏輯網(wǎng)絡、網(wǎng)絡安全和應用層。它的無線的傳輸帶寬范圍可以在20KB/S到250KB/s，適合于子節(jié)點中傳感器數(shù)據(jù)采集與控制，還有數(shù)據(jù)的傳輸，并且可以組建大規(guī)模的網(wǎng)絡，網(wǎng)絡節(jié)點容量最大可以達到65535個，其優(yōu)勢盡顯無疑。

ZigBee主要有三種設備類型：協(xié)調(diào)器（Coordinator）、路由器（Router）與終端設備（End-Device）。協(xié)調(diào)器（Coordinator）的主要任務是建立網(wǎng)絡、設置網(wǎng)絡基本參數(shù)、管理無線傳感器網(wǎng)絡中的其它節(jié)點與存儲其它節(jié)點的網(wǎng)絡信息，也可與計算機直接連接，然后將采集到的數(shù)據(jù)通過串口傳輸給計算機。總之，它就是負責啟動網(wǎng)絡、分配網(wǎng)絡地址、管理網(wǎng)絡等，在整個Zigbee網(wǎng)絡中有且只能存在一個協(xié)調(diào)器。路由器（Router）的主要功能是路由的發(fā)現(xiàn)、數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)及網(wǎng)絡的擴展等。它接收網(wǎng)絡中其它子節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)過來的數(shù)據(jù)信息，按照路由表中的路徑或從新找條路徑進行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。終端設備（End-Device）由終端節(jié)點和一些傳感器組成，如光照度傳感器、溫度傳感器、普敏氣體煙霧傳感器等。一個無線傳感器網(wǎng)絡中可以存在多個終端節(jié)點，主要功能是采集環(huán)境中的各種信息，然后通過路由器傳遞給協(xié)調(diào)器，最后在計算機終端顯示出來。終端節(jié)點既可是半功能設備，也可是全功能設備。

ZigBee網(wǎng)絡層主要支持星型拓撲結(jié)構(gòu)、樹型拓撲結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀型拓撲結(jié)構(gòu)。其中，星型結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單、易實現(xiàn)，但是中心節(jié)點易發(fā)熱。樹型結(jié)構(gòu)鏈接容易，維護簡單方便，但時可靠性偏低。網(wǎng)狀型拓撲結(jié)構(gòu)的可靠性高、易擴展，但是結(jié)構(gòu)復雜、實現(xiàn)的難度系數(shù)大。

2.整體結(jié)構(gòu)的設計

2.1網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器結(jié)構(gòu)

智能溫室的調(diào)光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要由主機監(jiān)控、遠程監(jiān)控機ZigBee協(xié)調(diào)器、ZigBee傳感器節(jié)點、紅光LED燈及光照傳感器等組成。

該系統(tǒng)硬件核心是CC2530。CC2530是一個真正應用于IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應用的片上系統(tǒng)（SoC）COMS解決方案，可以滿足2.4GHz ISM的波段，其中，網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器（Coordinator）與終端設備（End-Device）的主要硬件都是CC2530芯片，它在建立強大的網(wǎng)絡節(jié)點所需的材料成本不高。CC2530集成了RF收發(fā)器、提供無線設備與MCU之間的一個接口，使得它既可以發(fā)出命令、讀取狀態(tài)，也可以自動操作和確定無線設備的順序。CC2530還增強標準的8051MCU，在系統(tǒng)中可編程Flash存儲器，有四種不同F(xiàn)lash版本：CC2530F32、CC2530F64、CC2530F125、CC2530F256，分別具有32KB、64KB、128KB、256KBFlash存儲器。CC2530的運行模式有多種，適用于低功耗的系統(tǒng)，并且在不同模式間的轉(zhuǎn)換所需的時間極短，從而保證功率的消耗低。

2.2光照強度數(shù)據(jù)采集與調(diào)制

在裝有光敏傳感器的ZigBee終端節(jié)點成功加入網(wǎng)絡中后，能夠周期性地將光照檢測獲得的電壓信號傳遞給CC2530芯片的A/D轉(zhuǎn)換接口，然后經(jīng)過編程與下載，通過調(diào)節(jié)脈沖寬度PWM波的占空比來調(diào)節(jié)紅光LED的驅(qū)動芯片TPS61040控制端EN的控制信號，使所需要的光照強度的電流值穩(wěn)定在所需要光照強度，再與事先設定好的閥值進行大小比較。當光照強度小于設定區(qū)域的閥值時，可以通過增大PWM的占空比來調(diào)節(jié)紅光LED驅(qū)動芯片TPS61040的電流值來調(diào)控紅光LED燈的亮度；當光照強度在設定的閥值區(qū)域內(nèi)時，不需要調(diào)節(jié)PWM；當光照強度大于設定的閥值時，需要通過減小PWM的占空比使得紅光LED燈亮度降低，從而減小光照強度，使其逐漸回到光照適宜區(qū)域。同時，Zigbee終端采集到的光照強度通過網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)傳遞給主機監(jiān)控顯示。

2.3含光敏強度傳感器終端節(jié)點硬件

CC2530的芯片與光敏傳感器的連線圖略。其P0.0端口是光敏傳感器AD的輸入端，當光敏傳感器采集到數(shù)據(jù)后，其轉(zhuǎn)化成電壓的形式輸出，光照強度的強弱由電壓值大小表示。其中，光敏傳感器與CC2530芯片的引腳對應分別是VCC對應著VCC，GND對應著GND，AO對應P0.0。

2.4光敏傳感器的終端節(jié)點軟件

首先對硬件設備進行初始化，然后轉(zhuǎn)化收集到的光敏電阻值成電壓，最后在LCD上顯示。顯示程序如下所示：

Void Main

{Initial_IO；//IO口的初始化//

Initial_（）；//指示燈的初始化//

Haladcsetreference（hal_adc_ref_125V）；//數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成電壓//

Clear screen（）；//清除屏幕上的數(shù)據(jù)//

LCD write string（1，1，“P0.0 Voltage：V”）；//顯字符與P0.0口的電壓值示//

While（1）

{AD data=haladcread（hal adc channel 0，hal adc resolut 14）；//數(shù)據(jù)的讀取//

Number=（float）（AD data）*1.15/8096.0；//數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成電壓//

LCD disp Float（5，82，number，2）；//顯示數(shù)據(jù)//

……

LCD disp int（4，90，AD data）；//顯示數(shù)據(jù)//

}}

3.結(jié)語

由于農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化技術(shù)的不斷提高，對智能溫室環(huán)境提出更高的控制方可滿足農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的生產(chǎn)與管理。

本文是基于ZigBee技術(shù)的溫室光照的調(diào)控以及監(jiān)測的設計，以調(diào)控光照強度為出發(fā)點，在終端ZigBee設備檢測光照強度的大小以及通過CC2530控制補光值，再傳輸給始端節(jié)點，在始端節(jié)點的ZigBee帶有LCD顯示屏，在顯示屏上可以看到傳輸回來的光照強度值，進而達到真正的監(jiān)測。與傳統(tǒng)的檢測相比，有其特別明顯的優(yōu)勢不僅能夠?qū)崿F(xiàn)復雜環(huán)境下的檢測與控制，而且還以較少的資源設置完成，再者本系統(tǒng)柔性較大，有很大的發(fā)展空間。 [科]

【參考文獻】

[1]鐘文峰.ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡.北京郵電大學出版社，2011.

[2]王浩.基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡技術(shù)的光照度檢測系統(tǒng)設計[J].中國農(nóng)機化學報，2013，06.

[3]王風.基于CC2530的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡的設計與實現(xiàn)[D]西安電子科技大學，2012.

[4]張守艷.基于ZigBee的智能大棚控制系統(tǒng)研究.曲阜師大學，2014，4.

[5]裴巖明，劉蘊紅.基于ZigBee技術(shù)的智能調(diào)光系統(tǒng).現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，3.