基于ZigBee技术的无线大棚温湿监控系统

我国是农业大国，目前大棚养殖已成为我国一些农村的重要产业，是当地农民的主要经济来源，大棚养殖逐渐呈现大规模、集团化的特点，因此无人值守的大规模大棚自动温湿监控系统具有较高的实际应用价值。该系统采用ZigBee无线收发设备传输数据，无需专门架线，系统结构简单，节省了人力物力，通过ZigBee射频收发模块可读取各大棚的数据，并实现对大棚温湿度的控制，实现真正意义上的无人值守，与普通无线技术相比，还具有低功耗、低成本和网络容量大等特点，该系统由中心控制单元和大棚温湿监控终端组成。

1 ZigBee技术简介

ZigBee是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术。它主要工作在无须注册的2.4 GHz ISM频段，传输范围在10～75 m，典型距离为30 m。ZigBee的基础是IEEE 802.15.4，这是IEEE无线个人区域网工作组的一项标准，被称作IEEE 802.15.4(ZigBee)技术标准。

ZigBee技术的主要优点包括以下几个部分：

功耗低 由于ZigBee的传输速率低，只有10～250 kB／s，发射功率仅为1 mW，而且采用了休眠模式，功耗低。根据ZigBee联盟的估算，两节普通5号干电池可使用六个月到两年。

成本低 模块的初始成本估计在6美元左右，很快就能降到1.5～2.5美元之间，且ZigBee协议是免专利费的。

网络容量大 一个ZigBee网络可以容纳最多254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络。

时延短 针对时延敏感的应用做了优化，通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短。设备搜索时延典型值为30 ms，休眠激活时延典型值是15 ms，活动设备信道接人时延为15 ms。

安全 ZigBee提供了数据完整性检查和鉴权功能，采用AES-128加密算法。

可靠 采用了碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。

基于上述特点，ZigBee主要应用在短距离范围并且数据传输速率不高的各种电子设备之间。其典型的传输数据类型有周期性数据、间歇性数据和重复性低反应时间数据，其目标就是针对农业自动化、工业自动化、家庭自动化、遥测遥控和医疗护理等。

2 无线温湿监控系统的构成

ZigBee网络的形成是自动完成的，具有很好的可控性。常见的网络类型主要有3种，即星型网、树型网、网状网。ZigBee的解决方案支持每个网络协调器带有254个激活节点，多个网络协调器可以联结大型网络。ZigBee网络中的设备通常可以划分为两种类型，一种是全功能器件FFD(包括网络协调器和网络路由器)，它承担了网络协调者的功能，可以同网络中的任何设备通信，支持任何拓扑结构；另一种是简化功能器件RFD(网络终端设备)，它不能作为网络协调者，只能与FFD通信，两个RFD之间不能通信。本设计选用树型连接方式，多个网络协调器可以协同工作这一特点保证了新增大棚节点的灵活加入，还可以满足大规模的要求。

该温湿监控系统总体架构图示于图1，该系统由中心控制单元和大棚温湿监控终端组成。

3 无线温湿监控系统的软硬件设计

3.1 中心控制单元主要功能和软硬件设计

中心控制单元主要完成以下功能：

(1)采用巡检方式，对网络中的各大棚进行实时监控．若出现大棚节点丢失或大棚温湿度超出设定范围10 min以上，则声光报警；

(2)通过操作面板上的按键可增加或减少网络中的大棚节点；

(3)具有数据存储功能，通过外扩的存储设备，可对选定时间段内的数据进行存储；

(4)通过操作面板，可对系统时间、各大棚温湿度范围进行修改；

(5)LCD显示功能