基于ZigBee技術的溫室大棚調光系統

吳榮升

摘 要：近年來，隨著物聯網技術的發展以及對現代農業精準化的采集和監控需求使得Zigbee備受關注，ZigBee作為一種低復雜度、低功耗、低成本的雙向無線通訊技術正受到人們的喜愛。本文先簡單介紹ZigBee技術并基于ZigBee技術對溫室大棚調光系統進行分析。充分利用光照自動調節控制技術，提高作物光合作用效率。

關鍵詞：Zigbee；ZigBee技術；溫室；調光系統

1 ZigBee技術概述

ZigBee是一種低速短距離傳輸的無線網絡協議。ZigBee協議從下到上分別為物理層（PHY）、媒體訪問控制層（MAC）、傳輸層（TL）、網絡層（NWK）、應用層（APL）等。其中物理層和媒體訪問控制層遵循IEEE 802.15.4標準的規定，網絡層有ZigBee技術聯盟制定，應用層的開發程序根據用戶自己的應用需要，對其進行開發利用，因此該技術能夠為用戶提供機動、靈活的組網方式。

在一個ZigBee組成的網絡內，作為16bit的短地址最多可容納65536個無線數傳模塊，在這組成的整個網絡范圍內，每一個ZigBee網絡數傳模塊之間可以相互通信，每個網絡節點間的距離可以從標準的75m無限擴展。

ZigBee規范確定了三種設備類型分別為協調器，路由器和終端設備。ZigBee網絡是由一個協調器以及多個路由器和多個終端組成的。在一個ZigBee網絡中必須有且只有一個協調器，由它負責整個網絡的啟動、網絡地址的分配、管理網絡和網絡維持等，同時它也可作為與其他類型網絡的通信節點（網關）。構成協調器和路由器的器件必須是全功能設備，而構成終端設備的器件可以是全功能設備，也可以是精簡功能設備。在ZigBee 的網絡拓撲結構中，設備是最基本的組成單元，ZigBee 網絡的拓撲結構是以IEEE802.15.4為基礎的，按需求的應用不同ZigBee支持三種自組織無線網絡類型，即星形網絡、網狀網絡和樹狀網絡，特別是網狀網絡，具有很強的網絡健壯性和系統可靠性。

2 整體方案設計

2.1 網絡協調器部分

該溫室大棚調光系統硬件結構圖如圖1所示。該系統由遠程監控機、主監控機、ZigBee 網絡協調器、ZigBee 終端設備、白光 LED 和光照傳感器等部分組成。

系統的硬件核心是CC2530芯片，ZigBee網絡協調器和終端節點均由CC2530芯片構成。CC2530是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應用的一個真正的片上系統（SoC）解決方案。它能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網絡節點。CC2530結合了領先的RF收發器的優良性能，業界標準的增強型8051 CPU，系統內可編程閃存，8-KB RAM和許多其它強大的功能，具有256KB的閃存。CC2530具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統。運行模式之間的轉換時間短進一步確保了低能源消耗。同時本系統選擇CC2530的UA RT0 作為串口通信接口。

2.2 光照度數據采集部分

ZigBee傳感器節點在加入ZigBee網絡成功之后，周期性的將光照檢測電路獲得的電壓信號送給CC2530芯片的A/D轉換接口，該數據即反映了光照度。然后進行數據分析處理，處理的方法是將采集的數據和設定的閥值進行大小的比較，然后通過脈沖寬度調制PWM波的占空比來調節白光LED驅動芯片TPS61040 輸入使能端EN的控制信號，使LED燈發光的電流穩定在所需光強。

本系統中的傳感器采用環氧樹脂封裝的光敏電阻LXD5528，它是一種穩定可靠的光電轉換器件，利用它的光導效應，當入射光增強時，電阻阻值下降；入射光減弱時電阻阻值上升。驅動電路采用恒流驅動電路，使用TI公司的TPS61040芯片。TPS61040開關頻率高達500 Hz，內部有一個400 mA開關電流限制，可以實現過電壓保護的功能。

2.3 PWM調光策略

光強控制策略如下：

⑴進行AD采樣與閥值比較之后，當實際光強比合適光照區域最大值大時，采用軟件編程調節PWM使其占空比變小， 光強變小， 逐漸回到光強合適區；

（2）進行AD采樣與閥值比較之后，當實際光強比合適光照區域最小值小時，采用軟件編程調節PWM使其占空比變大，光強變大， 逐漸回到光強合適區；

（3）當實際光強在光強合適區中時，由于系統誤差的存在， 以及人眼對光強小范圍的變化不是特別敏感，可以不用調節PWM。

3 結語

由于現代化的農業種植技術不斷提高，對于溫室環境監測以及控制提出了更高的要求才能實現現代化的生產與管理。

本文是基于ZigBee技術的智能調光系統的設計，該系統從植物光合作用的合適光強為出發點，通過ZigBee無線網絡技術對溫室的光照進行實時精準的監測及控制。為了提高數據的精確度避免單點監測帶來的誤差可以在溫室內不同位置安裝多個節點，對同一時刻不同數據的分析處理。從本系統的運行試驗表明；該系統實現了同一網絡，對于同一對象進行多點監控、數據的傳輸與處理。比較傳統的有線監控系統，有特別明顯的優勢，能夠實現復雜環境下的光照強度數據的采集及控制，從而實現了在保證農作物正常生長的情況下增加產量。本系統具有比較大的柔性，如更換傳感器以及數據采集節點改系統還可以在其它場合應用，因此具有廣泛的應用前景。

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