基于ZigBee技術的智能溫室光照系統控制

【摘 要】隨著農業現代化的迅速發展，農業現走向節能、高效、精細與環保，對環境的要求也越來越苛刻。光照系統控制在花卉植物與節能家居中得到廣泛的應用。本文簡單介紹ZigBee技術在智能溫室光照系統中的應用，通過構建ZigBee星型網絡對溫室內光照強度的采集，并且與設定的閥值進行比較，然后通過脈沖寬度調節PWM的占空比來調節紅光LED燈的光照強度，從而使溫室內達到適宜的光照強度，提高農作物光合作用，進而使農作物的增產。

【關鍵詞】ZigBee技術；智能溫室；光照系統調控

1.ZigBee技術簡介

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絡技術，是基于IEEE802.15.4的無線網絡傳輸協議的，它添加了邏輯網絡、網絡安全和應用層。它的無線的傳輸帶寬范圍可以在20KB/S到250KB/s，適合于子節點中傳感器數據采集與控制，還有數據的傳輸，并且可以組建大規模的網絡，網絡節點容量最大可以達到65535個，其優勢盡顯無疑。

ZigBee主要有三種設備類型：協調器（Coordinator）、路由器（Router）與終端設備（End-Device）。協調器（Coordinator）的主要任務是建立網絡、設置網絡基本參數、管理無線傳感器網絡中的其它節點與存儲其它節點的網絡信息，也可與計算機直接連接，然后將采集到的數據通過串口傳輸給計算機。總之，它就是負責啟動網絡、分配網絡地址、管理網絡等，在整個Zigbee網絡中有且只能存在一個協調器。路由器（Router）的主要功能是路由的發現、數據的轉發及網絡的擴展等。它接收網絡中其它子節點轉發過來的數據信息，按照路由表中的路徑或從新找條路徑進行數據的轉發。終端設備（End-Device）由終端節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。一個無線傳感器網絡中可以存在多個終端節點，主要功能是采集環境中的各種信息，然后通過路由器傳遞給協調器，最后在計算機終端顯示出來。終端節點既可是半功能設備，也可是全功能設備。

ZigBee網絡層主要支持星型拓撲結構、樹型拓撲結構和網狀型拓撲結構。其中，星型結構結構簡單、易實現，但是中心節點易發熱。樹型結構鏈接容易，維護簡單方便，但時可靠性偏低。網狀型拓撲結構的可靠性高、易擴展，但是結構復雜、實現的難度系數大。

2.整體結構的設計

2.1網絡協調器結構

智能溫室的調光系統結構主要由主機監控、遠程監控機ZigBee協調器、ZigBee傳感器節點、紅光LED燈及光照傳感器等組成。

該系統硬件核心是CC2530。CC2530是一個真正應用于IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應用的片上系統（SoC）COMS解決方案，可以滿足2.4GHz ISM的波段，其中，網絡協調器（Coordinator）與終端設備（End-Device）的主要硬件都是CC2530芯片，它在建立強大的網絡節點所需的材料成本不高。CC2530集成了RF收發器、提供無線設備與MCU之間的一個接口，使得它既可以發出命令、讀取狀態，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，在系統中可編程Flash存儲器，有四種不同Flash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，并且在不同模式間的轉換所需的時間極短，從而保證功率的消耗低。

2.2光照強度數據采集與調制

在裝有光敏傳感器的ZigBee終端節點成功加入網絡中后，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轉換接口，然后經過編程與下載，通過調節脈沖寬度PWM波的占空比來調節紅光LED的驅動芯片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域的閥值時，可以通過增大PWM的占空比來調節紅光LED驅動芯片TPS61040的電流值來調控紅光LED燈的亮度；當光照強度在設定的閥值區域內時，不需要調節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域。同時，Zigbee終端采集到的光照強度通過網絡協調器將數據傳遞給主機監控顯示。

2.3含光敏強度傳感器終端節點硬件

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據后，其轉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點軟件

首先對硬件設備進行初始化，然后轉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）；//數據轉化成電壓//

Clear screen（）；//清除屏幕上的數據//

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）；//數據的讀取//

Number=（float）（AD data）*1.15/8096.0；//數據轉化成電壓//

LCD disp Float（5，82，number，2）；//顯示數據//

……

LCD disp int（4，90，AD data）；//顯示數據//

}}

3.結語

由于農業現代化技術的不斷提高，對智能溫室環境提出更高的控制方可滿足農業現代化的生產與管理。

本文是基于ZigBee技術的溫室光照的調控以及監測的設計，以調控光照強度為出發點，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，再傳輸給始端節點，在始端節點的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，進而達到真正的監測。與傳統的檢測相比，有其特別明顯的優勢不僅能夠實現復雜環境下的檢測與控制，而且還以較少的資源設置完成，再者本系統柔性較大，有很大的發展空間。 [科]

【參考文獻】

[1]鐘文峰.ZigBee無線傳感器網絡.北京郵電大學出版社，2011.

[2]王浩.基于ZigBee無線傳感網絡技術的光照度檢測系統設計[J].中國農機化學報，2013，06.

[3]王風.基于CC2530的ZigBee無線傳感器網絡的設計與實現[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研究.曲阜師大學，2014，4.

[5]裴巖明，劉蘊紅.基于ZigBee技術的智能調光系統.現代電子技術，2011，3.