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国际工程和先进技术（IJEAT）

ISSN:

2249–8958,Volume-2,Issue-1,十月2012

用于监测和控制温室气候的ZigBee无线网络的使用

IbrahimAl-Adwan,MunafS.N.Al-D

摘要：

作物产量和质量的要求不断提高，显著增加了高质量和高生产率的温室的使用。

目前，现代化的温室具有较大的尺寸，他们都配备了先进的监测和控制系统以确保最大的生产力和较高的质量。

温室尺寸的增大也增加了监测点的需求，这些监测点可以对作物一些重要参数进行实时精确测量，用来避免作物暴露在不健康的环境条件下。

监测点的增加无疑会增加管理和维护有效的复杂性。

本文的目的是为监测和控制温室环境提出了一种新的基于ZigBee技术的无线传感器网络系统。

该系统由多个地方站和一个中心站组成。

地方站用于测量环境参数和控制执行器的运行，维护气候参数在预定的设定点。

每个地方站的PIC微控制器是用来存储环境参数的瞬时值并将它们发送到中心站，同时接收执行器的操作所需的控制信号。

地方站与中心站之间的通信是通过ZigBee无线模块实现。

关键词：

温室监测和控制，无线网络，ZigBee

一、引言

在过去的四年里，高质量产品需求的增加，食品安全关注度提高，以及气候变化的影响，导致了世界各地的温室产业快速发展。

一般的温室结构的设计是为植物提供一个可控的气候环境，植物在不适合植物生长的季节种植在室内可控环境可以提高生存率。

就像任何其他业务，温室的商业目标是利润最大化，这直接取决于产量增长。

众所周知，植物在最适宜温度、光照和湿度的环境中才能发挥最佳水平的光合作用。

商业性的温室,旁边有许多来执行有关植物生长的研究实验的设施,高度的气候控制也是必要的。

因此，温室环境控制需要实时精确测量的一些重要参数,以避免不必要的暴露在不健康的环境条件。

在所有的控制环境系统中，电脑环境控制系统被认为是提供整合参与操纵的成长环境最可靠的解决方案，从而提高作物的发展和降低生产成本。

现在市场上有大量的温室环境控制系统出现，提供或多或少的控制可能是可行的。

在过去的一代中，温室里已经有一个有线测量点的温室自动化系统提供的信息。

系统本身通常是简单的，没有机会控制局部加热，照明，通风或其他一些影响温室内气候的因素。

现代温室，设施必须提供几个选项进行人工调整气候和使其他温室支持系统更简单、更可靠。

此外，随着温室面积的增加，更多的测量数据也需要使这种系统的正常工作。

测量点的数量增加对自动化系统的成本增加不显著。

对外部天气或温室结构可能发生的变化，温室的植物配置，它也应该可以根据具体的需要方便地改变测量点的位置，这取决于特定的植物。

无线传感器网络（WSN）是现代温室的自动化系统体系结构的一个重要的组成部分。

无线通信可以用来收集测量和集中控制单元和执行器位于温室的不同部分之间的沟通。

相比于有线系统，无线传感器网络的安装快速，廉价和容易。

此外，很容易根据需要通过只移动传感器节点从一个位置到另一个位置的协调器设备的通信范围之内时，重新定位的测量点。

此外，如果温室植物高、密度小、重量轻的节点甚至可以挂到植物的枝条。

无线传感器网络的维护也相对便宜和容易。

唯一的额外费是传感器节点运行的电池需要充电或更换，但是，如果一个有效的功率节省算法电池的寿命可以长达几年。

作为无线传感器网络的一个开放的全球标准，ZigBee具有低成本，低功耗和自我组网。

目前，研究ZigBee无线传感器网络在工业自动化，电子产品，智能建筑和医疗被提出，ZigBee无线传感器网络的设施农业克服线连接的限制性的应用，通过引入的硬件和软件架构的温室管理应用设计被提出。

二、温室控制系统

温室大棚控制系统包括以下几个部分：

-通过传感器对环境参数的数据采集；

-数据处理，它与理想状态的比较，最后决定必须做什么来改变系统的状态；

-驱动组件进行必要的行动。

温室的研究控制由多个分布式的本地站和一个中心站。

各地方站负责通过传感器获取温度，湿度和光照三个温室环境参数。

这些传感器连接到一个PIC16F877A单片机组成的嵌入式ADC。

ZigBee收发器直接连接到微控制器提供一个中心站的无线连接。

电脑是用来实现中心站的设置值为每个参数声明和比较那些从各个地方站接收的信号。

根据测量和中央站在每个位置提供了所需的控制参数的设定值。

这些控制措施通过ZigBee模块被送回地方站。

最后，当本地站接受到控制信号，微控制器将给控制器提供必要的控制信号，协调他们的工作。

图1显示本站的示意图，图2显示的系统结构框图。

图1当地无线电台

A.感官系统

传感器通过测量温室的气候变量提供自动化系统的输入信息。

传感器产生的信号的采集和利用PIC16F877A单片机制约。

三个参数进行监测，本研究即；温度，湿度和光照。

图2系统架构

温度传感器的五个不同的系列可在市场上找到。

每个系列的温度传感器有它的优点和缺点。

根据不同的应用，一个传感器可能比其他的更适合。

在这项研究中，热敏电阻是用于测量温室内的温度。

热敏电阻是温度依赖性的电阻装置，他们更容易接线，费用少，几乎所有的自动化面板可以直接接入。

热敏电阻是由半导体材料的电阻率对温度特别敏感.

当谈到湿度传感技术，有三种类型的湿度传感器：

电容，电阻和热导式湿度传感器。

我们使用的电容式湿度传感器（CHSS）被广泛应用于工业、商业和气象遥测应用。

电容式湿度传感器包括一个基板上的聚合物薄膜或金属氧化物沉积两导电电极之间。

传感表面涂有多孔金属电极以防止污染和暴露于冷凝。

衬底通常是玻璃，陶瓷，或硅。

在电容式湿度传感器的介电常数的变化几乎与周围环境的相对湿度成正比。

湿度传感器在高温环境下（200°C）也能够接近线性的电压输出，宽RH（相对湿度）的范围内，高凝性，合理的抗化学气体和污染物，最小的长期漂移，精度高，体积小，成本低。

来自太阳的光是负责几乎所有地球上的生命。

阳光燃料通过植物光合作用将二氧化碳和水转化成碳水化合物的过程。

植物可以利用在400至700纳米的范围的光。

这个范围被称为最常见的PAR（光合有效辐射）。

监测标准是非常重要的,确保植物得到充足的光线进行光合作用。

典型应用包括森林的树冠上,温室监控等。

PAR也测量估计蒸发在身体的水,因为它在地表水温度起着关键作用。

本部分将介绍一些流在市场上可用于环境监测中行的光传感器应用。

这里，光敏电阻（LDR）类似的测光传感器，光敏电阻测量可见光是人眼看到的。

一个LDR基本上是一个电阻；内部电阻的增加或减少取决于光照强度撞击在传感器表面的水平。

最后，一个温室传感器站的设计和制造是一个完整的温室管理系统的一部分。

本站将在一个温室气候测量数据采集（温度，湿度和光电荷）和将数据发送给中心站。

图3，显示当地的实际站。

图3基于ZigBee的无线本地站

B.驱动系统

执行器是一件运动时产生的信号的设备。

执行机构用于计算机控制的环境中,工业自动化和机器人技术,或者更一般地,致动器的机器用于输出控制应用程序。

对于计算机控制温室的情况,执行机构接收单片机控制气候变量的温室的信号。

所设计的系统包括以下装置：

-通风设备,其速度决定了内部和外部空气之间的交换,从而导致自然通风。

-由多个加热器在温室分布的加热系统。

-热/遮阳帘，这是拿起或沿温室的屋顶延伸。

在第一种情况下，它可以防止热在白天获得的损失（冷个月）。

然而，作为遮阳帘，它保护作物太阳辐射过量和减少温度升高（热个月）。

-蒸发冷却系统一端是一个排气扇的温室，另一端是泵循环水通过纤维素垫。

风机运行时,负压创建内部,导致外部空气通过湿垫。

蒸发水和空气之间的联系,结果得到一个较低的温室内部温度。

-灌溉系统，水被泵送通过聚乙烯管应用滴灌。

-人工照明灯具，采用光辐射对植物的光周期延长。

三、无线传感器网络标准之间的比较

无线传感器网络（WSN）是由空间分布的自动装置使用传感器协作地监控物理或环境条件的计算机网络，如温度，声音，振动，压力，运动或污染物等不同的领域。

无线传感器网络的发展最初是出于军事上的应用，如战场监视。

在过去的十年中，无线传感器网络中在民用领域使用的也许多，如环境监测，医疗应用，家庭自动化，交通控制。

目前，组织定了几个批准或发展的标准。

标准用于无线传感器网络中，减少了其他大多数系统不能在不同系统之间的直接沟通。

常用的无线传感器网络通信的主要标准：

1-Wi-Fi

2-蓝牙

3-ZigBee

上面提到的所有技术是工作在相同的RF频率下，所以他们的应用程序有时重叠。

在目前的研究中，我们选择了以下五个主要因素：

温室成本，数据速率，节点数，电流消耗和电池寿命。

从成本的角度来看，ZigBee芯片是1美元或更少，最低；Wi-Fi和蓝牙芯片分别是4美元和3美元。

整个系统的成本可以通过ZigBee芯片的应用显著减少。

对于数据速率，ZigBee是250kbps，而Wi-Fi和蓝牙分别是54Mbps和1Mbps~2。

尽管ZigBee数据速率最低，但对于温室使用是足够的。

一般来说，一般来说，在温室数据流量低，通常是小信息，如温度或从控制器到致动器的变化的命令。

同时，低数据速率有助于延长电池的寿命。

众所周知，网络容量的节点数的确定，和ZigBee具有多达254个节点，三者之间的最大。

它满足温室内越来越多的传感器和执行器的应用需求。

对于功率和电流消耗，ZigBee具有最低的电流消耗，30毫安，350毫安，而Wi-Fi，蓝牙，65~170毫安。

这也大大有助于延长电池寿命。

最后，ZigBee芯片的电池寿命最长，电池寿命长达几个月甚至几年。

作为一个整体，ZigBee技术电池寿命长，体积小，可靠性高，自动或半自动安装，特别是,低系统成本。

因此,相比其他无线温室监控协议这是一个更好的选择。

四、在温室气候下的ZigBee无线传感器网络中的应用

基于ZigBee的无线网络有三种拓扑结构：

星型拓扑结构，即对等拓扑结构和簇树拓扑结构。

第一拓扑称为个人区域网络（PAN）。

中央电台播放的网络协调器的作用是负责与地方单位之间的通信的建立。

每个本地单元选择一个PAN标识符，它不在影响无线电领域的任何其他站。

这允许每个星网独立运行。

图（4）表明，在温室内的本地站的实际分布。

图4ZigBee无线传感器站的位置

在本文中，我们建立的网络是星型拓扑结构。

如图5所示，如果中央站是第一次激活成为网络协调员，它建立了自己的网络。

然后，中心站初始化硬件，栈和应用程序变量，选择一个未使用的PAN标识符为零，并向当地电台发射信标帧。

当本地站接收到信标帧之后，他们会发送一个加入网络请求。

当中心站接收到请求，它会在自己的邻居列表的装置把它们作为一个子站并返回响应。

地方站将中央站在他们的邻居列表，并返回一个确认信号。

最后，中心站实时监视所有的网络节点，维护网络信息数据库。

图5网络拓扑结构

中心站上位机为本地站的微控制器开发软件算法。

软件开发的地方站微控制器包括数据采集，数据处理和通过ZigBee模块传输数据。

A.感官系统

本地站的目的是收集温室环境数据并传送到中央站。

如图（6）本地站的软件流程图所示。

图6本地站的数据流

在初始化阶段，单片机执行两个操作；ADC初始化和串口初始化。

当初始化过程完成后，单片机进入等待状态，等待从中央站发来的数据请求或控制措施要求。

通过接收数据的请求，微控制器产生并通过ZigBee模块发送确认信号，使其连接到它的传感器，读取传感器输出信号，对采集到的模拟数据转换为数字数据。

在转换过程完成后，数据被编码成数据包，发送到中心站。

另一方面，当单片机接收控制动作的请求，它发送一个确认信号到中心站等控制数据包。

一旦数据被接收，它将被解码和分析，找出需要采取行动的每个致动器。

B.中心站软件系统

中心站的设计执行以下任务：

1、网络协调。

2、从本地站收集数据

3、进行数据分析和产生必要的控制行动的命令。

4、发送控制动作的地方站

图7协调