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        基于ZigBee技術(shù)的智能溫室光照系統(tǒng)控制

        2015-04-29 00:00:00范厚斌張燦榮

        【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(yīng)用。本文簡單介紹ZigBee技術(shù)在智能溫室光照系統(tǒng)中的應(yīng)用,通過構(gòu)建ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)對溫室內(nèi)光照強度的采集,并且與設(shè)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(fù)雜度低的新興無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),是基于IEEE802.15.4的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議的,它添加了邏輯網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)安全和應(yīng)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(luò),網(wǎng)絡(luò)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(shè)備類型:協(xié)調(diào)器(Coordinator)、路由器(Router)與終端設(shè)備(End-Device)。協(xié)調(diào)器(Coordinator)的主要任務(wù)是建立網(wǎng)絡(luò)、設(shè)置網(wǎng)絡(luò)基本參數(shù)、管理無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的其它節(jié)點與存儲其它節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)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??傊褪秦撠?zé)啟動網(wǎng)絡(luò)、分配網(wǎng)絡(luò)地址、管理網(wǎng)絡(luò)等,在整個Zigbee網(wǎng)絡(luò)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(luò)的擴展等。它接收網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(luò)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(shè)備,也可是全功能設(shè)備。

        ZigBee網(wǎng)絡(luò)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(fù)雜、實現(xiàn)的難度系數(shù)大。

        2.整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計

        2.1網(wǎng)絡(luò)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(yīng)用于IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE應(yīng)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(luò)協(xié)調(diào)器(Coordinator)與終端設(shè)備(End-Device)的主要硬件都是CC2530芯片,它在建立強大的網(wǎng)絡(luò)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(shè)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(shè)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(luò)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(shè)定好的閥值進行大小比較。當光照強度小于設(shè)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(shè)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(shè)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(luò)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(yīng)分別是VCC對應(yīng)著VCC,GND對應(yīng)著GND,AO對應(yīng)P0.0。

        2.4光敏傳感器的終端節(jié)點軟件

        首先對硬件設(shè)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(shè)計,以調(diào)控光照強度為出發(fā)點,在終端ZigBee設(shè)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(fù)雜環(huán)境下的檢測與控制,而且還以較少的資源設(shè)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】

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        [3]王風(fēng).基于CC2530的ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計與實現(xiàn)[D]西安電子科技大學(xué),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(xué),2014,4.

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