基于ZigBee技术的温室大棚调光系统

吴荣升

摘 要：近年来，随着物联网技术的发展以及对现代农业精准化的采集和监控需求使得Zigbee备受关注，ZigBee作为一种低复杂度、低功耗、低成本的双向无线通讯技术正受到人们的喜爱。本文先简单介绍ZigBee技术并基于ZigBee技术对温室大棚调光系统进行分析。充分利用光照自动调节控制技术，提高作物光合作用效率。

关键词：Zigbee；ZigBee技术；温室；调光系统

1 ZigBee技术概述

ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络协议。ZigBee协议从下到上分别为物理层（PHY）、媒体访问控制层（MAC）、传输层（TL）、网络层（NWK）、应用层（APL）等。其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE 802.15.4标准的规定，网络层有ZigBee技术联盟制定，应用层的开发程序根据用户自己的应用需要，对其进行开发利用，因此该技术能够为用户提供机动、灵活的组网方式。

在一个ZigBee组成的网络内，作为16bit的短地址最多可容纳65536个无线数传模块，在这组成的整个网络范围内，每一个ZigBee网络数传模块之间可以相互通信，每个网络节点间的距离可以从标准的75m无限扩展。

ZigBee规范确定了三种设备类型分别为协调器，路由器和终端设备。ZigBee网络是由一个协调器以及多个路由器和多个终端组成的。在一个ZigBee网络中必须有且只有一个协调器，由它负责整个网络的启动、网络地址的分配、管理网络和网络维持等，同时它也可作为与其他类型网络的通信节点（网关）。构成协调器和路由器的器件必须是全功能设备，而构成终端设备的器件可以是全功能设备，也可以是精简功能设备。在ZigBee 的网络拓扑结构中，设备是最基本的组成单元，ZigBee 网络的拓扑结构是以IEEE802.15.4为基础的，按需求的应用不同ZigBee支持三种自组织无线网络类型，即星形网络、网状网络和树状网络，特别是网状网络，具有很强的网络健壮性和系统可靠性。

2 整体方案设计

2.1 网络协调器部分

该温室大棚调光系统硬件结构图如图1所示。该系统由远程监控机、主监控机、ZigBee 网络协调器、ZigBee 终端设备、白光 LED 和光照传感器等部分组成。

系统的硬件核心是CC2530芯片，ZigBee网络协调器和终端节点均由CC2530芯片构成。CC2530是用于2.4-GHz IEEE 802.15.4、ZigBee和RF4CE应用的一个真正的片上系统（SoC）解决方案。它能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。CC2530结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051 CPU，系统内可编程闪存，8-KB RAM和许多其它强大的功能，具有256KB的闪存。CC2530具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能源消耗。同时本系统选择CC2530的UA RT0 作为串口通信接口。

2.2 光照度数据采集部分

ZigBee传感器节点在加入ZigBee网络成功之后，周期性的将光照检测电路获得的电压信号送给CC2530芯片的A/D转换接口，该数据即反映了光照度。然后进行数据分析处理，处理的方法是将采集的数据和设定的阀值进行大小的比较，然后通过脉冲宽度调制PWM波的占空比来调节白光LED驱动芯片TPS61040 输入使能端EN的控制信号，使LED灯发光的电流稳定在所需光强。

本系统中的传感器采用环氧树脂封装的光敏电阻LXD5528，它是一种稳定可靠的光电转换器件，利用它的光导效应，当入射光增强时，电阻阻值下降；入射光减弱时电阻阻值上升。驱动电路采用恒流驱动电路，使用TI公司的TPS61040芯片。TPS61040開关频率高达500 Hz，内部有一个400 mA开关电流限制，可以实现过电压保护的功能。

2.3 PWM调光策略

光强控制策略如下：

⑴进行AD采样与阀值比较之后，当实际光强比合适光照区域最大值大时，采用软件编程调节PWM使其占空比变小， 光强变小， 逐渐回到光强合适区；

（2）进行AD采样与阀值比较之后，当实际光强比合适光照区域最小值小时，采用软件编程调节PWM使其占空比变大，光强变大， 逐渐回到光强合适区；

（3）当实际光强在光强合适区中时，由于系统误差的存在， 以及人眼对光强小范围的变化不是特别敏感，可以不用调节PWM。

3 结语

由于现代化的农业种植技术不断提高，对于温室环境监测以及控制提出了更高的要求才能实现现代化的生产与管理。

本文是基于ZigBee技术的智能调光系统的设计，该系统从植物光合作用的合适光强为出发点，通过ZigBee无线网络技术对温室的光照进行实时精准的监测及控制。为了提高数据的精确度避免单点监测带来的误差可以在温室内不同位置安装多个节点，对同一时刻不同数据的分析处理。从本系统的运行试验表明；该系统实现了同一网络，对于同一对象进行多点监控、数据的传输与处理。比较传统的有线监控系统，有特别明显的优势，能够实现复杂环境下的光照强度数据的采集及控制，从而实现了在保证农作物正常生长的情况下增加产量。本系统具有比较大的柔性，如更换传感器以及数据采集节点改系统还可以在其它场合应用，因此具有广泛的应用前景。

[参考文献]

[1]蒋挺，赵成林.紫峰技术及其应用.北京邮电大学出版社，2006.

[2]王风.基于CC2530的ZigBee无线传感器网络的设计与实现[D].西安电子科技大学，2012.

[3]王浩.基于ZigBee无线传感网络技术的光照度监控系统设计[J].中国农机化学报，2013，06：253-256+235.

[4]杨恒.LED照明驱动电路设计与实例精选[M].北京：中国电力出版社， 2008.

[5]王风.基于CC2530的ZigBee无线传感器网络的设计与实现[D].西安电子科技大学，2012.