基于zigbee技术的温室监控系统的设计

基于zigbee技术的温室监控系统的设计

0z空间传输技术家庭中心管理是农业自动化的一个重要领域。目前,无论是基于集散控制结构,还是基于现场总线技术的温室监控系统,其信号传输方式都为有线传输,即通过线缆、各类传感器和执行机构等连接方式传输信号。由于布线复杂,温室内环境湿度高,光照强,具有一定酸性,使得系统的可靠性和抗干扰性能有所降低,增加了后期维护的难度,而采用无线方式可以有效地避免这些问题。ZigBee技术作为一种新兴的无线通信技术,与蓝牙和WIFI相比,具有距离短、复杂度低、功耗低、数据速率低、成本低和自组网等特点,适合于自动控制领域的传感器和执行机构等设备的联网。在温室监控系统中应用基于ZigBee技术的无线传感网络,实现了对温室环境参数的自动检测和控制,能有效地避免有线系统问题。1zigbe技术特点1.1模型物理层和mac子层ZigBee是一组基于IEEE802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的技术标准。协议栈基于开放互连标准OSI7层模型,由应用层、应用接口、网络层、数据链路层和物理层组成。网络层以上的协议由ZigBee联盟负责制定,IEEE制定物理层和链路层标准,其结构图如图1所示。IEEE802.15.4在物理层(PHY)定义了两个标准,分别是2.4GHz物理层和868/915MHz物理层。各频段可使用的信道分别有16个、10个或1个,各自提供250kb/s、40kb/s和20kb/s的传输速率,物理层在各个频段皆采用直接序列扩频技术;IEEE802.15.4的MAC子层协议对应于ISO模型中数据链路层中的MAC子层,采用了CSMA-CA的碰撞避免机制,其功能包括设备间无线链路的建立、维护和断开、确认模式的帧传送与接收、信道接入与控制、帧校验与快速自动请求重发、预留时隙管理以及广播信息管理等。该层定义了广播帧、数据帧、确认帧和MAC命令帧等4种帧类型。网络层主要负责网络机制的建立与管理,实现自我组态与自我修复功能,实现节点加入或离开网络、接收或抛弃其它节点以及路由查找和传送数据等功能,支持多种路由算法和多种网络拓扑结构。应用接口层则是把不同的应用映射到ZigBee网络上,主要包括安全属性设置和多个业务数据流的汇聚等功能。1.2z空间和网络地址ZigBee网络支持星型网(Star)、簇树型网(ClusterTree)和网状网(Mesh)等3种拓扑。其中,星型网是基于中心的控制网络,由一个协调器节点和多个网络终端节点组成,终端节点通过协调器实现彼此间的通信。簇树型网和网状网则是属于点对点的拓扑结构,支持AdHoc网络。簇树型网增加了路由功能的FFD概念,网络终端节点不但可以接入协调器节点,也可任意接入具有路由功能的FFD节点。但具有路由功能的FFD节点相互之间不能直接通信,只能通过协调器节点的路由功能完成相互间的通信。网状网提供了更加灵活的机制,网络中任意两个节点都可以建立链路,网络节点间的路径多,碰撞和阻塞可以减少,局部的故障不会影响整个网络的正常工作,可靠性高。在ZigBee网络中,所有设备均有两个地址:一是64位的唯一的IEEE地址;二是16位的每次加入网络后动态分配的网络地址,可用任何一种地址找到设备进行数据的传送。ZigBee网络结构图如图2所示。1.3无线传感器网络的zagbee技术现阶段,近距离无线传输标准主要包括IrDA,Wi-Fi(IEEE802.11b)、Bluetooth(IEEE802.15.1)和ZigBee(IEEE802.15.4)等。与其它通信技术相比,ZigBee技术有着速率低、时延短、功耗低、成本低、网络容量大和协议简单等特点,非常适合于组建距离短、网络节点较多、数据交换量不大和功耗低的无线传感器网络。表1给出了ZigBee与其它近距离无线通信技术的一些技术参数比较。2zigbe技术在温室监控系统中的应用2.1zifd-无线传感器网络的监控基于ZigBee技术的分布式温室监控系统结构如图3所示。整个系统由无线传感器、执行机构、温室控制器、监控计算机和RS485总线等5大部分组成。温室中,温度、湿度和光照等各类无线传感器以及执行机构作为ZigBee网络中的终端设备(RFD),通过ZigBee无线网络通道实现与作为ZigBee网络中协调器(FFD)的控制器进行数据通信。监控计算机负责监控整个温室群的运行状况,包括设定控制参数和实现系统实时监测,通过RS485总线接收具体温室控制器传送的历史数据,完成数据管理和历史资料统计分析,实现数据的显示、编辑、存储和输出打印等功能。各温室的控制器通过RS485总线,经过RS485/232转换器与监控计算机进行数据交换,接收监控中心的命令,并根据需要向中心发送数据。2.2供电单元设计典型的无线传感器网络节点由数采控制单元、微处理器单元、无线通信单元和供电单元等4个主要部分组成。数采控制单元由传感器、执行机构进行监测区域内待测对象的信息采集和控制;微处理器单元实现数据的分析、处理和存储等功能;无线通信单元负责低功耗短距离节点与控制器间的通信;供电单元选取小型化、高容量的电池,以确保节点的长寿命和微型化,其原理框图如图4所示。设计中,使用Microchip功耗极低单片机MSP430F149作为核心处理器,实现功能主要有:操作无线收发芯片,通过SPI口与GPIO对CC2420工作状态控制和传输数据;本地数据处理过程中,剔除冗余数据,以减少网络传输的负载和对无线传输数据的封装与验证;应答控制中心查询,完成数据的转发与存储;节点电源管理,合理地设置待机状态,以节省能量消耗,延长节点使用寿命。无线通信单元选用Chipcon公司的CC2420射频收发器,实现ZigBee协议的物理层(PHY)及媒体访问控制器(MAC)层,只需极少外部元器件,性能稳定且功耗极低。选择贴片小封装器件设计电路,使用PCB无线收发天线。在使用PCB天线的情况下,系统通信距离可达60m,能实现RFD、FFD和协调器的所有功能。3使用中的问题目前,将ZigBee技术应用在由传感器、控制器和执行器组成的温室监控系统中,尚有诸多的关键性问题需要在设计中得到解决。3.1节点设计要设置在设计中采用多种方法来强Zigbee的MAC层采用CSMA/CA碰撞避免方式,不是严格的实时性和确定性网络,为此需要在设计中通过设置节点的任务优先级、优化错误检测重发机制等多种方法来提高实时性和确定性。尤其在网络负荷较大和无线网络环境较恶劣(干扰)的情况下,发送的数据长度不能太长,以使系统因冲突而丢失的数据量降到最低,满足控制快速反应的要求。3.2时钟同步同步ZigBee网络中各传感器需要通过休眠来降低功耗,同时又要保证各设备协同工作,时钟同步显得更为重要。为此,需要在设计中采用如RBS和TPSN等时钟同步协议,满足整个系统统一时间轴的需求。3.3电路设计的优化温室监控系统的工作环境既受到天气、温湿度和外界无线电磁的干扰,又受到内部电机与电磁继电器等带来的干扰,因此,需要在设计使用中尽可能地优化电路设计和优化布局,以减少干扰。3.4基于特征的网络设计在实际应用中,温室中多个Zigbee网络之间会产生重叠,网络中的节点会因故障而不能正常通信,这就需要系统具有自识别和自诊断等功能。为此,可以考虑在设计中设置特征标识码区分网络,配置冗余节点,优化网络拓扑结构,设计路由算法,以保证正常节点间的通信。另外,系统还可能受到外部类似黑客的非法接入攻击和破坏,需要在设计中提供多种安全机制,如用户密码、数据加密和防火墙等。3.5合同转换问题温室控制器与监控计算机往往采用有线方式连接,控制器充当网关作用,这需要在设计中解决ZigBee网络与其它网络的协议转换问题。3.6网络结构更有利于功率节约实现超低功耗可延长节点和网络的寿命。网络拓扑结构对功耗的节省有重要作用,星形和簇形网络结构比网状网络结构更有利于功率的节省。另外,设置节点休眠与唤醒机制,最大限度降低能量消耗。采用MSP430F149+CC2420平台的网络节点,在深度睡眠时的电流只有1.6uA,输出功率为0dbm,唤