一个基于ZigBee技术的温室监测和
控制系统的无线解决方案
摘要：随着无线技术的飞速发展，由于其具有成本低，简单的特点，它有可能成为中国温室要配备的无线传感器网络。在目前的研究中，我们将ZigBee与其他两个类似的无线联网协议WiFi和蓝牙的优势做了比较。并提出了一种基于ZigBee技术的温室监控和控制系统的无线解决方案。ZigBee技术在中国温室的应用探索，可以促进中国农业的发展。
关键词：温室，监测和控制，无线，ZigBee
1 介绍
在近几年，无线技术有了迅速的发展。从军事和工业控制，到现在被广泛应用在环境监测和农业，其优点包括在安装和维护的责任，简单和低成本。在温室控制应用中Serodio等人（1998年；2001年）开发和测试了一个类似的分布式数据采集用来管理一套温室控制系统。每个温室里，一个WLAN网络与433.92MH
的无线频率波被用于连接到
Z
本地控制器的传感器网络。1996年,葡萄牙的Moraiset等人实现了用无线数据采集网路收集温室室和室外的气候数据。Mizunuma等人（2003年）在田间和温室监测植物的生长和生产系统中实施远程控制部署WLAN网络。2006年，Mancuso和Bustaffa在意大利南部的番茄温室部署了短期无线传感器网络。
2003年，中国的瑛报道了一个使用蓝牙技术的温室监测和控制系统。这个系统在温室中从传感器网络收集环境数据，并将这些数据传输到一个中央控制系统中。乔等人（2005年）介绍了无线传感器网络系统框架，并详细阐述了他们的农业应用，如温室监测，灌溉，精准农业等。罗等人（2006年）设计了温室监测无线传感器网络，这个无线
频段。2006年，吴等人报道了基于通信设计是基于nRF401的无线模块，工作在433MH
Z
CC2420的温室无线数据采集系统的设计和装置，该设置是工作在2.4GH
的ISM频段的
Z
专为低功耗、低电压射频的低成本收发器。等人（2007年）比较其优点和缺点，审查用于农业的有线和无线通信。
然而，在中国早期的发展阶段，无线传感器技术在中国温室的应用很少。在目前的研究中，我们比较了ZigBee和两个类似的无线通信WiFi和蓝牙的优势，并提出了一种
基于ZigBee技术的温室监控和控制系统的无线解决方案。
2 ZigBee、WiFi和蓝牙协议的比较
WiFi，蓝牙和ZigBee工作在相同的RF频率，有时它们的应用有重叠，（西格，2006年）。目前的研究中，我们选择了以下五个温室网络的主要因素来比较：成本，数据传输速率，节点，电流消耗和电池寿命。
（1）成本。ZigBee芯片最低是1美元或更少，WiFi和蓝牙芯片分别是4美元和3美元。整个系统的成本可以大大降低ZigBee芯片的市场。
（2）数据传输速率。 ZigBee的数据传输速率是250 kbps的，而Wi-Fi和蓝牙的数据传输速率分别是54 Mbps和1-2Mbps。尽管是最低的数据传输速率，ZigBee是一种在温室下足够了。一般来说，在温室中的数据流量低，通常是小消息，如温度变化，或从控制器到执行器的命令。并且，低数据速率有助于延长电池寿命。
（3）节点数目。节点数量决定了网络容量，ZigBee具有到254个节点，它三者中网络容量最大的。它满足了越来越多的传感器和执行器在温室中的应用需求。
（4）电流消耗。 ZigBee具有最低的电流消耗，它的电流消耗是30mA，而WiFi是350mA，蓝牙是65-170 mA的。这也大大有助于延长电池寿命。
（5）电池寿命。 ZigBee芯片具有最长的电池寿命，几个月甚至几年。
作为一个整体，ZigBee技术具有电池寿命长，体积小，可靠性高，自动或半自动安装的特点，尤其是低系统成本。因此，相比其他无线协议的温室监测和控制，它是一个更好的选择。
3 我们的温室无线解决方案
解决方案概述
如图1所示，无线传感器，如温度传感器，湿度传感器，光传感器等（集成PIC16F877和ZigBee模块），收集环境信息，并传输到手持控制器（亦称）（集成ARM MCU和ZigBee 模块）。在HHC中，数据存储和显示都在液晶显示屏上，通过控制算法处理后的数据，HHC将其发送到控制命令的执行机构（也与PIC16F877和ZigBee模块集成）中。执行机构完成的实际控制任务中，所有的无线节点都是基于ZigBee模块的。
图1 概述温度监测和控制的无限解决方案的建议
Jennic公司（Jennic，2006年）设计了基于JN5121模块的节点。JN5121是低功耗，低成本、符合IEEE802.15.4标准的无线微控制器系列中的第一，结合片上32位RISC （精简指令集计算）的核心，一个完全兼容的2.4GHz IEEE802.15.4收发器，64KB ROM 和96 KB RAM。高集成度有助于降低整体系统成本。通过SPI或并行为JN5121连接上层控制器和传感器/执行器。
网络的建立
Sinem Coleri Ergensinem Coler（2004）总结了三种类型的ZigBee拓扑结构：星型拓扑结构，对等拓扑和簇树拓扑结构。在星型拓扑结构，通信设备之间建立一个中央控制器，称为PAN（个人局域网）协调员。PAN协调员可能是电源供电，而设备最有可能是电池供电。每个星型网络选择一个PAN标识符，这种影响力是目前任何其他网络使用无线电领域所不能及的。这允许每个星型网络，独立运作。
在这个项目中，我们根据星型拓扑结构建立了网络。正如图2所示HHC（发展筹资，全功能设备），一旦被首次激活，建立自己的网络，并成为PAN协调器。然后，它初始化硬件，协议栈和应用程序变量，传感器和执行器（RFD的精简功能设备），选择零未使用的PAN标识符，广播信标帧。传感器和执行器接收到信标帧，可以要求加入该网络。HHC将它们作为它的邻居列表添加子设备，并返回一个响应。传感器和执行器将增加HHC 作为它们的主设备在它们的邻居列表中，并返回一个确认。 HHC实时监控所有的网络节点，维护网络信息数据库PIB（PAN信息库）。
1. HHC的广播信标帧传感器/执行器；
2. 传感器/ 执行器要求加入网络
3. HHC的返回到传感器/执行器的响应；
4. 传感器/执行器返回一个确认了HHC
图2 网络的建立
