基于 Zig Bee 技术的监控系统硬件设计

1 Zig Bee 无线通信技术 Zig Bee 技术是一种近距离、低复杂度、低功率消耗、低速率和低成本的双向无线通讯技术。Zig Bee 的名称由来是来自于仿生学,蜜蜂在寻找食物时,通常通过飞出8的形状来将花丛的位置和路径信息表达给其他蜜蜂。Zig Bee 网络是一种稳定

1 Zig Bee 无线通信技术

       Zig Bee 技术是一种近距离、低复杂度、低功率消耗、低速率和低成本的双向无线通讯技术。Zig Bee 的名称由来是来自于仿生学,蜜蜂在寻找食物时,通常通过飞出“8”的形状来将花丛的位置和路径信息表达给其他蜜蜂。Zig Bee 网络是一种稳定性好易扩展的网络。Zig Bee 数传模块类似于移动网络基站。通讯距离一般为 100 米左右,在加入功率放大后,可以将传输距离增大到 1.5km。

1.1 Zig Bee 无线网介绍

        Zig Bee 协议是基于 IEEE 802.15.4 通讯协议标准开发的,从 2004 开始已经发布了从Zig Bee  V1.0 到 Zig Bee2006 版本,每一个版本的升级使得 Zig Bee 功能更趋完善在Zig Bee 无线传输技术应用中,其强大的设备联网功能,使得 Zig Bee 无线网络能够支包括星型结构(Star)、网状结构(Mesh)和簇型结构(Cluster  Tree)在内的 3 种自组织无线网络,尤其是网状结构,网络稳定性和系统可靠性都比较高,能够应用在一些环境较差的工业控制场景。在 Zig Bee 通讯协议中,MAC 层在进行数据传输时,具有严格的数据确认机制发送数据包后,如果接收到响应信息则会继续传输,反之继续等待响应信息以确保信息的被接受方接收到信息。 

1.2 Zig Bee 无线网络拓扑结构分类

        Zig Bee 无线网络拓扑结构[21-22]有星型拓扑结构,网状拓扑结构和簇状拓扑结构。在一个基本的 Zig Bee 网络中,根据网络中各个节点的功能不同分为终端节点、路由器节点和协调器节点。星型结构是一种简单易行的网络结构。网络的中央节点为协调器节点,而路由器节点和终端节点都以协调器为中心进行连接,这样的网络结构以协调器为中心。
       星型拓扑结构便于集中控制,由于各个路由器节点和终端节点都与协调器节点连接,因此星型网络是一种集中式网络,其结构决定了星型网络便于集中控制。集中控制使得网络具有容易维护和安全性好的特点。

1.3 Zig Bee 协议栈结构

     Zig Bee 协议栈[25]按照四层网络结构进行划分,分为应用层、网络层媒体访问层和物理层。Zig Bee 四层协议栈分为两个组成部分,物理层和媒体层这两层是由 IEEE 802.15.4 标准定义的,应用层和网络层是协议栈另外两部分Zig Bee 协议栈结构。

2  传感器技术应用

       传感器技术是物联网基础技术之一,而由传感器技术产生的智能传感器是整个物联网实现真正的物物互联的基础设备也是关键设备。传感器做为感知终端,其实现了对外部客观世界信息的感知与采集功能,通过传感器将物理信号转化为电信号,同时对转化后的信号通过网络传输层传输至应用服务层。在物联网应用中,传感器可以是嵌入到传感器签里的内部传感器或者在一个传感器模块里的传感元件,最常用的如射频识别系统中的传感器标签和传感网络的传感器节点。 

2.1  传感器的定义

        根据传感器的工作原理和实现的功能,传感器的定义是能够感受规定的被测对象的量值并按照一定的规律转化成可用输出信号的器件和装置。传感器是一种检测装置,能感受到被测量的信息,并能将检测感受到的信息,按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出,以满足信息的传输、处理、存 储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。

2.2  传感器的分类

(1)按被测量分类 
       按照被测量的类型可以分为物理传感器、化学传感器和生物传感器三大类,通常在科学研究和工程实践中运用较多的有温度、湿度、压力、速度、气体成分和离子浓度传感器。
(2)按工作原理分类
       按工作原理可分为材料型和结构型两大类,根据传感器结构参数的变化引起相应的 电信号变化,从而实现信号转换的传感器称为结构型传感器。
(3)按敏感材料分类 
       传感器中依照敏感材料的不同可以将传感器分为陶瓷传感器、半导体传感器、金属材料传感器、光纤传感器和复合材料传感器等。
(4)按传感对象分类 
       按照传感器作用的对象可分为地震传感器、水质传感器、血糖传感器、呼吸传感器、脉搏传感器和烟雾传感器等。

2.3  传感器的基本特性
       传感器的基本特性是指传感器的输出与输入之间的关系,分为静态特性和动态特性。    
(1)静态特性指传感器在被测输入量的各个值处于稳定状态时的输入与输出的关系。衡量静态特性的主要指标有线性度、迟滞、重复性和灵敏度等。   
(2) 动态特性指对输入激励的输出响应特性。其动态参数有时间常数、上升时间、稳定时间、过冲量、频率响应。

2.4  监控系统传感器的选择

       监控系统主要的监测参数是温度、湿度、和光照强度。每一个传感器节点上要集成这三种传感器,用以采集大棚中的相应环境参数。传感器节点传感器的选择,温度传感器采用 DS18B20 数字温度传感器。湿度传感器采用传感器模块 DWS-S8,其特点有体积小,可浸没、抗干扰能力强和露点测试。光照强度传感器,选用 HA2003 高精度的光照强度,特性参数以真实太阳光做为考,从而降低了光源对传感器采集的影响。
基于 Zig Bee 技术的监控系统硬件设计

3  控制结构设计

       系统主要实现对农业大棚内的环境参数进行监测与控制。主要涉及对大棚内的温度、湿度和光照强度的数据采集、显示和调控。
       调控设备包括卷帘电机、浇灌设备、通风设备和照明设备。控制对象是农业大棚,执行机构为调控设备,信息的传输通过无线传感网来实现,无线传感网主要采用 Zig Bee技术来构建。

3.1  控制对象分析

       系统被控参数包括温度、湿度、光照强度三个参数值。其基于物联网技术的农业大棚监控系统的调控原理示意。
       温度,大棚内的温度分为两部分土壤温度和空气温度,一般以空气温度来代表大棚内的室温,也是影响作物生长的主要因素,温度参数的调控通过卷帘电机和通风设备来 完成。湿度湿度决定了大棚内作物生长的水分,湿度参数的调控执行设备是浇灌设备。光照,作物的生长状况与光照有着密切的关系,系统中主要通过卷帘电机来调控白天的光照强度,而需要增加光照时可以开启照明设备。

3.2  温度控制

       目前的农业大棚由于面积越来越大,对于一个 1500 平方米的农业大棚,由于阳光照射角度,以及大棚不同区域所处位置的不同引起大棚内的温度分布不均,对于大棚各个卷帘的控制策略将直接影响到温度的调控。对农业大棚分为 区域,每个区域对应一个温度值。

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