The Use of ZigBee Wireless Network for Monitoring and Controlling Greenhouse Climate
Ibrahim Al-Adwan, Munaf S. N. Al-D
Abstract: The increasing demands for crop production and quality have significantly increased the utilization of high quality and productivity green houses. Modern greenhouses are nowadays having great sizes and they are equipped with sophisticated monitoring and controlled actuation systems to assure maximum productivity and provide value-added quality. Increases in greenhouse sizes has increased the demand in increasing the monitoring points in order to provide real-time precise measurement of some important parameters and hence to avoid unnecessary exposure to unhealthy ambient conditions. The increase of monitoring points is certainly leads to increase the complexity of managing and maintaining them efficiently.
The aim of this paper is to present a novel wireless sensor network based ZigBee technology for monitoring and controlling greenhouse climate. The system consists of a number of local stations and a central station. The local stations are used to measure the environmental parameters and to control the operation of controlled actuators to maintain climate parameters at predefined set points. For each local station a PIC Microcontroller is used to store the instant values of the environmental parameters, send them to the central station and receive the control signals that are required for the operation of the actuators. The communication between the local stations and the central station is achieved via ZigBee wireless modules.
Index Terms— Greenhouse monitoring and control, Wireless network, ZigBee.
I. INTRODUCTION
The increased demand for high quality products, the increased concern about food security, and the impact of climate changes are some of the factors that have contributed to the rapid development of the greenhouse industry in the past four decades across the world [1]. In general greenhouses are structures that are designed to provide a climate-controlled environment for plants that are not in season to be cultivated indoors where a controlled environment can mean a higher survival rate. The target of the commercial purpose greenhouses, like in any other business, is to maximize profit, which depends directly on the yield grown. It is well known that, plant species perform their best while being in the most suitable environment through maintaining the temperature, light and humidity at the optimal level for photosynthesis. Beside the commercial purpose greenhouses, there are a number of facilities for performing experiments related to plant growth research, where a high degree of the climate control is needed, too. Consequently, greenhouse climate control requires real-time precise measurement of some important parameters in order to avoid unnecessary exposure to unhealthy ambient conditions [2]. Computerized environmental control systems were found to be the most reliable solution in providing the ability to integrate the control of all systems involved in manipulating the growing environment, thus improving the crop development and reducing the production costs [3].
Nowadays there are numerous greenhouse environmental control systems presented on the market, offering as much or as little of the control as may be feasible. In the past generation of greenhouses it was enough to have one cabled measurement point in the middle to provide the information to the greenhouse automation system. The system itself was usually simple without opportunities to control locally heating, lights, ventilation or some other activities, which was affecting the greenhouse interior climate [2].
In modern greenhouses, facilities are required to provide several options to make local adjustments to the artificial climate and other greenhouse support systems easier and more reliable. Moreover, with the increase of greenhouses size, more measurement data is also needed to make this kind of the systems work properly. Increased number of measurement points should not dramatically increase the automation system cost. It should also be possible to easily change the location of the measurement points according to the particular needs, which depend on the specific plant, on the possible changes in the external weather or greenhouse structure and on the plant placement in the greenhouse [4].
Wireless sensor network (WSN) can form a useful part of the automation system architecture in modern greenhouses. Wireless communication can be used to collect the measurements and to communicate between the centralized control unit and the actuators located at the different parts of the greenhouse. Compared to the cabled systems, the installation of WSN is fast, cheap and easy. Moreover, it is easy to relocate the measurement points when needed by just moving sensor nodes from one location to another within a communication range of the coordinator device. Furthermore, if the greenhouse flora is high and dense the small and light weight nodes can even be hanged up to the plantsrsquo; branches. WSN maintenance is also relatively cheap and easy. The only additional costs occur when the sensor nodes run out of batteries and the batteries need to be charged or replaced, but the lifespan of the battery can be several years if an efficient power saving algorithm is applied [5-8]. As an open and global standard for WSN, ZigBee shows advantages on low-cost, low power consumption and self-forming. The current researches of ZigBee wireless sensor network on industrial automation, electronic products, smart buildings and medical care were presented and, as an explorative application of ZigBee wireless sensor network in protected agriculture overcoming the limits of wire connection, its applied design for greenhouse management was proposed by introducing both the hardware and software architectures.
II. GREENHOUSE CONTROL SYSTEM
T
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
ZigBee无线网络用于温室气候监测与控制
I brahim Al-Adwan，Munaf S.N.Al-D
摘要：对作物生产和质量的日益增长的需求显著提高了对高质量和生产力的绿色住宅的利用。 现代温室现在有很大的尺寸，它们配备了复杂的监测和控制驱动系统，以确保最大的生产力和提供增值质量。 温室面积的增加增加了增加监测点的需求，以便对一些重要参数进行实时精确测量，从而避免不必要地暴露在不健康的环境条件下。 监测点的增加必然会增加有效管理和维护监测点的复杂性。
本文旨在提出一种新的基于ZigBee的无线传感器网络技术，用于温室气候的监测和控制。 该系统由多个本地站和一个中心站组成。 当地站用于测量环境参数，控制受控执行机构的运行，以保持预定定点的气候参数。 对于每个本地站，使用PIC微控制器存储环境参数的即时值，将它们发送到中心站，并接收执行器操作所需的控制信号。 通过ZigBee无线模块实现本地站与中心站之间的通信。
索引术语-温室监控，无线网络，ZigBee。
I. 导言
对高质量产品的需求增加，对粮食安全的关注增加，以及气候变化的影响，是过去四十年来促进世界各地温室工业快速发展的一些因素[1]。 一般来说，温室是指为那些不适合在室内种植的植物提供气候控制环境的结构，在那里，受控环境意味着更高的存活率。 商业目的温室的目标，就像在任何其他业务中一样，是利润最大化，这直接取决于产量的增长。 众所周知，植物物种在最合适的环境中表现最好，方法是将温度、光和湿度保持在光合作用的最佳水平。 除了商业用途的温室外，还有一些设施进行与植物生长研究有关的实验，在那里也需要高度的气候控制。 因此，温室气候控制需要实时精确测量一些重要参数，以避免不必要地暴露于不健康的环境条件[2]。 计算机化的环境控制系统被认为是最可靠的解决方案，可以提供将所有参与操纵生长环境的系统的控制集成在一起的能力，从而改善作物的发育，降低生产成本[3]..
如今，市场上出现了许多温室环境控制系统，提供尽可能多或尽可能少的控制。 在过去一代的温室中，有一个电缆测量点在中间，足以向温室自动化系统提供信息。 系统本身通常很简单，没有机会控制当地的供暖、照明、通风或其他活动，这影响了温室内部气候[2]。
在现代温室中，需要设施提供几种选择，以使当地调整人工气候和其他温室支持系统更容易和更可靠。 此外，随着温室规模的增加，还需要更多的测量数据来使这类系统正常工作。 增加测量点的数量不应显著增加自动化系统的成本。 还应该可以根据特定的需要很容易地改变测量点的位置，这取决于特定的植物，取决于外部天气或温室结构的可能变化以及温室中的植物放置[4]..
无线传感器网络（WSN）可以成为现代温室自动化系统体系结构的一个有用部分。 无线通信可用于收集测量数据，以及集中控制单元与位于温室不同部位的执行机构之间的通信。 与有线系统相比，无线传感器网络的安装速度快、价格便宜、容易。 此外，通过在协调器设备的通信范围内将传感器节点从一个位置移动到另一个位置，在需要时很容易重新定位测量点。 此外，如果温室菌群高而密集，则小而轻的节点甚至可以挂在植物的枝条上。 无线传感器网络的维护也相对便宜和容易。 唯一的额外成本发生在传感器节点耗尽电池和电池需要充电或更换，但如果应用有效的节电算法，电池的寿命可以是几年[5-8]。 作为无线传感器网络的开放和全球标准，ZigBee在低成本、低功耗和自形成方面显示出优势。 介绍了ZigBee无线传感器网络在工业自动化、电子产品、智能建筑和医疗保健等方面的研究现状，并介绍了ZigBee无线传感器网络在保护农业中的应用，克服了有线连接的局限性，提出了其在温室管理中的应用设计。
二. 温室气体控制系统
温室控制系统包括以下组成部分：
通过传感器获取环境参数；
对数据进行处理，将其与期望的状态进行比较，并最终决定改变系统状态必须做些什么；
带有必要动作的驱动部件。 本文研究的温室控制由几个分布式的本地站和一个中心站组成。 每个地方站负责通过温度、湿度和光的三个传感器获取温室气候参数。 这些传感器连接到由嵌入式ADC组成的PIC16F877A微控制器。 一个ZigBee收发器直接连接到微控制器以提供与中心站的无线连接。 一台PC被用来实现中心站，在该中心站声明每个参数的设定值，并与从每个本地站接收的参数进行比较。 根据参数的测量和设定值，中心站在每个位置提供所需的控制动作。 这些控制动作通过ZigBee模块发送回局部站。 最后，当本地站接收到的控制动作时，微控制器将向执行器提供必要的控制信号，并协调它们的操作。 图1显示了本地站的示意图，图2显示了系统架构的框图。
图1：本地无线站。
A.感觉系统
传感器通过测量温室的气候变量为自动化系统提供输入信息.. 传感器产生的信号由PIC16F877A微控制器获取和调节.. 本研究监测了三个参数：温度、湿度和光或太阳辐射。
图2：系统架构
市场上有五种不同的温度传感器。 每个温度传感器家族都有其优点和缺点。 根据应用情况，一个传感器可能比另一个传感器更合适。 在本研究中，热敏电阻被用来测量温室中的温度。 热敏电阻是温度相关的电阻器件，它们更容易连接，成本更低，几乎所有的自动化面板都直接接受它们。 热敏电阻是由半导体材料制成的，电阻率对温度特别敏感。
说到湿度传感技术，有三种类型的湿度传感器：电容式，电阻式和导热式湿度传感器.. 我们使用电容湿度传感器（CHS），广泛应用于工业、商业和天气遥测应用。 CHS由一种衬底组成，在其上在两个导电电极之间沉积一层聚合物或金属氧化物薄膜。 传感表面涂上多孔金属电极，以保护其免受污染和暴露于冷凝。 基板通常是玻璃、陶瓷或硅。 一个CHS的介电常数的变化几乎与周围环境的相对湿度成正比。 在高温环境（高达200°C）、近线性电压输出、较宽的RH（相对湿度）范围、较高的冷凝耐受性、对化学蒸气和污染物的合理抵抗性、最小的长期漂移、高精度、小尺寸和低成本等方面都能发挥作用。
来自太阳的光几乎是地球上所有生命的基础。 阳光促进光合作用的过程，植物将二氧化碳和水转化为碳水化合物。 植物在400至700纳米范围内使用光。 这个范围最常被称为PAR（光合活性辐射）。 监测PAR对于确保植物获得足够的光合作用光是很重要的。 典型的应用包括林冠、温室监测等。 还测量了PAR，以估计水体中的蒸发量，因为它在地表水温度中起着关键作用。 这一小节将介绍市场上一些流行的光传感器，可用于环境监测应用。 在这里，光依赖电阻（LD R）类似于光度传感器，LD R测量可见光，如人眼所见。 一个LDR基本上是一个电阻；内阻的增加或减少取决于光强度的水平撞击传感器的表面。
最后，设计并制作了一个温室传感器站，作为一个完整的温室管理系统的一部分。 本地站负责收集温室（温度、湿度和光线）的气候测量数据，并将数据传送到中心站。 图3，显示了实用的本地站。
图3：基于Zig Bee的无线局部站
B.驱动系统
执行器是一种设备，它在给定信号时产生运动。 执行器用于环境的计算机控制、工业自动化和机器人，或者更一般地说，执行器是用于控制应用程序中的输出的机器。 对于计算机控制温室的情况，执行器从微控制器接收控制信号，以控制温室内部的气候变量。 设计的系统包括以下执行机构：
-一个通风扇，其速度决定内外空气的交换，从而引起自然通风。
-供暖系统由沿温室分布的若干加热器组成。
-沿温室屋顶捡起或延伸的热/遮阳屏。 在第一种情况下，它可以防止白天获得的热量损失（对于寒冷的月份）。 然而，作为遮阳屏，它保护作物免受过量的太阳辐射，并降低不断升高的温度（在炎热的月份）。
蒸发冷却系统由温室一端的排气扇和通过安装在另一端的纤维素垫的泵循环水组成。 当风扇运行时，内部产生负压，导致外部空气通过湿垫吸入。 蒸发是由于水与空气的接触，使温室内温度降低。
-灌溉系统，通过聚乙烯管抽水进行滴灌。
-人造照明灯，对植物施加光辐射，以延长光周期。
三. 相关传感器网络标准之间的比较
无线传感器网络（WSN）是由空间分布的自主设备组成的计算机网络，使用传感器协同监测不同地点的物理或环境条件，如温度、声音、振动、压力、运动或污染物。 无线传感器网络的发展最初是基于战场监视等军事应用[5]。 在过去的十年中，无线传感器网络被用于许多民用应用，包括环境和生境监测、医疗保健应用、家庭自动化和交通控制。
目前，一些组织正在批准或制定若干标准。 标准在无线传感器网络中的使用远远少于其他计算系统，这使得大多数系统无法在不同系统之间进行直接通信。 在无线传感器网络通信中常用的主要标准是：
1-Wi-Fi
2-蓝牙
3-Zig Bee
上述所有技术都在相似的射频频率下工作，它们的应用有时会重叠[6]。 在目前的研究中，我们选择了温室网络的以下五个主要因素进行比较：成本、数据率、节点数、当前消耗和电池寿命。
从成本来看，ZigBee芯片为1美元或以下，最低；Wi-Fi和蓝牙芯片分别为4美元和3美元。 通过ZigBee芯片的使用，可以显著降低系统的整体成本。
关于数据速率，ZigBee为250kbps，而Wi-Fi和蓝牙分别为54Mbps和1~2Mbps。 尽管数据速率最低，但ZigBee对温室来说是足够的。 通常，温室中的数据流量很低-通常是小消息，例如温度的变化或从控制器到执行器的命令。 此外，低数据速率有助于延长电池寿命。
众所周知，网络的容量是由节点的数量决定的，ZigBee最多有254个节点，在三个节点中最大。 它满足了温室中越来越多的传感器和执行器的应用需求。
功率和电流消耗，ZigBee有最低的电流消耗，30米A，而Wi-Fi，350米A，和蓝牙，65~170米A。 这也大大有助于延长电池寿命。
最后，ZigBee芯片的电池寿命是最长的电池寿命，几个月甚至几年。
作为一个整体，ZigBee技术提供了长电池寿命，小尺寸，高可靠性，自动或半自动安装，特别是低系统成本。 因此，它是温室监测和控制比其他无线协议更好的选择[7-8]..
四. ZI GBEE相关传感器网络在温室气候中的应用
基于ZigBee的无线网络有三种类型的拓扑结构，即星型拓扑结构，对等拓扑结构和簇树拓扑结构[9].. 第一种拓扑称为个人区域网络（PA N）。 中心站起着网络协调员的作用，负责建立它与当地单位之间的沟通。 每个本地单元选择一个PAN标识符，该标识符目前不被无线电影响范围内的任何其他电台使用。 这允许每个星型网络独立运行。 图（4）显示了温室内当地站的实际分布情况。
图4：ZigBee无线传感器站的位置。
在本文中，我们根据星型拓扑建立了网络.. 如图5所示，一旦中心站第一次被激活，它就建立了自己的网络，并成为网络协调器。 然后，中心站初始化其硬件、堆栈和应用程序变量，选择未使用的PAN标识符为零，并向本地站广播信标帧。 当本地站接收到信标帧时，他们将发送一个加入网络的请求。 当中心站接收到请求时，它将在其邻居列表中将它们作为子设备添加并返回响应。 本地站点将在其邻居列表中添加中心站作为其父站，并返回一个确认。 然后中心站对所有网络节点进行实时监控，维护网络信息数据库..
图5：网络拓扑结构
开发了局部站单片机和中心站PC机的软件算法。 为本地站微控制器开发的软件包括数据采集、数据处理和通过Zigbee模块传输数据。
A.感觉系统
本地站的设计是收集温室环境数据，并将其发送到中心站。 图（6）显示了本地站的软件流程图。
图6：本地站数据流。
在初始化阶段，微控制器执行两个操作：ADC初始化和UART初始化。初始化过程完成后，微控制器进入等待状态，等待来自中心站的数据请求或控制动作请求。 通过接收数据请求，微控制器通过ZigBee模块生成并发送确认信号，使连接到它的传感器能够读取传感器的输出信号，并对收集到的数据执行模拟到数字转换。 转换过程完成后，将数据编码成数据包，发送到中心站.. 另一方面，当微控制器接收到控制动作请求时，它向中心站发送确认信号并等待控制数据包。 一旦收到数据，它将被解码和分析，以找出所需的行动，为每个执行器。
B. 中央站软件系统
中心站旨在执行下列任务：
1-网络协调。
2-从当地电台收集数据。
通过产生必要的控制动作进行数据分析和决策。
4.向当地电台发送控制行动。
图7：协调员代理软件流程。
本文采用基于模糊逻辑的智能系统进行数据分析和控制动作生成。 这项任务超出了本文的范围，只是对网络的协调和沟通进行了讨论。
协调任务由软件代理或子系统执行，其功能类似于控制中心站和本地站之间数据流的路由器操作。 图7显示了协调剂的流程图。 当系统启动时，中央站初始化其硬件、应用程序参数并初始化前面提到的网络。 在初始化过程结束时，协调代理将发送和接收数据包和请求信号。 有三个请求信号；来自中央站控制器子系统的数据采集请求和控制动作请求以及来自本地站的数据发送请求。 当协调器代理被指示从本地站请求数据时，它将将此信号转发到指定的本地站，并等待来自本地站的确认。 如果代理没有收到来自本地站的任何确认，它将重新发送请求三次。 如果协调器代理没有收到任何确认，那么它将通知控制器代理在本地站的故障可能性。 另一方面，如果本地站响应数据收集请求，则收集的数据将由协调代理接收并发送给控制器代理。 如果协调代理收到控制动作指令，它将向本地站发送请求信号。 如
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[237335]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
