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国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

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在线刊号(2278-8875)印刷版(2320-3765)

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基于嵌入式系统和Zigbee技术的温室管理

S.Thenmozhi1, M.M.Dhivya1, R.Sudharsan1, K.Nirmalakumari2
  1. PG学生[嵌入式系统]，欧洲经委会，班纳里安曼理工学院，蚀，泰米尔纳德邦，印度
  2. 印度泰米尔纳德邦罗德市班纳里安曼理工学院欧洲经委会系助理教授(高级)
有关文章载于Pubmed，谷歌学者

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国际电气、电子和仪器工程高级研究杂志

摘要

温室环境监测与控制在温室生产经营中起着重要的作用。为了对温室环境参数进行有效监测，有必要设计控制系统。在这里，控制过程通过手动和自动两种方式有效地进行。手动控制时，采用zigbee无线网络，将温室环境的状态自动控制过程发送到控制室。在温室环境中，我们可以通过PC控制活动并将其发送回控制器。在那里，它将根据我们的愿望激活执行器。主要目标是设计一个简单，易于安装，基于单片机的电路来监测和记录自然环境的温度，湿度和阳光的值，不断修改和控制，以优化它们，以实现最大的植物生长和产量。控制器为PIC 16F877A。它与各种传感器模块通信，根据作物的需要分别驱动冷却器、雾化器、滴灌器和灯，有效地控制温室内的光照、通风和排水过程。

关键字
PIC单片机，Zigbee无线网络，环境参数，环境监测与控制。

介绍
对作物产量和质量要求的不断提高，大大提高了对优质温室的利用和生产力。我们提出的系统，有助于我们密切监测和控制温室环境的小气候参数。该系统由传感器、内置ADC的微控制器和执行器(电机、led)组成。当任何气候参数超过安全阈值以保护作物时，传感器感知到变化，微控制器从其输入端口的数据中读取，然后由ADC转换为数字形式。然后，控制器通过使用继电器执行所需的动作，直到偏离参数恢复到最有利的水平。Zigbee无线传感器网络是人工控制的重要组成部分。采用VB.NET开发了基于zigbee的控制器代理软件。它由三个主要模块组成;即数据验证与识别模块、控制器模块和数据处理模块。

现有的系统
在我们之前所分析的所有概念中，都有一些缺点。在我们现有的系统中，自动控制过程完全是基于单片机的电路实现的。在其他情况下，通过zigbee无线网络完成。这里采用zigbee无线网络，将信息传输到远离环境的控制室。在那里，人们可以根据自己的意愿进行控制，并通过连接到控制器的zigbee传输信息，并根据该性能将发生。主要的缺点
•在基于单片机的电路中-我们需要在任何时候执行的动作都不能在任何情况下完成。
•基于zigbee无线网络的控制过程中，存储在微控制器中的所有信息通过zigbee收发器发送到远在控制室的PC机。控制室的人员将执行控制动作，微控制器将根据该动作来启动执行器。

提出了系统
我们提出的系统的一个吸引人的地方是，它成功地在概念上进行了扩展。在这里，我们结合了我们所有以前的概念，有效和良好的生产力的植物。自动控制(基于单片机)和手动控制(基于zigbee无线网络)都在这里进行。自动控制过程是连续进行的，当任何一个输入模块，如。，传感器不正常工作所需的动作没有得到执行。那时我们可以利用zigbee无线传感器网络来控制过程。我用粗体标出的上面几行是本文所做的重大而成功的更改。
软件工具:
•Visual basic。
•普罗透斯。
•MPLAB IDE (CCS编译器)。

系统架构
该系统模型由传感器、单片机、继电器和执行器等接口组成。采用风机、喷雾器、加热器、水泵、人造灯等执行机构。我们提出的系统目标是设计一个基于单片机的电路来监测和记录不断变化的自然环境的温度、湿度、土壤湿度和日照值，并对其进行控制，以优化它们，以实现植物的最大生长和产量。通过自动和手动两种方式有效地控制过程。根据应用情况，我们将为每个气候参数设置特定的阈值水平。当任何参数水平超过安全阈值时，微控制器将通过使用继电器(电机驱动器)执行所需的动作，直到偏离参数已恢复到其最佳水平。必要时可通过zigbee无线网络进行手动控制。zigbee的接收端与控制室的PC机连接，采用visual BASIC软件，通过zigbee无线网络将数据传输回控制器执行所需的控制动作。通过设计基于单片机的电路，实现温室环境自身的自动控制过程，对各参数进行监测和控制。
图像
图像

硬件描述
答:传感器
传感器是一种将物理量转换为电信号的装置。传感器是一种设备，它通过产生功能相关的输出来响应输入量，通常以电信号或光信号的形式。传感器的灵敏度表示当测量量变化时传感器输出的变化量。例如，当温度变化1°C时，如果温度计中的水银移动1厘米，灵敏度为1厘米/°C(它基本上是斜率Dy/Dx假设线性特征)。测量微小变化的传感器必须具有很高的灵敏度。传感器也会对测量结果产生影响;例如，将室温温度计插入一杯热液体中，使液体冷却，而液体加热温度计。传感器需要设计成对测量结果影响很小;使传感器更小通常可以改善这一点，并可能引入其他优点。
用于测量环境参数的传感器
•温度传感器(LM35)
•湿度传感器
•光传感器(异地恋)
B.Microcontroller
微控制器(MUC)是一种小型计算机，所有外设，如i/o，内存都在构建中。微控制器用于自动控制设备。对于温室的有效管理，在我们的论文中，我们使用PIC 16F877A单片机。PIC控制器是一个RISC机器(简化指令集计算)。它只需要记住35条指令。并采用两阶段的流水线方法获取、解码和执行指令。即，所有单周期指令，除了程序分支是两个周期。
c .继电器
继电器是电子开关。这种电气开关由电磁铁操作，电磁铁在另一个电路的控制下开合。它能够控制比输入电路功率更高的输出电路。继电器用于需要用低功率信号控制电路或必须用一个信号控制几个电路的场合。
D.驱动系统
作动器是一种收到信号时产生运动的设备。执行器用于环境、工业自动化和机器人的计算机控制，或者更一般地说，执行器是用于控制应用的输出机器。对于计算机控制温室的情况，执行器接收来自单片机的控制信号，以控制温室内部的气候变量。所设计的系统包括以下执行机构:
•一个通风机，它的速度决定了内外空气的交换，从而造成自然通风。
•加热系统由沿温室分布的多个加热器组成。
•使用LED(发光二极管)作为人造光。
•LDR由一块暴露的半导体材料制成，如硫化镉，通过在材料中产生空穴电子对，将其电阻从黑暗中的几千欧姆改变为只有几百欧姆。净效果是提高其导电性，降低电阻，以增加照明。

无线个域网技术
ZigBee是基于IEEE 802.15.4的射频(RF)通信标准。ZigBee是一种新型的短距离无线通信技术，代表了一种高可靠、安全、低数据率、低功耗、低成本、快速反应的无线传感器网络。Zigbee协调器负责创建和维护网络。系统中的每个电子设备(如洗衣机、电视、灯等)都是一个由协调器管理的Zigbee设备。设备之间的所有通信都通过协调器传播到目标设备。ZigBee的无线特性有助于克服之前确定的现有家庭自动化系统的侵入式安装问题。ZigBee标准理论上提供250kbps的数据速率，由于40kbps可以满足大多数控制系统的要求，足以控制大多数家庭自动化设备。如前所述，ZigBee提供的低安装和运行成本有助于解决现有家庭自动化系统昂贵而复杂的架构问题。
A. Zigbee拓扑
三种类型
•星
•网格
•集群树
我们可以使用基于这三种拓扑中的任何一种的zigbee无线网络。每一种都有自己的优点和缺点。大多数星形和网格拓扑是经常使用的。在我们的论文中，我们可以使用网格拓扑。每个都有自己的PAN区域网络。
B.无线传感器网络标准-比较
无线传感器网络(WSN)是一种计算机网络，由空间分布的自主设备组成，使用传感器协同监测不同位置的物理或环境条件，如温度、声音、振动、压力、运动或污染物。
在过去的十年中，无线传感器网络被用于许多民用应用，包括环境和栖息地监测、医疗保健应用、家庭自动化和交通控制。一些标准目前已被组织批准或正在制定中。标准在无线传感器网络中的使用远远少于在其他计算系统中的使用，这使得大多数系统无法在不同系统之间直接通信。
WSN通信常用的主要标准有:
1) Wi-Fi 2)蓝牙3)ZIGBEE
上述所有技术都工作在相似的射频频率下，它们的应用有时会重叠。在当前的研究中，我们选择了以下五个温室网络的主要因素进行比较:成本、数据速率、节点数量、电流消耗和电池寿命。从成本来看，ZigBee芯片为1美元以下，最低;Wi-Fi和蓝牙芯片分别为4美元和3美元。采用ZigBee芯片可显著降低系统整体成本。数据速率，ZigBee为250kbps，而Wi-Fi和蓝牙分别为54mbps和1~ 2mbps。尽管ZigBee的数据传输速率最低，但对于温室来说已经足够了。一般来说，温室中的数据流量是低的——通常是诸如温度变化或从控制器到执行器的命令之类的小消息。如果数据速率较低，将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，而ZigBee最多有254个节点，是三者中最大的。它满足了温室中越来越多的传感器和执行器的应用需求。在功耗和电流消耗方面，ZigBee的电流消耗最低，为30 mA，而Wi-Fi为350 mA，蓝牙为65~170 mA。它也大大有助于延长电池寿命。

实验结果
在工作中我们使用PIC单片机，在MPLAB IDE(ccs编译器)中成功地构建和编译了我们的程序，并在proteus工具中成功地模拟了输出。通过对温室环境的自动管理和人为参与两种方式的有效管理，得到了三种不同的结果。自动控制过程完全基于编码完成。在此过程中，如果任何传感器模块工作不正常，将无法向单片机输入，或将得到错误的结果。因此，在那个时候，人类的参与将是非常有用的温室环境。基于zigbee的无线传感器网络成功地将存储在微控制器中的信息传输到远离环境的控制室的PC上，并利用visual BASIC软件根据用户的需要进行数值调整。将该软件安装在所有PC机上，实现对所有PC机的控制。

模拟输出
1.用于自动控制目的的结果。
2.手动控制的结果。
3.根据自然光强度进行人工吹光的结果。
图像
在这个图中。3、温室环境自动控制得到的输出清晰显示。这里使用了两个开关，用于两种不同的操作模式。它连接在b端口，按照我们的程序运行。如液晶显示器所示，现在它是在AM;它的意思是(自动模式)。这里在端口A的三个输入设备，即。，Sensors like Temperature, Humidity and LDR is connected. In port c corresponding actuators are get connected. we will set an certain threshold value. When any of the environmental parameters crosses its safety threshold value,its corresponding actuators such us (ventilation fan , sprayer, heater ,water pump)is get activated automatically until it comes within limit.
我们提出的系统能耗更低。本文采用的控制器执行的是流水线机制，因此执行时间更短，使用的指令数量更少，这些都是本文相对于以往方法的主要优点。虚拟终端显示清晰结果。
图4中，下图为zigbee无线传感器网络的仿真输出;基于手动控制目的。Zigbee无线网络是目前最好的用于高速通信的无线网络。Zigbee模块连接控制室pc，以数据格式接收温室环境状况。用于维护数据库。在PC上安装VISUAL BASIC软件，可以查看结果，也可以有效地根据我们的意愿改变数据。如LCD显示屏所示，现在电路处于MM(手动模式)。当任何环境参数传感器在任何情况下损坏或无法检测准确值时，我们可以根据自己的意愿自动控制状态。
如果我们需要在任何时候控制任何执行机构，我们可以通过zigbee无线网络和VISUAL BASIC软件进行有效的控制。
图像
图像
图中显示了人工吹光的结果。使用LDR(光依赖电阻)作为测量自然光强度的输入。它是电阻器，其阻值随着光强的增加而减小。它取决于负温度系数。图中所示的三个LED(发光二极管)被用作人造光。
•当光强降低到极低时，所有LED都会爆炸。
•在平均状态下，3个LED中有2个会爆炸。
•极高时，没有LED被吹。
这里2个LED被吹了，因为图中所示的电池远离LDR。所以根据这个强度LED被吹了。这三种条件均可有效地用于温室环境的控制和监测。它非常有效地克服了现有系统的缺点。

结论
本文提出了一种基于单片机的系统和zigbee无线传感器网络的设计方法，用于测量和控制植物生长的三个基本参数，即温度、湿度和光照强度。实验结果表明，该系统具有良好的一致性和准确性。该系统成功地克服了现有系统的不少缺点，降低了功耗、维护和复杂性，同时提供了灵活、精确的维护环境形式。

参考文献







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