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
Manuscript received on October, 2012
Ibrahim Al-Adwan, Assistant Professor Department of Mechatronics Engineering Faculty of Engineering Technology Al-Balqa` Applied University Amman 11134- Jordan, India.
Munaf S. N. Al-D., Assistant Professor Department of Electrical
Engineering Faculty of Engineering Tafila Technical University, India.
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 o
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使用ZigBee无线网络监测和控制温室气候
摘 要
不断增长的作物产量和质量需求显著提高了高品质和高生产效率温室的使用率。现代温室时下都有很大的规模，他们都配备了先进的监测和控制驱动系统，以确保最大的生产力和提供增值的产量。扩大温室也加大了增加监控点的需求，为了提供一些重要的参数，从而进行实时精确测量，以避免在不健康的环境条件下不必要的暴露。监测点的增加必然加大管理和有效维持它们的复杂性。
本文的目的是介绍一种新型的无线传感器网络，可用于监测和控制温室气候的ZigBee技术。该系统由一些本地站和一个中心站组成。本地站被用于测量环境参数，并控制执行器的操作以维持气候参数在预定的设定值。每一个本地站的PIC微控制器是用来存储环境参数的即时值、将它们发送到中心站和接收执行器所需的操作控制信号。本地站和中心站之间的通信是通过ZigBee无线模块实现的。
关键词：温室的监测和控制，无线网络，ZigBee。
1. 引言
对高品质产品不断增长的需求，对食品安全的日益关注和气候变化的影响是过去四十年来在世界各地促进温室产业快速发展的一部分因素。一般的温室设计为植物提供可控的环境使植物能够不分季节在室内栽培，其中受控的环境意味着更高的存活率。大棚的商业目的和其他任何业务一样，是利润最大化，这直接取决于作物的产量。众所周知，通过在最合适环境之中保持温度，光，湿度在最佳水平的光合作用，植物能够发挥最佳。除了商业目的的温室，还有许多备用于研究植物生长，它们的气候控制程度很高。因此，温室气候控制需要对一些重要参数进行实时精确测量，以避免在不健康的环境条件下不必要的暴露。统一控制所有操控生长环境系统最可靠的解决方案是环境控制系统计算机化，从而提高作物产量和降低生产成本。
现在，市场上的众多温室环境控制系统，所提供的或多或少的控制一般是可行的。上一代大棚就有一个中间电缆测量点可以提供信息给温室自动化系统。但系统本身通常是简单，不能通过控制局部取暖，照明，换气或其他活动来影响温室内部气候。
在现代温室中，设备提供几个选项可以人工局部调整气候，以及使其他温室支持系统更简单，更可靠。而且随着温室大小的增大，这种系统需要更多的测量数据才能正常工作。测量点数量增加不应该显著提高自动化系统的成本。它应该可以根据特定的植物，外部天气或温室结构上可能发生的变化和植物放置在温室中的位置，灵活改变测量点位置。
无线传感器网络是现代温室自动化系统架构中一个不可或缺的部分。无线通信可用于收集测量数据和集中控制装置与位于温室各个部分的执行器之间的通信。相较于有线系统，无线传感器网络安装快速，便宜和容易。此外，根据需要很容易重新定位测量点，只要在协调器设备通信范围内将传感器节点从一个位置移动到另一个位置。此外，如果温室植物是高的，密集度小的，重量轻的节点甚至可以挂到植物的枝条上。无线传感器网络维护也相对便宜和容易。唯一的额外费用发生在传感器节点电池耗尽和电池需要充电或更换时，但如果应用有效的功率节省算法，电池的寿命可以是几年。作为一个开放的和全球标准的无线传感器网络，ZigBee的优势在于低成本，低功耗和自我形成。将ZigBee无线传感器网络应用于工业自动化，电子产品，智能建筑和医疗的研究已经发表，基于ZigBee无线传感器网络的农业设施应用克服了有线连接的限制，其应用于温室管理的设计是通过介绍两者的硬件和软件体系结构提出的。
2. 温室控制系统
温室控制系统包括以下部分：
（1）通过传感器进行环境参数数据采集；
（2）数据的处理，与理想状态相比，最后决定做什么来改变系统的状态;
（3）执行器进行必要的操作；
本文研究的温室控制由多个分布式本地站和一个中心站组成。每个本地站负责获取来自温度、湿度和光传感器的温室气候参数。这些传感器被连接到PIC16F877A单片机，它由嵌入式模数转换器组成。ZigBee收发器直接连接到单片机，提供与中央站的无线连接。一台PC被用来当作中心站，在此将每个参数的设定值与从每个本地站接收的数据进行显示和比较。根据测量和参数设定值，中心站提供每个位置所需要的控制操作。这些控制操作是通过ZigBee模块发送回本地站。最后，当本地站接收到控制操作时，微控制器将提供必要的控制信号给执行器和协调它们的操作。图1是本地站的示意图，图2是系统结构框图。
图1：本地无线站
2.1 感官系统
传感器通过测量温室气候变量为自动化系统提供输入信息。PIC16F877A单片机获取传感器产生的信号。在本研究中三个参数都要监测：温度，湿度和光线或太阳辐射。
本地站
图2：系统结构图
市场上有五种不同的温度传感器。每种温度传感器都有其优点和缺点。根据不同的应用，一个传感器可以比其它更合适。在本项研究中，热敏电阻用于测量温室的温度。热敏电阻是温度依赖电阻装置，他们更容易布线，成本更低，几乎所有的自动化面板都能直接接入。热敏电阻由电阻率对温度特别敏感的半导体材料制成的。
当涉及到湿度敏感技术时，有三种类型的湿度传感器：电容式，电阻式和热导式湿度传感器。我们使用的是电容式湿度传感器，它被广泛应用于工业，商业和天气遥测应用。电容式湿度传感器由基板组成，基板上的聚合物或金属氧化物薄膜在两个导电电极之间沉积。传感表面涂覆有多孔金属电极，以保护它免受污染和暴露于冷凝。基板通常是玻璃，陶瓷，或硅。一个电容式湿度传感器的介电常数变化几乎正比于周围环境的相对湿度。电容式湿度传感器能够在高温环境下发挥功能（高达200℃），接近线性电压输出，宽RH（相对湿度）的范围，高缩合耐受性，对化学蒸汽和污染物有合理的抵抗力，最小的长期漂移，精度高，体积小，成本低。
来自太阳的光线几乎关系到地球上所有的生命。阳光是光合作用的燃料，植物将二氧化碳和水转化为碳水化合物。植物利用在400至700纳米的范围内的光。这个范围通常被称为PAR（光合有效辐射）。监测PAR对于确保植物获得足够光线进行光合作用很重要。典型的应用包括森林冠层，温室监控等。PAR也被测量来估计蒸发的水体，因为它对于表面水温起关键作用。这个分节将介绍一些在市场上流行的光传感器，可用于环境监测应用。光敏电阻（LDR）类似于光传感器，LDR测量人的眼睛可以看到的可见光。一个LDR基本上是一个电阻器;内阻增加或减少取决于光照射在所述传感器表面上的强度。
最后，一个温室传感器站已经设计和制造，它是完整温室管理系统的一部分。本地站负责收集温室内的气候测量数据（温度，湿度和光照）和传送数据到中央站。图3是现实中的本地站。
图3：本地无线站
2.2 执行系统
执行器是一台设备，接收信号时产生操作。执行器用于电脑控制环境，工业自动化和机器人技术，或更一般地，执行器用于控制应用输出。在计算机控制温室的情况下，执行器接收来自单片机的控制信号去控制温室内部气候变量。所设计的系统包括以下执行器：
（1）一个通风风扇，其速度决定内部和外部空气之间的流通，从而自然通风。
（2）加热系统由许多沿温室分布的加热器组成。
（3）热/遮阳屏，收起或沿温室的屋顶延伸。在第一种情况下，它可以防止在白天获取热量的损失（对于冷月）。而遮阳屏，它保护作物避免过量太阳辐和降低过高的温度（对于热月）。
（4）蒸发冷却系统包括在温室一端的排气风扇和泵循环水。当风扇运行时，内部产生负压力，引起外部空气通过湿垫进入。因为水和空气之间的接触导致蒸发，在温室中得到一个较低的内部温度。
（5）灌溉系统，水通过聚乙烯管道泵应用滴灌。
（6）人造照明灯，用光线照射植物延长光照时间。
3. 无线传感器网络标准之间的比较
无线传感器网络是一种计算机网络，由空间分布的自动装置组成，使用传感器来协作地监控物理或环境条件，如不同的位置的温度，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军事应用，如战场监视动机。在过去十年中无线传感器网络被用于许多民用应用中，包括环境和生态监视，医疗应用，家庭自动化，和交通管制。
几种标准正在批准或由组织正在开发中。无线传感器网络标准的适用远不如其他计算系统，使大多数系统之间不能直接通信。无线传感器网络通信常用的主要标准有：
1）WIFI
2）蓝牙
3）ZigBee
所有上述技术都在相似的RF频率工作，并且他们的应用程序有时重叠。在目前的研究中，我们选择了下列五个温室网络的主要因素进行比较：成本，数据速率，节点数目，消耗电流和电池寿命。
从成本的角度出发点，ZigBee芯片是1美元或更少，最低;WIFI和蓝牙芯片，分别为4和3美元。整个系统的成本可以通过使用ZigBee芯片显著降低。
关于数据速率，ZigBee是250 kbps，而Wi-Fi和蓝牙分别是54 Mbps和1〜2 Mbps。尽管数据速率是最低的，但ZigBee足够用于温室。通常，在温室中的数据流量较低，通常是小消息如温度的变化，或从控制器向执行器一个命令。另外，较低的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来决定，ZigBee有多达254个节点，在三者之间是最大的。它满足了在温室中越来越多传感器和执行器的需求。
关于功率和电流消耗，ZigBee具有最低的电流消耗30毫安，而Wi-Fi是350 mA和蓝牙是65〜170毫安。它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，数月甚至几年。
总之，ZigBee技术提供了较长的电池寿命，体积小，可靠性高，自动或半自动的安装，特别是低系统成本。因此，它比其他无线协议更适合用于温室监测和控制。
4. ZigBee无线传感器网络在温室气候的应用
ZigBee无线网络有三种类型的拓扑结构即：星型拓扑，对等网络拓扑结构和簇树型拓扑。第一种拓扑称为个人区域网。中心站发挥网络协调器的作用，它负责建立与本地单位之间的通信。每个本地单元选择一个未被其他车站使用的PAN标识符。这允许每一个星型网络独立运作。图（4）显示了温室内本地站的实际分布。
图4：ZigBee无线传感器节点位置
在本文中，我们按照星型拓扑建立网络。如图5，当中央站被首次激活时，它建立自己的网络，并成为网络协调器。然后初始化其硬件，协议栈和应用程序变量，选择一个未使用的PAN标识符和广播信标帧到本地站。当本地站接收到信标帧时，它们会发送一个加入网络的请求。一旦中心站接收请求，它会将其当作子设备添加在其邻居列表中，并返回一个响应。本地站将增加作为其父的中心站在他们的邻居列表，并返回一个确认。中心站随后监视所有实时网络节点，并维护网络信息数据库。
图5：网络拓扑结构
用于本地站微控制器和中心站PC软件的算法已经被开发了。用于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模块的数据传输。
4.1 传感系统
本地站的目的是收集温室环境数据，并把它们发送到中心站。如图6所示。
图6：本地站数据流程图
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。当初始化过程完成时，微控制器进入等待状态，等待数据请求或来自中央站的控制动作请求。接收数据请求时，微控制器产生并通过ZigBee模块发送确认信号，确保传感器与其相连，读出传感器的输出信号，并进行模拟，对所收集的数据进行数字转换。在转换过程中，数据被编码成数据包，并传送到中心站。另一方面，当单片机接收到控制动作请求时，它发送一个确认信号给中心站，等待控制数据包。一旦接收到数据，将被解码和分析，以找出每个执行器所需要采取的动作。
4.2 中心站软件系统
中心站被设计执行下列任务：
1）网络协调。
2）从本地台收集数据。
3）通过生成必要的控制措施进行数据分析和决策。
4）发送控制行动给本地站。
图7：协调代理软件流程
在本文中，我们使用基于模糊逻辑的智能系统来进行数据分析和产生控制作用。这个任务超出了本文的范围，只讨论网络的协调和沟通。
协调工作由软件代理或子系统进行，其功能类似于控制数据的中心站和本地台之间的路由器的操作。图7是协调代理软件流程图。当系统开始时，中央站如先前提及初始化其硬件，应用参数和初始化网络。当初始化过程结束时，协调代理将发送和接收的数据分组和请求信号。有三种请求信号;数据收集要求，来自中央控制系统的控制行动请求和来自本地站的数据发送请求。当协调代理被指示需要来自本地站的数据，它会传送信号给指定的本地站，然后等待来自本地站的确认。如果代理未从本地站接收任何确认，它将重新发送三次请求。如果协调代理还没有收到任何确认，它会通知控制器代理在本地站有关故障的可能性。
另一方面，如果本地站响应该数据采集请求时，收集到的数据将被协调代理接收和发送到控制器代理。如果协调代理接收控制动作指令，它会发送一个请求信号到本地站。如果本地站没有响应该请求，代理将执行故障诊断过程。如果协调代理接收到一个来自本地站的确认信号，它将发送控制动作包。最后，当协调代理接收到来自本地站的数据发送请求时，它将响应一个确认信号，并等待该数据包。所接收的数据包将被再转移到控制器代理进行数据分析和决策。
中心站的第二功能是系统主控制器，用来分析来自本地站的数据，并产生所需的控制动作。图8显示了用于控制代理的软件流程图。该控制器代理软件通过使用VB.NET开发。它
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