基于ZigBee的精細(xì)農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

鄭學(xué)梅

（東北電力大學(xué) 信息工程學(xué)院，吉林 吉林 132012）

精細(xì)農(nóng)業(yè)就是一種現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)理念。精細(xì)農(nóng)業(yè)通過定量獲取和分析農(nóng)業(yè)環(huán)境參數(shù)，或者對農(nóng)業(yè)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時自動監(jiān)測來實(shí)現(xiàn)動態(tài)控制。精細(xì)農(nóng)業(yè)通過對溫室大棚的溫度、濕度、光照等參量的隨時監(jiān)測實(shí)現(xiàn)田間管理的實(shí)時控制。精細(xì)農(nóng)業(yè)的規(guī)模越大，需要準(zhǔn)確及時地操控所有設(shè)備，因此網(wǎng)絡(luò)信號的穩(wěn)定性。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有簡化的系統(tǒng)布線、一次構(gòu)建成本低、擴(kuò)展性強(qiáng)、低成本、低功耗、靈活性大、網(wǎng)絡(luò)組建簡單等優(yōu)點(diǎn)，非常適合對精細(xì)農(nóng)業(yè)的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測。為了適應(yīng)目標(biāo)的多樣性和多變性，研制具有通用性的監(jiān)測模塊是非常必要的。考慮到精細(xì)農(nóng)業(yè)監(jiān)測具有連續(xù)自動監(jiān)測且無人值守等特點(diǎn)，基于ZigBee的精細(xì)農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)引入了太陽能給電池自動充電，并采用通用節(jié)點(diǎn)設(shè)計，提高系統(tǒng)的通用性。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計方案

基于ZigBee的精細(xì)農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)采用樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由若干FFD、RFD，一個網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)以及監(jiān)控終端組成。其中FFD由參數(shù)監(jiān)測模塊、接收模塊、傳感器接口模塊、太陽能充電模塊和計算機(jī)等組成。參數(shù)監(jiān)測模塊可以通過配置溫度、濕度、光照強(qiáng)度等多種傳感器，實(shí)現(xiàn)對溫度、濕度、光照強(qiáng)度等多種參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測?；赯igBee的精細(xì)農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多路模擬信號和數(shù)字信號采集、無線發(fā)送和接收、與PC機(jī)通信以及在PC機(jī)上進(jìn)行顯示、分析和存儲等功能?；赯igBee的精細(xì)農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)通過傳感器接口模塊與微處理器連接。并通過太陽能充電模塊為監(jiān)測節(jié)點(diǎn)自動供電。

2 溫濕度采集無線傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊構(gòu)成。節(jié)點(diǎn)的硬件原理框圖如圖1 。處理器模塊和無線通信模塊采用CC2430芯片,CC2430從休眠模式和轉(zhuǎn)換到主動模式的時間短,特別適合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用。大大簡化了射頻電路的設(shè)計。

節(jié)點(diǎn)溫濕度采集傳感器模塊采用集成溫濕度傳感器SHT10。 SHT10用于采集周圍環(huán)境中的溫度和濕度,其工作電壓為2.4～5.5V,測濕精度為±4.5%RH,25℃時測溫精度為±0.5℃。采用SMD貼片封裝,與處理器的通信電路I2C通信協(xié)議。電源模塊采用3V紐扣電池。

圖1 節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計

傳感器接口模塊 由于農(nóng)業(yè)監(jiān)測量種類繁多，需要采用不同的傳感器。模擬式傳感器接口，傳感器輸出模擬信號，經(jīng)過預(yù)處理電路，接入到CC2430的A／D口。數(shù)字式傳感器接口。系統(tǒng)設(shè)計了IC總線、SPI總線等接口，通過多路開關(guān)和跳線方式選擇連接到CC2430的數(shù)字I／0口。

系統(tǒng)設(shè)計了太陽能自供電模塊?？紤]到農(nóng)業(yè)監(jiān)測的長期性，可以在陽光充足時對可充電電池充電。采用MAX1555作充電控制芯片，穩(wěn)壓控制芯片采用MAX8881[3]。大大減少了充電控制系統(tǒng)功耗、成本及體積。溫濕度采集無線傳感器節(jié)點(diǎn)電路的其他硬件還包括鍵盤、LCD模塊、RS232串口模塊等。

3 節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計

節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計采用了TinyOS操作系統(tǒng)，TinyOS為普通的抽象描述提供了接口和組件，例如數(shù)據(jù)包通信，路由，感知，行為和儲存。

無線傳感器節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用程序采用nesC編寫，分為數(shù)據(jù)采集、電池能量檢測和無線通信這三個分別設(shè)計的模塊。無線路由節(jié)點(diǎn)和無線終端節(jié)點(diǎn)比無線終端節(jié)點(diǎn)多一個數(shù)據(jù)匯集和上傳的功能。

（1）ZigBee網(wǎng)關(guān)設(shè)計。本系統(tǒng)中ZigBee網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與以太網(wǎng)的互聯(lián)，把網(wǎng)絡(luò)中監(jiān)測的溫濕度數(shù)據(jù)需要發(fā)送到監(jiān)測中心主機(jī)進(jìn)行分析和顯示。ZigBee網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)ZigBee網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)的協(xié)議轉(zhuǎn)換。ZigBee網(wǎng)關(guān)由下列部分組成:內(nèi)部集成符合IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz的射頻 (RF)收發(fā)器的CC2430無線單片機(jī);采用ARM核的Samsung S3C 44BOX微控制器;AX88796以太網(wǎng)控制器芯片等。

（2）監(jiān)控終端軟件設(shè)計。系統(tǒng)的上層管理軟件采用三層C/S模式，實(shí)時對傳感器網(wǎng)絡(luò)送來的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，通過監(jiān)控計算機(jī)上的實(shí)時數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的監(jiān)測。監(jiān)控應(yīng)用軟件還對傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行跟蹤管理。對于監(jiān)控到異常情況，上層管理軟件使用聲光、短信、電話實(shí)時報警方式?？娠@示參數(shù)列表、實(shí)時曲線圖、報表等多種顯示、統(tǒng)計功能更加貼近用戶需求。

4 結(jié)論

基于ZigBee的精細(xì)農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)農(nóng)業(yè)監(jiān)測的特點(diǎn)，遵循通用性思想和模塊化設(shè)計思路，該系統(tǒng)以低成本、低功耗無線單片機(jī)CC2430為核心,能實(shí)現(xiàn)多路模擬量和數(shù)字量的采集、無線發(fā)送和接收。系統(tǒng)通過與PC機(jī)實(shí)時通信，可以在PC機(jī)上進(jìn)行顯示、分析和存儲監(jiān)測數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采用用數(shù)字溫濕度傳感器SHT10獲取溫濕度數(shù)據(jù),電路結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定可靠、檢測精度高,且具有無線數(shù)據(jù)通信靈活方便等特點(diǎn),系統(tǒng)采用太陽能充電技術(shù)，延長監(jiān)測電源壽命。 基于ZigBee的精細(xì)農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)和農(nóng)業(yè)園區(qū)等需要多點(diǎn)實(shí)時監(jiān)測的場合。

[1]江朝暉，焦俊.基于ZigBee的農(nóng)業(yè)通用無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2010，38(6)：3149-3151

[2]尹應(yīng)鴟，李平舟，郭志華.基于CC2430的ZigBee無線數(shù)傳模塊的設(shè)計和實(shí)[J]．電子元器件應(yīng)用，2008，10(4)：l8-21．

[3]汪紀(jì)鋒，肖河.藍(lán)牙技術(shù)在智能家居系統(tǒng)的應(yīng)用研究[J]．機(jī)電工程技術(shù)，2008，37(9)：24-26