基于ZigBee的農田土壤水分采集節點的設計

李猛　田立國　丁航　劉書威

摘 要：隨著精準農業的發展和人們對農產品安全的重視，農作物微環境信息的實時獲取變得越來越重要。無線傳感器網絡技術在農業生產中的廣泛應用，為動態、實時地獲取農作物微環境信息提供了重要技術手段。依據無線傳感器網絡的體系結構和特點，設計了一種基于ZigBee的農田土壤水分采集節點，可以對土壤中的水分含量進行實時的監測。實驗證明，節點運行良好，數據傳輸穩定可靠，達到了設計要求。

關鍵詞：微環境信息；無線傳感器網絡；ZigBee；CC2530；水分監測

農田環境是一個復雜的生態系統，包括土壤、水分、溫度、光照、空氣等多種因子，動態、實時、精確的農作物微環境信息對現代農業特別是精準農業的發展越來越重要。無線傳感器網絡技術以其自身的低功耗、低成本、自組織網絡、節點體積小等優勢在現代農業生產中的應用越來越廣泛。本文基于ZigBee無線傳感器網絡的低功耗、低傳輸速率、低成本等特性，采用Atmega8L控制器、TR-5型土壤水分傳感器和CC2530通信模塊設計了一種用于采集農田土壤水分含量的傳感器節點，并通過無線網絡進行數據傳輸。

1 系統總體設計

1.1 ZigBee技術簡介

ZigBee技術是新發展起來的一種具有速率低、功耗低、成本低等特點的雙向無線通信新技術，主要用于近距離無線通信。它依據IEEE802. 15. 4標準，在數千個微小的傳感器之間相互協調實現通信。Zigbee的網絡容量大，最多可組成65000個節點的網絡。

ZigBee規范定義了三種節點類型：協調器、路由器和終端設備，可以組成三種ZigBee網絡拓撲結構：星型網、樹狀網和網狀網，如圖1所示。

1.2 系統體系結構

農作物微環境的監測需要高密度的數據采集節點，節點具有低功耗、設備體積小、成本低等特點，一般農業環境監測系統由傳感器終端節點、協調器節點（網關）、計算機子系統組成，如圖2所示。其中傳感器終端節點響應協調器節點的請求進行數據的采集和上傳，協調器節點負責各傳感器節點數據的收集和外網通信，計算機系統則負責各節點數據的分析處理。

本文設計為用于農作物微環境信息采集的傳土壤水分采集節點，由微控制器模塊、傳感器模塊和無線通信模塊組成，傳感器模塊負責采集土壤水分信息；微控制器模塊負責整個節點的控制，完成數據的采集和處理；無線通信模塊負責數據的無線傳輸，其總體體系結構如圖2所示。

2 硬件實現

2.1 處理器控制模塊

處理器控制模塊采用Atmel公司的ATmega8L微控制器，該控制器模塊工作頻率為8MHz，可選擇低功耗模式工作，具有性能高、功耗低等特點。

2.2 無線通信模塊

無線通信模塊采用ZigBee通信模塊CC2530，CC2530芯片作為TI公司的第二代片上系統，支持IEEE802.15.4、ZigBee、ZigBee PRO等標準，用于2.4 GHz免執照ISM頻帶，能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網絡節點。

2.3 傳感器模塊

傳感器模塊采用TR-5土壤水分傳感器，用于測量土壤中的水分含量，該傳感器是一種精度、靈敏度較高的傳感器，對外輸出0～5VDC的模擬信號。

2.4 電源模塊

TR-5土壤水分傳感器的工作電壓為12-24V，所以需要外接電源，今后可以考慮用太陽能功能。傳感器板使用電池供電，故采用電源集成穩壓芯片AMS1117，將電池電壓穩壓成3.3V提供給微控制器和CC2530，用于其正常工作。

3 軟件實現

軟件系統的設計工作主要包括土壤水分含量的采集及處理程序設計，因為傳感器輸出的信號為0～5V的模擬電壓，需要把模擬信號轉換成數字信號，這里采用Atmega8L的內部10位AD轉換器，將模擬信號轉換為數字信號后再進行相應的數據處理，將電壓信號轉換成土壤容積含水量的單位用于輸出。

微控制器與CC2530之間的通信為串口操作，串口采用中斷方式，在中斷服務程序里完成數據的上傳。

4 結束語

信息農業是未來農業的發展方向，傳統的農業模式正逐漸向以信息網絡為中心的精準農業模式轉變，未來農業將實現信息化、網絡化、智能化。無線傳感器網絡技術以其自身具有的低功耗、低成本、自組織網絡等特征，在農作物微環境信息采集過程中的應用越來越廣泛。本文基于ZigBee無線傳感器網絡技術設計的用于采集農田土壤水分含量的傳感器節點，可以對土壤容積中的水分含量進行實時、動態的監測，從而達到了設計要求。

參考文獻

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