基于ZigBee的土壤墑情監測系統設計

朱彬

摘要

土壤墑情監測，依據要求能夠采集農業環境參數，如此從數據上剖析得到相關環境參數，為本設計供應更可靠的依據。設計選用軟件和硬件結合，硬件選用ZigBee模塊。ZigBee模塊主要負責數據采集傳輸，因要采集溫、濕度和光照強度，所以在比較了各種傳感器后，濕度傳感器YL-69，溫度傳感器DS18B20，光照強度傳感器BH1750為最終揀選。傳感器所采集到的數據經過ZigBee模塊傳輸給協調器，由協調器在傳送計算機終端進行顯示和監測。可實現對一定范圍內的土壤摘情和環境進行監測，最終實現節水灌>A的智能化農業系統。

【關鍵詞】ZigBee 傳感器 土壤墑情

國內目前使用的最多的灌溉系統主要采用定時方式，根據經驗設定灌溉時間來實現定時定量灌溉。但是由于土壤的灌溉需求受空氣的溫濕度、光照強度、土壤含水量等多種因素影響，所以根據經驗來實施灌溉并不能達到精確灌溉的目的。所以本文設計了ZigBee無線傳感器的土壤水分監測體系，它能夠收羅監測溫濕度、光照強度。并將采集信息進行融合、分析最終根據特定的灌溉策略控制電磁閥的開關以實現精細灌溉。無線傳感技術適用范圍廣，本設計主要以農業監測為研究對象，減少勞動力，便于管理者管理和監測。

1 系統總體設計方案

設計分為數據收集和傳感器節點兩部分，有三個傳感器和ZigBee模塊共同組成。ZigBee模塊也起到了協調器的作用，終端節點采集的數據通過網絡傳輸到協調器并顯示。分析采集的數據來判斷環境參數是否符合農作物的生長，是否需要灌溉，整體的結構如圖1所示。

（1）傳感器主要職責就是采集監測對象的生長環境中的溫度、濕度、光照這些數據;

（2）ZigBee模塊的主要功能是將傳感器模塊收集的數據無線傳輸到協調器并顯示。

2 硬件設計

2.1 穩壓電路設計

本次設計要考慮到ZigBee模塊的工作電壓為3.3V。想要電源可靠穩定的給ZigBee模塊供電，就要一個電源適配器，在ZigBee模塊上設計一個AMS1117芯片，這個芯片起到一個降壓的作用，滿足了電源的設計要求，從而可以穩定的供電，以保證實驗的順利進行，原理圖如圖2所示。

2.2 土壤濕度檢測電路設計

本設計采用的土壤濕度傳感器的型號是YL-69，測量土壤濕度的數據，左邊是土壤的探頭，中間部分是放大信號，右邊部分為傳輸信號，如圖3所示。

2.3 DS18B20溫度檢測電路設計

農業生產和溫度是密不可分，為了提高生產效率和保證產品質量就必須控制溫度。本次設計選用的溫度傳感器DS18B20，擁有導熱性高、防水防潮的功效，使傳感器不易受到破壞，保障了溫度傳感的高靈敏性，適用于惡劣環境的現場溫度測量。如圖4所示。

2.4 BH1750光照強度檢測電路設計

本次設計選用了BH1750光照強度傳感器，優點在于它能夠直接輸出一個數字信號，收集的數據直接以數字的方式表現在顯示屏上，不在需要在做繁瑣的計算，可以直接經過光度計來測量。如圖5所示。

2.5 LCD接口電路設計

文中采用Nokia 5110顯示屏價格低廉，可以顯示更多的字符，5110顯示屏對應8位排針P2的插入方向，P10、P11、P12、P13、P14插入協調器對應插口，6、7為電源接口，8為接地。電路圖如圖6所示。

3 軟件設計

3.1 監測節點設計

監測節點的工作流程如圖7所示。在監測節點這部分，傳感器只負責接收命令，首先初始化，然后把CC2530進行初始化，然后初始化CPU并加載SPI驅動，讓后尋找附近是否有網絡選擇是否加入，由于整個系統電池供電，所以必須降低功耗，保證電源有電，然后初始化傳感器模塊并采集數據，對數據進行處理，然后通過無線傳輸發送到顯示器并顯示在顯示屏上。

3.2 協調器節點設計

在整個系統中，協調器的作用是接收其他節點發送來的數據，將它們匯總并通過串口發送到主控制器上，即PC機。PC機將這些數據接收后對它們進行相應處理和分析。協調器不僅可以接收其他節點發來的數據，也可向其他節點發命令。當控制器分析數據后要對其他節點發出控制命令時，都由協調器向外發送。當其他節點同時向協調器發送數據時，就有可能會出現數據沖突現象。協調器可能會漏掉一些數據的接收。此時其他節點會繼續發送數據，當協調器響應并接收數據時，節點完成此動作。在系統的整個運行過程中，協調器始終處于開啟狀態。

4 系統調試

4.1 硬件調試

具體要測試三個傳感器是否正常工作，采集的數據是否準確，通過具體的試驗數據來進行硬件模塊調試，圖8是光照強度BH1750調試測得的數據柱形圖和溫度DS181320調試測得的數據柱形圖。

4.2 軟件調試

所有參數的軟件設置，添加代碼，按F7編譯和連接的項目，然后單擊“項目”菜單進入調試界面，或按按鈕在工具欄的程序也可以下載，程序下載完成以后，經過USB接口把監測節點與電腦結合，就能夠進入IAR編譯環境進行仿真調試在這個過程當中，參數的設立不可有誤。

5 結論

經過試驗測試，系統能夠通過終端節點采集光照、溫度和濕度信息，并通過ZigBee網絡傳輸到協調器節點并顯示。能夠實現對土壤墑情的準確監測，為農民提供可靠的農業環境信息，便于節水灌溉和農作物管理，達到了設計要求。由于時間及自身水平有限等原因，該設計還有許多不夠完美的地方，以后繼續改善。例如，越線報警機制，就可以采用在此次設計中，還可以加上繼電器，用來控制溫度、濕度的裝置。采用報警系統，當管理者發現系統報警，通過上位機對主模塊下達指令，啟動相應裝置，從而對濕度、溫度起到控制作用，如果以后有機會，還會繼續完善。

參考文獻

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