基于ZigBee技術(shù)的農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

馬本驥 張靜雅

摘要 本文利用ZigBee和無線傳感技術(shù)完成農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)軟、硬件設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)無線傳輸。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思想，選用CC2430為節(jié)點(diǎn)主控和無線收發(fā)模塊，通過SPI總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信和命令發(fā)送；利用Z-Stack協(xié)議棧實(shí)現(xiàn)程序的設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、組網(wǎng)迅速等特點(diǎn)，在無線傳感領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞 土壤墑情；ZigBee技術(shù)；無線傳感網(wǎng)絡(luò)；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào) TP274+.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1007-5739（2018）19-0237-03

Abstract Using ZigBee and wireless sensor technology，the node software and hardware design and wireless data transmission of farmland soil moisture monitoring system were completed.The system adopted the idea of modularization design，CC2430 was selected as the node master control and wireless transceiver module，data communication and command transmission were carried out through SPI bus.The program design was completed by Z-Stack protocol stack，the whole system was characterized by simple structure，stable performance and rapid networking，which had broad prospects in the wireless sensor field.

Key words soil moisture；ZigBee technology；wireless sensor network；system design

我國是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，當(dāng)前我國農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨著諸多問題和挑戰(zhàn)。可以利用的耕地資源不斷減少，長期過度耕作和化肥、農(nóng)藥濫用所導(dǎo)致的耕地質(zhì)量退化，快速工業(yè)化發(fā)展所帶來的灌溉水污染等因素嚴(yán)重制約了農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展和糧食的增產(chǎn)、增收。利用現(xiàn)代前沿技術(shù)對(duì)農(nóng)田土壤進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，及時(shí)了解、掌握土壤墑情，合理調(diào)整種植結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)地溫和水肥可實(shí)現(xiàn)糧食增產(chǎn)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展，并促進(jìn)傳統(tǒng)粗放型農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)楝F(xiàn)代集約型農(nóng)業(yè)[1]。

長期以來，國內(nèi)對(duì)農(nóng)田的監(jiān)測大量采用的是有線監(jiān)測方式，這種監(jiān)測方式具有布線難度大、監(jiān)測成本高、不便于規(guī)模的擴(kuò)展等諸多弊端；ZigBee技術(shù)是一種基于IEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的近距離無線雙向通信技術(shù)，具有短距離、低速率和低成本等特點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于工業(yè)網(wǎng)絡(luò)測控、環(huán)境監(jiān)測、家庭自動(dòng)化和智能建筑等諸多領(lǐng)域。本文以無線通信技術(shù)為基礎(chǔ)，利用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)農(nóng)田土壤墑情（如土壤的溫度、濕度和酸堿度）的采集、傳輸，探討實(shí)現(xiàn)農(nóng)田耕作精細(xì)化、農(nóng)業(yè)管理智能化的途徑[2]。

1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用樹形網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其硬件部分由若干個(gè)路由節(jié)點(diǎn)及傳感器節(jié)點(diǎn)、1個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)和1臺(tái)PC機(jī)構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

傳感器節(jié)點(diǎn)模塊集傳感器模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和無線通信模塊為一體，選擇適當(dāng)?shù)膫鞲衅鳎脝纹瑱C(jī)完成農(nóng)田土壤墑情數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和打包，考慮到CC2430 ZigBee芯片采用技術(shù)成熟的8051作為處理器這一特點(diǎn)，無線傳輸模塊采用CC2430為核心芯片設(shè)計(jì)無線收發(fā)硬件，接收和發(fā)送傳感器節(jié)點(diǎn)所采集到的實(shí)時(shí)土壤數(shù)據(jù)，通過USB接口傳輸?shù)絇C終端，使技術(shù)人員能及時(shí)了解土壤的基本信息，為其后的決策提供依據(jù)和參考[3]。

2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊的硬件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件部分主要由土壤墑情信息采集、ZigBee無線通信、顯示以及外圍電路幾部分構(gòu)成，其中數(shù)據(jù)采集模塊主要包含土壤的水分、溫濕度和酸堿度等參數(shù)采集模塊，數(shù)據(jù)的前端處理模塊、現(xiàn)場顯示模塊和串口通信模塊幾個(gè)主要單元組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，溫濕度信號(hào)的檢測采用SHT11數(shù)字式溫濕度傳感器作為檢測元件，實(shí)現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)的數(shù)字化，可減少采樣數(shù)據(jù)的前端預(yù)處理環(huán)節(jié)，提高設(shè)備的抗干擾能力，該檢測元件具有測量范圍廣、測量精度高、使用方便、信號(hào)輸出模式可選等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)、土壤墑情監(jiān)測和過程控制等領(lǐng)域。土壤水分的檢測采用MS10-B電流輸出型土壤水分變送器作為檢測元件，其輸出信號(hào)為4～20 mA電流信號(hào)。酸堿度監(jiān)測主要是監(jiān)控土壤的pH值，選用JASP2801土壤pH傳感器作為監(jiān)測元件，其輸出4～20 mA電流信號(hào)，JASP2801采集的信號(hào)和MS10-B輸出信號(hào)經(jīng)過預(yù)處理后轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)，通過串行A/D轉(zhuǎn)換器TLC2543L串行轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)傳送給處理器CC2430，系統(tǒng)采取軟件方式實(shí)現(xiàn)SPI功能，其中通道的選擇由軟件進(jìn)行設(shè)定，有CC2430的P2.0引腳輸出數(shù)據(jù)的高4位（D4～D7）確定，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)由TLC2543L的DATAOUT線串行傳送給CC2430的P2.1進(jìn)行現(xiàn)場處理，其電路如圖3所示[4]。

2.2 電源的監(jiān)控

整個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)由于傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)目較多，其供電方式采用電池供電方式，因而電源的低功耗設(shè)計(jì)顯得尤為重要。電源設(shè)計(jì)選用DC-DC MAX756芯片，以達(dá)到電源的節(jié)能目的，其電路如圖4所示。該電路滿載時(shí)供電效率達(dá)到87%，同時(shí)能夠保證在電源跌至0.7 V時(shí)電路仍然由3.3 V電壓輸出，電路中LBO為低電壓監(jiān)測輸出端，當(dāng)電壓跌至1.25 V時(shí)其輸出有效低電平至CC2430的P0.0，處理器據(jù)此進(jìn)行相應(yīng)處理。

2.3 傳感與路由節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

土壤墑情的數(shù)據(jù)采集主要由相關(guān)傳感器完成，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的無線數(shù)據(jù)傳輸由ZigBee模塊實(shí)現(xiàn)，具體選用CC2430芯片來實(shí)現(xiàn)，傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)如圖5所示。溫度傳感器、土壤濕度傳感器和酸堿度傳感器采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過調(diào)理、放大、轉(zhuǎn)換等環(huán)節(jié)的預(yù)處理后與ZigBee模塊相連接，由CC2430芯片對(duì)現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，并通過天線與路由節(jié)點(diǎn)或網(wǎng)關(guān)進(jìn)行無線通信，完成數(shù)據(jù)的傳輸[5]。

2.4 終端節(jié)點(diǎn)與串行通信接口的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的終端節(jié)點(diǎn)主要完成并實(shí)現(xiàn)加入?yún)f(xié)調(diào)器建立的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，無線數(shù)據(jù)的收發(fā)，控制、接收傳感器的現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和與PC機(jī)的通信。考慮到系統(tǒng)采用3.3 V供電，選用CH340芯片實(shí)現(xiàn)終端節(jié)點(diǎn)主協(xié)調(diào)器與PC機(jī)之間的通信和電平的轉(zhuǎn)換，其工作電壓為3.3～5.0 V，接口電路如圖6所示。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)主要包括無線傳感網(wǎng)絡(luò)的組建、傳感器的控制以及土壤墑情數(shù)據(jù)的采集與發(fā)送。數(shù)據(jù)的采集主要由傳感器節(jié)點(diǎn)完成，無線傳感網(wǎng)絡(luò)主要負(fù)責(zé)配置和管理網(wǎng)絡(luò)，如定義網(wǎng)絡(luò)的信道和標(biāo)識(shí)符、處理節(jié)點(diǎn)的加入和網(wǎng)絡(luò)的綁定、為其他節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)址；另一方面負(fù)責(zé)接收各個(gè)節(jié)點(diǎn)傳送的數(shù)據(jù)并將其匯總，利用串行接口傳送給上位PC機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理。系統(tǒng)經(jīng)過初始化后由建立新的網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)搜索并申請(qǐng)加入，傳感器節(jié)點(diǎn)采集并傳送給路由節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)傳送給協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總傳送給PC機(jī)。協(xié)調(diào)器工作流程如圖7所示，傳感器節(jié)點(diǎn)工作流程如圖8所示，路由節(jié)點(diǎn)的工作原理與協(xié)調(diào)器原理相仿。

4 結(jié)語

ZigBee技術(shù)下農(nóng)田土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)主要是利用其特有的低成本、低功耗特點(diǎn)，以ZigBee技術(shù)為基礎(chǔ)組建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)于農(nóng)田的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的采集。系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)多、數(shù)據(jù)傳輸可靠性較高以及數(shù)據(jù)傳輸距離較遠(yuǎn)等特點(diǎn)，解決了傳統(tǒng)有線監(jiān)測系統(tǒng)存在的缺陷和不足，推動(dòng)了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)由粗放型向智能型、精細(xì)型轉(zhuǎn)變，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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