基于ZigBee的精細農業監測系統的設計

鄭學梅

（東北電力大學 信息工程學院，吉林 吉林 132012）

精細農業就是一種現代化農業理念。精細農業通過定量獲取和分析農業環境參數，或者對農業目標進行實時自動監測來實現動態控制。精細農業通過對溫室大棚的溫度、濕度、光照等參量的隨時監測實現田間管理的實時控制。精細農業的規模越大，需要準確及時地操控所有設備，因此網絡信號的穩定性。無線傳感器網絡具有簡化的系統布線、一次構建成本低、擴展性強、低成本、低功耗、靈活性大、網絡組建簡單等優點，非常適合對精細農業的參數進行監測。為了適應目標的多樣性和多變性，研制具有通用性的監測模塊是非常必要的?？紤]到精細農業監測具有連續自動監測且無人值守等特點，基于ZigBee的精細農業監測系統引入了太陽能給電池自動充電，并采用通用節點設計，提高系統的通用性。

1 系統整體設計方案

基于ZigBee的精細農業監測系統整體結構采用樹狀拓撲結構，由若干FFD、RFD，一個網關節點以及監控終端組成。其中FFD由參數監測模塊、接收模塊、傳感器接口模塊、太陽能充電模塊和計算機等組成。參數監測模塊可以通過配置溫度、濕度、光照強度等多種傳感器，實現對溫度、濕度、光照強度等多種參數的實時監測?；赯igBee的精細農業監測系統可實現多路模擬信號和數字信號采集、無線發送和接收、與PC機通信以及在PC機上進行顯示、分析和存儲等功能。基于ZigBee的精細農業監測系統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測節點自動供電。

2 溫濕度采集無線傳感器節點硬件設計

無線傳感器網絡的節點由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊構成。節點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從休眠模式和轉換到主動模式的時間短,特別適合無線傳感器網絡的應用。大大簡化了射頻電路的設計。

節點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通信協議。電源模塊采用3V紐扣電池。

圖1 節點硬件設計

傳感器接口模塊 由于農業監測量種類繁多，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，經過預處理電路，接入到CC2430的A／D口。數字式傳感器接口。系統設計了IC總線、SPI總線等接口，通過多路開關和跳線方式選擇連接到CC2430的數字I／0口。

系統設計了太陽能自供電模塊。考慮到農業監測的長期性，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，穩壓控制芯片采用MAX8881[3]。大大減少了充電控制系統功耗、成本及體積。溫濕度采集無線傳感器節點電路的其他硬件還包括鍵盤、LCD模塊、RS232串口模塊等。

3 節點軟件設計

節點軟件設計采用了TinyOS操作系統，TinyOS為普通的抽象描述提供了接口和組件，例如數據包通信，路由，感知，行為和儲存。

無線傳感器節點的應用程序采用nesC編寫，分為數據采集、電池能量檢測和無線通信這三個分別設計的模塊。無線路由節點和無線終端節點比無線終端節點多一個數據匯集和上傳的功能。

（1）ZigBee網關設計。本系統中ZigBee網關負責實現ZigBee無線傳感器網絡與以太網的互聯，把網絡中監測的溫濕度數據需要發送到監測中心主機進行分析和顯示。ZigBee網關負責ZigBee網絡和以太網的協議轉換。ZigBee網關由下列部分組成:內部集成符合IEEE 802.15.4標準的2.4GHz的射頻 (RF)收發器的CC2430無線單片機;采用ARM核的Samsung S3C 44BOX微控制器;AX88796以太網控制器芯片等。

（2）監控終端軟件設計。系統的上層管理軟件采用三層C/S模式，實時對傳感器網絡送來的數據進行處理，通過監控計算機上的實時數據，實現遠程的監測。監控應用軟件還對傳感器網絡中的每個節點進行跟蹤管理。對于監控到異常情況，上層管理軟件使用聲光、短信、電話實時報警方式?？娠@示參數列表、實時曲線圖、報表等多種顯示、統計功能更加貼近用戶需求。

4 結論

基于ZigBee的精細農業監測系統根據農業監測的特點，遵循通用性思想和模塊化設計思路，該系統以低成本、低功耗無線單片機CC2430為核心,能實現多路模擬量和數字量的采集、無線發送和接收。系統通過與PC機實時通信，可以在PC機上進行顯示、分析和存儲監測數據。系統采用用數字溫濕度傳感器SHT10獲取溫濕度數據,電路結構簡單、工作穩定可靠、檢測精度高,且具有無線數據通信靈活方便等特點,系統采用太陽能充電技術，延長監測電源壽命。 基于ZigBee的精細農業監測系統可廣泛應用于設施農業和農業園區等需要多點實時監測的場合。

[1]江朝暉，焦俊.基于ZigBee的農業通用無線監測系統設計[J].安徽農業科學，2010，38(6)：3149-3151

[2]尹應鴟，李平舟，郭志華.基于CC2430的ZigBee無線數傳模塊的設計和實[J]．電子元器件應用，2008，10(4)：l8-21．

[3]汪紀鋒，肖河.藍牙技術在智能家居系統的應用研究[J]．機電工程技術，2008，37(9)：24-26