基于無線傳感網絡的果園環境實時監控系統設計

摘要：針對傳統果園環境狀況的監測過程復雜、實時性差等缺點，設計了一種基于傳感網絡的果園實時監控管理系統，可對果園溫度、ＣＯ２濃度、光照強度、土壤濕度進行動態監測。該系統利用無線傳感器節點把采集的果園數據通過Ｚｉｇｂｅｅ技術傳輸到控制系統，然后進行數據分析與處理，最后將結果直觀反映給管理者。還實現了基于遠程監控的多傳感器融合系統。硬件設計包括單片機（ＭＳＰ４３０Ｆ１４９）、傳感器的設計及射頻芯片（ＣＣ２４２０）組網實現遠程通訊，試驗證明該系統穩定，能夠達到預期目的。該系統還能擴展更多參數指標，滿足果園管理的需要。

關鍵詞：果園環境；傳感網絡；Ｚｉｇｂｅｅ；實時監控

中圖分類號：Ｓ１２６；ＴＰ２７７．２文獻標識碼：Ａ文章編號：0439－８114（２０11）21－4469-04

The Design of Real-time Monitoring System for Orchard Environment based on Wireless Sensor Networks

ＬＩＵ Ｙａｎ－ｄｅ，ＷＵ Ｔａｏ

（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｅａｓｔ Ｃｈｉｎａ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｎａｎｃｈａｎｇ ３３００１３， Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ａ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ ａｎｄ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｚｉｇｂｅｅ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｆｏｒ ｏｒｃｈａｒｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ ｆａｃｔｏｒｓ ｓｕｃｈ ａｓ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ， Ｃａｒｂｏｎ ｄｉｏｘｉｄｅ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｓ， ｌｉｇｈｔ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ， ｓｏｉｌ ｈｕｍｉｄｉｔｙ ａｎｄ ｓｏ ｏｎ． Ｔｈｅ ｄａｔａs ｗｅｒｅ ｔｒａｎｓｆｅｒｒｅｄ ｆｒｏｍ ｏｒｃｈａｒｄ ｔｏ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｓｙｓｔｅｍ Nｉａ ｔｈｅ ｓｅｎｓｏｒ ｂｙ ｕｓｉｎｇ Ｚｉｇｂｅｅ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ． Ｔｈｅ ｆｉｎａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｗｅｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｔｏ ｔｈｅ ｍａｎａｇｅｒ ｏｆ ｏｒｃｈａｒｄ． Ｉｔ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｔｈｅ ｍｕｌｔｉ－ｓｅｎｓｏｒ ｆｕｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｒｅｍｏｔｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ． Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｒｄｗａｒｅ ｕｎｉｔ ｉｎｃｌｕｄed ｍｉｃｒｏｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ（MSP430F149）， ｓｅｎｓｏｒ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ＲＦ ｃｈｉｐ（CC2420）， the experiments proved that the system was stable， could meet the expected purpose． Ｉｔ ａｌｓｏ ｃｏｕｌｄ ｅｘｐａｎｄ ｍｏｒｅ ｉｎｄｅｘｅｓ ａｎｄ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｎｅｅｄ ｏｆ ｏｒｃｈａｒｄ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ．

Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｏｒｃｈａｒｄ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ； sensor network； Ｚｉｇｂｅｅ； ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ

隨著現代信息技術、通訊技術、農業技術等一系列高新技術的高速發展，推進了農業物聯網時代的來臨。所謂農業物聯網，即通過各種信息傳感設備，采集各種農業生產需要的信息，與互聯網結合形成的一個巨大網絡。最終實現所有物品與網絡的連接，方便識別、管理和控制。無線傳感網絡是集信息采集、信息傳遞、信息處理于一體的綜合智能信息系統［１］。

果園環境是直接影響果樹產量的重要因素之一。只有在最佳的環境條件下，果樹的品種優勢才能充分發揮。隨著規模化、智能化、精細化農業的發展，對果園參數實時監控日益顯著。在果園中引入Ｚｉｇｂｅｅ技術后，以其靈活而強大的組網功能，可以實現對果樹環境狀況進行動態監控；達到滿足果樹的營養需求、節約用水、監測果樹病蟲害的目的，最終實現果樹栽培中各項關鍵參數更精確的控制。

１總體設計

選取幾個典型果園環境參數進行遠程監測，如CO2含量、溫度、光照強度、土壤含水量。傳感器采集的數據經過放大和Ａ／Ｄ轉化被微處理器接收，微處理器與射頻芯片進行通訊，最終通過可視化平臺將信息傳遞給果園管理者，達到對果園數據遠程監控的目的。本設計包括硬件設計與軟件設計，從果樹信息采集、信息處理、信息傳輸、信息反饋等步驟到精確、實時、直觀地對果園數字化監測管理［２］。果園遠程在線監測實現簡圖見圖１。

２硬件設計

硬件設計由5個主要模塊組成：數據采集模塊、微處理器模塊、無線通訊模塊、太陽能供電模塊、可視化軟件平臺。其中各種傳感器及芯片的選用從低碳、節能、體積小、使用簡單等角度考慮。硬件設計如圖２。

２．１傳感器

系統選用型號為ＢＭＧ－ＣＯ２－ＮＤＩＲ的傳感器，該傳感器適用于果園ＣＯ２濃度檢測系統，具有性能穩定、精度高、壽命長、維護少及能抵抗高濕度的果園環境等特點。測量量程為０～２‰，監測分辨率為

±０．０１‰，工作電壓為２４ Ｖ（ＤＣ），工作溫度０~５０ ℃。接線方式１腳接２４ Ｖ（ＤＣ），２腳接ＧＮＤ，３腳接輸出＋，４腳接輸出－。

系統選用的ＤＳ１８Ｂ２０溫度傳感器是美國ＤＡＬＬＡＳ半導體公司最新推出的一種改進型智能溫度傳感器。其具有獨特的單線接線方式，支持多點組網以及不需要任何的外圍元件。溫度范圍－５５~１２５ ℃，精度為±０．５ ℃。有ＧＮＤ引腳、ＶＤＤ引腳、ＤＱ數字信號輸入與輸出端［３］。

系統選用ＹＸ－ＧＺ光照傳感器，該傳感器采用先進的電路模塊技術開發變送器，用于實現對果園光照度的測量。其量程為２００~１００ ０００ lｘ，供電為２４ Ｖ（ＤＣ），輸出信號為４~２０ ｍＡ，精度為±５％，接線方式１引腳接電源＋，２引腳接電源－，３引腳接信號輸出。

系統選用的ＴＲ－５型土壤水分傳感器，該傳感器能直接穩定地反應各種土壤的真實水分含量，而且穩定性高，安裝維護操作簡便，密封性好，可長期埋入土壤中使用。采用標準的電流環傳送技術使其具有抗干擾能力強，傳送距離遠，精度高，響應快，支持ＲＳ２３２／ＲＳ４８５串行網絡通訊。量程０～１００％，精度為±２％，工作電壓為１２Ｖ～２４ Ｖ（ＤＣ）。

２．２微處理芯片

ＭＳＰ４３０是具有超低功耗特點的１６位單片機，本系統選用ＭＳＰ４３０Ｆ１４９，其功耗低，適合果園監控系統使用。它有１６位ＣＰＵ和高效的ＲＩＳＣ指令系統，無外擴的數據地址總線，在８ ＭＨｚ時可達到１２５ ｎｓ的指令周期，具有１６個快速響應中斷，可以及時處理緊急事件。片內外圍功能豐富，有１２位的Ａ／Ｄ轉換器ＡＤＣ１２內包括采樣／保持功能的ＡＤＣ內核、轉換存儲邏輯、內部參考電平發生器、多種時鐘源、采樣及轉換時序電路［４］。兩路ＵＳＡＲＴ通信串口，可用于ＵＡＲＴ和ＳＰＩ模式；片內有精密硬件乘法器、兩個ｌ６位定時器，６個并行口，４８條Ｉ／Ｏ口，具有６４ kＢ的閃存，用于存儲采集數據［５］。

ＭＳＰ４３０Ｆ１４９接兩個外部晶體振蕩器：低速晶體振蕩器和高速晶體振蕩器［６］。低速晶體振蕩器支持超低功耗，它在低頻模式下使用一個３２．７６８ kＨｚ的晶體，該晶體直接連接在ＸＩＮ和ＸＯＵＴ管腳上。高速晶體振動器作為它的第二晶體振蕩器，與低速晶體振蕩器不同的是功耗較大且必須外接電容。系統可以根據不同的需要選擇不同的晶體振蕩器作為主時鐘。一般情況下微處理器工作在低頻，從而降低功耗，等需要采集參數時，立即切換到高頻時鐘上，馬上進行光照強度、溫度、土壤濕度及ＣＯ２濃度的采集、處理和數據的收發等操作。由于兩個晶體振蕩器的存在，在保證系統低功耗的同時也可以保證系統的快速響應。

２．３無線傳輸芯片

Ｚｉｇｂｅｅ 是一種新興的短距離、低速率無線網絡技術，Ｚｉｇｂｅｅ的基礎是ＩＥＥＥ ８０２．１５．４，它具有功耗低、傳輸速率低、成本低、組網方便、安全性好等特點，是本系統中的首選無線傳輸技術。無線傳輸模塊的射頻芯片選用ＣＣ２４２０，該芯片是Ｃｈｉｐｃｏｎ公司開發的一款符合ＺｉｇＢｅｅ標準的射頻芯片，其兼容２．４ ＧＨｚ ＩＥＥＥ ８０２．１５．４的通訊協議［７］。該芯片體積小、功耗低，非常適合農業監控應用系統。具有完全集成的壓控振蕩器，只需要天線、１６ ＭＨｚ晶振及非常少的外圍電路就能在２．４ ＧＨｚ頻段工作。ＣＣ２４２０只提供一個ＳＰＩ接口與微處理器連接，通過這個接口完成設置和收發數據工作。許多單片機都集成了ＳＰＩ控制器，簡單的外圍電路和處理器接口，使用ＣＣ２４２０更加方便簡單，ＣＣ２４２０的外圍電路設計如圖３。利用此芯片開發的無線通信設備支持數據傳輸率高達２５０ ｋｂｐｓ，可以實現多點對多點的快速組網［８］。

２．４太陽能供電系統

果園一般處在偏遠郊區，有線供電傳輸供電成本大，利用光伏發電能夠達到節能環保的目的，本系統采取太陽能供電。系統設計的光伏充電系統的主電路采用ＢＵＣＫ電路拓撲，主要由光伏電池、功率器件、濾波電感、電容、續流二極管、鉛酸蓄電池組成，主電路拓撲圖如圖４。

控制電路核心是ＴＩ公司電壓型ＰＷＭ芯片ＴＬ４９４，ＴＬ４９４的內部電路由基準電壓產生電路、振蕩電路、間歇期調整電路、兩個誤差放大器、脈寬調制比較器以及輸出電路等組成。控制電路采用電流內環、電壓外環的雙閉環控制，實現充電系統的快速啟動，對負載波動具有很好的抗擾作用，并可實現無靜差調節［９］。

３軟件設計

軟件設計包括傳感器軟件設計和ＣＣ２４２０芯片通訊協議設計。傳感器軟件設計根據不同傳感器的使用規則進行相應地初始化設計。ＣＣ２４２０是一款符合ＩＥＥＥ ８０２．１５．４標準的射頻芯片，其無線信道上傳輸的數據必須符合ＩＥＥＥ ８０２．１５．４標準的規定［１０］，表１所示為ＣＣ２４２０物理層數據幀格式。

在ＣＣ２４２０中，前導序列長度和開始幀分隔符是可以配置的，默認值４字節和１字節符合ＩＥＥＥ８０２１５４協議［１１］。圖５所示為ＣＣ２４２０發送和接收處理的程序設計流程圖。

４小結

無線傳感網絡技術把空間上的各種信息融合到一起，進行智能化比較分析，在當今社會備受關注，成為多學科和高交叉的熱點研究領域。本文采用Ｚｉｇｂｅｅ技術對傳感器組網，以ＭＰＳ４３０單片機和ＣＣ２４２０芯片結合對果園的溫度、ＣＯ２濃度、光照強度及土壤濕度等指標進行遠程監測。無線傳感網絡的果園實時監控系統為建設高效、低能的果園環境，監測果樹生長狀況和水果增產起到了關鍵性作用。

參考文獻：

［１］ 徐琰， 忠梅． ＬＭ３５１１３８與ＣＣ２４２０的無線傳感器網絡通信［Ｊ］． 單片機與嵌入式系統應用，２００９（１０）：１８－２０．

［２］ 朱能武，鄧昌彥，熊進薯． 我國工廠化養豬環境工程技術研究應用現狀及發展前景［Ｊ］． 湖北農業科學，２０００（６）：５６－５８．

［３］ 劉燕德． 無損智能檢測技術及應用［Ｍ］． 武漢：華中科技大學出版社，２００７．

［４］ 吳新峰，楊瑞峰． 基于ＭＳＰ４３０與ＣＣ２４２０的無線傳感器網絡的硬件節點設計［Ｊ］． 電子設計應用，２００７（７）：１１７－１１８．

［５］ 沈建華，楊艷琴． ＭＳＰ４３０系列１６位超低功耗單片機原理與實踐［Ｍ］．北京：北京航空航天大學出版社，２００８．

［６］ 閆敏杰，夏寧， 侯春生． 基于無線傳感器網絡的魚塘監控系統［Ｊ］． 中國農學通報，２０１０，２６（１６）：３８８－３９２．

［７］ 李文仲，段朝玉． ＺｉｇＢｅｅ無線網絡技術入門與實戰［Ｍ］． 北京：北京航空航天大學出版社，２００７．

［８］ 王秀梅，劉乃安． 利用２．４ＧＨｚ射頻芯片ＣＣ２４２０實現ＺｉｇＢｅｅ無線通信設計［Ｊ］． 國外電子元件，２００５（３）：５９－６２．

［９］ 張志福． ＴＩＡ９４在密封鉛酸電池充電器中的應用［Ｊ］． 青海大學學報（自然科學版），２００５，２３（４）：２２－２４．

［１０］ 鄧平． 基于ＣＣ２４２０的ＺＩＧＢＥＥ傳感器網絡技術研究［Ｄ］． 廣州：廣東工業大學，２００８．

［１１］ 張榮標，谷國良，馮友兵． 基于ＩＥＥＥ８０２．１５．４的溫室無線監控系統的通信實現［Ｊ］． 農業機械學報，２００８，３９（８）：１１９－１２２， １２７．