基于ZigBee的中草藥土壤檢測系統

高正紅，劉雪蘭

(江蘇農牧科技職業學院 信息工程系，江蘇 泰州 225300)

基于ZigBee的中草藥土壤檢測系統

高正紅，劉雪蘭

(江蘇農牧科技職業學院 信息工程系，江蘇 泰州 225300)

設計了基于ZigBee無線傳感網的中草藥土壤檢測系統，包括土壤酸堿度(pH值)和濕度采集，實現了對pH值和濕度的精確檢測。通過對影響中草藥品質的pH值和濕度數據進行采集和定量分析，結合中草藥在各個生長階段pH值和濕度的要求，對土壤的pH值和濕度作及時的調整，滿足中草藥對土壤的要求。經實踐表明，該系統精度高，操作方便，智能性高，投資成本低，具有良好的應用前景和市場推廣價值。

中草藥；土壤；ZigBee；傳感器；酸堿度；濕度；檢測系統

0 引言

人工栽培的中藥材品種都有其不同的生長環境，影響中草藥生長的環境條件主要包括：溫度、濕度、光照、CO2濃度、土壤等。其中土壤是中藥材栽培的立足基礎，土壤環境參數的變化直接影響中藥材生長發育和產量品質，其對土壤的酸堿度、水分濕度等自然條件都有嚴格的要求，這對中草藥種植的地理范圍提出很高的要求[1]。為滿足市場對中草藥產量的要求，目前跨地區人工栽培中草藥都是在大棚中進行，人工實現中草藥適宜的生長環境，這就需要控制好土壤的酸堿度、水分濕度。目前大棚的酸堿度、水分濕度基本上是使用分立儀器進行測量，采用這種方式得到的測量值與實際值之間有偏差且工作量較大。為節約勞動力成本，筆者為某中草藥種植科技園設計了一套中草藥土壤檢測系統，該系統能對土壤環境參數進行采集并分析，將測量結果與理想環境參數進行對比，并人為改變土壤的酸堿度、水分濕度值參數。系統投入運行后，效果良好，中草藥產量和質量有大幅的提高，帶來較好的經濟效益。

1 土壤檢測系統框架結構

基于ZigBee(一種新興的短距離無線通信技術，用于傳感控制領域，是物聯網應用的核心技術)的中草藥種植土壤檢測系統主要由酸堿度傳感器和濕度傳感器及應用網關組成，系統主要結構如圖1所示。酸堿度傳感器和濕度傳感器與應用網關之間通過基于ZigBee的無線傳感器網絡進行通訊，應用網關對外提供網絡接口，通過以太網實現與其它終端設備的通訊。網關作為傳感器與土壤檢測系統的橋梁，具有兩方面的功能，一是實現酸堿度和濕度的采集、轉化和管理；二是實現和其它終端設備進行數據交換。檢測系統的許多終端設備可以通過應用網關實現對傳感器的訪問。

圖1 土壤檢測系統結構圖

2 土壤檢測系統硬件設計

2.1 監測節點與匯聚點的硬件結構設計

無線傳感器網絡監測節點的硬件結構模塊如圖2所示，主要包括：CC2530、LCD液晶顯示模塊、酸堿度采集模塊、濕度采集模塊。無線收發模塊CC2530中集成了AD采樣硬件模塊。

測量節點采用ZigBee芯片CC2530作為微處器，負責節點的通信和數據采集。選用HIH-4000-001作為濕度傳感器對土壤濕度進行采集，選用JASP2801傳感器對pH值進行采集。

CC2530 是專門針對IEEE802.15.4和ZigBee應用的單芯片解決方案[2]。它的主要特點有：256 kB的閃存和20 kB 的擦除周期，以支持無線更新和大型應用程序；在掉電模式下，只有睡眠定時器運行時，僅有不到1 μA的電流損耗；具備卓越的接收機靈敏度和可編程輸出功率，能夠以非常好的性價比建立眾多的網絡節點。CC2530芯片內含RF收發器和增強型8051CPU，同時集成可編程閃存，RAM的內存達8 kB。CC2530芯片具有多種運行模式，運行模式之間的轉換時間很短，能滿足超低耗系統的要求[3]。

圖2 無線傳感器網絡監測節點

2.2 濕度檢測電路

濕度傳感器采用HIH-4000-001，該傳感器[4]是專為大量生產的原始設備制造廠(OEM)用戶而設計的，硬件電路接口如圖3所示。傳感器的輸出電壓值很低且是線性的，可以直接作為控制器的輸入電壓，它的輸出電流僅為200 μA，能直接用于低引出，并可以采用電池供電。傳感器是屬于容性的元件，能工作在0～100%的相對濕度和-40 ℃～85 ℃的溫度范圍內；最重要的是它的精確度可達±3.5%RH，而響應時間只需要5 s；輸出的電壓為線性電壓。在理想溫度25 ℃下，輸出電壓參數為：

1)電壓輸出(二階曲線配合)：V輸出=0.00003·RH2+0.0281·RH+0.82；

2)電壓輸出(一階配合)：V輸出=V供電·(0.0062·RH+0.16)；

3)溫度補償后輸出電壓：V輸出=(0.0305+0.000044·T-0.0000011·T2)·RH+(0.9237-0.0041T+0.000040T2) 。

圖3 濕度信號采集電路

實際的測量溫度則在一定范圍內變化，所以應考慮濕度傳感器的溫度系數，對環境溫度進行補償：

2.3 pH值檢測電路

在測量溶液中的氫離子濃度時用到電位分析法，用一個指示電極和一個參比電極，或者采用兩個指示電極，與試液組成電池，然后根據電池電動勢的變化或指示電極電位的變化進行分析。參比電極是測量各種電極電勢時作為參照比較的電極，將被測定的電極與精確已知電極電勢數值的參比電極構成電池，測定電池電動勢數值，就可計算出被測定電極的電極電勢。在參比電極上進行的電極反應必須是單一的可逆反應，電極電勢穩定和重現性好。通常多用微溶鹽電極作為參比電極，常用的參比電極是銀-氯化銀電極。由于原電池的電動勢非常小，必須把信號放大，經過模數轉換，送微處理器處理。pH值采集的過程如圖4所示。

圖4 pH值采集示意圖

3 系統軟件的設計

系統軟件設計主要包括：傳感器采集程序、匯聚節點程序、測量節點程序，其中傳感器采集包括濕度和酸堿度采集程序。軟件設計包括的模塊有：無線網絡的組網、數據的采集與收發、傳感器工作的控制。傳感器節點的功能是數據的采集與定時發送；路由節點的功能是數據的轉發；匯聚節點的功能是負責網絡配置與管理，包括定義通信信道、網絡標識符、配置網絡的Profile，響應節點要求加入網絡的請求和綁定請求，為其他節點分配網絡地址等，接收各傳感器節點發來的數據，經過適應的處理后傳給終端。

3.1 測量節點程序

系統進行初始化，啟動協調器新建一個新的網絡，經過路由節點和傳感器節點加入網絡，如果系統允許加入網絡，則一個新的節點被創建，接著綁定協調器。綁定后從傳感器節點采集的數據發送給收集節點，收集點通過接口傳至PC機進行相應處理，再以表格或統計圖的方式顯示。路由節點的流程基本與協調器相似，只是它將接收的信息再轉發給協調器。圖5為協調器和傳感器節點的數據采集算法流程圖。

圖5 節點數據采集算法流程圖

3.2 匯聚節點程序

匯聚節點的功能是建立無線傳輸網絡，它是無線傳感器網絡前端傳感器陣列的橋梁，處理中要經歷發出采集數據命令、接收數據并上傳、分配地址、回收地址、中斷等一系列的步驟。匯聚節點主要特點有：控制能力、數據處理能力、數據存儲能力、通信能力。匯聚節點程序工作流程如圖6所示。

圖6 匯聚節點工作流程圖

3.3 傳感器采集程序

傳感器數據采集是系統數據的來源，數據的準確性和實時性直接關系到終端數據的準確性[5]。所以數據采集系統必須具備精度高、可靠性高、實時性好、抗干擾能力強的特點。采取過程是基于傳統的中斷模式，實時性高，可靠性好，涉及定時器中斷、數據采集中斷、數據發送中斷。工作程序流程如圖7所示。

圖7 數據采集流程圖

4 結束語

本文結合當前中草藥種植土壤檢測中存在的問題，設計了一套基于ZigBee無線傳感網的中草藥土壤檢測系統，在土壤數據采集方面采用了多種傳感器進行測量，實現了對土壤環境的智能監控，其勞動力成本大大降低，經濟效益得到較大提升。本裝置是一種新型農業信息化技術裝備，其功能齊全，性能完善，成本較低，具有廣闊的市場應用前景和推廣價值，目前已在某單位科技示范園投入使用。

[1] 吉紅.自動控制在國外設施農業中的應用[J].農業環境與發展,2007(5):52-54.

[2] 鞠傳香.基于Zigbee技術的溫室大棚智能監控系統[J].江蘇農業科學,2013,41(12):405-407.

[3] 高之圣.低功耗無線傳感器網絡節點溫室大棚監控系統的設計[J].微處量器與可編程控制器,2013(23):56-57.

[4] 張粵.基于ZigbeeCC2430的土壤含水率監測系統設計[J].農機化研究,2012,34(2):189-192.

[5] 鄧中華.基于Zigbee無線溫度采集系統設計[J].計算機工程與科學,2011,33(6):164-167.

2014-07-06

江蘇省農產品質量安全追溯管理體系研究與試點(2130109)；江蘇農牧科技職業學院科研項目(NSFYB1311)

高正紅(1975-)，男，江蘇泰州人，江蘇農牧科技職業學院講師，碩士。研究方向：農業智能終端； 劉雪蘭(1979-)，女，江蘇泰州人，江蘇農牧科技職業學院講師，碩士。研究方向：嵌入式系統。

TP274.5

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1008-4657(2014)04-0037-05

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