基于單片機和3G的遠程無線土壤參數監測系統?

張 輝，胡 鋼

（1.南通河海大學海洋與近海工程研究院，南通226000；2.物聯網工程學院（常州），常州213022）

基于單片機和3G的遠程無線土壤參數監測系統?

張 輝1，2，胡 鋼1，2

（1.南通河海大學海洋與近海工程研究院，南通226000；2.物聯網工程學院（常州），常州213022）

目前市場上關于農田土壤參數采集的裝置多采用有線方式，布線不便、缺乏靈活性，因此，提出了基于Zigbee和3G的無線土壤參數采集系統。該系統由單片機MSP430、射頻芯片CC2530以及3G路由器組成。單片機對傳感器數據進行采集、處理和發送，經ZigBee組網把多節點數據匯聚到中心節點，實現短距離通信，再經3G路由器實現遠程通信，最終實現數據的遠程傳輸，從而達到實時監測土壤參數的目的。經實際測試驗證該系統具有實用性。

土壤參數采集；無線；紫蜂；3G路由器

1 引 言

目前國內市場農田的節水監測系統一般基于有線通訊方式，雖然機制成熟，但有線監測系統存在諸多缺點：有線監測點的布置需要大量走線，布置方式不靈活而且不利于農田正常作業；監測點數量由于受到通信布線成本限制而不能大量布置，造成監測力度不夠，甚至存在監測盲區［1］；有線監測點線路檢查和維護需要大量的人力物力，若多塊農田實現集中管理會極大的增加安裝成本，不利于構建大型的遠程控制系統。

針對以上缺點，項目提出的無線監測系統基于ZigBee和3G技術，通過ZigBee的自組網方式實現多個節點數據匯集，3G技術作為一種先進的無線通信技術，實現數據遠距離可靠傳輸。基于ZigBee和3G的無線土壤參數監測系統具有成本低、部署靈活方便及通信便利等特點［2］，使其在農業應用方面表現尤為突出。

2 系統總體結構設計

系統從功能上可分為下位機和上位機部分，下位機部分包括數據采集及處理模塊、無線通信模塊，無線通信模塊由Zigbee短距離無線通信和3G遠程數據傳輸兩部分構成。上位機是基于Delphi開發的監控界面。

數據采集及處理模塊由ARN＿100土壤濕度傳感器、ARN＿TW土壤溫度傳感器、JASP2801土壤PH值傳感器、12V供電電源以及MSP430F169單片機組成，主要負責獲取土壤溫度、濕度和PH值傳感器的模擬數據、AD轉換及串口的定時發送。

Zigbee短距離無線通信基于ZigBee協議架構，組建底層星型網絡，星型網絡由一個中心節點即協調器和若干個終端節點組成。終端節點通過串口接收單片機定時發送來的實時數據，然后通過點對點通信方式，把接收到的數據無線發送給中心節點，所有的終端節點都把土壤參數數據無線發送給中心節點。中心節點起到匯聚終端節點數據的作用，由于Zigbee傳輸距離有限，所以本系統把中心節點接收到的數據通過串口發送給3G路由器，利用3G傳輸的遠距離和高效性，經3G的TCP/IP協議實現遠程數據通信。

基于Delphi開發的上位機部分構成系統的遠程數據管理模塊，主要通過與3G路由器連通以實現遠程通信，完成實時土壤參數數據的接收、處理、動態顯示、數據存儲及歷史數據管理，數據管理包括對歷史數據的查詢、打印水晶報表和繪制曲線圖。系統的總體框架圖如圖1所示。

圖1 系統總體框架圖

3 數據采集及處理模塊

數據采集及處理模塊由傳感器、MSP430F169最小系統，電源電路，驅動電路，土壤參數采集電路組成，數據采集模塊框圖如圖2所示。

3.1 數據采集

系統實現對土壤溫度、濕度和PH值參數的實時監測，數據采集部分由相應的傳感器和接口電路組成，傳感器參數如表1所示。

表1 傳感器主要參數［3］

圖2 數據采集框圖

系統采用的濕度傳感器輸出0-2V電壓信號，溫度和PH值傳感器輸出為4-20mA電流信號。由于單片機只能對電壓信號進行處理，所有本系統中加入調理模塊，調理模塊的作用就是把4-20mA的電流信號轉化成最大值為3.3V的電壓信號，其電路如圖3所示。而對于濕度傳感器，調理電路中的R19電路要換成0值電阻。

圖3 調理模塊電路

3.2 數據處理

MSP430F169是一款低功耗16位單片機，處理能力強，運算速度快，集成度高［4］。前端傳感器采集的數據為模擬信號，需經AD轉換成數字信號。MSP430F169共有12個模數轉換通道，設置了16個轉換存儲器用于暫時存儲轉換結果，合理設置后，ADC12硬件會自動將轉換結果保存到相應的存儲器里。本系統采用A0-A2 3路外部模擬通道，參考電壓采用外部參考電源，AD參考電源電路如圖4所示，AD轉換完成后，單片機將此數字信號通過串口定時發送給Zigbee終端節點。

由單片機采集模擬信號，經由AD轉換，輸出數字信號。本設計基于安全性以及準確性考慮，采用了幀頭、幀尾設計，并加入校驗位，更保證了數據的精確度。由于需采集土壤3種參數，所以開通了A0、A1、A2三路通道。表2為數據幀格式。

圖4 AD參考電源

表2 數據幀格式

數據定義格式如下所示：

此模塊的軟件設計流程：第一步初始化，包括端口初始化、波特率設置、初始化串口、初始化AD轉換通道。第二步信號采集，首先使能通道，等待模數轉換，通過公式計算相應溫濕度和PH值，最后定時發送采集的數據。關鍵程序如下：

4 無線通信模塊

4.1 Zigbee短距離無線通信

ZigBee技術是一種近距離、低功耗、低速率、低成本的無線傳感器網絡技術。系統采用星形網絡，協調器主要負責配置網絡參數、啟動網絡并維護網絡正常工作，接收采集的數據，并通過串口與3G模塊相連，實現數據的遠程傳輸。終端負責接收單片機發送的土壤參數信息，并且通過點播方式把數據無線發送給協調器。

終端節點工作過程如圖5所示，終端節點加入網絡之后，采用任務輪詢的方式，通過判斷是否有CMD＿SERIAL＿MSG事件發生來判斷串口有無接收到數據，若此事件發生，終端則通過串口接收數據，并把此數據通過AF＿DataRequest函數以點播形式無線發送給協調器。關鍵程序如下：

協調器工作過程如圖6所示，協調器上電后初始化并建立網絡，同樣協調器也采用任務輪詢方式，通過查詢是否有事件AF＿Incoming＿MSG發生，判斷有無無線數據發送過來。若此事件發生，協調器接收無線數據，同時將此數據通過串口發送給3G路由器。關鍵程序如下：

圖5 終端節點工作過程

圖6 協調器工作過程

4.2 遠程數據通信

系統中使用的工業級3G路由器，支持TCP/IP協議，支持DTU功能［5］。TCP/IP協議是一種網絡協議，在應用程序中應用TCP/IP協議進行通信時，利用TCP套接字（Socket）在本機與目的機之間建立一個套結字虛擬連接，套接字連接成功后兩者便可以通信。

Socket通信要求通信雙方一端作為客戶端，另一端作為服務器。在服務器端，建立服務器端的Socket，偵聽整個網絡中的連接請求，當檢測到來自客戶端的連接請求時，向客戶端發送收到連接請求的信息，并建立與客戶端之間的連接。對于客戶端，首先建立客戶端的Socket，確定要連接服務器的主機名和端口，然后發送請求信息請求連接到服務器，并等待服務器的回饋，連接成功后就可以與服務器進行通信［6］。

系統中，3G路由器作為Socket客戶端，遠程控制中心是Socket的服務端。在本質上，3G路由器上電后DTU先注冊到GPRS網絡，然后通過DTU和遠程控制中心建立Socket連接。所以首先要啟動DTU，DTU串口設置項配置成Zigbee串口配置參數，然后把DTU連接方式設置成客戶端，網絡類型TCP，服務端x設置成遠程監控端的IP，端口號本系統設置成6800，然后保存設置，DTU配置界面如圖7所示。

圖7 3G路由器DTU設置

Zigbee與3G路由器之間通過串口進行通信，由于Zigbee輸出信號是TTL電平標準，而系統中采用的3G路由器串口采用RS-232通信標準［7］，所以為保證Zigbee和3G可以正常通信，需要進行電平轉換，轉換電路如圖8所示。

圖8 電平標準轉換電路

5 數據管理模塊

遠程中心服務軟件是針對本系統面向TCP/IP協議的網絡服務軟件。3G路由器的DTU作為Socket的客戶端，遠程控制中心作為上位機要有一對應的Socket服務器，用于接收和處理通過3G路由器發送的遠端數據，并且對接收到的數據進行處理。本系統中的數據管理軟件采用Delphi進行開發，利用已有的控件完成設計，土壤參數實時監控界面如圖9所示。

圖9 土壤參數實時監控界面

遠程控制中心收到土壤參數信息之后，在圖9所示的實時監控界面動態顯示，同時，每隔一個小時，系統將自動存儲各個節點的數據，本系統采用Access數據庫［8］。為了方便查詢歷史數據，本系統開發如圖10所示查詢界面，用戶可以通過選擇需要查詢的設備號，查詢日期篩選必要的數據，同時用戶還可以對篩選出來的信息打印水晶報表、繪制曲線圖。

圖10 土壤參數數據管理界面

6 結束語

無線遠程數據采集系統已成為當前業界研究的熱點。系統所介紹的無線數據采集系統以性能優越的MSP430單片機完成數據采集，通過低功耗的ZigBee實現多監測點的組網，以GPRS作為承載網絡，利用GPRS網絡覆蓋范圍廣等優勢，提高了系統的實用性和靈活性，具有良好的應用前景和實際意義。該系統非常適合于邊遠地區或可移動系統中實現遠程數據監控，在現代化農業中具有良好的應用前景和實際意義。

［1］ 司海飛，楊忠，等.無線傳感網器網絡研究現狀與應用［J］.機電工程，2011，28（1）：16-20.

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［6］ 韋鳳伶，陶宏才，何林.基于3G的個人健康管理系統設計［J］.計算機與通信信號，2011（10）48-49.

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［8］ 科教工作室.Access2010數據庫應用（第二版）［M］.北京：清華大學出版社，2011：58-63.

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A Design of Soil Parameters Monitoring System Based on MCU and 3G

Zhang Hui1，2，Hu Gang1，2
（1.Marine and Offshore Engineering Institute，NanTong HoHai University，NanTong 226000，China；2.College of Internet of Things Engineering，Hohai University，Changzhou 213022，China）

The current soil parameters monitoring machines，generally using wire connection，is inconvenient to layout.In this paper，a design of soil parametersmonitoring system based on Zigbee and 3G is presented.The system is composed of MCUMsp430，radio frequency chip CC2530 and 3G router.Firstly，the Msp430 processes data from sensors.Then，the short-distance wireless communication networks of zigbee collect all data from different nodes.Lastly，the 3G router realizes long-distance wireless communication.Therefore，the monitoring center can acquire real-time soil parameters.The test result shows that it has practicability.

Soil parameters；Wireless；ZigBee；3G router

10.3969/j.issn.1002-2279.2015.03.025

TP393

A

1002-2279（2015）03-0092-05

南通市2012年應用研究計劃資助項目（BK2012003）

張輝（1989-），男，江蘇徐州人，碩士研究生，主研方向：無線傳感器網絡。

2014-09-01