基于ZigBee與GPRS的智能農(nóng)業(yè)傳感節(jié)點的設計

熊明亮 李子炎

【摘要】 本文設計了一個可以遠程采集農(nóng)業(yè)大棚中光照強度、空氣溫濕度以及土壤溫濕度的智能農(nóng)業(yè)傳感節(jié)點。本設計通過使用CC2530芯片和SIM600A芯片，將ZigBee協(xié)議與GPRS協(xié)議相結(jié)合，使得傳感節(jié)點同時兼具終端節(jié)點和中繼節(jié)點雙重功能。經(jīng)過測試，本設計具有采樣精度高、組網(wǎng)快、組裝方便等特點。

【關鍵詞】 CC2530 ZigBee 智能農(nóng)業(yè) 傳感節(jié)點 GPRS

一、引言

現(xiàn)代社會早已進入信息化的時代，物聯(lián)網(wǎng)技術正在逐漸向工業(yè)、商業(yè)、醫(yī)藥衛(wèi)生、交通、農(nóng)業(yè)等領域滲透。同時，具有無線傳感、遠程控制、自動組網(wǎng)及智能計算的傳感網(wǎng)絡極大地方便了人們的生產(chǎn)與生活。調(diào)查顯示，我國目前的農(nóng)業(yè)智能化普及率只有不到1%，但是市場需求年增長接近50%，由此可見智能農(nóng)業(yè)還有極大的發(fā)展空間。本文設計了一種基于CC2530芯片的智能農(nóng)業(yè)傳感節(jié)點，通過使用低功耗、可靈活組網(wǎng)的ZigBee技術以及可以連接互聯(lián)網(wǎng)的GSM技術實現(xiàn)了遠程采集農(nóng)業(yè)大棚里的光照強度、空氣溫度、空氣濕度、土壤溫度和土壤濕度的功能。傳感節(jié)點采用低功耗設計，成本低廉，可以輕松地推廣。

二、原理與結(jié)構(gòu)

本文設計的智能農(nóng)業(yè)傳感網(wǎng)絡節(jié)點需要實現(xiàn)環(huán)境傳感和無線傳輸兩大功能。環(huán)境傳感既采集農(nóng)業(yè)大棚里的環(huán)境光照強度、空氣溫濕度以及土壤溫濕度。無線傳輸上，本文設計的節(jié)點能夠?qū)崿F(xiàn)終端節(jié)點和中繼節(jié)點兩種角色。終端節(jié)點只能采集數(shù)據(jù)并發(fā)送給中繼節(jié)點，而中繼節(jié)點不僅保留采集數(shù)據(jù)的功能，還可以匯集終端節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)，并通過GSM模塊將數(shù)據(jù)傳送到互聯(lián)網(wǎng)服務器。此外，本設計的節(jié)點還可以通過顯示屏實時顯示采集的結(jié)果。主控制器采用低功耗的MSP430芯片。整個系統(tǒng)由5V電源適配器通過DC005接口直接接入供電。圖1中給出了本設計無線智能農(nóng)業(yè)節(jié)點的結(jié)構(gòu)原理圖。

三、系統(tǒng)硬件設計

3.1環(huán)境物理量傳感器模塊

圖2 SHT11與主控制器通信電路示意圖

空氣溫濕度采用瑞士進口的SHT11芯片進行測量，該芯片溫濕度反應靈敏、誤差小、各項指標均高于國產(chǎn)DHT22等溫濕度模塊。資料給出，該芯片的濕度測量范圍在0～100%RH，溫度測量范圍為-40～+123.8℃，其中濕度測量精度為 ±3%RH，溫度測量精度只有±0.4℃。此外，該芯片還具有響應時間快及低功耗的優(yōu)勢。圖2為該芯片與主控制器之間的通信電路示意圖。

由于其具有可完全浸沒的特點，故土壤傳感器我們也使用了SHT11作為主要芯片，并采用了銅粉燒結(jié)技術制作了外殼，用銅合金粉末高溫燒結(jié)而成，過濾精度高，透氣性好。

光照傳感器我們則采用了環(huán)境光傳感器BH1750，能夠直接通過光度計來測量環(huán)境光照強度，其量程為1～65535流明（注：光通量的單位）。圖3給出了BH1750芯片的電路原理圖。光照強度計算可以通過公式1表示：

L=COD/（1.2*ε*R） （1）

其中，L為實際值，CODE為測量值，ε為透光率，R為高精度模式2調(diào)整值。

3.2基于CC2530的無線傳感模塊

節(jié)點間通信采用TI的CC2530解決方案，它是一種集成了ZigBee協(xié)議棧與增強型8050內(nèi)核的無線通信芯片。該芯片采用ZigBee通信協(xié)議，可以通過實際情況配制成路由節(jié)點或者廣播節(jié)點。本設計在主控MCU內(nèi)部完成中繼節(jié)點和終端節(jié)點的區(qū)分，終端節(jié)點將CC2530無線通信模塊配置為廣播模式，做為一個節(jié)點，每一組約3-6個節(jié)點。其中包括一個中繼節(jié)點，配置成中繼節(jié)點的傳感節(jié)點，每個節(jié)點都有獨立的數(shù)據(jù)采集能力。不同的是，普通節(jié)點采集數(shù)據(jù)后將數(shù)據(jù)通過CC2530發(fā)送出去，而中繼節(jié)點則將收到的數(shù)據(jù)存入自己的內(nèi)存之中，在適合的時機下通過GPRS協(xié)議將數(shù)據(jù)傳送到互聯(lián)網(wǎng)服務器。

3.3基于SIM900A的GPRS模塊

節(jié)點與遠程服務器的通信采用SIM900A模塊，內(nèi)部集成了GPRS功能，芯片與主控制器之間采用AT指令進行通信。本設計通過使用SIM900A模塊的GPRS協(xié)議將數(shù)據(jù)傳送到指定服務器中。

四、系統(tǒng)軟件設計

本文設計的傳感節(jié)點將實現(xiàn)無線組網(wǎng)及中繼通信功能，此外還將采用低功耗設計。系統(tǒng)開機后將首先判斷自己的配置是終端節(jié)點還是中繼節(jié)點。如果是中繼節(jié)點則進入休眠模式，由時鐘定時1分鐘喚醒一次。當程序喚醒時將分別采集光照強度、空氣及土壤溫濕度存儲到部內(nèi)部存儲器中，同時將數(shù)據(jù)發(fā)送給中繼節(jié)點。所有功能完成后再次進入休眠模式，等待下一次喚醒。此外，主控制器還可以通過外部按鍵喚醒，喚醒后可以在15s內(nèi)持續(xù)顯示各項環(huán)境參數(shù)。作為中繼節(jié)點的設備將始終保持正常運行狀態(tài)，收到的終端節(jié)點的數(shù)據(jù)將保存在存儲器內(nèi)，一旦收到服務器的查詢指令即可立刻將數(shù)據(jù)傳送到互聯(lián)網(wǎng)服務器。程序流程見圖4所示。

五、系統(tǒng)測試

本設計經(jīng)過測試，可以發(fā)現(xiàn)各項功能運行狀態(tài)良好，采集的光照強度，空氣溫濕度以及土壤溫濕度均保持在誤差較少的范圍之內(nèi)。無線組網(wǎng)功能可靠性高，組網(wǎng)速度快。最終成果見圖5所示。

六、結(jié)論

本文根據(jù)現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)發(fā)展狀況以及智能農(nóng)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀進行分析，提出了一種設備裝配簡單，可自主組網(wǎng)、遠程檢測農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)光照、空氣溫濕度及土壤溫濕度的智能農(nóng)業(yè)傳感節(jié)點產(chǎn)品。通過測試，本設計具有低功耗、傳感精度高、可快速組網(wǎng)并與互聯(lián)網(wǎng)服務器通信等優(yōu)勢，系統(tǒng)運行可靠性高。

參 考 文 獻

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