基于ZigBee與GPRS的智能農業傳感節點的設計

熊明亮 李子炎

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

【關鍵詞】 CC2530 ZigBee 智能農業 傳感節點 GPRS

一、引言

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

二、原理與結構

本文設計的智能農業傳感網絡節點需要實現環境傳感和無線傳輸兩大功能。環境傳感既采集農業大棚里的環境光照強度、空氣溫濕度以及土壤溫濕度。無線傳輸上，本文設計的節點能夠實現終端節點和中繼節點兩種角色。終端節點只能采集數據并發送給中繼節點，而中繼節點不僅保留采集數據的功能，還可以匯集終端節點傳來的數據，并通過GSM模塊將數據傳送到互聯網服務器。此外，本設計的節點還可以通過顯示屏實時顯示采集的結果。主控制器采用低功耗的MSP430芯片。整個系統由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業節點的結構原理圖。

三、系統硬件設計

3.1環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，并采用了銅粉燒結技術制作了外殼，用銅合金粉末高溫燒結而成，過濾精度高，透氣性好。

光照傳感器我們則采用了環境光傳感器BH1750，能夠直接通過光度計來測量環境光照強度，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調整值。

3.2基于CC2530的無線傳感模塊

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

3.3基于SIM900A的GPRS模塊

節點與遠程服務器的通信采用SIM900A模塊，內部集成了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協議將數據傳送到指定服務器中。

四、系統軟件設計

本文設計的傳感節點將實現無線組網及中繼通信功能，此外還將采用低功耗設計。系統開機后將首先判斷自己的配置是終端節點還是中繼節點。如果是中繼節點則進入休眠模式，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部存儲器中，同時將數據發送給中繼節點。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內持續顯示各項環境參數。作為中繼節點的設備將始終保持正常運行狀態，收到的終端節點的數據將保存在存儲器內，一旦收到服務器的查詢指令即可立刻將數據傳送到互聯網服務器。程序流程見圖4所示。

五、系統測試

本設計經過測試，可以發現各項功能運行狀態良好，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。無線組網功能可靠性高，組網速度快。最終成果見圖5所示。

六、結論

本文根據現有的農業發展狀況以及智能農業發展現狀進行分析，提出了一種設備裝配簡單，可自主組網、遠程檢測農業大棚內光照、空氣溫濕度及土壤溫濕度的智能農業傳感節點產品。通過測試，本設計具有低功耗、傳感精度高、可快速組網并與互聯網服務器通信等優勢，系統運行可靠性高。

參 考 文 獻

[1]李晉瑤. 物聯網在現代農業中的應用研究[D]. 武漢：華中師范大學， 2014.

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