基于ZigBee的農(nóng)田風速采集節(jié)點的設(shè)計

關(guān)蓓蓓　李猛　田立國

摘 要：隨著精準農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域中的應用越來越廣泛。依據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)和特點，基于ZigBee技術(shù)，設(shè)計了一種用于采集農(nóng)作物微環(huán)境信息中風速的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，能夠有效的對環(huán)境因子風速進行實時、準確的采集和傳輸。實驗證明，節(jié)點運行良好，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，達到了設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：精準農(nóng)業(yè)；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；ZigBee；CC2530；風速傳感器

精準農(nóng)業(yè)（Precision Agriculture）的基本涵義是根據(jù)作物生長的環(huán)境狀況，調(diào)節(jié)對作物的投入，以最少的或最節(jié)省的投入達到同等收入或更高的收入，并改善環(huán)境。獲取準確、實時的農(nóng)作物微環(huán)境信息是精準農(nóng)業(yè)實施的基礎(chǔ)，遠程無線數(shù)據(jù)傳輸則是其重要技術(shù)手段。本文基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的低功耗、低傳輸速率、低成本等特性，以AVR單片機Atmega8L、M288865風速傳感器和CC2530射頻芯片設(shè)計了一種用于采集農(nóng)業(yè)環(huán)境中風速的傳感器節(jié)點，并基于ZigBee協(xié)議棧構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)用于節(jié)點數(shù)據(jù)的傳輸。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應用越來越廣泛，在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中人們主要通過人工測量來獲取農(nóng)田信息，需要消耗大量的人力；而通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以有效降低人力消耗和對農(nóng)田環(huán)境的影響，獲取精確的農(nóng)作物微環(huán)境信息。本文采用的是其中的ZigBee技術(shù)，ZigBee是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信新技術(shù)，主要用于近距離無線連接。它依據(jù)IEEE802. 15. 4標準，在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信。

農(nóng)作物微環(huán)境的監(jiān)測需要高密度的數(shù)據(jù)采集節(jié)點，節(jié)點具有低功耗、設(shè)備體積小、成本低等特點，一般農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由傳感器終端節(jié)點、協(xié)調(diào)器節(jié)點（網(wǎng)關(guān)）、計算機子系統(tǒng)組成，如圖1所示。其中傳感器終端節(jié)點響應協(xié)調(diào)器節(jié)點的請求進行數(shù)據(jù)的采集和上傳，協(xié)調(diào)器節(jié)點負責各傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)的收集和外網(wǎng)通信，計算機系統(tǒng)則負責各節(jié)點數(shù)據(jù)的分析處理。

本文設(shè)計為用于農(nóng)作物微環(huán)境信息采集的傳感器終端節(jié)點，由傳感器模塊、處理器模塊和無線通信模塊組成，傳感器模塊負責采集風速；處理器模塊負責整個節(jié)點的控制，完成數(shù)據(jù)的采集和處理；無線通信模塊負責與協(xié)調(diào)器節(jié)點通信，用于上傳數(shù)據(jù)。

2 硬件實現(xiàn)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的終端節(jié)點要同時具有數(shù)據(jù)采集、信息處理和無線通訊的功能。農(nóng)田信息的采集具有需要采集點多、設(shè)備體積小、功耗低等要求，依據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身具有的自組織網(wǎng)絡(luò)、多跳路由、大面積的空間分布等優(yōu)勢，本設(shè)計中的處理器模塊采用AVR單片機系列中的Atmega8L，無線通信模塊采用TI公司的新一代射頻芯片CC2530，傳感器選擇M288865風速傳感器，硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.1 處理器控制模塊

微控制器采用ATMEL公司的Atmega8L單片機，Atmega8L是一款高性能、低功耗的微控制器，在4MHz工作頻率下，功耗大約為10mw，可使用電池工作，電源電壓范圍為2.7V～5.5V；具有5種睡眠模式，在不需要采集數(shù)據(jù)時可設(shè)定為空閑模式，電流僅為1.0mA；具有512K的EEPORM，可用來存儲少量數(shù)據(jù)；Atmega8L還具有兩個可編程的串行USART、8路10位的A/D轉(zhuǎn)換器和23個可編程的I/O口，很適合用作無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的主控芯片。

2.2 無線通信模塊

無線通信模塊采用CC2530芯片，CC2530是TI公司的第二代片上系統(tǒng)，支持IEEE802.15.4、ZigBee、ZigBee PRO和ZigBeeRF-4CE標準，用于2.4GHz免執(zhí)照ISM頻帶，能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。

2.3 傳感器模塊

傳感器選用M288865風速傳感器，M288865是傳統(tǒng)的風杯式風速傳感器，風杯采用碳纖維材料，強度高，起動好等特點。M288865風速傳感的感應元件是三杯風組件，由三個碳纖維風杯和杯架組成，轉(zhuǎn)換器為多齒輪杯和狹縫光耦。當風杯受水平風力作用而旋轉(zhuǎn)時，通過活軸轉(zhuǎn)杯在狹縫光耦中的轉(zhuǎn)動，輸出與風速成正比的頻率信號。表1為傳感器技術(shù)參數(shù)。

2.4 電源模塊

因為節(jié)點使用電池供電，并且M288865風速傳感器的工作電壓（5V）與CC2530射頻芯片的工作電壓（2.0-3.6V）不同，所以電源電路設(shè)計了兩路輸出，一路采用升壓穩(wěn)壓芯片BL8530輸出5V電壓給風速傳感器供電，另一路采用電源集成穩(wěn)壓芯片AMS1117，將電池電壓穩(wěn)壓成3.3V提供給微控制器和CC2530，用于其正常工作。

3 軟件實現(xiàn)

軟件系統(tǒng)的設(shè)計工作主要包括風速的采集及處理程序設(shè)計，其中數(shù)據(jù)的采集及處理采用ICC AVR編譯器。

風速的測量實際就是頻率的測量，為得到準確的1秒鐘測量閘門信號，使用Atmega8L的異步實時時鐘功能，由TC2產(chǎn)生1秒鐘定時信號。在單片機打開測量閘門的同時TC2定時器啟動，T1計數(shù)器開始對輸入脈沖計數(shù)。當1秒鐘定時到達時，單片機產(chǎn)生中斷，關(guān)閉測量閘門，然后讀取T1計數(shù)值，帶入公式V=0.3+0.0877*f（m/s）中，計算出標準單位的風速值。

4 結(jié)束語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的出現(xiàn)為今后精準農(nóng)業(yè)的實施搭建了一個不可多得的技術(shù)平臺，基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應用，將使傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)逐漸轉(zhuǎn)變成以信息和軟件為中心的模式。本文設(shè)計的用于采集農(nóng)田環(huán)境中風速的傳感器節(jié)點，有效的實現(xiàn)了農(nóng)田信息采集過程中低功耗、低成本、無線傳輸?shù)囊螅瑸榫珳兽r(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了基礎(chǔ)保障。

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