基于ZigBee的農田風速采集節點的設計

關蓓蓓　李猛　田立國

摘 要：隨著精準農業的快速發展，無線傳感器網絡技術在農業環境監測領域中的應用越來越廣泛。依據無線傳感器網絡的體系結構和特點，基于ZigBee技術，設計了一種用于采集農作物微環境信息中風速的無線傳感器網絡節點，能夠有效的對環境因子風速進行實時、準確的采集和傳輸。實驗證明，節點運行良好，數據傳輸穩定可靠，達到了設計要求。

關鍵詞：精準農業；無線傳感器網絡；ZigBee；CC2530；風速傳感器

精準農業（Precision Agriculture）的基本涵義是根據作物生長的環境狀況，調節對作物的投入，以最少的或最節省的投入達到同等收入或更高的收入，并改善環境。獲取準確、實時的農作物微環境信息是精準農業實施的基礎，遠程無線數據傳輸則是其重要技術手段。本文基于ZigBee無線傳感器網絡的低功耗、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射頻芯片設計了一種用于采集農業環境中風速的傳感器節點，并基于ZigBee協議棧構建無線傳感器網絡用于節點數據的傳輸。

1 系統總體設計

無線傳感器網絡技術在現代農業中的應用越來越廣泛，在傳統農業中人們主要通過人工測量來獲取農田信息，需要消耗大量的人力；而通過無線傳感器網絡可以有效降低人力消耗和對農田環境的影響，獲取精確的農作物微環境信息。本文采用的是其中的ZigBee技術，ZigBee是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的雙向無線通信新技術，主要用于近距離無線連接。它依據IEEE802. 15. 4標準，在數千個微小的傳感器之間相互協調實現通信。

農作物微環境的監測需要高密度的數據采集節點，節點具有低功耗、設備體積小、成本低等特點，一般農業環境監測系統由傳感器終端節點、協調器節點（網關）、計算機子系統組成，如圖1所示。其中傳感器終端節點響應協調器節點的請求進行數據的采集和上傳，協調器節點負責各傳感器節點數據的收集和外網通信，計算機系統則負責各節點數據的分析處理。

本文設計為用于農作物微環境信息采集的傳感器終端節點，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點的控制，完成數據的采集和處理；無線通信模塊負責與協調器節點通信，用于上傳數據。

2 硬件實現

無線傳感器網絡中的終端節點要同時具有數據采集、信息處理和無線通訊的功能。農田信息的采集具有需要采集點多、設備體積小、功耗低等要求，依據無線傳感器網絡自身具有的自組織網絡、多跳路由、大面積的空間分布等優勢，本設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，硬件結構圖如圖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，在不需要采集數據時可設定為空閑模式，電流僅為1.0mA；具有512K的EEPORM，可用來存儲少量數據；Atmega8L還具有兩個可編程的串行USART、8路10位的A/D轉換器和23個可編程的I/O口，很適合用作無線傳感器網絡節點的主控芯片。

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，支持IEEE802.15.4、ZigBee、ZigBee PRO和ZigBeeRF-4CE標準，用于2.4GHz免執照ISM頻帶，能夠以非常低的總的材料成本建立強大的網絡節點。

2.3 傳感器模塊

傳感器選用M288865風速傳感器，M288865是傳統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時，通過活軸轉杯在狹縫光耦中的轉動，輸出與風速成正比的頻率信號。表1為傳感器技術參數。

2.4 電源模塊

因為節點使用電池供電，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，所以電源電路設計了兩路輸出，一路采用升壓穩壓芯片BL8530輸出5V電壓給風速傳感器供電，另一路采用電源集成穩壓芯片AMS1117，將電池電壓穩壓成3.3V提供給微控制器和CC2530，用于其正常工作。

3 軟件實現

軟件系統的設計工作主要包括風速的采集及處理程序設計，其中數據的采集及處理采用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計數器開始對輸入脈沖計數。當1秒鐘定時到達時，單片機產生中斷，關閉測量閘門，然后讀取T1計數值，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 結束語

無線傳感器網絡技術的出現為今后精準農業的實施搭建了一個不可多得的技術平臺，基于ZigBee無線傳感器網絡技術的應用，將使傳統農業逐漸轉變成以信息和軟件為中心的模式。本文設計的用于采集農田環境中風速的傳感器節點，有效的實現了農田信息采集過程中低功耗、低成本、無線傳輸的要求，為精準農業的發展提供了基礎保障。

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