基于ZigBee的農(nóng)田土壤水分采集節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

李猛　田立國(guó)　丁航　劉書威

摘 要：隨著精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展和人們對(duì)農(nóng)產(chǎn)品安全的重視，農(nóng)作物微環(huán)境信息的實(shí)時(shí)獲取變得越來越重要。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，為動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)地獲取農(nóng)作物微環(huán)境信息提供了重要技術(shù)手段。依據(jù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee的農(nóng)田土壤水分采集節(jié)點(diǎn)，可以對(duì)土壤中的水分含量進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)。實(shí)驗(yàn)證明，節(jié)點(diǎn)運(yùn)行良好，數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定可靠，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：微環(huán)境信息；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；ZigBee；CC2530；水分監(jiān)測(cè)

農(nóng)田環(huán)境是一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，包括土壤、水分、溫度、光照、空氣等多種因子，動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)、精確的農(nóng)作物微環(huán)境信息對(duì)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)特別是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展越來越重要。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以其自身的低功耗、低成本、自組織網(wǎng)絡(luò)、節(jié)點(diǎn)體積小等優(yōu)勢(shì)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越廣泛。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，采用Atmega8L控制器、TR-5型土壤水分傳感器和CC2530通信模塊設(shè)計(jì)了一種用于采集農(nóng)田土壤水分含量的傳感器節(jié)點(diǎn)，并通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介

ZigBee技術(shù)是新發(fā)展起來的一種具有速率低、功耗低、成本低等特點(diǎn)的雙向無線通信新技術(shù)，主要用于近距離無線通信。它依據(jù)IEEE802. 15. 4標(biāo)準(zhǔn)，在數(shù)千個(gè)微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信。Zigbee的網(wǎng)絡(luò)容量大，最多可組成65000個(gè)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)。

ZigBee規(guī)范定義了三種節(jié)點(diǎn)類型：協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備，可以組成三種ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型網(wǎng)、樹狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng)，如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

農(nóng)作物微環(huán)境的監(jiān)測(cè)需要高密度的數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)具有低功耗、設(shè)備體積小、成本低等特點(diǎn)，一般農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由傳感器終端節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)（網(wǎng)關(guān)）、計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)組成，如圖2所示。其中傳感器終端節(jié)點(diǎn)響應(yīng)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和上傳，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)各傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的收集和外網(wǎng)通信，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)則負(fù)責(zé)各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的分析處理。

本文設(shè)計(jì)為用于農(nóng)作物微環(huán)境信息采集的傳土壤水分采集節(jié)點(diǎn)，由微控制器模塊、傳感器模塊和無線通信模塊組成，傳感器模塊負(fù)責(zé)采集土壤水分信息；微控制器模塊負(fù)責(zé)整個(gè)節(jié)點(diǎn)的控制，完成數(shù)據(jù)的采集和處理；無線通信模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的無線傳輸，其總體體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2 硬件實(shí)現(xiàn)

2.1 處理器控制模塊

處理器控制模塊采用Atmel公司的ATmega8L微控制器，該控制器模塊工作頻率為8MHz，可選擇低功耗模式工作，具有性能高、功耗低等特點(diǎn)。

2.2 無線通信模塊

無線通信模塊采用ZigBee通信模塊CC2530，CC2530芯片作為TI公司的第二代片上系統(tǒng)，支持IEEE802.15.4、ZigBee、ZigBee PRO等標(biāo)準(zhǔn)，用于2.4 GHz免執(zhí)照ISM頻帶，能夠以非常低的總的材料成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。

2.3 傳感器模塊

傳感器模塊采用TR-5土壤水分傳感器，用于測(cè)量土壤中的水分含量，該傳感器是一種精度、靈敏度較高的傳感器，對(duì)外輸出0～5VDC的模擬信號(hào)。

2.4 電源模塊

TR-5土壤水分傳感器的工作電壓為12-24V，所以需要外接電源，今后可以考慮用太陽能功能。傳感器板使用電池供電，故采用電源集成穩(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(shí)現(xiàn)

軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作主要包括土壤水分含量的采集及處理程序設(shè)計(jì)，因?yàn)閭鞲衅鬏敵龅男盘?hào)為0～5V的模擬電壓，需要把模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，這里采用Atmega8L的內(nèi)部10位AD轉(zhuǎn)換器，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后再進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成土壤容積含水量的單位用于輸出。

微控制器與CC2530之間的通信為串口操作，串口采用中斷方式，在中斷服務(wù)程序里完成數(shù)據(jù)的上傳。

4 結(jié)束語

信息農(nóng)業(yè)是未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)模式正逐漸向以信息網(wǎng)絡(luò)為中心的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)模式轉(zhuǎn)變，未來農(nóng)業(yè)將實(shí)現(xiàn)信息化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以其自身具有的低功耗、低成本、自組織網(wǎng)絡(luò)等特征，在農(nóng)作物微環(huán)境信息采集過程中的應(yīng)用越來越廣泛。本文基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)的用于采集農(nóng)田土壤水分含量的傳感器節(jié)點(diǎn)，可以對(duì)土壤容積中的水分含量進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的監(jiān)測(cè)，從而達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

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