采樣ZigBee技術農業物聯網栽參田間人參猝倒病溫度信號識別研究

尹來武

1　引　言

無線溫度傳感器是集成傳感、無線通訊、低功耗等技術的無線傳感網絡產品，是農業物聯網無線數據傳輸最常使用的技術，農業工程領域眾多科學研究人員普遍使用大量溫度傳感器感知節點采集數據，以手持終端設備嵌入GPRS模塊進行數據遠程傳輸，適合大規模栽參田間布置無線溫度傳感器感知節點[1]。人參猝倒病是人參苗期的主要病害之一，發生普遍，危害嚴重，可造成參苗成片倒伏死亡，嚴重影響人參保苗率和參苗質量[2]。保證栽參田間人參猝倒病的發病事先預防，減少人參猝倒病發病過程必要損失，準確地掌握栽參田間溫度實時監測顯得尤為重要[3]。目前，我國大部分地區栽參田間還未實現數據監測和處理分析，屬于傳統耕作生產模式，其生產力水平低下，成本高并且產生大量農藥殘留，致使人參產品質量和品質降低，其生產模式劣勢顯而易見[4]。

本文提出ZigBee技術是一種近距離無線通信技術，適合無線溫度傳感器感知節點組網要求，采用GPRS或4G是一種遠距離無線通信技術，GPRS或4G遠程數據傳輸方面有著獨特優勢。

2　總體方案設計

充分利用農業物聯網無線通信資源，有效地降低栽參田間環境信號識別系統終端成本，利用預埋在栽參田間無線溫度傳感器節點實時采集溫度信號，栽參田間溫度信號識別采用ZigBee中心感知節點和n個無線溫度傳感器終端感知節點組成農業物聯網。無線溫度傳感器終端感知節點通過無線芯片ZigBee協議發送到中心協調器節點，利用GPRS或4G無線通信方式傳輸到栽參田間監控數據中心服務器，監控數據中心采用單模光線全雙工傳輸，將栽參田間1至栽參田間n實時溫度數據傳至控制中心服務器PC機顯示與查詢，使參農在任何地點任何時間都能在工作權限范圍內接收栽參田間溫度數據信號，及時地反饋栽參田間各種溫度狀態，根據中心協調器感知節點將接收溫度信號通過串口反饋到參農計算機或手機終端，栽參田間監控數據中心服務器收集n個無線溫度傳感器采集終端，其總體結構設計如圖1所示。

圖1中總體結構設計包括栽參田間病蟲害數據監測中心、栽參田間無線網絡布置和參農用戶無線網絡終端三個部分，分布于栽參田間監測區域n個溫度傳感器感知采集結點，采集并無線發送栽參田間溫度數據，栽參田間區域內ZigBee協議組成星狀無線溫度傳感器網絡。

3　溫度傳感器感知節點設計與實現

DS18B20溫度傳感器感知節點選用支持ZigBee協議的單片機CC2530，其具備了2～3.6 V的工作電壓，SMA接口實現，輸出相應栽參田間溫度采集實時數據的接口是PL2303[5]。拓展接口是開發板預留的IO端口，3.3 V為一般輸入電壓典型值。AD采樣實驗采用ADC接口，無線信號接收利用2.4GHZ天線外接溫度傳感器DS18B20安裝在拓展接口上，128×64點陣液晶模塊，實現了數據顯示功能。

圖1 栽參田間病蟲害數據監測總計結構

3.1　溫度感知

CC2530單片機讀取溫度傳感器數據，然后將溫度數據封裝成“數據幀”，驅動ZigBee2007協議發送數據幀到機Q2530SB溫度傳感器數據采集終端開發板由CC2530F256芯片、PA射頻放大器、3dB天線、電源指示燈、串口收發指示、調試指示燈、仿真器接口、USB轉換口、電池盒供電、4個銅柱固定腳、100mil全部IO、128×64液晶、4個普通按鍵、1個復位按鍵和電源開關組成。以基礎傳感器擴展接口設計方案，降低參農終端采集傳感器升級成本，通過A/D轉換通道讀取電壓輸出型測量數據[6]。Q2530SB擴展傳感器接口接通DS18B20溫度傳感器，采用CC2530單片機多功能I/0接口，通過軟件模擬硬件方式驅動數字型傳感器。

3.2　DS18B20溫度傳感器

DS18B20單總線數字傳感器測量范圍為-55～125 ℃，小于1s的轉換速度典型值，0.50 ℃的增量，可達0.10 ℃的最高精度[7]。DS18B20提供9位二進制讀取指示器件溫度，不需要A/D轉換模塊，從CC2530單片機CPU到DS18B20僅僅需要一條線連接，傳感器溫度數據從DS 18B20送入或送出都經過單線接口。其電源 DS18B20自身數據線即可提供，這種方式與外部電源相比，轉換時間要延長。DS18B20特有單總線通信協議，DS18B20無需外部電池供電，直接從數據線獲得電源。參農可設置最高和最低報警溫度，斷電情況下設置值數據不會丟失，溫度異常時具有報警功能。

本文采用手機、計算機等作為參農數據終端媒介，參農實時采集識別栽參田間溫度信號數據。

4　結果與分析

4.1　仿真實驗結果

仿真實驗完成了系統功能測試，在如圖1栽參田間病蟲害數據監測總體設計的n個栽參田間溫度傳感器感知節點，根據區域塊劃分每5×5區間內放置4個DS18B20溫度傳感器感知節點，組成ZigBee技術星型網絡。其中WIFI負責整個栽參田間協調器網關節點，感知節點按5×5區間布放在田間，設置每隔10 s采樣1次溫度數據。DS18B20溫度傳感器采集底層、中層和表層溫度。通過管理軟件實現了4G通信，實現了溫度采集和傳輸。仿真實驗測試了60 s的DS18B20溫度傳感器溫度數據實時采集，60 s內12個DS18B20溫度傳感器感知節點，采集數據識別125 m2栽參田間情況如表1所示。

表1　60 s內12個DS18B20傳感器感知節點采集溫度情況　單位：℃

表1仿真實驗結果表明，DS18B20溫度傳感器采集識別栽參田間數據范圍16 ℃～20 ℃時，即可判定人參猝倒病有可能發生，經過60 s內栽參田間只有無線溫度傳感器感知節點6數據異常，其他感知節點溫度正常。異常感知節點6區間25 m2內，溫度若持續異常，即可判定有人參猝倒病發生[8]。針對病區可用疫康600倍液，或金雷500倍液，或金霜克500倍液，或普力克1000倍與天達參寶600倍液混用，適當噴施，然后再持續觀察溫度變化情況。

4.2　仿真結果分析

本文研究ZigBee技術栽參田間溫度采集識別，放置栽參田間12個DS18B20溫度傳感器感知節點在60s內采集72條數據存儲在SQLite Database嵌入式數據庫中。經過病情溫度測試數據對比分析，總體滿足栽參田間溫度采集識別工作需求。

5　結　語

本文以一種新視角研究了“農業物聯網ZigBee技術栽參田間采集識別溫度”設計方案，針對ZigBee技術分析，提出一種交叉融合的研究方法，設計出了相應的無線溫度傳感器節點，搭建了滿足栽參田間溫度監測系統結構，完成了自制無線監測節點串口驅動程序。實現以栽參田間溫度數據采集識別，為開展栽參田間病蟲害識別提供大量基礎數據具有重要的現實意義。

參考文獻：

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