基于ZigBee的精细农业监测系统的设计

郑学梅

（东北电力大学 信息工程学院，吉林 吉林 132012）

精细农业就是一种现代化农业理念。精细农业通过定量获取和分析农业环境参数，或者对农业目标进行实时自动监测来实现动态控制。精细农业通过对温室大棚的温度、湿度、光照等参量的随时监测实现田间管理的实时控制。精细农业的规模越大，需要准确及时地操控所有设备，因此网络信号的稳定性。无线传感器网络具有简化的系统布线、一次构建成本低、扩展性强、低成本、低功耗、灵活性大、网络组建简单等优点，非常适合对精细农业的参数进行监测。为了适应目标的多样性和多变性，研制具有通用性的监测模块是非常必要的。考虑到精细农业监测具有连续自动监测且无人值守等特点，基于ZigBee的精细农业监测系统引入了太阳能给电池自动充电，并采用通用节点设计，提高系统的通用性。

1 系统整体设计方案

基于ZigBee的精细农业监测系统整体结构采用树状拓扑结构，由若干FFD、RFD，一个网关节点以及监控终端组成。其中FFD由参数监测模块、接收模块、传感器接口模块、太阳能充电模块和计算机等组成。参数监测模块可以通过配置温度、湿度、光照强度等多种传感器，实现对温度、湿度、光照强度等多种参数的实时监测。基于ZigBee的精细农业监测系统可实现多路模拟信号和数字信号采集、无线发送和接收、与PC机通信以及在PC机上进行显示、分析和存储等功能。基于ZigBee的精细农业监测系统通过传感器接口模块与微处理器连接。并通过太阳能充电模块为监测节点自动供电。

2 温湿度采集无线传感器节点硬件设计

无线传感器网络的节点由传感器模块、处理器模块、无线通信模块和电源模块构成。节点的硬件原理框图如图1 。处理器模块和无线通信模块采用CC2430芯片,CC2430从休眠模式和转换到主动模式的时间短,特别适合无线传感器网络的应用。大大简化了射频电路的设计。

节点温湿度采集传感器模块采用集成温湿度传感器SHT10。 SHT10用于采集周围环境中的温度和湿度,其工作电压为2.4～5.5V,测湿精度为±4.5%RH,25℃时测温精度为±0.5℃。采用SMD贴片封装,与处理器的通信电路I2C通信协议。电源模块采用3V纽扣电池。

图1 节点硬件设计

传感器接口模块 由于农业监测量种类繁多，需要采用不同的传感器。模拟式传感器接口，传感器输出模拟信号，经过预处理电路，接入到CC2430的A／D口。数字式传感器接口。系统设计了IC总线、SPI总线等接口，通过多路开关和跳线方式选择连接到CC2430的数字I／0口。

系统设计了太阳能自供电模块。考虑到农业监测的长期性，可以在阳光充足时对可充电电池充电。采用MAX1555作充电控制芯片，稳压控制芯片采用MAX8881[3]。大大减少了充电控制系统功耗、成本及体积。温湿度采集无线传感器节点电路的其他硬件还包括键盘、LCD模块、RS232串口模块等。

3 节点软件设计

节点软件设计采用了TinyOS操作系统，TinyOS为普通的抽象描述提供了接口和组件，例如数据包通信，路由，感知，行为和储存。

无线传感器节点的应用程序采用nesC编写，分为数据采集、电池能量检测和无线通信这三个分别设计的模块。无线路由节点和无线终端节点比无线终端节点多一个数据汇集和上传的功能。

（1）ZigBee网关设计。本系统中ZigBee网关负责实现ZigBee无线传感器网络与以太网的互联，把网络中监测的温湿度数据需要发送到监测中心主机进行分析和显示。ZigBee网关负责ZigBee网络和以太网的协议转换。ZigBee网关由下列部分组成:内部集成符合IEEE 802.15.4标准的2.4GHz的射频 (RF)收发器的CC2430无线单片机;采用ARM核的Samsung S3C 44BOX微控制器;AX88796以太网控制器芯片等。

（2）监控终端软件设计。系统的上层管理软件采用三层C/S模式，实时对传感器网络送来的数据进行处理，通过监控计算机上的实时数据，实现远程的监测。监控应用软件还对传感器网络中的每个节点进行跟踪管理。对于监控到异常情况，上层管理软件使用声光、短信、电话实时报警方式。可显示参数列表、实时曲线图、报表等多种显示、统计功能更加贴近用户需求。

4 结论

基于ZigBee的精细农业监测系统根据农业监测的特点，遵循通用性思想和模块化设计思路，该系统以低成本、低功耗无线单片机CC2430为核心,能实现多路模拟量和数字量的采集、无线发送和接收。系统通过与PC机实时通信，可以在PC机上进行显示、分析和存储监测数据。系统采用用数字温湿度传感器SHT10获取温湿度数据,电路结构简单、工作稳定可靠、检测精度高,且具有无线数据通信灵活方便等特点,系统采用太阳能充电技术，延长监测电源寿命。 基于ZigBee的精细农业监测系统可广泛应用于设施农业和农业园区等需要多点实时监测的场合。

[1]江朝晖，焦俊.基于ZigBee的农业通用无线监测系统设计[J].安徽农业科学，2010，38(6)：3149-3151

[2]尹应鸱，李平舟，郭志华.基于CC2430的ZigBee无线数传模块的设计和实[J]．电子元器件应用，2008，10(4)：l8-21．

[3]汪纪锋，肖河.蓝牙技术在智能家居系统的应用研究[J]．机电工程技术，2008，37(9)：24-26