基于ZigBee的农田土壤水分采集节点的设计

李猛　田立国　丁航　刘书威

摘 要：随着精准农业的发展和人们对农产品安全的重视，农作物微环境信息的实时获取变得越来越重要。无线传感器网络技术在农业生产中的广泛应用，为动态、实时地获取农作物微环境信息提供了重要技术手段。依据无线传感器网络的体系结构和特点，设计了一种基于ZigBee的农田土壤水分采集节点，可以对土壤中的水分含量进行实时的监测。实验证明，节点运行良好，数据传输稳定可靠，达到了设计要求。

关键词：微环境信息；无线传感器网络；ZigBee；CC2530；水分监测

农田环境是一个复杂的生态系统，包括土壤、水分、温度、光照、空气等多种因子，动态、实时、精确的农作物微环境信息对现代农业特别是精准农业的发展越来越重要。无线传感器网络技术以其自身的低功耗、低成本、自组织网络、节点体积小等优势在现代农业生产中的应用越来越广泛。本文基于ZigBee无线传感器网络的低功耗、低传输速率、低成本等特性，采用Atmega8L控制器、TR-5型土壤水分传感器和CC2530通信模块设计了一种用于采集农田土壤水分含量的传感器节点，并通过无线网络进行数据传输。

1 系统总体设计

1.1 ZigBee技术简介

ZigBee技术是新发展起来的一种具有速率低、功耗低、成本低等特点的双向无线通信新技术，主要用于近距离无线通信。它依据IEEE802. 15. 4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。Zigbee的网络容量大，最多可组成65000个节点的网络。

ZigBee规范定义了三种节点类型：协调器、路由器和终端设备，可以组成三种ZigBee网络拓扑结构：星型网、树状网和网状网，如图1所示。

1.2 系统体系结构

农作物微环境的监测需要高密度的数据采集节点，节点具有低功耗、设备体积小、成本低等特点，一般农业环境监测系统由传感器终端节点、协调器节点（网关）、计算机子系统组成，如图2所示。其中传感器终端节点响应协调器节点的请求进行数据的采集和上传，协调器节点负责各传感器节点数据的收集和外网通信，计算机系统则负责各节点数据的分析处理。

本文设计为用于农作物微环境信息采集的传土壤水分采集节点，由微控制器模块、传感器模块和无线通信模块组成，传感器模块负责采集土壤水分信息；微控制器模块负责整个节点的控制，完成数据的采集和处理；无线通信模块负责数据的无线传输，其总体体系结构如图2所示。

2 硬件实现

2.1 处理器控制模块

处理器控制模块采用Atmel公司的ATmega8L微控制器，该控制器模块工作频率为8MHz，可选择低功耗模式工作，具有性能高、功耗低等特点。

2.2 无线通信模块

无线通信模块采用ZigBee通信模块CC2530，CC2530芯片作为TI公司的第二代片上系统，支持IEEE802.15.4、ZigBee、ZigBee PRO等标准，用于2.4 GHz免执照ISM频带，能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。

2.3 传感器模块

传感器模块采用TR-5土壤水分传感器，用于测量土壤中的水分含量，该传感器是一种精度、灵敏度较高的传感器，对外输出0～5VDC的模拟信号。

2.4 电源模块

TR-5土壤水分传感器的工作电压为12-24V，所以需要外接电源，今后可以考虑用太阳能功能。传感器板使用电池供电，故采用电源集成稳压芯片AMS1117，将电池电压稳压成3.3V提供給微控制器和CC2530，用于其正常工作。

3 软件实现

软件系统的设计工作主要包括土壤水分含量的采集及处理程序设计，因为传感器输出的信号为0～5V的模拟电压，需要把模拟信号转换成数字信号，这里采用Atmega8L的内部10位AD转换器，将模拟信号转换为数字信号后再进行相应的数据处理，将电压信号转换成土壤容积含水量的单位用于输出。

微控制器与CC2530之间的通信为串口操作，串口采用中断方式，在中断服务程序里完成数据的上传。

4 结束语

信息农业是未来农业的发展方向，传统的农业模式正逐渐向以信息网络为中心的精准农业模式转变，未来农业将实现信息化、网络化、智能化。无线传感器网络技术以其自身具有的低功耗、低成本、自组织网络等特征，在农作物微环境信息采集过程中的应用越来越广泛。本文基于ZigBee无线传感器网络技术设计的用于采集农田土壤水分含量的传感器节点，可以对土壤容积中的水分含量进行实时、动态的监测，从而达到了设计要求。

参考文献

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