采样ZigBee技术农业物联网栽参田间人参猝倒病温度信号识别研究

尹来武

1　引　言

无线温度传感器是集成传感、无线通讯、低功耗等技术的无线传感网络产品，是农业物联网无线数据传输最常使用的技术，农业工程领域众多科学研究人员普遍使用大量温度传感器感知节点采集数据，以手持终端设备嵌入GPRS模块进行数据远程传输，适合大规模栽参田间布置无线温度传感器感知节点[1]。人参猝倒病是人参苗期的主要病害之一，发生普遍，危害严重，可造成参苗成片倒伏死亡，严重影响人参保苗率和参苗质量[2]。保证栽参田间人参猝倒病的发病事先预防，减少人参猝倒病发病过程必要损失，准确地掌握栽参田间温度实时监测显得尤为重要[3]。目前，我国大部分地区栽参田间还未实现数据监测和处理分析，属于传统耕作生产模式，其生产力水平低下，成本高并且产生大量农药残留，致使人参产品质量和品质降低，其生产模式劣势显而易见[4]。

本文提出ZigBee技术是一种近距离无线通信技术，适合无线温度传感器感知节点组网要求，采用GPRS或4G是一种远距离无线通信技术，GPRS或4G远程数据传输方面有着独特优势。

2　总体方案设计

充分利用农业物联网无线通信资源，有效地降低栽参田间环境信号识别系统终端成本，利用预埋在栽参田间无线温度传感器节点实时采集温度信号，栽参田间温度信号识别采用ZigBee中心感知节点和n个无线温度传感器终端感知节点组成农业物联网。无线温度传感器终端感知节点通过无线芯片ZigBee协议发送到中心协调器节点，利用GPRS或4G无线通信方式传输到栽参田间监控数据中心服务器，监控数据中心采用单模光线全双工传输，将栽参田间1至栽参田间n实时温度数据传至控制中心服务器PC机显示与查询，使参农在任何地点任何时间都能在工作权限范围内接收栽参田间温度数据信号，及时地反馈栽参田间各种温度状态，根据中心协调器感知节点将接收温度信号通过串口反馈到参农计算机或手机终端，栽参田间监控数据中心服务器收集n个无线温度传感器采集终端，其总体结构设计如图1所示。

图1中总体结构设计包括栽参田间病虫害数据监测中心、栽参田间无线网络布置和参农用户无线网络终端三个部分，分布于栽参田间监测区域n个温度传感器感知采集结点，采集并无线发送栽参田间温度数据，栽参田间区域内ZigBee协议组成星状无线温度传感器网络。

3　温度传感器感知节点设计与实现

DS18B20温度传感器感知节点选用支持ZigBee协议的单片机CC2530，其具备了2～3.6 V的工作电压，SMA接口实现，输出相应栽参田间温度采集实时数据的接口是PL2303[5]。拓展接口是开发板预留的IO端口，3.3 V为一般输入电压典型值。AD采样实验采用ADC接口，无线信号接收利用2.4GHZ天线外接温度传感器DS18B20安装在拓展接口上，128×64点阵液晶模块，实现了数据显示功能。

图1 栽参田间病虫害数据监测总计结构

3.1　温度感知

CC2530单片机读取温度传感器数据，然后将温度数据封装成“数据帧”，驱动ZigBee2007协议发送数据帧到机Q2530SB温度传感器数据采集终端开发板由CC2530F256芯片、PA射频放大器、3dB天线、电源指示灯、串口收发指示、调试指示灯、仿真器接口、USB转换口、电池盒供电、4个铜柱固定脚、100mil全部IO、128×64液晶、4个普通按键、1个复位按键和电源开关组成。以基础传感器扩展接口设计方案，降低参农终端采集传感器升级成本，通过A/D转换通道读取电压输出型测量数据[6]。Q2530SB扩展传感器接口接通DS18B20温度传感器，采用CC2530单片机多功能I/0接口，通过软件模拟硬件方式驱动数字型传感器。

3.2　DS18B20温度传感器

DS18B20单总线数字传感器测量范围为-55～125 ℃，小于1s的转换速度典型值，0.50 ℃的增量，可达0.10 ℃的最高精度[7]。DS18B20提供9位二进制读取指示器件温度，不需要A/D转换模块，从CC2530单片机CPU到DS18B20仅仅需要一条线连接，传感器温度数据从DS 18B20送入或送出都经过单线接口。其电源 DS18B20自身数据线即可提供，这种方式与外部电源相比，转换时间要延长。DS18B20特有单总线通信协议，DS18B20无需外部电池供电，直接从数据线获得电源。参农可设置最高和最低报警温度，断电情况下设置值数据不会丢失，温度异常时具有报警功能。

本文采用手机、计算机等作为参农数据终端媒介，参农实时采集识别栽参田间温度信号数据。

4　结果与分析

4.1　仿真实验结果

仿真实验完成了系统功能测试，在如图1栽参田间病虫害数据监测总体设计的n个栽参田间温度传感器感知节点，根据区域块划分每5×5区间内放置4个DS18B20温度传感器感知节点，组成ZigBee技术星型网络。其中WIFI负责整个栽参田间协调器网关节点，感知节点按5×5区间布放在田间，设置每隔10 s采样1次温度数据。DS18B20温度传感器采集底层、中层和表层温度。通过管理软件实现了4G通信，实现了温度采集和传输。仿真实验测试了60 s的DS18B20温度传感器温度数据实时采集，60 s内12个DS18B20温度传感器感知节点，采集数据识别125 m2栽参田间情况如表1所示。

表1　60 s内12个DS18B20传感器感知节点采集温度情况　单位：℃

表1仿真实验结果表明，DS18B20温度传感器采集识别栽参田间数据范围16 ℃～20 ℃时，即可判定人参猝倒病有可能发生，经过60 s内栽参田间只有无线温度传感器感知节点6数据异常，其他感知节点温度正常。异常感知节点6区间25 m2内，温度若持续异常，即可判定有人参猝倒病发生[8]。针对病区可用疫康600倍液，或金雷500倍液，或金霜克500倍液，或普力克1000倍与天达参宝600倍液混用，适当喷施，然后再持续观察温度变化情况。

4.2　仿真结果分析

本文研究ZigBee技术栽参田间温度采集识别，放置栽参田间12个DS18B20温度传感器感知节点在60s内采集72条数据存储在SQLite Database嵌入式数据库中。经过病情温度测试数据对比分析，总体满足栽参田间温度采集识别工作需求。

5　结　语

本文以一种新视角研究了“农业物联网ZigBee技术栽参田间采集识别温度”设计方案，针对ZigBee技术分析，提出一种交叉融合的研究方法，设计出了相应的无线温度传感器节点，搭建了满足栽参田间温度监测系统结构，完成了自制无线监测节点串口驱动程序。实现以栽参田间温度数据采集识别，为开展栽参田间病虫害识别提供大量基础数据具有重要的现实意义。

参考文献：

[1] 刘媛媛，朱路，黄德昌.基于GPRS与无线传感器网络的农田环境监测系统设计[J].农机化研究，2013(7)：229-232.

[2] 刘亚南，赵东岳，刘敏，等.人参病虫害发生及农药施用现状调查[J].中国农学通报，2014，30(10)：294-298.

[3] 刘放勋.基于ZigBee无线传感器网络的粮仓环境监控系统设计[J].计算机与数字工程，2008， 36(8)：74-77.

[4] 陈桂鹏，张巴克，郑立平，等.一种基于智能手机的手持远程农业环境信息采集设备[P].中国，ZL201320393718.2，2013-11-27.

[5] 樊利，丁珠玉，余光伟，等.嵌入式GPRS远程传输技术在精准农业中的应用研究[J].西南大学学报(自然科学版)，2007，29(5)：137-140.

[6] 李理，刘柯歧.基于ZigBee的粮仓分布式传感器网络[J].兵工自动化，2008，27(9)：63-64，72.

[7] 刘金华，皮大能，程彩云.LM331与PIC16F73单片机实现数据采集[J].自动化技术与用，2009，28(11)：116-119.

[8] 曲绍毅，张忠宇.加强田间管理有效进行人参病虫害防治[J].人参研究，2014(1)：56-58.