鄭學梅

（東北電力大學 信息工程學院，吉林 吉林 132012）

精細農業(yè)就是一種現(xiàn)代化農業(yè)理念。精細農業(yè)通過定量獲取和分析農業(yè)環(huán)境參數，或者對農業(yè)目標進行實時自動監(jiān)測來實現(xiàn)動態(tài)控制。精細農業(yè)通過對溫室大棚的溫度、濕度、光照等參量的隨時監(jiān)測實現(xiàn)田間管理的實時控制。精細農業(yè)的規(guī)模越大，需要準確及時地操控所有設備，因此網絡信號的穩(wěn)定性。無線傳感器網絡具有簡化的系統(tǒng)布線、一次構建成本低、擴展性強、低成本、低功耗、靈活性大、網絡組建簡單等優(yōu)點，非常適合對精細農業(yè)的參數進行監(jiān)測。為了適應目標的多樣性和多變性，研制具有通用性的監(jiān)測模塊是非常必要的?？紤]到精細農業(yè)監(jiān)測具有連續(xù)自動監(jiān)測且無人值守等特點，基于ZigBee的精細農業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)引入了太陽能給電池自動充電，并采用通用節(jié)點設計，提高系統(tǒng)的通用性。

1 系統(tǒng)整體設計方案

基于ZigBee的精細農業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)整體結構采用樹狀拓撲結構，由若干FFD、RFD，一個網關節(jié)點以及監(jiān)控終端組成。其中FFD由參數監(jiān)測模塊、接收模塊、傳感器接口模塊、太陽能充電模塊和計算機等組成。參數監(jiān)測模塊可以通過配置溫度、濕度、光照強度等多種傳感器，實現(xiàn)對溫度、濕度、光照強度等多種參數的實時監(jiān)測。基于ZigBee的精細農業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)可實現(xiàn)多路模擬信號和數字信號采集、無線發(fā)送和接收、與PC機通信以及在PC機上進行顯示、分析和存儲等功能?；赯igBee的精細農業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)通過傳感器接口模塊與微處理器連接。并通過太陽能充電模塊為監(jiān)測節(jié)點自動供電。

2 溫濕度采集無線傳感器節(jié)點硬件設計

無線傳感器網絡的節(jié)點由傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊和電源模塊構成。節(jié)點的硬件原理框圖如圖1 。處理器模塊和無線通信模塊采用CC2430芯片,CC2430從休眠模式和轉換到主動模式的時間短,特別適合無線傳感器網絡的應用。大大簡化了射頻電路的設計。

節(jié)點溫濕度采集傳感器模塊采用集成溫濕度傳感器SHT10。 SHT10用于采集周圍環(huán)境中的溫度和濕度,其工作電壓為2.4～5.5V,測濕精度為±4.5%RH,25℃時測溫精度為±0.5℃。采用SMD貼片封裝,與處理器的通信電路I2C通信協(xié)議。電源模塊采用3V紐扣電池。

圖1 節(jié)點硬件設計

傳感器接口模塊 由于農業(yè)監(jiān)測量種類繁多，需要采用不同的傳感器。模擬式傳感器接口，傳感器輸出模擬信號，經過預處理電路，接入到CC2430的A／D口。數字式傳感器接口。系統(tǒng)設計了IC總線、SPI總線等接口，通過多路開關和跳線方式選擇連接到CC2430的數字I／0口。

系統(tǒng)設計了太陽能自供電模塊?？紤]到農業(yè)監(jiān)測的長期性，可以在陽光充足時對可充電電池充電。采用MAX1555作充電控制芯片，穩(wěn)壓控制芯片采用MAX8881[3]。大大減少了充電控制系統(tǒng)功耗、成本及體積。溫濕度采集無線傳感器節(jié)點電路的其他硬件還包括鍵盤、LCD模塊、RS232串口模塊等。

3 節(jié)點軟件設計

節(jié)點軟件設計采用了TinyOS操作系統(tǒng)，TinyOS為普通的抽象描述提供了接口和組件，例如數據包通信，路由，感知，行為和儲存。

無線傳感器節(jié)點的應用程序采用nesC編寫，分為數據采集、電池能量檢測和無線通信這三個分別設計的模塊。無線路由節(jié)點和無線終端節(jié)點比無線終端節(jié)點多一個數據匯集和上傳的功能。

（1）ZigBee網關設計。本系統(tǒng)中ZigBee網關負責實現(xiàn)ZigBee無線傳感器網絡與以太網的互聯(lián)，把網絡中監(jiān)測的溫濕度數據需要發(fā)送到監(jiān)測中心主機進行分析和顯示。ZigBee網關負責ZigBee網絡和以太網的協(xié)議轉換。ZigBee網關由下列部分組成:內部集成符合IEEE 802.15.4標準的2.4GHz的射頻 (RF)收發(fā)器的CC2430無線單片機;采用ARM核的Samsung S3C 44BOX微控制器;AX88796以太網控制器芯片等。

（2）監(jiān)控終端軟件設計。系統(tǒng)的上層管理軟件采用三層C/S模式，實時對傳感器網絡送來的數據進行處理，通過監(jiān)控計算機上的實時數據，實現(xiàn)遠程的監(jiān)測。監(jiān)控應用軟件還對傳感器網絡中的每個節(jié)點進行跟蹤管理。對于監(jiān)控到異常情況，上層管理軟件使用聲光、短信、電話實時報警方式。可顯示參數列表、實時曲線圖、報表等多種顯示、統(tǒng)計功能更加貼近用戶需求。

4 結論

基于ZigBee的精細農業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)根據農業(yè)監(jiān)測的特點，遵循通用性思想和模塊化設計思路，該系統(tǒng)以低成本、低功耗無線單片機CC2430為核心,能實現(xiàn)多路模擬量和數字量的采集、無線發(fā)送和接收。系統(tǒng)通過與PC機實時通信，可以在PC機上進行顯示、分析和存儲監(jiān)測數據。系統(tǒng)采用用數字溫濕度傳感器SHT10獲取溫濕度數據,電路結構簡單、工作穩(wěn)定可靠、檢測精度高,且具有無線數據通信靈活方便等特點,系統(tǒng)采用太陽能充電技術，延長監(jiān)測電源壽命。 基于ZigBee的精細農業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)可廣泛應用于設施農業(yè)和農業(yè)園區(qū)等需要多點實時監(jiān)測的場合。

[1]江朝暉，焦俊.基于ZigBee的農業(yè)通用無線監(jiān)測系統(tǒng)設計[J].安徽農業(yè)科學，2010，38(6)：3149-3151

[2]尹應鴟，李平舟，郭志華.基于CC2430的ZigBee無線數傳模塊的設計和實[J]．電子元器件應用，2008，10(4)：l8-21．

[3]汪紀鋒，肖河.藍牙技術在智能家居系統(tǒng)的應用研究[J]．機電工程技術，2008，37(9)：24-26