張 輝，胡 鋼

（1.南通河海大學海洋與近海工程研究院，南通226000；2.物聯(lián)網(wǎng)工程學院（常州），常州213022）

基于單片機和3G的遠程無線土壤參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)?

張 輝1，2，胡 鋼1，2

（1.南通河海大學海洋與近海工程研究院，南通226000；2.物聯(lián)網(wǎng)工程學院（常州），常州213022）

目前市場上關于農(nóng)田土壤參數(shù)采集的裝置多采用有線方式，布線不便、缺乏靈活性，因此，提出了基于Zigbee和3G的無線土壤參數(shù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)由單片機MSP430、射頻芯片CC2530以及3G路由器組成。單片機對傳感器數(shù)據(jù)進行采集、處理和發(fā)送，經(jīng)ZigBee組網(wǎng)把多節(jié)點數(shù)據(jù)匯聚到中心節(jié)點，實現(xiàn)短距離通信，再經(jīng)3G路由器實現(xiàn)遠程通信，最終實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸，從而達到實時監(jiān)測土壤參數(shù)的目的。經(jīng)實際測試驗證該系統(tǒng)具有實用性。

土壤參數(shù)采集；無線；紫蜂；3G路由器

1 引 言

目前國內(nèi)市場農(nóng)田的節(jié)水監(jiān)測系統(tǒng)一般基于有線通訊方式，雖然機制成熟，但有線監(jiān)測系統(tǒng)存在諸多缺點：有線監(jiān)測點的布置需要大量走線，布置方式不靈活而且不利于農(nóng)田正常作業(yè)；監(jiān)測點數(shù)量由于受到通信布線成本限制而不能大量布置，造成監(jiān)測力度不夠，甚至存在監(jiān)測盲區(qū)［1］；有線監(jiān)測點線路檢查和維護需要大量的人力物力，若多塊農(nóng)田實現(xiàn)集中管理會極大的增加安裝成本，不利于構建大型的遠程控制系統(tǒng)。

針對以上缺點，項目提出的無線監(jiān)測系統(tǒng)基于ZigBee和3G技術，通過ZigBee的自組網(wǎng)方式實現(xiàn)多個節(jié)點數(shù)據(jù)匯集，3G技術作為一種先進的無線通信技術，實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠距離可靠傳輸?；赯igBee和3G的無線土壤參數(shù)監(jiān)測系統(tǒng)具有成本低、部署靈活方便及通信便利等特點［2］，使其在農(nóng)業(yè)應用方面表現(xiàn)尤為突出。

2 系統(tǒng)總體結構設計

系統(tǒng)從功能上可分為下位機和上位機部分，下位機部分包括數(shù)據(jù)采集及處理模塊、無線通信模塊，無線通信模塊由Zigbee短距離無線通信和3G遠程數(shù)據(jù)傳輸兩部分構成。上位機是基于Delphi開發(fā)的監(jiān)控界面。

數(shù)據(jù)采集及處理模塊由ARN＿100土壤濕度傳感器、ARN＿TW土壤溫度傳感器、JASP2801土壤PH值傳感器、12V供電電源以及MSP430F169單片機組成，主要負責獲取土壤溫度、濕度和PH值傳感器的模擬數(shù)據(jù)、AD轉(zhuǎn)換及串口的定時發(fā)送。

Zigbee短距離無線通信基于ZigBee協(xié)議架構，組建底層星型網(wǎng)絡，星型網(wǎng)絡由一個中心節(jié)點即協(xié)調(diào)器和若干個終端節(jié)點組成。終端節(jié)點通過串口接收單片機定時發(fā)送來的實時數(shù)據(jù)，然后通過點對點通信方式，把接收到的數(shù)據(jù)無線發(fā)送給中心節(jié)點，所有的終端節(jié)點都把土壤參數(shù)數(shù)據(jù)無線發(fā)送給中心節(jié)點。中心節(jié)點起到匯聚終端節(jié)點數(shù)據(jù)的作用，由于Zigbee傳輸距離有限，所以本系統(tǒng)把中心節(jié)點接收到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給3G路由器，利用3G傳輸?shù)倪h距離和高效性，經(jīng)3G的TCP/IP協(xié)議實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)通信。

基于Delphi開發(fā)的上位機部分構成系統(tǒng)的遠程數(shù)據(jù)管理模塊，主要通過與3G路由器連通以實現(xiàn)遠程通信，完成實時土壤參數(shù)數(shù)據(jù)的接收、處理、動態(tài)顯示、數(shù)據(jù)存儲及歷史數(shù)據(jù)管理，數(shù)據(jù)管理包括對歷史數(shù)據(jù)的查詢、打印水晶報表和繪制曲線圖。系統(tǒng)的總體框架圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖

3 數(shù)據(jù)采集及處理模塊

數(shù)據(jù)采集及處理模塊由傳感器、MSP430F169最小系統(tǒng)，電源電路，驅(qū)動電路，土壤參數(shù)采集電路組成，數(shù)據(jù)采集模塊框圖如圖2所示。

3.1 數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)實現(xiàn)對土壤溫度、濕度和PH值參數(shù)的實時監(jiān)測，數(shù)據(jù)采集部分由相應的傳感器和接口電路組成，傳感器參數(shù)如表1所示。

表1 傳感器主要參數(shù)［3］

圖2 數(shù)據(jù)采集框圖

系統(tǒng)采用的濕度傳感器輸出0-2V電壓信號，溫度和PH值傳感器輸出為4-20mA電流信號。由于單片機只能對電壓信號進行處理，所有本系統(tǒng)中加入調(diào)理模塊，調(diào)理模塊的作用就是把4-20mA的電流信號轉(zhuǎn)化成最大值為3.3V的電壓信號，其電路如圖3所示。而對于濕度傳感器，調(diào)理電路中的R19電路要換成0值電阻。

圖3 調(diào)理模塊電路

3.2 數(shù)據(jù)處理

MSP430F169是一款低功耗16位單片機，處理能力強，運算速度快，集成度高［4］。前端傳感器采集的數(shù)據(jù)為模擬信號，需經(jīng)AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。MSP430F169共有12個模數(shù)轉(zhuǎn)換通道，設置了16個轉(zhuǎn)換存儲器用于暫時存儲轉(zhuǎn)換結果，合理設置后，ADC12硬件會自動將轉(zhuǎn)換結果保存到相應的存儲器里。本系統(tǒng)采用A0-A2 3路外部模擬通道，參考電壓采用外部參考電源，AD參考電源電路如圖4所示，AD轉(zhuǎn)換完成后，單片機將此數(shù)字信號通過串口定時發(fā)送給Zigbee終端節(jié)點。

由單片機采集模擬信號，經(jīng)由AD轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)字信號。本設計基于安全性以及準確性考慮，采用了幀頭、幀尾設計，并加入校驗位，更保證了數(shù)據(jù)的精確度。由于需采集土壤3種參數(shù)，所以開通了A0、A1、A2三路通道。表2為數(shù)據(jù)幀格式。

圖4 AD參考電源

表2 數(shù)據(jù)幀格式

數(shù)據(jù)定義格式如下所示：

此模塊的軟件設計流程：第一步初始化，包括端口初始化、波特率設置、初始化串口、初始化AD轉(zhuǎn)換通道。第二步信號采集，首先使能通道，等待模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過公式計算相應溫濕度和PH值，最后定時發(fā)送采集的數(shù)據(jù)。關鍵程序如下：

4 無線通信模塊

4.1 Zigbee短距離無線通信

ZigBee技術是一種近距離、低功耗、低速率、低成本的無線傳感器網(wǎng)絡技術。系統(tǒng)采用星形網(wǎng)絡，協(xié)調(diào)器主要負責配置網(wǎng)絡參數(shù)、啟動網(wǎng)絡并維護網(wǎng)絡正常工作，接收采集的數(shù)據(jù)，并通過串口與3G模塊相連，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程傳輸。終端負責接收單片機發(fā)送的土壤參數(shù)信息，并且通過點播方式把數(shù)據(jù)無線發(fā)送給協(xié)調(diào)器。

終端節(jié)點工作過程如圖5所示，終端節(jié)點加入網(wǎng)絡之后，采用任務輪詢的方式，通過判斷是否有CMD＿SERIAL＿MSG事件發(fā)生來判斷串口有無接收到數(shù)據(jù)，若此事件發(fā)生，終端則通過串口接收數(shù)據(jù)，并把此數(shù)據(jù)通過AF＿DataRequest函數(shù)以點播形式無線發(fā)送給協(xié)調(diào)器。關鍵程序如下：

協(xié)調(diào)器工作過程如圖6所示，協(xié)調(diào)器上電后初始化并建立網(wǎng)絡，同樣協(xié)調(diào)器也采用任務輪詢方式，通過查詢是否有事件AF＿Incoming＿MSG發(fā)生，判斷有無無線數(shù)據(jù)發(fā)送過來。若此事件發(fā)生，協(xié)調(diào)器接收無線數(shù)據(jù)，同時將此數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給3G路由器。關鍵程序如下：

圖5 終端節(jié)點工作過程

圖6 協(xié)調(diào)器工作過程

4.2 遠程數(shù)據(jù)通信

系統(tǒng)中使用的工業(yè)級3G路由器，支持TCP/IP協(xié)議，支持DTU功能［5］。TCP/IP協(xié)議是一種網(wǎng)絡協(xié)議，在應用程序中應用TCP/IP協(xié)議進行通信時，利用TCP套接字（Socket）在本機與目的機之間建立一個套結字虛擬連接，套接字連接成功后兩者便可以通信。

Socket通信要求通信雙方一端作為客戶端，另一端作為服務器。在服務器端，建立服務器端的Socket，偵聽整個網(wǎng)絡中的連接請求，當檢測到來自客戶端的連接請求時，向客戶端發(fā)送收到連接請求的信息，并建立與客戶端之間的連接。對于客戶端，首先建立客戶端的Socket，確定要連接服務器的主機名和端口，然后發(fā)送請求信息請求連接到服務器，并等待服務器的回饋，連接成功后就可以與服務器進行通信［6］。

系統(tǒng)中，3G路由器作為Socket客戶端，遠程控制中心是Socket的服務端。在本質(zhì)上，3G路由器上電后DTU先注冊到GPRS網(wǎng)絡，然后通過DTU和遠程控制中心建立Socket連接。所以首先要啟動DTU，DTU串口設置項配置成Zigbee串口配置參數(shù)，然后把DTU連接方式設置成客戶端，網(wǎng)絡類型TCP，服務端x設置成遠程監(jiān)控端的IP，端口號本系統(tǒng)設置成6800，然后保存設置，DTU配置界面如圖7所示。

圖7 3G路由器DTU設置

Zigbee與3G路由器之間通過串口進行通信，由于Zigbee輸出信號是TTL電平標準，而系統(tǒng)中采用的3G路由器串口采用RS-232通信標準［7］，所以為保證Zigbee和3G可以正常通信，需要進行電平轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換電路如圖8所示。

圖8 電平標準轉(zhuǎn)換電路

5 數(shù)據(jù)管理模塊

遠程中心服務軟件是針對本系統(tǒng)面向TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡服務軟件。3G路由器的DTU作為Socket的客戶端，遠程控制中心作為上位機要有一對應的Socket服務器，用于接收和處理通過3G路由器發(fā)送的遠端數(shù)據(jù)，并且對接收到的數(shù)據(jù)進行處理。本系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)管理軟件采用Delphi進行開發(fā)，利用已有的控件完成設計，土壤參數(shù)實時監(jiān)控界面如圖9所示。

圖9 土壤參數(shù)實時監(jiān)控界面

遠程控制中心收到土壤參數(shù)信息之后，在圖9所示的實時監(jiān)控界面動態(tài)顯示，同時，每隔一個小時，系統(tǒng)將自動存儲各個節(jié)點的數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)采用Access數(shù)據(jù)庫［8］。為了方便查詢歷史數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)開發(fā)如圖10所示查詢界面，用戶可以通過選擇需要查詢的設備號，查詢?nèi)掌诤Y選必要的數(shù)據(jù)，同時用戶還可以對篩選出來的信息打印水晶報表、繪制曲線圖。

圖10 土壤參數(shù)數(shù)據(jù)管理界面

6 結束語

無線遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已成為當前業(yè)界研究的熱點。系統(tǒng)所介紹的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以性能優(yōu)越的MSP430單片機完成數(shù)據(jù)采集，通過低功耗的ZigBee實現(xiàn)多監(jiān)測點的組網(wǎng)，以GPRS作為承載網(wǎng)絡，利用GPRS網(wǎng)絡覆蓋范圍廣等優(yōu)勢，提高了系統(tǒng)的實用性和靈活性，具有良好的應用前景和實際意義。該系統(tǒng)非常適合于邊遠地區(qū)或可移動系統(tǒng)中實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控，在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)中具有良好的應用前景和實際意義。

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A Design of Soil Parameters Monitoring System Based on MCU and 3G

Zhang Hui1，2，Hu Gang1，2
（1.Marine and Offshore Engineering Institute，NanTong HoHai University，NanTong 226000，China；2.College of Internet of Things Engineering，Hohai University，Changzhou 213022，China）

The current soil parameters monitoring machines，generally using wire connection，is inconvenient to layout.In this paper，a design of soil parametersmonitoring system based on Zigbee and 3G is presented.The system is composed of MCUMsp430，radio frequency chip CC2530 and 3G router.Firstly，the Msp430 processes data from sensors.Then，the short-distance wireless communication networks of zigbee collect all data from different nodes.Lastly，the 3G router realizes long-distance wireless communication.Therefore，the monitoring center can acquire real-time soil parameters.The test result shows that it has practicability.

Soil parameters；Wireless；ZigBee；3G router

10.3969/j.issn.1002-2279.2015.03.025

TP393

A

1002-2279（2015）03-0092-05

南通市2012年應用研究計劃資助項目（BK2012003）

張輝（1989-），男，江蘇徐州人，碩士研究生，主研方向：無線傳感器網(wǎng)絡。

2014-09-01