1、基于ZigBee 的農(nóng)業(yè)通用無線監(jiān)測系統(tǒng)設計江朝暉,焦俊,潘煒,李紹穩(wěn)(安徽農(nóng)業(yè)大學信息與計算機學院,安徽合肥230036摘要 根據(jù)農(nóng)業(yè)監(jiān)測的特點,采用低功耗Zi gBee 無線通信技術,設計一個多參數(shù)無線監(jiān)測系統(tǒng)。遵循通用化和模塊化設計思想,傳感器和功能模塊可組合配置,通用性強,使用靈活、方便。采用低功耗通信協(xié)議、芯片以及太陽能充電技術,延長監(jiān)測電源壽命。該系統(tǒng)可廣泛應用于設施農(nóng)業(yè)、農(nóng)業(yè)園區(qū)等場所的參數(shù)自動監(jiān)測。關鍵詞 農(nóng)業(yè)參數(shù);通用無線監(jiān)測系統(tǒng);Z i gBee ;模塊化設計中圖分類號 S24 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611(201006-03149-03Design of

2、G eneralAgriculturalW ire l ess M o n itor i ng Syste m Based on Z i gBee JIANG Zhao -hu i et al (D epart ment o fE l ectronic Infor mati on Eng i neeri ng ,Schoo l of Inf or m ati on&Co mputer Sc i ence ,A nhuiA gricult ura l U niversit y ,H efe,i Anhu i 230036Abstract Z i gBee which was l ow -

3、power w ire l ess co mmunicati on t echnology was used to desi gn a mult-i para me t ersm onitori ng syst em accord -i ng to agr i cu lt ura lmon i tori ng charact er i stics .Foll owed t he design concepts of generali zati on and modul ar i zati on ,sensors and f unctiona lmod -u l es coul d be co

4、mb i ned confi gurati on ,thus syste m was versatility ,fl ex i b l e and conven i en.t Low -power co mmunica ti on ch i p and s o l ar charg i ng technol ogy w ere adopted t o extend t he lif e of po w er suppl y .This syste m could be w i del y used for auto matic monit or i ng i n facilit y agric

5、ulture and ot her agricult ura l places .K ey words A gricultural para m eter ;G eneral w i relessm onitori ng syst em ;Z i gBee ;M odulariz a ti on基金項目 安徽農(nóng)業(yè)大學引進人才科研資助項目(y j 2008-21;安徽高校省級自然科學研究重點項目(K J 2009A027Z。作者簡介 江朝暉(1968-,男,安徽桐城人,副教授,從事數(shù)據(jù)采集與信息處理方面的研究。 收稿日期 2009-11-16現(xiàn)代農(nóng)業(yè)將電子、計算機、通信和自動控制等信息技術引入到

6、本領域中,朝著精細農(nóng)業(yè)、數(shù)字農(nóng)業(yè)的方向發(fā)展。定量獲取和分析農(nóng)業(yè)環(huán)境參數(shù),或者對農(nóng)業(yè)目標進行實時自動監(jiān)測,是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的一個基本要求。農(nóng)業(yè)監(jiān)測目標具有分散性、多樣性、多變性及環(huán)境偏僻等特點。監(jiān)測地點可以是溫室、大棚、果園、倉庫、養(yǎng)殖場、加工車間或野外。檢測目標可以是溫度、濕度、光照、振動、壓力、水/土壤/空氣成分等。設計農(nóng)用監(jiān)測系統(tǒng)時需要充分考慮這些問題1。無線傳感器網(wǎng)絡是由低成本、低功耗的具有傳感、計算與通信能力的傳感器節(jié)點構成的網(wǎng)絡系統(tǒng),非常適合分散、野外目標的自動監(jiān)測。節(jié)點之間采用近距離無線通信方式,比如藍牙、Zig Bee 技術等。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

7、常必要的。具體應用時,只需配置不同模塊電路和傳感器即可,方便使用,節(jié)約成本。另外,農(nóng)業(yè)監(jiān)測具有長期、連續(xù)、自動、無人值守等特點,因此對監(jiān)測系統(tǒng)電源提出了更高的要求。筆者采用新興的近距離、低復雜度、低功耗、低成本的Zig Bee 技術設計一個農(nóng)業(yè)參數(shù)無線監(jiān)測系統(tǒng),利用太陽能給電池自動充電,并且運用模塊化設計思想,使監(jiān)測系統(tǒng)可組合使用,提高通用性。1 總體功能和設計方案農(nóng)業(yè)通用無線監(jiān)測系統(tǒng)由監(jiān)測模塊(多個節(jié)點、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。以基于Zi gBee 無線通信協(xié)議的CC2430芯片為核心構建無線監(jiān)測系統(tǒng),監(jiān)測網(wǎng)絡采用星型結構,可配置多種傳感器(溫度、濕度、光照強

8、度等,模擬式、數(shù)字式,I 2C 接口、SPI 接口等,通過傳感器接口模塊與微處理器連接。太陽能充電模塊為監(jiān)測節(jié)點自動供電。接收端可選擇配置鍵盤、LCD 顯示器,或者通過RS232串口和PC 機通信。整個系統(tǒng)結構如圖1所示。該系統(tǒng)可實現(xiàn)多路模擬信號和數(shù)字信號采集、無線發(fā)送和接收、與P C 機通信以及在PC 機上進行顯示、分析和存儲等功能,可廣泛應用在以下方面: 設施內(nèi)環(huán)境監(jiān)控,如溫室、畜禽/水產(chǎn)養(yǎng)殖場、儲存?zhèn)}庫、工廠車間等; 各類農(nóng)業(yè)圖1 農(nóng)業(yè)通用無線監(jiān)測系統(tǒng)框圖F i g .1 The str uct ure bloc k of general agric ult ural w i rel e

9、ssmonitoring syste m園區(qū)、示范農(nóng)場、生產(chǎn)基地、科研教學基地等。2 硬件設計2.1 無線監(jiān)測和接收模塊 以基于Z i gBee 無線通信協(xié)議的CC2430芯片為核心構建無線監(jiān)測節(jié)點和接收端2。Z i g -Bee 聯(lián)盟所制定的基于I EEE 802.15.4標準的無線網(wǎng)絡通信技術Zi gBee 是一種新興的近距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡技術,與其他近距離無線通信協(xié)議相比具有明顯的技術優(yōu)勢。CC2430芯片結構框如圖2所示。它在單個芯片上整合了高性能的2.4G H z DSSS(直接序列擴頻射頻收發(fā)器、內(nèi)存、高性能8051內(nèi)核、ADC 、USART 等,

10、支持Z i g B ee 協(xié)議棧。CC2430有21個可編程的I/O 口引腳,方便與多種傳感器、MCU 、外圍設備接口。芯片有節(jié)能低安徽農(nóng)業(yè)科學,Jou r n al ofAnhu iAgr.i Sc.i 2010,38(6:3149-3151責任編輯 劉月娟 責任校對 盧瑤功耗的省電模式,可以延長監(jiān)測節(jié)點電源的使用壽命。CC2430芯片只需少量外圍部件配合就能實現(xiàn)信號的收發(fā)功能(圖3。Z i g B ee 網(wǎng)絡由多個分布式無線節(jié)點協(xié)調(diào)工作,各節(jié)點之間采用多跳方式遞送數(shù)據(jù), 效率較高。圖2 CC2430芯片結構框圖F ig .2 The structure block of CC2430chi

11、 p圖3 CC2430模塊電路F i g .3 The ci rcuit o f CC2430module2.2 傳感器接口模塊 由于農(nóng)業(yè)監(jiān)測量種類繁多,需要采用不同的傳感器。有些是模擬式傳感器,有些是數(shù)字式,且數(shù)字式傳感器有不同的總線接口方式,如I 2C 、SP I 等。為了實現(xiàn)監(jiān)測的通用性,設計一個傳感器接口模塊,可根據(jù)實際需要配接多種常用的傳感器。2.2.1 模擬式傳感器接口。傳感器輸出模擬信號,經(jīng)過預處理電路,接入CC2430的A /D 口。預處理電路包括放大器和濾波器,采用集成運放l mv321設計。l m v321是一種單電源供電、低電壓、低功耗、滿幅度輸出的高性能運放,供電電壓為

12、2.75.0V 。預處理電路第1級為固定放大,第2級為可調(diào)放大,第3級為2階低通濾波。2.2.2 數(shù)字式傳感器接口。設計了1-w ire 總線、I 2C 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(shù)字I/O 口。2.3 太陽能自供電模塊 由于CC 2430具有低功耗特點,監(jiān)測節(jié)點采用2節(jié)可充電電池供電即可?？紤]到農(nóng)業(yè)監(jiān)測具有長期、連續(xù)、自動、無人值守的特殊要求,設計了太陽能充電模塊(圖4,在陽光充足時對可充電電池充電。太陽能電池是一種由于光生伏特效應而將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件,是一個半導體光電二極管。當太陽光照到光電二極管上時,光電二極管就會把太陽的光能變成

13、電能,產(chǎn)生電流。多個電池串聯(lián)或并聯(lián),就可以成為有較大輸出功率的太陽能電池方陣。太陽能電池是一種大有前途的新型電源,具有永久性、清潔性和靈活性三大優(yōu)點。太陽能電池壽命長,可以一次投資而長期使用。采用MAX1555作充電控制芯片,MAX1555外接電路簡單,大大減少了充電控制系統(tǒng)功耗、成本及體積。穩(wěn)壓控制芯片采用MAX8881。MAX8881是超低電源電流、低壓降線性穩(wěn)壓器,是專為電池供電設計的3。其他硬件還包括鍵盤、LCD 模塊、RS232串口模塊等。主要硬件模塊見圖5 。圖4 太陽能充電模塊框圖F i g .4 The block of solar -charged po w er s upp

14、ly圖5 主要硬件模塊實物F i g .5 The physi ca l goo ds o fm ai n hard warem o dul e3 軟件設計3.1 無線單片機軟件 無線單片機軟件主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、無線發(fā)送、無線接收、RS -232串口通信等功能,采用I AR EmbeddedW or kbe nch 集成環(huán)境開發(fā)軟件。(圖6發(fā)送端按照一定的格式將數(shù)據(jù)打包,然后進行發(fā)送。這里定義了一個結構體類型:ty pedef str uctBYTE payl oadLe ngt h ;/數(shù)據(jù)長度BYTE dest A ddress ;/目的地址BYTE fla gs ;/是否發(fā)送成功的標志3

15、150安徽農(nóng)業(yè)科學 2010年圖6 軟件設計流程F i g.6 The flo w of soft ware desig nBYTE*pa yload;/所要發(fā)送的數(shù)據(jù)的指針SPP_TX_STR UCT;接收方根據(jù)數(shù)據(jù)包的格式取出實際數(shù)據(jù),然后通過RS-232串口發(fā)送到上位機(PC機。RS-232串口波特率為:波特率=256+BAU D_M 2BAUD_E228F(1式中,F為系統(tǒng)的時鐘頻率。由式(1可以得到一些常用的波特率所對應的寄存器baud_m和baud_e值的設置。3.2 上位機軟件 用VC+開發(fā)了上位機軟件,主要實現(xiàn)與CC2430串口通信、波形顯示、統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)存儲等功能。軟件開發(fā)

16、中也貫徹通用性思想4,即采用面向?qū)ο蠹夹g對顯示、分析模塊進行設計,將相應屬性和功能封裝在類中。工作時可根據(jù)不同的監(jiān)測對象自動調(diào)用合適的顯示風格和分析統(tǒng)計算法。4 結論根據(jù)農(nóng)業(yè)監(jiān)測的特點,遵循通用性思想和模塊化設計思路,以基于Z i gBee協(xié)議的CC2430芯片為核心構建了一個無線監(jiān)測系統(tǒng),能實現(xiàn)多路模擬量和數(shù)字量的采集、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。系統(tǒng)具有以下特點:可配置多種傳感器使用,通用性強;各模塊可組合使用,靈活、方便;采用低功耗通信協(xié)議、芯片以及太陽能充電技術,延長監(jiān)測電源壽命。該系統(tǒng)可廣泛應用于設施農(nóng)業(yè)、農(nóng)業(yè)園區(qū)等場所的參數(shù)自動監(jiān)測。參考文

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