基于ZigBee的土壤墑情監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

朱彬

摘要

土壤墑情監(jiān)測，依據(jù)要求能夠采集農(nóng)業(yè)環(huán)境參數(shù)，如此從數(shù)據(jù)上剖析得到相關(guān)環(huán)境參數(shù)，為本設(shè)計供應(yīng)更可靠的依據(jù)。設(shè)計選用軟件和硬件結(jié)合，硬件選用ZigBee模塊。ZigBee模塊主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集傳輸，因要采集溫、濕度和光照強(qiáng)度，所以在比較了各種傳感器后，濕度傳感器YL-69，溫度傳感器DS18B20，光照強(qiáng)度傳感器BH1750為最終揀選。傳感器所采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過ZigBee模塊傳輸給協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器在傳送計算機(jī)終端進(jìn)行顯示和監(jiān)測?？蓪崿F(xiàn)對一定范圍內(nèi)的土壤摘情和環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測，最終實現(xiàn)節(jié)水灌>A的智能化農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。

【關(guān)鍵詞】ZigBee 傳感器 土壤墑情

國內(nèi)目前使用的最多的灌溉系統(tǒng)主要采用定時方式，根據(jù)經(jīng)驗設(shè)定灌溉時間來實現(xiàn)定時定量灌溉。但是由于土壤的灌溉需求受空氣的溫濕度、光照強(qiáng)度、土壤含水量等多種因素影響，所以根據(jù)經(jīng)驗來實施灌溉并不能達(dá)到精確灌溉的目的。所以本文設(shè)計了ZigBee無線傳感器的土壤水分監(jiān)測體系，它能夠收羅監(jiān)測溫濕度、光照強(qiáng)度。并將采集信息進(jìn)行融合、分析最終根據(jù)特定的灌溉策略控制電磁閥的開關(guān)以實現(xiàn)精細(xì)灌溉。無線傳感技術(shù)適用范圍廣，本設(shè)計主要以農(nóng)業(yè)監(jiān)測為研究對象，減少勞動力，便于管理者管理和監(jiān)測。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

設(shè)計分為數(shù)據(jù)收集和傳感器節(jié)點(diǎn)兩部分，有三個傳感器和ZigBee模塊共同組成。ZigBee模塊也起到了協(xié)調(diào)器的作用，終端節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器并顯示。分析采集的數(shù)據(jù)來判斷環(huán)境參數(shù)是否符合農(nóng)作物的生長，是否需要灌溉，整體的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

（1）傳感器主要職責(zé)就是采集監(jiān)測對象的生長環(huán)境中的溫度、濕度、光照這些數(shù)據(jù);

（2）ZigBee模塊的主要功能是將傳感器模塊收集的數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器并顯示。

2 硬件設(shè)計

2.1 穩(wěn)壓電路設(shè)計

本次設(shè)計要考慮到ZigBee模塊的工作電壓為3.3V。想要電源可靠穩(wěn)定的給ZigBee模塊供電，就要一個電源適配器，在ZigBee模塊上設(shè)計一個AMS1117芯片，這個芯片起到一個降壓的作用，滿足了電源的設(shè)計要求，從而可以穩(wěn)定的供電，以保證實驗的順利進(jìn)行，原理圖如圖2所示。

2.2 土壤濕度檢測電路設(shè)計

本設(shè)計采用的土壤濕度傳感器的型號是YL-69，測量土壤濕度的數(shù)據(jù)，左邊是土壤的探頭，中間部分是放大信號，右邊部分為傳輸信號，如圖3所示。

2.3 DS18B20溫度檢測電路設(shè)計

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和溫度是密不可分，為了提高生產(chǎn)效率和保證產(chǎn)品質(zhì)量就必須控制溫度。本次設(shè)計選用的溫度傳感器DS18B20，擁有導(dǎo)熱性高、防水防潮的功效，使傳感器不易受到破壞，保障了溫度傳感的高靈敏性，適用于惡劣環(huán)境的現(xiàn)場溫度測量。如圖4所示。

2.4 BH1750光照強(qiáng)度檢測電路設(shè)計

本次設(shè)計選用了BH1750光照強(qiáng)度傳感器，優(yōu)點(diǎn)在于它能夠直接輸出一個數(shù)字信號，收集的數(shù)據(jù)直接以數(shù)字的方式表現(xiàn)在顯示屏上，不在需要在做繁瑣的計算，可以直接經(jīng)過光度計來測量。如圖5所示。

2.5 LCD接口電路設(shè)計

文中采用Nokia 5110顯示屏價格低廉，可以顯示更多的字符，5110顯示屏對應(yīng)8位排針P2的插入方向，P10、P11、P12、P13、P14插入?yún)f(xié)調(diào)器對應(yīng)插口，6、7為電源接口，8為接地。電路圖如圖6所示。

3 軟件設(shè)計

3.1 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)設(shè)計

監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的工作流程如圖7所示。在監(jiān)測節(jié)點(diǎn)這部分，傳感器只負(fù)責(zé)接收命令，首先初始化，然后把CC2530進(jìn)行初始化，然后初始化CPU并加載SPI驅(qū)動，讓后尋找附近是否有網(wǎng)絡(luò)選擇是否加入，由于整個系統(tǒng)電池供電，所以必須降低功耗，保證電源有電，然后初始化傳感器模塊并采集數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后通過無線傳輸發(fā)送到顯示器并顯示在顯示屏上。

3.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計

在整個系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)器的作用是接收其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送來的數(shù)據(jù)，將它們匯總并通過串口發(fā)送到主控制器上，即PC機(jī)。PC機(jī)將這些數(shù)據(jù)接收后對它們進(jìn)行相應(yīng)處理和分析。協(xié)調(diào)器不僅可以接收其他節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)，也可向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)命令。當(dāng)控制器分析數(shù)據(jù)后要對其他節(jié)點(diǎn)發(fā)出控制命令時，都由協(xié)調(diào)器向外發(fā)送。當(dāng)其他節(jié)點(diǎn)同時向協(xié)調(diào)器發(fā)送數(shù)據(jù)時，就有可能會出現(xiàn)數(shù)據(jù)沖突現(xiàn)象。協(xié)調(diào)器可能會漏掉一些數(shù)據(jù)的接收。此時其他節(jié)點(diǎn)會繼續(xù)發(fā)送數(shù)據(jù)，當(dāng)協(xié)調(diào)器響應(yīng)并接收數(shù)據(jù)時，節(jié)點(diǎn)完成此動作。在系統(tǒng)的整個運(yùn)行過程中，協(xié)調(diào)器始終處于開啟狀態(tài)。

4 系統(tǒng)調(diào)試

4.1 硬件調(diào)試

具體要測試三個傳感器是否正常工作，采集的數(shù)據(jù)是否準(zhǔn)確，通過具體的試驗數(shù)據(jù)來進(jìn)行硬件模塊調(diào)試，圖8是光照強(qiáng)度BH1750調(diào)試測得的數(shù)據(jù)柱形圖和溫度DS181320調(diào)試測得的數(shù)據(jù)柱形圖。

4.2 軟件調(diào)試

所有參數(shù)的軟件設(shè)置，添加代碼，按F7編譯和連接的項目，然后單擊“項目”菜單進(jìn)入調(diào)試界面，或按按鈕在工具欄的程序也可以下載，程序下載完成以后，經(jīng)過USB接口把監(jiān)測節(jié)點(diǎn)與電腦結(jié)合，就能夠進(jìn)入IAR編譯環(huán)境進(jìn)行仿真調(diào)試在這個過程當(dāng)中，參數(shù)的設(shè)立不可有誤。

5 結(jié)論

經(jīng)過試驗測試，系統(tǒng)能夠通過終端節(jié)點(diǎn)采集光照、溫度和濕度信息，并通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)并顯示。能夠?qū)崿F(xiàn)對土壤墑情的準(zhǔn)確監(jiān)測，為農(nóng)民提供可靠的農(nóng)業(yè)環(huán)境信息，便于節(jié)水灌溉和農(nóng)作物管理，達(dá)到了設(shè)計要求。由于時間及自身水平有限等原因，該設(shè)計還有許多不夠完美的地方，以后繼續(xù)改善。例如，越線報警機(jī)制，就可以采用在此次設(shè)計中，還可以加上繼電器，用來控制溫度、濕度的裝置。采用報警系統(tǒng)，當(dāng)管理者發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)報警，通過上位機(jī)對主模塊下達(dá)指令，啟動相應(yīng)裝置，從而對濕度、溫度起到控制作用，如果以后有機(jī)會，還會繼續(xù)完善。

參考文獻(xiàn)

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