采樣ZigBee技術(shù)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)栽參田間人參猝倒病溫度信號識別研究

尹來武

1　引　言

無線溫度傳感器是集成傳感、無線通訊、低功耗等技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品，是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)無線數(shù)據(jù)傳輸最常使用的技術(shù)，農(nóng)業(yè)工程領(lǐng)域眾多科學(xué)研究人員普遍使用大量溫度傳感器感知節(jié)點采集數(shù)據(jù)，以手持終端設(shè)備嵌入GPRS模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸，適合大規(guī)模栽參田間布置無線溫度傳感器感知節(jié)點[1]。人參猝倒病是人參苗期的主要病害之一，發(fā)生普遍，危害嚴(yán)重，可造成參苗成片倒伏死亡，嚴(yán)重影響人參保苗率和參苗質(zhì)量[2]。保證栽參田間人參猝倒病的發(fā)病事先預(yù)防，減少人參猝倒病發(fā)病過程必要損失，準(zhǔn)確地掌握栽參田間溫度實時監(jiān)測顯得尤為重要[3]。目前，我國大部分地區(qū)栽參田間還未實現(xiàn)數(shù)據(jù)監(jiān)測和處理分析，屬于傳統(tǒng)耕作生產(chǎn)模式，其生產(chǎn)力水平低下，成本高并且產(chǎn)生大量農(nóng)藥殘留，致使人參產(chǎn)品質(zhì)量和品質(zhì)降低，其生產(chǎn)模式劣勢顯而易見[4]。

本文提出ZigBee技術(shù)是一種近距離無線通信技術(shù)，適合無線溫度傳感器感知節(jié)點組網(wǎng)要求，采用GPRS或4G是一種遠(yuǎn)距離無線通信技術(shù)，GPRS或4G遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸方面有著獨特優(yōu)勢。

2　總體方案設(shè)計

充分利用農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)無線通信資源，有效地降低栽參田間環(huán)境信號識別系統(tǒng)終端成本，利用預(yù)埋在栽參田間無線溫度傳感器節(jié)點實時采集溫度信號，栽參田間溫度信號識別采用ZigBee中心感知節(jié)點和n個無線溫度傳感器終端感知節(jié)點組成農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)。無線溫度傳感器終端感知節(jié)點通過無線芯片ZigBee協(xié)議發(fā)送到中心協(xié)調(diào)器節(jié)點，利用GPRS或4G無線通信方式傳輸?shù)皆詤⑻镩g監(jiān)控數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，監(jiān)控數(shù)據(jù)中心采用單模光線全雙工傳輸，將栽參田間1至栽參田間n實時溫度數(shù)據(jù)傳至控制中心服務(wù)器PC機(jī)顯示與查詢，使參農(nóng)在任何地點任何時間都能在工作權(quán)限范圍內(nèi)接收栽參田間溫度數(shù)據(jù)信號，及時地反饋栽參田間各種溫度狀態(tài)，根據(jù)中心協(xié)調(diào)器感知節(jié)點將接收溫度信號通過串口反饋到參農(nóng)計算機(jī)或手機(jī)終端，栽參田間監(jiān)控數(shù)據(jù)中心服務(wù)器收集n個無線溫度傳感器采集終端，其總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1中總體結(jié)構(gòu)設(shè)計包括栽參田間病蟲害數(shù)據(jù)監(jiān)測中心、栽參田間無線網(wǎng)絡(luò)布置和參農(nóng)用戶無線網(wǎng)絡(luò)終端三個部分，分布于栽參田間監(jiān)測區(qū)域n個溫度傳感器感知采集結(jié)點，采集并無線發(fā)送栽參田間溫度數(shù)據(jù)，栽參田間區(qū)域內(nèi)ZigBee協(xié)議組成星狀無線溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)。

3　溫度傳感器感知節(jié)點設(shè)計與實現(xiàn)

DS18B20溫度傳感器感知節(jié)點選用支持ZigBee協(xié)議的單片機(jī)CC2530，其具備了2～3.6 V的工作電壓，SMA接口實現(xiàn)，輸出相應(yīng)栽參田間溫度采集實時數(shù)據(jù)的接口是PL2303[5]。拓展接口是開發(fā)板預(yù)留的IO端口，3.3 V為一般輸入電壓典型值。AD采樣實驗采用ADC接口，無線信號接收利用2.4GHZ天線外接溫度傳感器DS18B20安裝在拓展接口上，128×64點陣液晶模塊，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)顯示功能。

圖1 栽參田間病蟲害數(shù)據(jù)監(jiān)測總計結(jié)構(gòu)

3.1　溫度感知

CC2530單片機(jī)讀取溫度傳感器數(shù)據(jù)，然后將溫度數(shù)據(jù)封裝成“數(shù)據(jù)幀”，驅(qū)動ZigBee2007協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)幀到機(jī)Q2530SB溫度傳感器數(shù)據(jù)采集終端開發(fā)板由CC2530F256芯片、PA射頻放大器、3dB天線、電源指示燈、串口收發(fā)指示、調(diào)試指示燈、仿真器接口、USB轉(zhuǎn)換口、電池盒供電、4個銅柱固定腳、100mil全部IO、128×64液晶、4個普通按鍵、1個復(fù)位按鍵和電源開關(guān)組成。以基礎(chǔ)傳感器擴(kuò)展接口設(shè)計方案，降低參農(nóng)終端采集傳感器升級成本，通過A/D轉(zhuǎn)換通道讀取電壓輸出型測量數(shù)據(jù)[6]。Q2530SB擴(kuò)展傳感器接口接通DS18B20溫度傳感器，采用CC2530單片機(jī)多功能I/0接口，通過軟件模擬硬件方式驅(qū)動數(shù)字型傳感器。

3.2　DS18B20溫度傳感器

DS18B20單總線數(shù)字傳感器測量范圍為-55～125 ℃，小于1s的轉(zhuǎn)換速度典型值，0.50 ℃的增量，可達(dá)0.10 ℃的最高精度[7]。DS18B20提供9位二進(jìn)制讀取指示器件溫度，不需要A/D轉(zhuǎn)換模塊，從CC2530單片機(jī)CPU到DS18B20僅僅需要一條線連接，傳感器溫度數(shù)據(jù)從DS 18B20送入或送出都經(jīng)過單線接口。其電源 DS18B20自身數(shù)據(jù)線即可提供，這種方式與外部電源相比，轉(zhuǎn)換時間要延長。DS18B20特有單總線通信協(xié)議，DS18B20無需外部電池供電，直接從數(shù)據(jù)線獲得電源。參農(nóng)可設(shè)置最高和最低報警溫度，斷電情況下設(shè)置值數(shù)據(jù)不會丟失，溫度異常時具有報警功能。

本文采用手機(jī)、計算機(jī)等作為參農(nóng)數(shù)據(jù)終端媒介，參農(nóng)實時采集識別栽參田間溫度信號數(shù)據(jù)。

4　結(jié)果與分析

4.1　仿真實驗結(jié)果

仿真實驗完成了系統(tǒng)功能測試，在如圖1栽參田間病蟲害數(shù)據(jù)監(jiān)測總體設(shè)計的n個栽參田間溫度傳感器感知節(jié)點，根據(jù)區(qū)域塊劃分每5×5區(qū)間內(nèi)放置4個DS18B20溫度傳感器感知節(jié)點，組成ZigBee技術(shù)星型網(wǎng)絡(luò)。其中WIFI負(fù)責(zé)整個栽參田間協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)節(jié)點，感知節(jié)點按5×5區(qū)間布放在田間，設(shè)置每隔10 s采樣1次溫度數(shù)據(jù)。DS18B20溫度傳感器采集底層、中層和表層溫度。通過管理軟件實現(xiàn)了4G通信，實現(xiàn)了溫度采集和傳輸。仿真實驗測試了60 s的DS18B20溫度傳感器溫度數(shù)據(jù)實時采集，60 s內(nèi)12個DS18B20溫度傳感器感知節(jié)點，采集數(shù)據(jù)識別125 m2栽參田間情況如表1所示。

表1　60 s內(nèi)12個DS18B20傳感器感知節(jié)點采集溫度情況　單位：℃

表1仿真實驗結(jié)果表明，DS18B20溫度傳感器采集識別栽參田間數(shù)據(jù)范圍16 ℃～20 ℃時，即可判定人參猝倒病有可能發(fā)生，經(jīng)過60 s內(nèi)栽參田間只有無線溫度傳感器感知節(jié)點6數(shù)據(jù)異常，其他感知節(jié)點溫度正常。異常感知節(jié)點6區(qū)間25 m2內(nèi)，溫度若持續(xù)異常，即可判定有人參猝倒病發(fā)生[8]。針對病區(qū)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倍與天達(dá)參寶600倍液混用，適當(dāng)噴施，然后再持續(xù)觀察溫度變化情況。

4.2　仿真結(jié)果分析

本文研究ZigBee技術(shù)栽參田間溫度采集識別，放置栽參田間12個DS18B20溫度傳感器感知節(jié)點在60s內(nèi)采集72條數(shù)據(jù)存儲在SQLite Database嵌入式數(shù)據(jù)庫中。經(jīng)過病情溫度測試數(shù)據(jù)對比分析，總體滿足栽參田間溫度采集識別工作需求。

5　結(jié)　語

本文以一種新視角研究了“農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)ZigBee技術(shù)栽參田間采集識別溫度”設(shè)計方案，針對ZigBee技術(shù)分析，提出一種交叉融合的研究方法，設(shè)計出了相應(yīng)的無線溫度傳感器節(jié)點，搭建了滿足栽參田間溫度監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，完成了自制無線監(jiān)測節(jié)點串口驅(qū)動程序。實現(xiàn)以栽參田間溫度數(shù)據(jù)采集識別，為開展栽參田間病蟲害識別提供大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)具有重要的現(xiàn)實意義。

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