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基于zigbee技术的无线农作物环境监测系统的设计

花匠小妙招
2024-11-20 07:15

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ELECTRONICSWORLD・技术交流

基于ZigBee技术的无线农作物环境监测系统的设计惠州学院陈宝昌蔡俊豪钟宇祺林勇杰【摘要】针对传统温室大棚有线环境监测系统存在的安装布线成本高、节点移动性差和可扩展性差等问题本文设计了基于ZigBee技术的温室大棚农作物环境监测系统。本系统以CC2530芯片为主控制器通过读取各个传感器的数据并将数据通过芯片自带的RF收发器发送到主节点接收端汇总的数据再经过RS232接口传送到PC上位机进行实时显示。本文将给出系统硬件以及软件的设计思路与实现方法。经实践表明本系统能准确获取温室大棚内的空气温度、空气湿度、CO2浓度、光照强度、土壤温度、土壤湿度满足了温室大棚农作物环境的实时监测。【关键词】温室大棚实时监测ZigBee上位机基金项目校级大学生创新创业孵化项目项目编号1057720150101。

0引言在农业生产中温室大棚栽培因可观的经济效益越来越普及。温室大棚解决了传统露天栽培环境对植物生长的限制使农作物在不适合生长的季节也能够正常量产。为确保温室大棚作物的产量和质量对农作物环境的实时监测尤为重要。温室大棚环境参数监测信息量小、信息节点多采用传统的现场总线布线检测设备来实现监测会因布线问题导致安装成本高、后期维护困难并且系统缺乏灵活性和可扩展性。因此运用无线传输技术能够改善传统有线监测网络存在的缺陷。目前常用的近距离数据传输方案有bluetooth、Wi-Fi、ZigBee考虑成本和功耗问题本文系统设计选用ZigBee作为无线传输方案设计适用于温室大棚农作物环境的实时监测系统。1系统总体设计方案温室大棚监测系统主要由传感器节点、信息汇聚点协调器、监测上位机3部分组成。传感器节点与信息汇聚点之间采用星型模式组成无线传感器网络。传感器节点以CC2530为控制核心读取配备的温度、湿度、光照强度、CO2浓度传感器的数据按照定义好的协议形成数据帧之后通过ZigBee无线收发模块发送到信息汇聚点信息汇聚点对多个节点发送上来的数据进行对比分析与融合后通过RS-232串口发送给温室监测中心的上位机上位机可对上传的数据进行图形化显示也可将分析后的数据输出控制信号对温室大棚内的环境因子进行预期控制。系统总体结构如图1所示。

图1温室大棚监测系统总体结构图2传感器节点硬件设计因Zigbee节点采用电池方式进行供电所以节点的硬件设计需要考虑功耗问题在符合精度要求的基础上尽量选择低功耗传感器。节点硬件电路主要由传感器模块、CC2530主控模块、无线通信模块、液晶显示模块、电源模块五部分组成。传感器模块采集温室内的环境数值主控芯片对采集到的数据进行处理之后通过无线收发器发送出去电源模块给需要不同工作电压的器件进行供电。节点硬件设计结构框图如图2所示。

图2节点硬件设计结构框图2.1传感器模块(见图3)为了实现对温室大棚内环境参数值得采集本系统选用的传感器如下:空气温湿度传感器DHT11、二氧化碳传感器MH-Z14A、光照传感器BH1750FVI、土壤温度传感器SLST1-5。空气温湿度传感器选购广州奥松电子有限公司生产的DHT11数字式传感器。DHT11能测量20%~90%的相对湿度、0~50℃的温度满足温室大棚的测量需要。DHT11采用单总线方式与主控芯片进行数据通信节约主控芯片的I/O口资源在实际应用当中加上正负电源线三根线即可使传感器正常工作。BH1750FVI采用I2C总线接口与单片机通信能测量1-65535勒克斯的光照强度。器件对光源的依赖性不大白炽灯、荧光灯、卤素灯、LED发出的光都可测量。SLST1-5传感器内置了美国Dallas公司的数字化温度传感器DS18B20外部使用不锈钢外壳进行封装防水并且防潮。SLST1-5测量温度范围为-55°C125°C在-1085°C范围内精度为±0.5°C。单总线的传输方式提高了传输过程的抗干扰性使DS18B20适用于恶劣环境的温度测量。MH-Z14A二氧化碳气体传感器是一个小型传感器利用非色散红外原理对空气中存在的CO2进行探测具有良好的选择性和无氧依赖性具有很长的使用寿命。传感器内置温度补偿同时具有数字输出、模拟输出及PWM输出本系统设计采用数字输出与主控芯片进行通信。2.2主控模块和无线通信模块CC2530内部集成了领先的RF收发器和一个增强型的8051内核CPU。单个CC2530芯片加上少量的外围元器件就能实现处理器和无线收发的功能这不仅节省了PCB设计空间而且大大降低了总成本。CC2530配备TI公司标准兼容的Z-Stack网络协议栈能缩短用户的开发周期。CC2530拥有丰富的外设资源8kB的RAM、32/64/128kB可编程空间、4个定时器、8通道ADC(模/数转换器)、五通道DMA控制器、两个带有波特率发生器的USART串口这些资源能让用户开发出强大的应用。芯片具有不同的运行模式使得它适用于低功耗要求的系统。2.3电源模块Zigbee节点中的处理器芯片CC2530需要3.3V供电DHT11、BH1750FVI、SLST1-5、MH-Z14A需要5V供电其中CO2传感器MH-Z14A工作平均电流为40ma功率较大因此得单独供电。为