基于ZigBee的農(nóng)業(yè)通用無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)_圖文

1、基于ZigBee 的農(nóng)業(yè)通用無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)江朝暉,焦俊,潘煒,李紹穩(wěn)(安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與計(jì)算機(jī)學(xué)院,安徽合肥230036摘要 根據(jù)農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)的特點(diǎn),采用低功耗Zi gBee 無線通信技術(shù),設(shè)計(jì)一個(gè)多參數(shù)無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。遵循通用化和模塊化設(shè)計(jì)思想,傳感器和功能模塊可組合配置,通用性強(qiáng),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(shù),延長監(jiān)測(cè)電源壽命。該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)、農(nóng)業(yè)園區(qū)等場(chǎng)所的參數(shù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)。關(guān)鍵詞 農(nóng)業(yè)參數(shù);通用無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng);Z i gBee ;模塊化設(shè)計(jì)中圖分類號(hào) S24 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 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(xiàng)目 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)引進(jìn)人才科研資助項(xiàng)目(y j 2008-21;安徽高校省級(jí)自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)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(jì)算機(jī)、通信和自動(dòng)控制等信息技術(shù)引入到

6、本領(lǐng)域中,朝著精細(xì)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(duì)農(nóng)業(yè)目標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè),是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的一個(gè)基本要求。農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)目標(biāo)具有分散性、多樣性、多變性及環(huán)境偏僻等特點(diǎn)。監(jiān)測(cè)地點(diǎn)可以是溫室、大棚、果園、倉庫、養(yǎng)殖場(chǎng)、加工車間或野外。檢測(cè)目標(biāo)可以是溫度、濕度、光照、振動(dòng)、壓力、水/土壤/空氣成分等。設(shè)計(jì)農(nóng)用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)需要充分考慮這些問題1。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由低成本、低功耗的具有傳感、計(jì)算與通信能力的傳感器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),非常適合分散、野外目標(biāo)的自動(dòng)監(jiān)測(cè)。節(jié)點(diǎn)之間采用近距離無線通信方式,比如藍(lán)牙、Zig Bee 技術(shù)等。為了適應(yīng)目標(biāo)的多樣性和多變性,研制具有通用性的監(jiān)測(cè)模塊是非

7、常必要的。具體應(yīng)用時(shí),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(cè)具有長期、連續(xù)、自動(dòng)、無人值守等特點(diǎn),因此對(duì)監(jiān)測(cè)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(fù)雜度、低功耗、低成本的Zig Bee 技術(shù)設(shè)計(jì)一個(gè)農(nóng)業(yè)參數(shù)無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),利用太陽能給電池自動(dòng)充電,并且運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)思想,使監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可組合使用,提高通用性。1 總體功能和設(shè)計(jì)方案農(nóng)業(yè)通用無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)模塊(多個(gè)節(jié)點(diǎn)、接收模塊、傳感器接口模塊、太陽能充電模塊和計(jì)算機(jī)等組成。以基于Zi gBee 無線通信協(xié)議的CC2430芯片為核心構(gòu)建無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)采用星型結(jié)構(gòu),可配置多種傳感器(溫度、濕度、光照強(qiáng)

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(cè)節(jié)點(diǎn)自動(dòng)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(jī)通信。整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)多路模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)采集、無線發(fā)送和接收、與P C 機(jī)通信以及在PC 機(jī)上進(jìn)行顯示、分析和存儲(chǔ)等功能,可廣泛應(yīng)用在以下方面: 設(shè)施內(nèi)環(huán)境監(jiān)控,如溫室、畜禽/水產(chǎn)養(yǎng)殖場(chǎng)、儲(chǔ)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(cè)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(chǎng)、生產(chǎn)基地、科研教學(xué)基地等。2 硬件設(shè)計(jì)2.1 無線監(jiān)測(cè)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(gòu)建無線監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)和接收端2。Z i g -安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),Jou r n al ofAnhu iAgr.i Sc.i 2010,38(6:3149-3151責(zé)任編輯 劉月娟 責(zé)任校對(duì) 盧瑤功耗的省電模式,可以延長監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)電源的使用壽命。CC2430芯片只需少量外圍部件配合就能實(shí)現(xiàn)信號(hào)的收發(fā)功能(圖3。Z i g B ee 網(wǎng)絡(luò)由多個(gè)分布式無線節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)工作,各節(jié)點(diǎn)之間采用多跳方式遞送數(shù)據(jù), 效率較高。圖2 CC2430

10、芯片結(jié)構(gòu)框圖F ig .2 The structure block of CC2430chi 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(cè)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(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)的通用性,設(shè)計(jì)一個(gè)傳感器接口模塊,可根據(jù)實(shí)際需要配接多種常用的傳感器。C 總線、SPI 總線等接口,通過多路開關(guān)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(diǎn),

11、監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)采用2節(jié)可充電電池供電即可?？紤]到農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)具有長期、連續(xù)、自動(dòng)、無人值守的特殊要求,設(shè)計(jì)了太陽能充電模塊(圖4,在陽光充足時(shí)對(duì)可充電電池充電。太陽能電池是一種由于光生伏特效應(yīng)而將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能的器件,是一個(gè)半導(dǎo)體光電二極管。當(dāng)太陽光照到光電二極管上時(shí),光電二極管就會(huì)把太陽的光能變成電能,產(chǎn)生電流。多個(gè)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(diǎn)。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

12、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(shè)計(jì)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 upply圖5 主要硬件模塊實(shí)物F i g .5 The physi ca l goo ds o fm ai n hard warem o dul e3 軟件設(shè)計(jì)3.1 無線單片機(jī)軟件 無線單片機(jī)軟件主要實(shí)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

13、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(jìn)行發(fā)送。這里定義了一個(gè)結(jié)構(gòu)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(biāo)志3150安徽農(nóng)業(yè)科學(xué) 2010年圖6 軟件設(shè)計(jì)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(shí)際數(shù)據(jù),然后通過RS-232串口發(fā)送到上位機(jī)(PC機(jī)。RS-232串口

14、波特率為:波特率=256+BAU D_M 2BAUD_E228F(1式中,F為系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率。由式(1可以得到一些常用的波特率所對(duì)應(yīng)的寄存器baud_m和baud_e值的設(shè)置。3.2 上位機(jī)軟件 用VC+開發(fā)了上位機(jī)軟件,主要實(shí)現(xiàn)與CC2430串口通信、波形顯示、統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能。軟件開發(fā)中也貫徹通用性思想4,即采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)對(duì)顯示、分析模塊進(jìn)行設(shè)計(jì),將相應(yīng)屬性和功能封裝在類中。工作時(shí)可根據(jù)不同的監(jiān)測(cè)對(duì)象自動(dòng)調(diào)用合適的顯示風(fēng)格和分析統(tǒng)計(jì)算法。4 結(jié)論根據(jù)農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)的特點(diǎn),遵循通用性思想和模塊化設(shè)計(jì)思路,以基于Z i gBee協(xié)議的CC2430芯片為核心構(gòu)建了一個(gè)無線監(jiān)測(cè)系統(tǒng),能實(shí)現(xiàn)多路

15、模擬量和數(shù)字量的采集、無線發(fā)送和接收、與PC機(jī)通信以及在PC機(jī)上進(jìn)行顯示、分析和存儲(chǔ)等功能。系統(tǒng)具有以下特點(diǎn):可配置多種傳感器使用,通用性強(qiáng);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(shù),延長監(jiān)測(cè)電源壽命。該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于設(shè)施農(nóng)業(yè)、農(nóng)業(yè)園區(qū)等場(chǎng)所的參數(shù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)。參考文獻(xiàn)1孟泓.農(nóng)業(yè)生產(chǎn)信息采集技術(shù)的發(fā)展方向J.農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息,2006(12:35-38.2尹應(yīng)鵬,李平舟,郭志華.基于CC2430的Z i g B ee無線數(shù)傳模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)J.電子元器件應(yīng)用,2008,10(4:18-21.3汪紀(jì)鋒,肖河.藍(lán)牙技術(shù)在智能家居系統(tǒng)的應(yīng)用研究J.機(jī)電工程技術(shù),2008,

16、37(9:24-26.4江朝暉,高翠云,李瑩瑩.通用自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與算法仿真J.中國儀器儀表,2009(4:68-70.(上接第3145頁速率與浮油時(shí)間的乘積最大,而SI位列第2。由此可知,沉降對(duì)體系S I的影響較浮油更大。參考文獻(xiàn)1鄭瑞生,封輝,戴聰杰,等.不同單一膠體對(duì)花生乳穩(wěn)定性的影響J.食品與發(fā)酵工業(yè),2009,35(6:105-108.2D URAND A,F RANKS G V,HOS KEN R W.Parti cl e si zes and sta b ilit y ofUHT b ovi ne,cereal an d grai n m il k sJ.Food H yd

17、rocolloi ds,2003,17(5: 671-678.3趙謀明,林偉鋒,胡坤,等.多糖對(duì)大豆蛋白在水相介質(zhì)中乳化特性的影響研究J.食品工業(yè)科技,2002,23(6:31-34.4SCENI P,WAGNER JR.S t ud y on s odi u m casei nat e foa m stab ili ty b y mu-lti ple li ght scatteri ngJ.Food Sci ence and Tec hnol ogy Internati ona,l2007, 13:461-468.5MENG UAL O,MEUNI ER G,CAYRE I,et a.l T

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19、69.7V ANDERG HE M C,DA NT H I NE S,BLECKER C,et a.l E ffect of p roteose-pe p t one add i ti on on s o m e physi co-che m ical c h aracteri sti cs of reco mb i neddairy crea msJ.I n ternati onalDai ry J ourna,l2007,17:889-895.8杭鋒,郭本恒,任璐,等.基于混料設(shè)計(jì)優(yōu)化超高溫滅菌乳復(fù)配乳化劑J.化工學(xué)報(bào),2009,60(4:984-989.9D URAND A,HOS KE

20、N R W.E ffects ofho m ogen i sati on on the st ab ilit y ofam odel s oy f ood e m ulsi onC.Proceed i ngs of t he27th Australasian Che m-i calEngi neeri ng Confere nce,1999:746-752.10杭鋒,孟令潔,任璐,等.粘度對(duì)超高溫滅菌乳中脂肪球上浮的影響J.乳業(yè)科學(xué)與技術(shù),2009(1:10-13.11杭鋒,郭本恒,孟令潔,等.利用背散射光技術(shù)比較UHT牛奶三種復(fù)配穩(wěn)定劑的效果J.食品科學(xué),2009,30(7:36-39.12師延路.穩(wěn)定型花生醬的制作J.食品工業(yè),2