基于ZigBee的农业通用无线监测系统设计_图文

1、基于ZigBee 的农业通用无线监测系统设计江朝晖,焦俊,潘炜,李绍稳(安徽农业大学信息与计算机学院,安徽合肥230036摘要 根据农业监测的特点,采用低功耗Zi gBee 无线通信技术,设计一个多参数无线监测系统。遵循通用化和模块化设计思想,传感器和功能模块可组合配置,通用性强,使用灵活、方便。采用低功耗通信协议、芯片以及太阳能充电技术,延长监测电源寿命。该系统可广泛应用于设施农业、农业园区等场所的参数自动监测。关键词 农业参数;通用无线监测系统;Z i gBee ;模块化设计中图分类号 S24 文献标识码 A 文章编号 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基金项目 安徽农业大学引进人才科研资助项目(y j 2008-21;安徽高校省级自然科学研究重点项目(K J 2009A027Z。作者简介 江朝晖(1968-,男,安徽桐城人,副教授,从事数据采集与信息处理方面的研究。 收稿日期 2009-11-16现代农业将电子、计算机、通信和自动控制等信息技术引入到

6、本领域中,朝着精细农业、数字农业的方向发展。定量获取和分析农业环境参数,或者对农业目标进行实时自动监测,是现代农业的一个基本要求。农业监测目标具有分散性、多样性、多变性及环境偏僻等特点。监测地点可以是温室、大棚、果园、仓库、养殖场、加工车间或野外。检测目标可以是温度、湿度、光照、振动、压力、水/土壤/空气成分等。设计农用监测系统时需要充分考虑这些问题1。无线传感器网络是由低成本、低功耗的具有传感、计算与通信能力的传感器节点构成的网络系统,非常适合分散、野外目标的自动监测。节点之间采用近距离无线通信方式,比如蓝牙、Zig Bee 技术等。为了适应目标的多样性和多变性,研制具有通用性的监测模块是非

7、常必要的。具体应用时,只需配置不同模块电路和传感器即可,方便使用,节约成本。另外,农业监测具有长期、连续、自动、无人值守等特点,因此对监测系统电源提出了更高的要求。笔者采用新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低成本的Zig Bee 技术设计一个农业参数无线监测系统,利用太阳能给电池自动充电,并且运用模块化设计思想,使监测系统可组合使用,提高通用性。1 总体功能和设计方案农业通用无线监测系统由监测模块(多个节点、接收模块、传感器接口模块、太阳能充电模块和计算机等组成。以基于Zi gBee 无线通信协议的CC2430芯片为核心构建无线监测系统,监测网络采用星型结构,可配置多种传感器(温度、湿度、光照强

8、度等,模拟式、数字式,I 2C 接口、SPI 接口等,通过传感器接口模块与微处理器连接。太阳能充电模块为监测节点自动供电。接收端可选择配置键盘、LCD 显示器,或者通过RS232串口和PC 机通信。整个系统结构如图1所示。该系统可实现多路模拟信号和数字信号采集、无线发送和接收、与P C 机通信以及在PC 机上进行显示、分析和存储等功能,可广泛应用在以下方面: 设施内环境监控,如温室、畜禽/水产养殖场、储存仓库、工厂车间等; 各类农业图1 农业通用无线监测系统框图F i g .1 The str uct ure bloc k of general agric ult ural w i rel e

9、ssmonitoring syste m园区、示范农场、生产基地、科研教学基地等。2 硬件设计2.1 无线监测和接收模块 以基于Z i gBee 无线通信协议的CC2430芯片为核心构建无线监测节点和接收端2。Z i g -安徽农业科学,Jou r n al ofAnhu iAgr.i Sc.i 2010,38(6:3149-3151责任编辑 刘月娟 责任校对 卢瑶功耗的省电模式,可以延长监测节点电源的使用寿命。CC2430芯片只需少量外围部件配合就能实现信号的收发功能(图3。Z i g B ee 网络由多个分布式无线节点协调工作,各节点之间采用多跳方式递送数据, 效率较高。图2 CC2430

10、芯片结构框图F ig .2 The structure block of CC2430chi p图3 CC2430模块电路F i g .3 The ci rcuit o f CC2430module2.2 传感器接口模块 由于农业监测量种类繁多,需要采用不同的传感器。有些是模拟式传感器,有些是数字式,且数字式传感器有不同的总线接口方式,如I 2C 、SP I 等。为了实现监测的通用性,设计一个传感器接口模块,可根据实际需要配接多种常用的传感器。C 总线、SPI 总线等接口,通过多路开关和跳线方式选择连接到CC2430的数字I/O 口。2.3 太阳能自供电模块 由于CC 2430具有低功耗特点,

11、监测节点采用2节可充电电池供电即可。考虑到农业监测具有长期、连续、自动、无人值守的特殊要求,设计了太阳能充电模块(图4,在阳光充足时对可充电电池充电。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件,是一个半导体光电二极管。当太阳光照到光电二极管上时,光电二极管就会把太阳的光能变成电能,产生电流。多个电池串联或并联,就可以成为有较大输出功率的太阳能电池方阵。太阳能电池是一种大有前途的新型电源,具有永久性、清洁性和灵活性三大优点。太阳能电池寿命长,可以一次投资而长期使用。采用MAX1555作充电控制芯片,MAX1555外接电路简单,大大减少了充电控制系统功耗、成本及体积。稳压控制

12、芯片采用MAX8881。MAX8881是超低电源电流、低压降线性稳压器,是专为电池供电设计的3。其他硬件还包括键盘、LCD 模块、RS232串口模块等。主要硬件模块见图5 。图4 太阳能充电模块框图F i g .4 The block of solar -charged po w er s upply图5 主要硬件模块实物F i g .5 The physi ca l goo ds o fm ai n hard warem o dul e3 软件设计3.1 无线单片机软件 无线单片机软件主要实现数据采集、无线发送、无线接收、RS -232串口通信等功能,采用I AR EmbeddedW or

13、kbe nch 集成环境开发软件。(图6发送端按照一定的格式将数据打包,然后进行发送。这里定义了一个结构体类型:ty pedef str uctBYTE payl oadLe ngt h ;/数据长度BYTE dest A ddress ;/目的地址BYTE fla gs ;/是否发送成功的标志3150安徽农业科学 2010年图6 软件设计流程F i g.6 The flo w of soft ware desig nBYTE*pa yload;/所要发送的数据的指针SPP_TX_STR UCT;接收方根据数据包的格式取出实际数据,然后通过RS-232串口发送到上位机(PC机。RS-232串口

14、波特率为:波特率=256+BAU D_M 2BAUD_E228F(1式中,F为系统的时钟频率。由式(1可以得到一些常用的波特率所对应的寄存器baud_m和baud_e值的设置。3.2 上位机软件 用VC+开发了上位机软件,主要实现与CC2430串口通信、波形显示、统计分析、数据存储等功能。软件开发中也贯彻通用性思想4,即采用面向对象技术对显示、分析模块进行设计,将相应属性和功能封装在类中。工作时可根据不同的监测对象自动调用合适的显示风格和分析统计算法。4 结论根据农业监测的特点,遵循通用性思想和模块化设计思路,以基于Z i gBee协议的CC2430芯片为核心构建了一个无线监测系统,能实现多路

15、模拟量和数字量的采集、无线发送和接收、与PC机通信以及在PC机上进行显示、分析和存储等功能。系统具有以下特点:可配置多种传感器使用,通用性强;各模块可组合使用,灵活、方便;采用低功耗通信协议、芯片以及太阳能充电技术,延长监测电源寿命。该系统可广泛应用于设施农业、农业园区等场所的参数自动监测。参考文献1孟泓.农业生产信息采集技术的发展方向J.农业网络信息,2006(12:35-38.2尹应鹏,李平舟,郭志华.基于CC2430的Z i g B ee无线数传模块的设计和实现J.电子元器件应用,2008,10(4:18-21.3汪纪锋,肖河.蓝牙技术在智能家居系统的应用研究J.机电工程技术,2008,

16、37(9:24-26.4江朝晖,高翠云,李莹莹.通用自动测试系统软件设计与算法仿真J.中国仪器仪表,2009(4:68-70.(上接第3145页速率与浮油时间的乘积最大,而SI位列第2。由此可知,沉降对体系S I的影响较浮油更大。参考文献1郑瑞生,封辉,戴聪杰,等.不同单一胶体对花生乳稳定性的影响J.食品与发酵工业,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赵谋明,林伟锋,胡坤,等.多糖对大豆蛋白在水相介质中乳化特性的影响研究J.食品工业科技,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

18、 URBIS CAN MA2000:mu-lti ple li ght scatteri n g meas u re m ent f or concentrate d e mu l si on and sus pen-si on i nstab ili ty anal ysi sJ.Tala n t a,1999,50:445-456.6GR OTEN HUIS E,RE MCO T,KR U I F C G.Phas e sta b ilit y of conce n trateddai ry product sJ.Journal ofDair y Science,2003,86:764-7

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杭锋,郭本恒,任璐,等.基于混料设计优化超高温灭菌乳复配乳化剂J.化工学报,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杭锋,孟令洁,任璐,等.粘度对超高温灭菌乳中脂肪球上浮的影响J.乳业科学与技术,2009(1:10-13.11杭锋,郭本恒,孟令洁,等.利用背散射光技术比较UHT牛奶三种复配稳定剂的效果J.食品科学,2009,30(7:36-39.12师延路.稳定型花生酱的制作J.食品工业,2