基于ZigBee的盆栽作物无线采集系统设计

基于ZigBee的盆栽作物无线采集系统设计

 

［摘要］本文采用Zigbee技术，设计多数据无线采集系统。通过此系统，可以实现各盆栽作物的大气温度、湿度、水位信息、土壤湿度和光照信息的采集，并经过Zigbee模块的CC2530完成数据的传输，使得盆栽作物的精细灌溉得以实现。

 

近年来，计算机、微电子、检测、通信和自动控制等信息技术取得了空前的发展，物联网、云计算、大数据及人工智能等一批新兴技术得到了广泛应用，不仅促进了工业的进步，也推动了精准农业的发展。而作物生长环境因子的监测则是精细农业理论研究和实践的重要内容之一。

 

1ZigBee技术概述

 

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议，具有近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率（＜250kbps）和高可靠的特点［1］。


ZigBee被认为是在传感器监测网络、远程控制、智能家居等领域发展前景最好的无线网络通信技术，其拓展性良好，可以嵌入其他各种设备。基于Zigbee的盆栽作物无线采集系统，将盆栽中的环境参数（如大气温湿度、光照强度、土壤温度和土壤湿度等）通过ZigBee无线网络进行数据的规模采集和集中管理。

 

2采集系统的设计

 

2.1系统整体设计

 

本系统采用星型网络拓扑结构，一个协调器节点和多个终端采集节点组成一个协调采集网络。由协调器负责将采集系统初始化，建立网络后，将网络地址分配到每个采集节点，采集节点开始初始化，开始进行多次测试采集，并将测试数据发送到协调器端，由协调器控制采集节点并判定其平均值是否符合预期值。此外，还将测试数据发送到服务端的测试接口，如果用户确认是否通过测试。终端采集节点将采集的数据和ID发送到协调器节点，由协调器封装发送到服务器。本采集系统的结构图如图1所示。

 

2.2传感器驱动设计

 

DHT11传感器驱动设计，首先由Zigbee协调器发起初始化数据请求，保持18ms，然后拉高数据线由DHT11处理并输出数据，程序从高位开始获取数据。其中，第1个字节是湿度整数位，第3个字节是温度整数位，第5个为校验位（即温度+湿度），数据接收完后清零，等待下次协调器发送数据请求，再执行大气温湿度的监测。其启动测量过程如图2所示。

 

BH1750与主控器之间的通讯使用的是标准的IIC通讯协议。并且在IIC总线上传送数据只有开始信号、结束信号和应答信号3种。BH1750通过IIC接口接收协调器的控制命令以及读取数据的命令，进行通讯测试，BH1750进行初始化，将发送数据到协调器上，测量精度最高达到0.11lx，量程为1～65535lx，非常适用于植物盆栽的环境光照强度的测量。其启动测量过程如图3所示。

 

将土壤湿度传感器正确连接协调器，此时红LED灯亮，而蓝LED灯灭，将金属物短接两端后，蓝LED灯亮起，模块工作正常。土壤湿度传感器正常工作后即可输出数据，通过A/D转换模块，将输出的高低电平转换成土壤湿度值，传送到协调器上（见图4）。

 

土壤温度DS18B20传感器（见图5），由于DS18B20是在一根I/O线上读写数据，因此，对读写的数据位有着严格的时序要求。DS18B20有严格的通信协议来保证各位数据传输的正确性和完整性。该协议定义了几种信号的时序：初始化时序、读时序、写时序［2］。根据工作协议，先通过以下流程读取温度数值，然后执行温度转换，将RAM中的数据进行BCD码转换确定温度数据，传送到协调器。

 

本研究介绍了一种基于Zigbee技术的盆栽作物的集成采集系统，并给出了详细的系统设计方案，从驱动层面，硬件层面描述了设计和实现方法。测试表明，将低成本、低功耗的无线Zigbee技术应用到盆栽生长的数据的采集，不但能自动对作物的生长数据进行实时的监测，而且提高了生产水平，方便管理盆栽［3］。此外，Zigbee相比于其他传统的监测系统具有更加灵活和强大的网络功能，为在大型种植基地的广泛应用提供了基础和条件。