马本骥 张静雅

摘要 本文利用ZigBee和无线传感技术完成农田土壤墒情监测系统的节点软、硬件设计和数据无线传输。系统采用模块化设计思想，选用CC2430为节点主控和无线收发模块，通过SPI总线进行数据通信和命令发送；利用Z-Stack协议栈实现程序的设计，整个系统具有结构简单、性能稳定、组网迅速等特点，在无线传感领域具有广阔的应用前景。

关键词 土壤墒情；ZigBee技术；无线传感网络；系统设计

中图分类号 TP274+.1 文献标识码 A 文章编号 1007-5739（2018）19-0237-03

Abstract Using ZigBee and wireless sensor technology，the node software and hardware design and wireless data transmission of farmland soil moisture monitoring system were completed.The system adopted the idea of modularization design，CC2430 was selected as the node master control and wireless transceiver module，data communication and command transmission were carried out through SPI bus.The program design was completed by Z-Stack protocol stack，the whole system was characterized by simple structure，stable performance and rapid networking，which had broad prospects in the wireless sensor field.

Key words soil moisture；ZigBee technology；wireless sensor network；system design

我国是传统农业大国，农业是我国经济发展的基础产业，当前我国农业发展面临着诸多问题和挑战。可以利用的耕地资源不断减少，长期过度耕作和化肥、农药滥用所导致的耕地质量退化，快速工业化发展所带来的灌溉水污染等因素严重制约了农业可持续发展和粮食的增产、增收。利用现代前沿技术对农田土壤进行实时监测，及时了解、掌握土壤墒情，合理调整种植结构，调节地温和水肥可实现粮食增产和农业可持续发展，并促进传统粗放型农业转变为现代集约型农业[1]。

长期以来，国内对农田的监测大量采用的是有线监测方式，这种监测方式具有布线难度大、监测成本高、不便于规模的扩展等诸多弊端；ZigBee技术是一种基于IEE802.15.4协议标准的近距离无线双向通信技术，具有短距离、低速率和低成本等特点，目前广泛应用于工业网络测控、环境监测、家庭自动化和智能建筑等诸多领域。本文以无线通信技术为基础，利用ZigBee技术实现农田土壤墒情（如土壤的温度、湿度和酸碱度）的采集、传输，探讨实现农田耕作精细化、农业管理智能化的途径[2]。

1 系统的结构

系统采用树形网状拓扑结构，其硬件部分由若干个路由节点及传感器节点、1个汇聚节点和1台PC机构成，其结构如图1所示。

传感器节点模块集传感器模块、数据处理模块和无线通信模块为一体，选择适当的传感器，利用单片机完成农田土壤墒情数据的实时采集和打包，考虑到CC2430 ZigBee芯片采用技术成熟的8051作为处理器这一特点，无线传输模块采用CC2430为核心芯片设计无线收发硬件，接收和发送传感器节点所采集到的实时土壤数据，通过USB接口传输到PC终端，使技术人员能及时了解土壤的基本信息，为其后的决策提供依据和参考[3]。

2 系统数据采集模块的硬件设计

2.1 数据采集电路设计

系统硬件部分主要由土壤墒情信息采集、ZigBee无线通信、显示以及外围电路几部分构成，其中数据采集模块主要包含土壤的水分、温湿度和酸碱度等参数采集模块，数据的前端处理模块、现场显示模块和串口通信模块几个主要单元组成，其结构如图2所示。其中，温湿度信号的检测采用SHT11数字式温湿度传感器作为检测元件，实现采样数据的数字化，可减少采样数据的前端预处理环节，提高设备的抗干扰能力，该检测元件具有测量范围广、测量精度高、使用方便、信号输出模式可选等优点，广泛应用于农业灌溉系统、土壤墒情监测和过程控制等领域。土壤水分的检测采用MS10-B电流输出型土壤水分变送器作为检测元件，其输出信号为4～20 mA电流信号。酸碱度监测主要是监控土壤的pH值，选用JASP2801土壤pH传感器作为监测元件，其输出4～20 mA电流信号，JASP2801采集的信号和MS10-B输出信号经过预处理后转化成电压信号，通过串行A/D转换器TLC2543L串行转换成数字信号传送给处理器CC2430，系统采取软件方式实现SPI功能，其中通道的选择由软件进行设定，有CC2430的P2.0引脚输出数据的高4位（D4～D7）确定，转换后的数据由TLC2543L的DATAOUT线串行传送给CC2430的P2.1进行现场处理，其电路如图3所示[4]。

2.2 电源的监控

整个监测系统由于传感器节点数目较多，其供电方式采用电池供电方式，因而电源的低功耗设计显得尤为重要。电源设计选用DC-DC MAX756芯片，以达到电源的节能目的，其电路如图4所示。该电路满载时供电效率达到87%，同时能够保证在电源跌至0.7 V時电路仍然由3.3 V电压输出，电路中LBO为低电压监测输出端，当电压跌至1.25 V时其输出有效低电平至CC2430的P0.0，处理器据此进行相应处理。

2.3 传感与路由节点的设计

土壤墒情的数据采集主要由相关传感器完成，无线传感器网络的无线数据传输由ZigBee模块实现，具体选用CC2430芯片来实现，传感器节点的结构如图5所示。温度传感器、土壤湿度传感器和酸碱度传感器采集的数据经过调理、放大、转换等环节的预处理后与ZigBee模块相连接，由CC2430芯片对现场采集的数据进行分析处理，并通过天线与路由节点或网关进行无线通信，完成数据的传输[5]。

2.4 終端节点与串行通信接口的设计

系统的终端节点主要完成并实现加入协调器建立的ZigBee网络，无线数据的收发，控制、接收传感器的现场数据采集和与PC机的通信。考虑到系统采用3.3 V供电，选用CH340芯片实现终端节点主协调器与PC机之间的通信和电平的转换，其工作电压为3.3～5.0 V，接口电路如图6所示。

3 系统的软件设计

系统软件的设计主要包括无线传感网络的组建、传感器的控制以及土壤墒情数据的采集与发送。数据的采集主要由传感器节点完成，无线传感网络主要负责配置和管理网络，如定义网络的信道和标识符、处理节点的加入和网络的绑定、为其他节点分配网址；另一方面负责接收各个节点传送的数据并将其汇总，利用串行接口传送给上位PC机进行数据的进一步处理。系统经过初始化后由建立新的网络，传感器节点和路由节点搜索并申请加入，传感器节点采集并传送给路由节点，路由节点传送给协调器，由协调器进行数据汇总传送给PC机。协调器工作流程如图7所示，传感器节点工作流程如图8所示，路由节点的工作原理与协调器原理相仿。

4 结语

ZigBee技术下农田土壤墒情监测系统主要是利用其特有的低成本、低功耗特点，以ZigBee技术为基础组建无线传感网络，实现对于农田的基础数据的采集。系统具有数据采集节点多、数据传输可靠性较高以及数据传输距离较远等特点，解决了传统有线监测系统存在的缺陷和不足，推动了传统农业由粗放型向智能型、精细型转变，具有广阔的应用前景。

5 参考文献

[1] 赵历明.ZigBee技术在农业物联网中的应用[J].齐齐哈尔大学学报，2018（1）：53-57.

[2] 韩廷阁，李书琴.基于ZigBee的土壤湿度无线采集系统节点设计[J].农机化研究，2010，32（12）：154-159.

[3] 陈莉.基于ZigBee协议的环境监测无线传感器网络测量节点的设计[D].上海：上海交通大学，2008.

[4] 徐碧赢.基于ZigBee的终端采集设备研究与实现[J].电子设计工程，2018（2）：150-153.

[5] 宋连庆.ZigBee无线传感器网络平台设计与实现[J].计算机与数字工程，2018（3）：508-511.

[6] 周景文.基于ZigBee无线网络用电信息采集系统设计[J].太原科技大学学报，2017（6）：434-439.