基于ZigBee的土壤墒情监测系统设计

朱彬

摘要

土壤墒情监测，依据要求能够采集农业环境参数，如此从数据上剖析得到相关环境参数，为本设计供应更可靠的依据。设计选用软件和硬件结合，硬件选用ZigBee模块。ZigBee模块主要负责数据采集传输，因要采集温、湿度和光照强度，所以在比较了各种传感器后，湿度传感器YL-69，温度传感器DS18B20，光照强度传感器BH1750为最终拣选。传感器所采集到的数据经过ZigBee模块传输给协调器，由协调器在传送计算机终端进行显示和监测。可实现对一定范围内的土壤摘情和环境进行监测，最终实现节水灌>A的智能化农业系统。

【关键词】ZigBee 传感器 土壤墒情

国内目前使用的最多的灌溉系统主要采用定时方式，根据经验设定灌溉时间来实现定时定量灌溉。但是由于土壤的灌溉需求受空气的温湿度、光照强度、土壤含水量等多种因素影响，所以根据经验来实施灌溉并不能达到精确灌溉的目的。所以本文设计了ZigBee无线传感器的土壤水分监测体系，它能够收罗监测温湿度、光照强度。并将采集信息进行融合、分析最终根据特定的灌溉策略控制电磁阀的开关以实现精细灌溉。无线传感技术适用范围广，本设计主要以农业监测为研究对象，减少劳动力，便于管理者管理和监测。

1 系统总体设计方案

设计分为数据收集和传感器节点两部分，有三个传感器和ZigBee模塊共同组成。ZigBee模块也起到了协调器的作用，终端节点采集的数据通过网络传输到协调器并显示。分析采集的数据来判断环境参数是否符合农作物的生长，是否需要灌溉，整体的结构如图1所示。

（1）传感器主要职责就是采集监测对象的生长环境中的温度、湿度、光照这些数据;

（2）ZigBee模块的主要功能是将传感器模块收集的数据无线传输到协调器并显示。

2 硬件设计

2.1 稳压电路设计

本次设计要考虑到ZigBee模块的工作电压为3.3V。想要电源可靠稳定的给ZigBee模块供电，就要一个电源适配器，在ZigBee模块上设计一个AMS1117芯片，这个芯片起到一个降压的作用，满足了电源的设计要求，从而可以稳定的供电，以保证实验的顺利进行，原理图如图2所示。

2.2 土壤湿度检测电路设计

本设计采用的土壤湿度传感器的型号是YL-69，测量土壤湿度的数据，左边是土壤的探头，中间部分是放大信号，右边部分为传输信号，如图3所示。

2.3 DS18B20温度检测电路设计

农业生产和温度是密不可分，为了提高生产效率和保证产品质量就必须控制温度。本次设计选用的温度传感器DS18B20，拥有导热性高、防水防潮的功效，使传感器不易受到破坏，保障了温度传感的高灵敏性，适用于恶劣环境的现场温度测量。如图4所示。

2.4 BH1750光照强度检测电路设计

本次设计选用了BH1750光照强度传感器，优点在于它能够直接输出一个数字信号，收集的数据直接以数字的方式表现在显示屏上，不在需要在做繁琐的计算，可以直接经过光度计来测量。如图5所示。

2.5 LCD接口电路设计

文中采用Nokia 5110显示屏价格低廉，可以显示更多的字符，5110显示屏对应8位排针P2的插入方向，P10、P11、P12、P13、P14插入协调器对应插口，6、7为电源接口，8为接地。电路图如图6所示。

3 软件设计

3.1 监测节点设计

监测节点的工作流程如图7所示。在监测节点这部分，传感器只负责接收命令，首先初始化，然后把CC2530进行初始化，然后初始化CPU并加载SPI驱动，让后寻找附近是否有网络选择是否加入，由于整个系统电池供电，所以必须降低功耗，保证电源有电，然后初始化传感器模块并采集数据，对数据进行处理，然后通过无线传输发送到显示器并显示在显示屏上。

3.2 协调器节点设计

在整个系统中，协调器的作用是接收其他节点发送来的数据，将它们汇总并通过串口发送到主控制器上，即PC机。PC机将这些数据接收后对它们进行相应处理和分析。协调器不仅可以接收其他节点发来的数据，也可向其他节点发命令。当控制器分析数据后要对其他节点发出控制命令时，都由协调器向外发送。当其他节点同时向协调器发送数据时，就有可能会出现数据冲突现象。协调器可能会漏掉一些数据的接收。此时其他节点会继续发送数据，当协调器响应并接收数据时，节点完成此动作。在系统的整个运行过程中，协调器始终处于开启状态。

4 系统调试

4.1 硬件调试

具体要测试三个传感器是否正常工作，采集的数据是否准确，通过具体的试验数据来进行硬件模块调试，图8是光照强度BH1750调试测得的数据柱形图和温度DS181320调试测得的数据柱形图。

4.2 软件调试

所有参数的软件设置，添加代码，按F7编译和连接的项目，然后单击“项目”菜单进入调试界面，或按按钮在工具栏的程序也可以下载，程序下载完成以后，经过USB接口把监测节点与电脑结合，就能够进入IAR编译环境进行仿真调试在这个过程当中，参数的设立不可有误。

5 结论

经过试验测试，系统能够通过终端节点采集光照、温度和湿度信息，并通过ZigBee网络传输到协调器节点并显示。能够实现对土壤墒情的准确监测，为农民提供可靠的农业环境信息，便于节水灌溉和农作物管理，达到了设计要求。由于时间及自身水平有限等原因，该设计还有许多不够完美的地方，以后继续改善。例如，越线报警机制，就可以采用在此次设计中，还可以加上继电器，用来控制温度、湿度的装置。采用报警系统，当管理者发现系统报警，通过上位机对主模块下达指令，启动相应装置，从而对湿度、温度起到控制作用，如果以后有机会，还会继续完善。

参考文献

[1]高正红.基于单片机的智能花卉温室监控系统设计[J].安徽电子信息职业技术学院学报，2013（04）：1-3.

[2]黄同，邵思飞.一种基于CH340T的STC89C52RC编程器设计[J].电子测试，2013（12）：16-17.