CN202353826U - 一种基于ZigBee技术的农田监控系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于ZigBee技术的农田监控系统，包括在农田中分布设置的至少两个用于实时采集农田信息的无线采集节点和一个无线终端节点，各节点构成无线网络；无线采集节点由采集ZigBee模块、MCU和传感器构成，传感器输出连接MCU，MCU与采集ZigBee模块通讯连接，传感器采集的农田信息通过MCU传输到采集ZigBee模块，由采集ZigBee模块发送到无线网络中；无线终端节点包括终端ZigBee模块及与之通讯连接的用户终端PC，终端ZigBee模块将从无线网络中接收的农田信息传输到用户终端PC上。本实用新型使用简单、安装方便、适应性强、自愈能力强。

Description

一种基于ZigBee技术的农田监控系统

技术领域

本实用新型涉及一种农田监控系统，特别是基于ZigBee技术的具有大范围、可移动、实时数据采集、传输和存储的监控系统。

背景技术

农作物的生长受到各方面因素的共同影响。在自然环境中，存在着各种各样影响农作物产量的因素，其中尤以温湿度的对农作物产量的影响最为巨大。所以实现农田信息快速、实时和连续的采集监控对现代农业生产具有重要而深远的意义。传统的农田监控系统是采用有线的方式实现的，这种时实现方式存在着很多弊端。如造价高昂、设备笨重、监控点少、监控范围小、监控点固定不可移动、布线困难、维护工作量大、监控数据不能长时间大容量存储等。同时，这种系统的抗毁性也比较差，一旦某处线路出现问题可能导致整个系统无法共工作，在很大程度上限制了系统的可靠性。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于ZigBee技术的农田监控系统，以解决现有农田监控系统监测范围小抗毁性差等问题。

为实现上述目的，本实用新型的方案是：一种基于ZigBee技术的农田监控系统，包括在农田中分布设置的至少两个用于实时采集农田信息的无线采集节点和一个无线终端节点，各节点构成无线网络；无线采集节点由一个采集ZigBee模块、一个MCU和至少一种传感器构成，传感器输出连接MCU，MCU与采集ZigBee模块通讯连接，传感器采集的农田信息通过MCU传输到采集ZigBee模块，由采集ZigBee模块发送到无线网络中；无线终端节点包括终端ZigBee模块及与之通讯连接的用户终端PC，终端ZigBee模块将从无线网络中接收的农田信息传输到用户终端PC上。

所述ZigBee模块与MCU通过串口通讯连接。

所述终端ZigBee模块与用户终端PC通过串口通讯连接。

至少一个无线采集节点还设有存储接口电路。

所述存储接口电路为U盘/SD卡读写电路。

所述U盘/SD卡读写电路包括与对应采集节点的MCU通过SPI总线连接的CH376。

所述传感器至少包括温度传感器。

所述MCU为STC12C5A60S2单片机。

所述采集ZigBee模块和终端ZigBee模块采用以CC2530为核心芯片的无线模块。

针对农业生产过程中的监控实时性、连续性、长期性、灵活性要求较高，而且范围大的特点，本实用新型将各无线采集节点和终端节点利用ZigBee无线网络技术进行组网，ZigBee协议因其短程、低速、廉价的特点非常适合用于农田监控。无线采集节点实时、连续地进行数据采集并将采集得到的数据通过无线网络收发传送到终端节点上，然后进一步进行数据的整理、分析和存储等工作。ZigBee技术的无线传输网络使用简单、安装方便、适应性强；而且根据其组网方式，单个节点的故障并影响整个网络运行，自愈能力强，大大提高了系统的稳定性和抗毁性；而且由于节点不是固定的，所以方便移动调整；解决了现有农田监控系统成本高昂、调试复杂、检修困难等难题。

附图说明

图1是本实用新型的一种结构示意图；

图2是本实用新型的另一种结构示意图；

图3、图4是无线采集节点的采集ZigBee模块与MCU的通讯电路原理图；

图5是存储接口模块电路原理图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本实用新型做进一步介绍。

如图1所示为本实用新型基于ZigBee技术的农田监控系统的一种最简单的结构示意图，图中共3个节点，2个节点为无线采集节点，另一个为无线终端节点。图2表示更多无线采集节点的网络。无线采集节点由采集一个ZigBee模块、一个MCU和各种传感器（包括温度传感器、湿度传感器等等）构成，传感器输出连接MCU，MCU与采集ZigBee模块通讯连接，传感器采集的农田信息通过MCU传输到采集ZigBee模块，由采集ZigBee模块发送到无线网络中；无线终端节点包括终端ZigBee模块及与之通讯连接的用户终端PC，终端ZigBee模块将从无线网络中接收的农田信息传输到用户终端PC上。

MCU将传感器采集到的数据传给采集ZigBee模块,MCU与ZigBee模块之间通过串口进行通信；采集ZigBee模块与其他采集ZigBee模块、终端ZigBee模块之间互相连接构成无线网络，互相之间通过无线网络进行通信。

本实用新型采用STC12C5A60S2作为节点控制MCU，采用CC2530作为采集和终端ZigBee模块。关于MCU与其对应的ZigBee模块的连接如图3、图4所示。ZigBee模块提供串口输出，可以直接与PC串口进行通讯。

上述方式中，从PC可以进行整理、分析和存储数据的操作，作为其他实施方式，还可以在任一个无线采集节点上增设一个存储接口模块，用于连接U盘或者SD卡的存储设备，将采集的数据进行存储，如图2所示。一般来讲，该节点是比较重要的监控点节点，所存储的数据是全部节点的采集数据也可以是该节点的数据。作为其他实施方式，采集节点数量可以有很多（不超过ZigBee协议上限数量），以方便采集整个农田的信息。

存储接口模块为U盘/SD卡存储模块，与MCU之间采用SPI总线进行通信，电路以CH376为核心芯片。具体电路如图2所示。

以下是器件选择中的一些具体情况。

在选择传感器的过程中，主要考虑能耗、测量范围与精度、成本与体积等因素。综合考虑，本实用新型最终采用DS18b20温度传感器。其采用独特的一线接口，只需要一条口线通信，简化了分布式温度传感的应用，无需外部元件并且可用数据总线供电，电压范围为3.0 V至5.5 V 无需备用电源，测量温度范围广（-55 ° C—+125 ℃） ，测温范围内精度高（约为±0.5 ° C）。耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，因此非常适用于本实用新型的农田监控系统。同时，为了使系统具有很好的扩展性、灵活性，系统在设计时增加了传感器扩展接口，可扩展对其他传感器，如CO：浓度、土壤的pH值、EC值和作物的生理参数等的测量。

在无线传输部分，综合考虑其功耗、成本、传输速率、传输距离以及组网复杂程度等因素，最终本实用新型采用了基于ZigBee技术的DRF1605无线ZigBee传输模块。Zigbee是IEEE 802.15.4协议的代名词，根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。是一种新兴的近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，它是一种介于无线标记技术和蓝牙之间的技术提案。主要用于近距离无线连接。它依据802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电将数据从一个网络节点传到另一个节点，所以它们的通信效率非常高。

如图3、图4，为本实用新型所采用的DRF1605无线ZigBee传输模块通信电路原理图，其中D型插头3管脚与SP3232芯片的输入管脚R1IN相连，SP3232芯片输出管脚R1OUT与CC2530芯片P0.2端口相连；CC2530芯片P0.3管脚与SP3232芯片的输入管脚T1IN相连，SP3232芯片输出管脚T1OUT与D型插头2管脚相连；D型插头8管脚与SP3232的输入管脚R2IN相连，SP3232芯片输出管脚R2OUT与CC2530芯片P0.4管脚相连；CC2530芯片P0.5管脚与SP3232的T2IN管脚相连，SP3232芯片T2OUT管脚与D型插头7管脚相连。该模块以片上系统CC2530为核心芯片，通过+3.0V 到+5.5V RS-232 收发器SP3232E完成模块与模块之间、模块与采集MCU之间及模块与PC机之间的通信， CC2530是一个兼容IEEE 802.15.4的真正的片上系统。支持专有的802.15.4市场以及ZigBee、ZigBee PRO和ZigBeeRF4CE标准。CC2530提供了101dB的链路质量，优秀的接收器灵敏度和良好的抗干扰性，四种供电模式，多种闪存尺寸，以及一套广泛的外设集——包括2个USART、12位ADC和21个通用GPIO等。除了通过优秀的RF性能、选择性和业界标准增强8051MCU内核，支持一般的低功耗无线通信，CC2530还配备了系统内可编程闪存，8-KBRAM等许多其他强大的功能。

在U盘存储部分考虑到存储硬件的简便性、便携性、存储速率及稳定性等因素，本实用新型采用以CH376为核心芯片的U盘读写模块。CH376是文件管理控制芯片，常用于单片机系统读写 U 盘或者 SD 卡中的文件内容。CH376 支持 USB 设备方式和 USB 主机方式，并且内置了 USB 通讯协议的基本固件，内置了处理Mass-Storage 海量存储设备的专用通讯协议的固件，内置了SD 卡的通讯接口固件，内置了FAT16和FAT32 以及 FAT12 文件系统的管理固件，支持常用的 USB 存储设备（包括 U 盘/USB 硬盘/USB 闪存盘/USB读卡器）和SD卡（包括标准容量SD 卡和高容量HC-SD 卡以及协议兼容的MMC 卡和 TF 卡）。CH376 支持三种通讯接口：8 位并口、SPI 接口或者异步串口，单片机/DSP/MCU/MPU 等控制器可以通过上述任何一种通讯接口控制CH376芯片，存取U 盘或者 SD 卡中的文件或者与计算机通讯。CH376支持1.5Mbps 低速和12Mbps全速 USB 通讯，支持USB-HOST主机接口和USB-DEVICE设备接口，支持动态切换主机方式与设备方式。支持USB 设备的控制传输、批量传输、中断传输。自动检测USB设备的连接和断开，提供设备连接和断开的事件通知。提供磁盘管理功能、文件管理功能以及文件读写功能，以完成磁盘初始化、查询物理容量、查询剩余空间、物理扇区、读写打开、新建或删除文件、枚举和搜索文件、创建子目录、支持长文件名以及以字节为最小单位或者以扇区为单位对多级子目录下的文件进行读写等功能。本实用新型采用了SPI接口通讯模式，节省了单片机I/O口，操作简单，很好的实现了采集数据的快速、长期存储。

采用STC12C5A60S2作为节点控制MCU。STC12C5A60S2单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，速度是传统8051单片机的8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S，即25万次/s)。由于传感器节点及其控制和传输电路采用的是电池供电，而且必须长时间在野外工作，气候条件复杂多变，环境恶恶劣。所以在选择微处理器时低功耗是一个非常重要的技术指标。STC12C5A60S2系列单片机低功耗的特性很好的满足了系统的这一需求，同时，农田监控系统中许多传感器采集到的是模拟量，需要进行A/D转换。STC12C5A60S2系列单片包含中央处理器(CPU)、程序存储器(Flash)、数据存储器(SRAM)、定时/计数器、UART串口、串口2、I/O接口、高速A/D转换、SPI接口、PCA、看门狗及片内R/C振荡器和外部晶体振荡电路等模块。几乎包含了数据采集和控制中所需的所有单元模块，其内置的10位A/D转换完全可以满足本实用新型中对各监控量采样的速度和精度要求。

本实用新型的远程监测中心数据管理软件采用C++开发工具设计，采用B／S体系结构，主要功能是侦听Socket请求，并建立网络连接。将接收到的数据存储到指定IP地址的服务器的数据库中，用户可以通过客户端浏览器实现数据的浏览和下载、提取及更新等操作。数据接收采用Socket网络通信机制，监听本地IP地址的绑定端口，如果有远程IP请求，则接受请求并建立连接，同时启动数据接收，接收该TCP连接发来的数据，并根据数据包协议完成数据解析。然后根据数据的采集时间，采用时段划分的数据存储管理方式，将解析后经验证合法的有效数据，存储到数据库对应表格的对应属性字段中，包括监测区编号、发送该数据包的节点编号、传感器测得的数据值和该数据包经由的传输路径等。在需要数据分析可以从数据库表中读取监测量数据，绘制各节点的数据变化曲线，分析监测量连续变化的特性等。

如图2，系统工作过程如下：使用各种传感器采集农田的各种信号，经过放大处理送给MCU的输入端，MCU的输出端和ZigBee模块相连，通过ZigBee网络发送给无线终端节点，无线终端节点将接受的数据通过串口通讯把数据发送给PC机，并在PC机显示屏中把采集得到的数据显示出来，同时把采集得到的数据，通过CH376芯片存储到U盘/SD卡中。

基于ZigBee的农田监控系统解决了农田长时间、大容量、实时采集、数据存储的难题。通过传感器实时采集农田各种信息，通过ZigBee网络把信息显示到PC机串口并把采集得到的数据存储到U盘中去，与传统的农田监控系统相比，节省了成本、提高了工作效率、具有显著的经济效益和社会效益。

本实用新型的优点如下：

网络组建简单：ZigBee具有自动组网功能,网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网路。增加或者删除一个节点，节点位置发生变动，节点发生故障等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应的调整，无需人工干预，保证整个系统仍然能够正常工作。

灵活性大：本实用新型是基于ZigBee技术的监控系统，各传感器之间通过无线网络进行通信，没有有线通信中信号线的束缚，所以监控点的选择更加灵活、监控范围更加广 ，监控点的移动、增加、减少等都更加的方便，且不会对整个系统稳定造成影响。

数据大容量长期存储：本实用新型采用基于CH376的U盘/SD卡读写存储模块，通过单片机方便的控制U盘进行采集数据的存储，是存储更加方便，存储时间更长，容量更大。

扩展性强：传感器按照其信号输出类型大致可分为模拟信号输出类、数字信号输出类和智能传感器标准接口输出类等，在本实用新型中系统在设计时预留了传感器扩展接口，可扩展对其他传感器，如光照度、CO2浓度、土壤的pH值、EC值和作物的生理参数等的测量。

Claims (9)

1.一种基于ZigBee技术的农田监控系统，其特征在于，包括在农田中分布设置的至少两个用于实时采集农田信息的无线采集节点和一个无线终端节点，各节点构成无线网络；无线采集节点由一个采集ZigBee模块、一个MCU和至少一种传感器构成，传感器输出连接MCU，MCU与采集ZigBee模块通讯连接，传感器采集的农田信息通过MCU传输到采集ZigBee模块，由采集ZigBee模块发送到无线网络中；无线终端节点包括终端ZigBee模块及与之通讯连接的用户终端PC，终端ZigBee模块将从无线网络中接收的农田信息传输到用户终端PC上。

2.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee技术的农田监控系统，其特征在于，所述ZigBee模块与MCU通过串口通讯连接。

3.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee技术的农田监控系统，其特征在于，所述终端ZigBee模块与用户终端PC通过串口通讯连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee技术的农田监控系统，其特征在于，至少一个无线采集节点还设有存储接口电路。

5.根据权利要求4所述的一种基于ZigBee技术的农田监控系统，其特征在于，所述存储接口电路为U盘/SD卡读写电路。

6.根据权利要求5所述的一种基于ZigBee技术的农田监控系统，其特征在于，所述U盘/SD卡读写电路包括与对应采集节点的MCU通过SPI总线连接的CH376。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的一种基于ZigBee技术的农田监控系统，其特征在于，所述传感器至少包括温度传感器。

8.根据权利要求1-6中任一项所述的一种基于ZigBee技术的农田监控系统，其特征在于，所述MCU为STC12C5A60S2单片机。

9.根据权利要求1-6中任一项所述的一种基于ZigBee技术的农田监控系统，其特征在于，所述采集ZigBee模块和终端ZigBee模块采用以CC2530为核心芯片的无线模块。

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