CN202957989U - 一种基于Zigbee的农作物生长环境监测设备 - Google Patents

Abstract

一种基于Zigbee的农作物生长环境监测设备，其特征在于，包括有设在监测环境中的温度传感器（1）、湿度传感器(2)、光照传感器(3)和土壤PH值传感器(4)，温度传感器（1）、湿度传感器(2)、光照传感器（3）和土壤PH值传感器（4）均与传感器节点（5）无线连接，传感器节点（5）通过路由节点（6）与Zigbee网关服务器（7）相连，Zigbee网关服务器（7）通过因特网（8）与远程客户端（9）相连。

Description

一种基于Zigbee的农作物生长环境监测设备

技术领域

本实用新型属于农作物生长环境监测技术领域，具体涉及一种基于Zigbee的农作物生长环境监测设备。

背景技术

我国现阶段的农业现场环境信息采集已经达到自动控制的阶段。正在向着智能化农业方向发展。现在的监测系统一般采用的是RS485总线和给信息采集模块统一供电形式的信息采集策略．这样不但增加了成本，降低了系统的灵活性和可扩展性，还给安装带来了一定的不便。农业领域的数据采集大多数是在广阔空间内进行的．数据源距离目的地相对较远。如果不统一供电就不具有稳定的电源和安全的环境。要在此基础上加以改进。就要求数据采集单元具有低功耗、自备电源、无线传输、价格低、装卸简便等特点。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本实用新型的目的在于提供一种基于Zigbee的农作物生长环境监测设备，具有安装方便、成本低、能耗低和数据传输可靠性高的特点。

为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种基于Zigbee的农作物生长环境监测设备，包括有设在监测环境中的温度传感器、湿度传感器、光照传感器和土壤PH值传感器，温度传感器、湿度传感器、光照传感器和土壤PH值传感器均与Zigbee传感器节点无线连接，Zigbee传感器节点通过路由节点与Zigbee网关服务器相连，Zigbee网关服务器通过因特网与远程客户端相连。

所述的传感器节点包括有微控制器平台，微控制器平台的信号输出端与无线节点收发模块相连，微控制器平台的输入端分别与温度、湿度传感器信号，光照传感器信号，土壤PH值传感器信号相连。

所述的Zigbee网关服务器包括有服务器微控制器，服务器微控制器信号输入端与无线网络协调器相连，服务器微控制器信号输出端通过SPI总线与以太网接入模块相连，服务器微控制器还通过IO接口连接有控制按键和存储设备。

所述的Zigbee网关服务器采用ARM STM32F101芯片。

所述的无线网络协调器采用MC13213芯片。

所述的以太网接入模块采用W5100芯片。

所述的微控制器平台采用C8051F350芯片。

所述的无线节点收发模块采用MC13213芯片。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型基于Zigbee技术的、低成本的、能够高速率远程访问的农作物生长环境监测系统，将无线传感器网络与因特网有机结合，采用低成本的硬件设备以满足环境监测网络化、农业信息共享化、操作简单化的要求。

基于ZigBee的WSN技术在农业测控领域将具有十分可观的应用前景。本实用新型针对农业环境监测发展的现状和出现的问题。设计了基于ZigBee的WSN，实现了农业环境信息检测方案。利用无线传感网络(WSN)的技术优势。解决了传统检测系统中出现的安装管理不便、成本偏高、耗能大、网络安全性差等问题。

ZigBee的简介，ZigBee的主要特点是低速率，不同的工作频段都会有较低的频段，范围从20—250kbps；低功耗，由于数据传输量小，而且还可以使其大部分时间处于休眠状态。所以功耗较低；低成本，器件成本低，ZigBee协议免专利费用；网络容量大，整个网络最多可以支持64 000个ZiigBee网络节点；数据传输可靠，MAC层采用标准的CSMA／CA方式，避开发送数据的竞争与冲突；免许可的无线通信频段，在IEEE802．15．4有两个物理层。提供两个独立的频率段：868／915MHz和2．4GHz，2．4GHz频段使用在全世界范围内，分别可以容纳1个110个和16个信道。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型的传感器节点的结构原理图。

图3为本实用新型Zigbee网关服务器的结构原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

参见图1，一种基于Zigbee的农作物生长环境监测设备，包括有设在监测环境中的温度传感器1、湿度传感器2、光照传感器3和土壤PH值传感器4，温度传感器1、湿度传感器2、光照传感器3和土壤PH值传感器4均与Zigbee传感器节点5无线连接，Zigbee传感器节点5通过路由节点6与Zigbee网关服务器7相连，Zigbee网关服务器7通过因特网8与远程客户端9相连。

传感器节点为终端简化设备(Reduced Function Device,RFD)，在环境监测网络中有若干个，负责采集环境参数并向汇聚节点发送；汇聚节点为网络协调器只有一个，它作为全功能设备（Full Function Device,FFD）负责Zigbee网络的组建及控制，同时收集传感器节点发来的监测数据；

路由节点是传感器节点与汇聚节点之间的桥梁，当传感器节点与汇聚节点相距较远时，路由节点负责数据的转发。树状的拓扑结构能够有效扩大环境监测网络覆盖范围，甚至在路由节点数量足够多的情况下实现汇聚节点布置到农户的家中。Zigee网络还有星状与网状结构，星状网络由于通信距离有限，在设施农业中无法覆盖较大范围；而网状结构，由于各节点间需相互通信，增加了通信开销且无法有效节省电能。

参见图2，所述的Zigbee传感器节点5包括有微控制器平台15，微控制器平台15的信号输出端与无线节点收发模块16相连，微控制器平台15的输入端分别与温度、湿度传感器信号17，光照传感器信号18，土壤PH值传感器信号19相连。所述的微控制器平台15采用C8051F350芯片。所述的无线节点收发模块16采用MC13213芯片。

微控制器平台15是Zigbee传感器节点5的基础，它负责各个传感器的控制及数据采集处理并将数据通过无线节点收发模块传输。传感器节点平台主要使用了Silicon公司的C8051F350 MCU,它与传统的单片机如89C51等相比具有丰富的外部接口及A/D转换功能，可以快捷方便地实现各模块间的衔接并降低成本。

Zigbee传感器节点5主要功能是采集信息，并将数据以无线方式发送到网关服务器。由于温度、湿度、光照以及土壤的PH值是农作物生长的重要因素，所以本文Zigbee传感器节点的设计，主要分为微控制器平台、无线节点收发模块、温度/湿度传感器、环境光传感器以及PH值传感器，均采用市面上常见的IC芯片，实现容易且成本低廉。

无线节点收发模块与Zigbee网关服务器的网络协调部分使用相同的通信模块，通过设置将其作为普通节点，它与Zigbee网关服务器的无线网络协调器、路由节点共同组成无线传感器网络，实现监测数据无线传输。

    温度/湿度传感器、环境光传感器以及PH值传感器根据其各自的特点分别采用了数字传输，模数转换等方法实现环境监测数据的采集。

参见图3，所述的Zigbee网关服务器7包括有服务器微控制器10，服务器微控制器10信号输入端与无线网络协调器11相连，服务器微控制器10信号输出端通过SPI总线与以太网接入模块12相连，服务器微控制器10还通过IO接口连接有控制按键13和存储设备14。

所述的Zigbee网关服务器7采用ARM STM32F101芯片。

所述的无线网络协调器11采用MC13213芯片。

所述的以太网接入模块12采用W5100芯片。

Zigbee网关服务器主要承载无线网络协调、因特网接入、数据采集存储、数据发布等功能。采用处理速度快、程序存储及RAM空间大、可扩展性强的微控制器以及具有特定功能的专用芯片来设计服务器，可以取代传统的PC服务器并有效降低成本。

环境监测网络的工作过程为Zigbee网关服务器作为首要设备负责网络的发起，它选择信道及网络ID，并建立一个无信标网络等待终端节点的加入。当终端节点、路由节点加入完成后，终端节点采集数据并发送。对于无法直接与协调器通信的终端节点则经路由节点进行数据转发实现数据传输。

对于因特网的接入，考虑到实际中接入点通常固定，所以本实用新型采用基于TCP/IP协议的有线接入方式，其传输速率为10/100M自适应，既节省成本又实现高速率的远程访问。远程客户端通过TCP协议与网关服务器建立连接，并采用HTTP协议访问存储在服务器上的网页文件获取环境参数信息，同时通过CGI程序对环境监测系统进行控制从而实现“Ubiquitous”环境监测系统。

Zigbee网关服务器的主要功能是协调建立无线传感器网络、网络信标传输、网络节点管理以及网络配置信息的存储。除此之外，协调器模块还具备关联节点之间的路由信息。本文设计主要采用了飞思卡尔公司的MC13213芯片设计的协调器模块，该芯片兼容Zigbee协议可以作为良好的Zigbee无线传感器网络开发平台。

温度/湿度传感器、环境光传感器以及PH值传感器根据其各自的特点分别采用了数字传输，模数转换等方法实现环境监测数据的采集，无线节点收发模块与Zigbee网关服务器的网络协调部分使用相同的通信模块，通过设置将其作为普通节点，它与Zigbee网关服务器的无线网络协调器、路由节点共同组成无线传感器网络，实现监测数据无线传输。

Claims (8)

1.一种基于Zigbee的农作物生长环境监测设备，其特征在于，包括有设在监测环境中的温度传感器（1）、湿度传感器(2)、光照传感器(3)和土壤PH值传感器(4)，温度传感器（1）、湿度传感器(2)、光照传感器（3）和土壤PH值传感器（4）均与传感器节点（5）无线连接，传感器节点（5）通过路由节点（6）与Zigbee网关服务器（7）相连，Zigbee网关服务器（7）通过因特网（8）与远程客户端（9）相连。

2.根据权利要求1所述的一种基于Zigbee的农作物生长环境监测设备，其特征在于，所述的传感器节点（5）包括有微控制器平台（15），微控制器平台（15）的信号输出端与无线节点收发模块（16）相连，微控制器平台（15）的输入端分别与温度、湿度传感器信号（17），光照传感器信号（18），土壤PH值传感器信号（19）相连。

3.根据权利要求1所述的一种基于Zigbee的农作物生长环境监测设备，其特征在于，所述的Zigbee网关服务器（7）包括有服务器微控制器（10），服务器微控制器（10）信号输入端与无线网络协调器（11）相连，服务器微控制器（10）信号输出端通过SPI总线与以太网接入模块（12）相连，服务器微控制器（10）还通过IO接口连接有控制按键（13）和存储设备（14）。

4.根据权利要求1所述的一种基于Zigbee的农作物生长环境监测设备，其特征在于，所述的Zigbee网关服务器（7）采用ARM STM32F101芯片。

5.根据权利要求3所述的一种基于Zigbee的农作物生长环境监测设备，其特征在于，所述的无线网络协调器（11）采用MC13213芯片。

6.根据权利要求3所述的一种基于Zigbee的农作物生长环境监测设备，其特征在于，所述的以太网接入模块（12）采用W5100芯片。

7.根据权利要求2所述的一种基于Zigbee的农作物生长环境监测设备，其特征在于，所述的微控制器平台（15）采用C8051F350芯片。

8.根据权利要求2所述的一种基于Zigbee的农作物生长环境监测设备，其特征在于，所述的无线节点收发模块（16）采用MC13213芯片。

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