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《河南科技》雜志論文

基于ZigBee的麥田數據采集與傳輸系統

2019-5-28 14:11:20 | 瀏覽388次 | 《河南科技》論文 | 全部雜志

  摘 要:隨著科技的不斷進步,物聯網技術逐漸被應用于農產品生產過程、儲運過程、品質鑒定過程、病蟲害監測等領域。本文設計了一款麥田數據采集與傳輸系統。該系統以ZigBee為基礎搭建無線網絡傳輸平臺及上位機管理軟件,能實時更新后臺數據庫,實現預定目標,可為進一步構建智能在線病害識別系統奠定基礎。

  關鍵詞:ZigBee;數據采集;無線傳輸;上位機

  近年來,物聯網技術被逐漸應用于農產品生產過程、儲運過程、品質鑒定過程和病蟲害監測等領域,且得到了快速發展。當前,對能隨時隨地提供信息服務的無線通信的需求越來越迫切,傳感器技術、低功耗的無線通信技術的進步,使得生產具備感應、無線通信及信息處理能力的微型無線傳感器已成為可能,這些廉價的、低功耗的傳感器節點共同組成無線傳感器網絡,具有較為廣闊的應用前景[1]。基于此,本文主要探討基于ZigBee的麥田數據采集與傳輸系統。

  1 無線檢測通信協議

  目前,市場上流行的無線通信技術較多,工業和民用領域已經廣泛使用的無線數據網絡協議有Wi-Fi、超寬帶無線通信、藍牙(Bluetooth)、電力載波技術、Wireless USB、紅外線數據通信IrDA和ZigBee技術等[2]。

  麥田數據采集與傳輸系統選擇以ZigBee技術為基礎的無線通信模塊,這主要是因為ZigBee技術具有近距離、低功耗、低速率和低成本的特點[3]。作為通信模塊,Zig⁃Bee技術專注于10Kbps至250Kbps的低速率傳輸應用,主要適合于自動控制和遠程控制領域。大田作物病蟲害檢測對實時速度要求并不高,且成本要求低,綜合多種因素,認為ZigBee這種無線通信方式很適合本次檢測。

  2 網路拓撲

  無線通信的網絡拓撲結構多種多樣,拓撲結構選擇得好將會給后期開發、后期應用提供一個良好的基礎支撐。ZigBee網絡有三種邏輯設備類型:終端設備(End-Device)、協調器(Coordinator)和路由器(Router)。其中,協調器(Coordinator)主要負責組建無線網絡并進行維護;路由器(Router)主要負責無線網絡數據的路由;終端設備(End-Device)主要負責無線網絡數據采集。一般情況下,ZigBee網絡大多由一個協調器及多個路由器和多個終端設備組合而成。實際使用時,根據具體實現功能不同,確定不同的網絡拓撲結構及相互之間的連接方式[4]。

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  圖1 系統結構圖

  ZigBee常用的拓撲結構主要有三種。第一,星型網絡是最簡單的一種網絡拓撲結構,其通常包含一個協調器和一個以上的路由器或終端節點。在無線網絡中,協調器外的任意兩個設備之間的通信必須經過協調器進行信息轉發。該拓撲結構的特點是:結構簡單,數據傳輸路徑單一。第二,樹形網絡包含一個協調器和多個路由器或終端節點。其和星型網絡不同的是:網絡中的路由器可以與路由器和無線終端連接,可以擴展距離,且這樣的結構可以重復多個層次。第三,網狀拓撲包含一個協調器和一系列的路由器及終端設備。與樹形網絡拓撲相比,其具有更靈活的信息傳輸路由規則。在多個路由的情況下,如果某一路由發生問題,不能正常工作,那么原本與該路由通信的節點可以轉而選擇其他的路由來傳遞信息,這樣可以大大提高通信效率。

  筆者綜合所采集的數據量及傳輸距離,選用耗電最小的星型拓撲結構。

  3 系統硬件設計

  3.1 總體結構

  在星型網絡拓撲結構的基礎上,多個終端傳感器測量到數據后傳送給ZigBee終端節點,通過無線網絡傳送到協調器上,協調器再通過串口傳到上位機顯示出來,系統結構如圖1所示。

  3.2 主控芯片

  系統選用集成芯片CC2530作為射頻電路的無線收發芯片,該芯片兼具微控制器及射頻無線收發的功能。CC2530有四種不同的版本:CC2530-F32/64/128/256。集成芯片CC2530主要有以下幾方面特點:分別帶有32/64/128/256KB的閃存空間;內部有256KB的閃存和20KB的擦除區域,可以支持無限更新和適合大型應用程序;8KBRAM方便用于更為復雜的應用和ZigBee應用;可編程輸出功率達+4dBm;在掉電模式下,只有睡眠定時器運行時,僅有不到1μA的電流損耗;具有強大的地址識別和數據包處理引擎;接收數據靈敏度較高;使用電池就能持續為其供電[5]。

  3.3 其他模塊

  系統中終端采集主要涉及光照度、溫度、濕度、作物顏色信息、重點圖像采集等。考慮實際使用時的成本問題,選型時終端傳感器盡量選擇集成度較高、壽命長、性能穩定且適用于戶外惡劣條件的傳感器;安裝地點的選擇要結合生產需求進行實地考察;供電方式盡量采用太陽能供電;減小人工架線和后期更換及維修等成本。

  3.3.1 光照模塊。光照采集采用低成本的光敏電阻作為感光元件。由于CC2530芯片上集成的有A/D轉換模塊,省去了外圍連接A/D轉換芯片,使電路更簡單、可靠。光敏電阻對光的敏感性較好,其電阻的大小和光線的強弱有一定的關系。光強與電阻成反比關系,實際測試時有一定的非線性。為了在不增加硬件成本的基礎上進一步提高其檢測精度,在軟件中增加了非線性參數修正算法改善其非線性。

  3.3.2 電源模塊。考慮到設備中所有ZigBee終端節點的工作環境在室外,條件比較惡劣,常規供電方式走線或更換電池等均不合適,因此,采用太陽能直流電源供電,并附帶干電池供電,以供設備安裝調試或移動時備電使用。在直流電源供電方式中采用電源適配器轉換后輸出直流5V電壓。在使用時,可通過跳線設置開關選擇所需要的供電方式。通過開關選擇能夠控制整個節點模塊電源的開啟與關閉,能更大限度地減少能耗。由于系統多個模塊需要3.3V直流電壓信號,5V電壓通過低功耗低壓穩定模塊換成3.3V的工作電壓供給整個系統,穩壓模塊選用的是SE1117,快速的瞬態響應、噪聲抑制和內置熱關斷是選用原因。電池供電電路中選擇穩壓3.3V低紋波充電泵TPS60211。

  3.3.3 下載接口。下載接口實現CC2530系列節點片上系統的在線調試和程序下載功能,執行單步調試設置斷點來實現,觀察變量的變化并記錄,還可以使用軟件來分析數據及寄存器。下載接口有供電電源線、按鍵復位線、時鐘線、數據線和接地線。

  4 終端采集與協調器模塊軟件設計

  4.1 協調器數據采集模塊的軟件設計

  協調器模塊軟件設計流程見圖2。

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  圖2 協調器模塊軟件設計流程圖

  ZigBee協調器上電后,自動進行信道搜索,選擇軟件設定的信道,然后初始化,設定好一些網絡參數,使協調器達到工作狀態。如果終端向協調器發送的信息正確,協調器數據采集模塊確認將允許終端加入其網絡,并分配給節點一個16位的短地址和相關的網絡參數,作為設備在網絡中的標識。

  4.2 終端數據采集模塊的軟件設計

  終端采集模塊軟件程序流程圖如圖3所示。上位機協議的指令一共由6個字節組成,上位機發送給協調器的協議格式為:固定值0×02+ID號+所測量的傳感器的編號和相應的測量類型+0+0+前5個字節的校驗。

  5 上位機界面的開發

  該系統上位機界面主要包括菜單、按鈕、文字、報警、曲線圖和后臺數據庫的設計等。其中,菜單設置有常規功能;按鈕設置有打開串口、關閉、退出、刷新等功能;文字主要是對相關功能進行功能說明;曲線圖通過調用專用函數,動態顯示所得到的數據。

  6 小結

  本文基于ZigBee無線通信技術,設計了麥田信息采集與傳輸系統,對麥田終端的相關參數(溫濕度、圖像、病蟲害信息等)進行檢測、傳輸,使信息的獲取及管理更加及時,為下一步構建智能農業奠定基礎。系統完成了采集終端硬件及軟件的設計;采用星型拓撲網絡結構進行組網;由于網絡協調器要進行大量的數據處理工作,所以采用持續供電方式;傳感器終端節點采用的是太陽能電池加備用充電蓄電池供電方式。各個實驗點終端節點間可以通信,節點與網絡協調器也可進行數據傳輸通信。

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  圖3 終端采集模塊軟件程序流程圖

  本文設計了上位機管理軟件及手機終端應用軟件,完成系統的總體功能設計。編寫的上位機管理軟件可以實時遠程管理,后臺數據庫數據實時更新。結合相關課題組研究成果,利用本課題構建的無線傳輸系統進行現場試驗。通過實驗結果的對比以及實驗數據的分析可知,該系統能夠實時更新后臺數據庫,實現預期目標,數據采集與傳輸穩定,可為下一步構建智能在線病害識別系統奠定堅實的基礎。

  參考文獻:

  [1]呂鑫,王忠.ZigBee無線數據傳輸模塊的設計與實現[J].安徽師范大學學報,2010(7):332-336.

  [2]汪京京,張武.農作物病蟲害圖像識別技術的研究綜述[J].計算機工程與科學,2014(7):1363-1368.

  [3]吳瑾,潘啟勇.基于MC13213的單芯片ZigBee平臺的物理層協議研究與實現[J].微型機與應用,2010(23):61-65.

  [4]蔡義華,劉剛,李莉,等.基于無線傳感器網絡的農田信息采集節點設計與試驗[J].農業工程學報,2009(4):176-178.

  [5]高峰,俞立.無線傳感器網絡作物水分狀況監測系統的上位機軟件開發[J].農業工程學報,2010(5):175-181.

  ZigBee-based Wheat Field Data Acquisition and Transmission System

  (College of Agricult,Gansu Agricultural University,Lanzhou Gansu 730070)

  Abstract:With the progress of science and technology,Internet of things technology has been gradually ap⁃plied to agricultural production process,storage and transportation process,quality identification process,pest and disease monitoring and other fields.This paper introduced the design of a field data acquisition and transmission system.The system is based on ZigBee to build a wireless network transmission platform and PC management software,real-time update the background database,to achieve the target,for the fur⁃ther construction of disease recognition intelligent online system.

  Keywords:ZigBee;data acquisition;wireless transmission;host computer

  中圖分類號:TP274.2

  文獻標識碼:A

  文章編號:1003-5168(2018)04-0007-03

  收稿日期:2018-01-06

  (甘肅農業大學農學院,甘肅 蘭州 730070)

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