基于ZigBee无线传感网络的农场智能监控系统.docx
- 文档编号:8344140
- 上传时间:2023-01-30
- 格式:DOCX
- 页数:7
- 大小:169.18KB
基于ZigBee无线传感网络的农场智能监控系统.docx
《基于ZigBee无线传感网络的农场智能监控系统.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于ZigBee无线传感网络的农场智能监控系统.docx(7页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
基于ZigBee无线传感网络的农场智能监控系统
基于ZigBee无线传感网络的农场智能监控系统
作者:
丁永贤谢鹏
来源:
《现代电子技术》2017年第02期
摘要:
研究一种将ZigBee无线传感网络应用到农场环境监测的智能监控系统。
对农场环境ZigBee无线传感网络的系统结构,网络拓扑结构以及硬件结构进行设计。
对主控器最小系统、无线射频电路、供电电路、温湿度传感采集、光照强度传感采集、土壤水分传感采集以及通信装置硬件进行了设计。
使用组态王软件设计农场监控上位机软件的界面。
通过功能划分监控软件界面,监控软件界面主要包括监控主界面、农场环境实时数据曲线界面、农场环境历史数据曲线界面、农场环境历史数据报表界面以及农场环境历史报警数据报表界面等。
实验表明,该设计达到了预期目标。
关键词:
农场监控;无线传感网络;ZigBee;组态王
中圖分类号:
TN915⁃34;TP27文献标识码:
A文章编号:
1004⁃373X(2017)02⁃0137⁃04
Abstract:
Anintelligentmonitoringsystemisstudied,inwhichtheZigBeewirelesssensornetworkisappliedtothefarmenvironmentmonitoring.Thesystemstructure,networktopologystructureandhardwarestructureoftheZigBeewirelesssensornetworkinfarmenvironmentweredesigned.Theminimumsystemofthemaincontroller,radiofrequencycircuit,powersupplycircuit,humituresensingandacquisitioncircuit,illuminationintensitysensingandacquisitioncircuit,soilmoisturesensingandacquisitioncircuit,andcommunicationdevicehardwareweredesigned.TheKingViewsoftwareisusedtodesigntheuppercomputersoftwareinterfaceforfarmmonitoring.Themonitoringsoftwareinterfaceisdividedaccordingtothefunctions,whichcontainsthemonitoringmaininterface,farmenvironmentreal⁃timedatacurveinterface,farmenvironmenthistorydatacurveinterface,farmenvironmenthistorydatareportinterfaceandfarmenvironmenthistoryalarmdatareportinterface.Theexperimentalresultsshowthatthedesignhasreachedtheexpectedtarget.
Keywords:
farmmonitoring;wirelesssensornetwork;ZigBee;KingView
0引言
农业从最初的原始农业发展到了传统农业,同时随着科学技术的发展现代农业已经逐渐开始替代了传统农业,成为农业未来的主要发展形式[1]。
在农业生产技术逐渐发展的过程中需要实时、精确以及动态地获取田间信息。
其中田间信息主要包含作物生长信息,光照强度、湿度以及空气温度等农田周围环境信息,地理位置信息以及土壤水分、电导率、pH值等土壤属性信息。
应当通过无线处理、分析和传输所采集的数据,进而管理田间农业,这样对于农业生产以及农业管理有非常积极的作用[2]。
1系统总体结构
为了对农作物生长的最佳条件进行确定,需要对二氧化碳浓度、光照强度、空气温湿度、降水量、土壤养分以及土壤水分等因素进行测量,这样在调控农业生产的过程中就能够通过参考这些数据来提升经济效益、调节生长周期以及改善农作物品质。
通常情况下农田具有较广的覆盖面积,但是不具有较大的地势起伏,同时农田周围具有较为空旷的环境,高压电塔以及基站等不会造成相应的干扰,所以利用无线通信技术来对农作物环境信息进行获取具有较强的实用效果[3]。
监理网关以及采集区域是整个无线传感网络的农场智能监控系统的主要组成部分。
农田中ZigBee节点组成了采集区域,能够对农田环境的相关信息进行采集,进而利用节点间路由关系有效地传输数据,这样网关节点就可以获取相关的信息[4]。
农场监控传感节点的硬件结构如图1所示。
单个无线传感采集节点主要由主控芯片和各个传感电路组成,实现对农场环境的温湿度、光强度、土壤水分及pH值进行实时监测。
接收无线网络传感器所采集的信息主要通过监测网关来实现,同时对这些信息进行处理。
另外区域经纬度信息也能够通过GPS模块进行测量。
这样就可以对采集区域的具体位置进行确定,另外还能够精确地定位农田中的传感器节点[5]。
ZigBee网络拓扑结构中,星型网络主要包含多个从属设备以及一个协调器。
其中网络的控制和启动由协调器来负责,协调器能够直接实现与网络内设备的通信,同时还能够通过协调器进行数据的收发。
但是这种网络受到通信范围的影响,在小范围无线通信系统中应用比较广泛。
树状网中,终端设备、协调器以及若干路由节点是树状网络的主要组成部分。
网络初始参数的设定以及网络的建立由协调器来负责。
通过数据的转发路由节点能够对网络通信范围进行扩展,因此网络通信具有较好的同步性,能够对网络内设备的休眠进行控制以达到节省功耗的目的。
由于其具有扩展性好以及网络通信范围广的特点,因此在一些大范围无线系统中应用比较广泛[6]。
网状网络能够实现完全的点对点通信。
信标无法在网络中定期的发送,各个网络节点之间无法同步地进行通信,另外还需要应用同步机制来对网络进行维持。
但是这种网络路由选择具有多样化的特点,同时具有较广的通信范围,因此在一些比较复杂的无线通信系统中应用比较广泛。
在距离较近以及圆形分散的无线传感器网络中星型网络比较适合。
树状网络在多终端节点网络中比较适合应用。
多跳式路由通信在网状网络中应用比较广泛,在一些比较分散以及距离较远的无线传感器网络中应用比较广泛。
因此本文使用树状拓扑网络。
ZigBee无线网络中,路由节点、协调器、终端设备为主要设备。
在整个ZigBee网络中协调器发挥着非常关键的作用,是网络建立的基础。
在完成初始化以后协调器就能够将网络设备中的网络地址进行分配,进而对物理通道进行确定。
终端设备短地址的收回以及分配由路由节点来负责,另外还可以将网络中的数据进行转发。
其中数据无法通过终端设备来转发[7]。
2ZigBee无线传感网络节点硬件系统
通信装置以及无线传感节点是系统的硬件組成部分。
终端节点、路由节点以及协调器是ZigBee网络中节点的三种主要类型。
外围采集控制模块、终端节点以及路由节点是无线传感节点的主要构成模块。
GPRS通信模块以及协调器是通信装置的主要组成部分。
无线传感网络中的网络节点能够对农场的环境状态进行检测。
通过网络协议能够将每个农场区域的传感节点组合成ZigBee网络,网络的主控节点为通信装置,这种路由既能够对网络结构进行维持,又作为Internet和网络节点的接口,网络节点和后台服务器之间的数据传输能够通过该模块实现。
农场智能监控的无线传感网络系统硬件设计主要包括:
对主控器最小系统、无线射频电路、供电电路以及传感采集电路进行设计。
本文研究的农场智能监控的无线传感网络系统的节点中实验TI公司2.4GHz射频芯片CC2530作为主控芯片。
(1)主控器最小系统。
CC2530最小系统的硬件电路如图2所示。
最小系统电路是保证主控器正常运行最基本的电路[8]。
(2)无线射频电路。
在进行无线射频电路设计时,使用巴伦电路实现双端口转换单端口从而完成天线和馈线匹配最优。
无线射频匹配电路如图3所示,当需要CC2530模块向外发送数据时,差分射频端口RF_P,RF_N将数据发送至巴伦电路转换为单端信号,再由天线发射。
当需要CC2530模块接收数据时,天线接收到的信号由巴伦电路进行转换并发送至RF_P,RF_N端口,完成接收[9]。
(3)供电电路。
供电电路由220V交流电源供电,通过变压器、桥堆和稳压芯片LM7812转换为供给控制器工作的12V直流电源以及供给传感采集电路的5V直流电源。
5V直流电源再经过LM1117⁃3.3芯片转换为供给CC2530芯片及外围电路工作的3.3V直流电源。
(4)温湿度传感采集。
本文通过SHT10温湿度传感器采集农场环境的温湿度。
如图4所示。
SHT10传感器的数据端口DATA和SCK与CC2530芯片的P1_4和P1_5端口连接[10]。
(5)光照强度传感采集。
本文使用光敏电阻MG45作为农场环境光强度的检测器件,光敏电阻能够将光能转换为电能,实现对光强度的检测。
光强度对于农场作物生长具有重要作用,因此需要实时地对农场环境的光强度进行监测,为农作物叶面指数的监测提供数据支持。
光敏电阻MG45传感器的数据端口与CC2530芯片的P0_0端口连接。
如图5所示。
(6)土壤水分传感采集。
本文使用SWR⁃2型水分传感器对土壤中水分进行实时监测。
水分传感器SWR⁃2与CC2530芯片连接如图6所示,传感器的数据端口与CC2530芯片的P0_6和P0_7端口连接[11]。
(7)通信装置硬件。
通信装置硬件的主控芯片使用LPC2368芯片,与CC2530实现数据的传输。
通信装置使用华为GTM900C无线模块作为GPRS模块。
通信装置硬件结构如图7所示。
3农场监控上位机软件设计
本文使用组态王软件设计农场监控上位机软件的界面。
通过功能划分监控软件界面,监控软件界面主要包括监控主界面、农场环境实时数据曲线界面、农场环境历史数据曲线界面、农场环境历史数据报表界面以及农场环境历史报警数据报表界面等[12]。
监控主界面用于显示当前农场的总体概况和各个监测点的运行状况。
监控主界面如图8所示。
农场环境实时数据曲线能够显示最近2h内的农场环境数据,数据监测间隔为2min。
温度实时数据曲线如图9所示。
光强度实时数据曲线如图10所示。
农场环境历史数据曲线界面通过调用组态王中的历史曲线控件实现,历史曲线控件能够记录农场环境历史数据并以数据曲线形式直观显示,并可对农场环境历史数据报表界面通过调用组态王中的历史报表控件实现,历史报表控件能够记录农场环境历史数据并以报表形式显示,并可对数据报表进行打印、保存以及按时间查询等。
1号节点的农场环境历史数据报表如图11所示。
农场环境历史报警数据报表界面能够将组态王中的事件报警控件记录的异常报警事件以报表形式进行显示,异常报警事件通常包括无线节点信号丢失、传感节点数据超过设定的上下限值。
4结论
本文研究一种将ZigBee无线传感网络应用到农场环境监测的智能监控系统,对农场环境ZigBee无线传感网络的系统结构,网络拓扑结构以及硬件结构进行了设计。
使用组态王软件设计农场监控上位机软件的界面。
通过功能划分监控软件界面,监控软件界面主要包括监控主界面、农场环境实时数据曲线界面、农场环境历史数据曲线界面、农场环境历史数据报表界面以及农场环境历史报警数据报表界面等。
参考文献
[1]孙玉文.基于无线传感器网络的农田环境监测系统研究与实现[D].南京:
南京农业大学,2013.
[2]刘志强.基于无线传感器网络的仓库环境监测系统设计与实现[D].长沙:
国防科学技术大学,2008.
[3]代媛.基于ZigBee无线传感器网络的农田信息监测研究[D].杨凌:
西北农林科技大学,2010.
[4]郭家.基于ZigBee网络的农田信息采集系统的设计[D].郑州:
河南农业大学,2013.
[5]杜元生.基于无线传感器网络的室内环境监测系统设计与实现[D].南京:
南京航空航天大学,2013.
[6]何赛.基于ZigBee的城市照明监控系统的研制[D].苏州:
苏州大学,2012.
[7]郑煊,刘萌.基于ZigBee和GPRS的城市照明监控系统的设计[J].照明工程学报,2011(4):
21⁃25.
[8]姜男澜,陈仙云,蔡明.基于ZigBee和LabVIEW的新型城市照明监控系统[J].中国科技信息,2014(7):
155⁃157.
[9]刘民静.基于ZigBee无线传感器网络的作物生长环境监控系统[D].济南:
济南大学,2014.
[10]于江.基于无线传感器网络的农作物生长环境监测系统设计与实现[D].哈尔滨:
哈尔滨工业大学,2014.
[11]贺芳,翁绍捷,唐荣年,等.作物生长环境信息无线监测系统的设计与实现[J].江苏农业科学,2014(11):
435⁃437.
[12]肖乾虎.基于ZigBee/GPRS的作物生长环境因子远程监测系统研究[D].海口:
海南大学,2014.
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 ZigBee 无线 传感 网络 农场 智能 监控 系统