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基于ZigBee技術(shù)的農(nóng)田監(jiān)控系統(tǒng)的制作方法

文檔序號:400859閱讀:444來源:國知局
專利名稱:基于ZigBee技術(shù)的農(nóng)田監(jiān)控系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及一種農(nóng)田監(jiān)控系統(tǒng),特別是基于ZigBee技術(shù)的具有大范圍、可移動、實時數(shù)據(jù)采集、傳輸和存儲的監(jiān)控系統(tǒng)。
背景技術(shù)
農(nóng)作物的生長受到各方面因素的共同影響。在自然環(huán)境中,存在著各種各樣影響農(nóng)作物產(chǎn)量的因素,其中尤以溫濕度的對農(nóng)作物產(chǎn)量的影響最為巨大。所以實現(xiàn)農(nóng)田信息快速、實時和連續(xù)的采集監(jiān)控對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要而深遠的意義。傳統(tǒng)的農(nóng)田監(jiān)控系 統(tǒng)是采用有線的方式實現(xiàn)的,這種時實現(xiàn)方式存在著很多弊端。如造價高昂、設(shè)備笨重、監(jiān)控點少、監(jiān)控范圍小、監(jiān)控點固定不可移動、布線困難、維護工作量大、監(jiān)控數(shù)據(jù)不能長時間大容量存儲等。同時,這種系統(tǒng)的抗毀性也比較差,一旦某處線路出現(xiàn)問題可能導(dǎo)致整個系統(tǒng)無法共工作,在很大程度上限制了系統(tǒng)的可靠性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種基于ZigBee技術(shù)的農(nóng)田監(jiān)控系統(tǒng),以解決現(xiàn)有農(nóng)田監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)測范圍小抗毀性差等問題。為實現(xiàn)上述目的,本發(fā)明的方案是一種基于ZigBee技術(shù)的農(nóng)田監(jiān)控系統(tǒng),包括在農(nóng)田中分布設(shè)置的至少兩個用于實時采集農(nóng)田信息的無線采集節(jié)點和一個無線終端節(jié)點,各節(jié)點構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò);無線采集節(jié)點由一個采集ZigBee模塊、一個MCU和至少一種傳感器構(gòu)成,傳感器輸出連接MCU,MCU與采集ZigBee模塊通訊連接,傳感器采集的農(nóng)田信息通過MCU傳輸?shù)讲杉痁igBee模塊,由采集ZigBee模塊發(fā)送到無線網(wǎng)絡(luò)中;無線終端節(jié)點包括終端ZigBee模塊及與之通訊連接的用戶終端PC,終端ZigBee模塊將從無線網(wǎng)絡(luò)中接收的農(nóng)田信息傳輸?shù)接脩艚K端PC上。所述ZigBee模塊與MCU通過串口通訊連接。所述終端ZigBee模塊與用戶終端PC通過串口通訊連接。至少一個無線采集節(jié)點還設(shè)有存儲接口電路。所述存儲接口電路為U盤/SD卡讀寫電路。所述U盤/SD卡讀寫電路包括與對應(yīng)采集節(jié)點的MCU通過SPI總線連接的CH376。所述傳感器至少包括溫度傳感器。所述MCU 為 STC12C5A60S2 單片機。所述采集ZigBee模塊和終端ZigBee模塊采用以CC2530為核心芯片的無線模塊。針對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的監(jiān)控實時性、連續(xù)性、長期性、靈活性要求較高,而且范圍大的特點,本發(fā)明將各無線采集節(jié)點和終端節(jié)點利用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行組網(wǎng),ZigBee協(xié)議因其短程、低速、廉價的特點非常適合用于農(nóng)田監(jiān)控。無線采集節(jié)點實時、連續(xù)地進行數(shù)據(jù)采集并將采集得到的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)傳送到終端節(jié)點上,然后進一步進行數(shù)據(jù)的整理、分析和存儲等工作。ZigBee技術(shù)的無線傳輸網(wǎng)絡(luò)使用簡單、安裝方便、適應(yīng)性強;而且根據(jù)其組網(wǎng)方式,單個節(jié)點的故障并影響整個網(wǎng)絡(luò)運行,自愈能力強,大大提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗毀性;而且由于節(jié)點不是固定的,所以方便移動調(diào)整;解決了現(xiàn)有農(nóng)田監(jiān)控系統(tǒng)成本高昂、調(diào)試復(fù)雜、檢修困難等難題。


圖I是本發(fā)明的一種結(jié)構(gòu)示意 圖2是本發(fā)明的另ー種結(jié)構(gòu)示意 圖3、圖4是無線采集節(jié)點的采集ZigBee模塊與MCU的通訊電路原理 圖5是存儲接ロ模塊電路原理圖。
具體實施例方式下面結(jié)合具體的實施例對本發(fā)明做進ー步介紹。如圖I所示為本發(fā)明基于ZigBee技術(shù)的農(nóng)田監(jiān)控系統(tǒng)的ー種最簡單的結(jié)構(gòu)示意圖,圖中共3個節(jié)點,2個節(jié)點為無線采集節(jié)點,另ー個為無線終端節(jié)點。圖2表示更多無線采集節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)。無線采集節(jié)點由采集ー個ZigBee模塊、ー個MCU和各種傳感器(包括溫度傳感器、濕度傳感器等等)構(gòu)成,傳感器輸出連接MCU,MCU與采集ZigBee模塊通訊連接,傳感器采集的農(nóng)田信息通過MCU傳輸?shù)讲杉痁igBee模塊,由采集ZigBee模塊發(fā)送到無線網(wǎng)絡(luò)中;無線終端節(jié)點包括終端ZigBee模塊及與之通訊連接的用戶終端PC,終端ZigBee模塊將從無線網(wǎng)絡(luò)中接收的農(nóng)田信息傳輸?shù)接脩艚K端PC上。MCU將傳感器采集到的數(shù)據(jù)傳給采集ZigBee模塊,MCU與ZigBee模塊之間通過串ロ進行通信;采集ZigBee模塊與其他采集ZigBee模塊、終端ZigBee模塊之間互相連接構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò),互相之間通過無線網(wǎng)絡(luò)進行通信。本發(fā)明采用STC12C5A60S2作為節(jié)點控制MCU,采用CC2530作為采集和終端ZigBee模塊。關(guān)于MCU與其對應(yīng)的ZigBee模塊的連接如圖3、圖4所示。ZigBee模塊提供串ロ輸出,可以直接與PC串ロ進行通訊。上述方式中,從PC可以進行整理、分析和存儲數(shù)據(jù)的操作,作為其他實施方式,還可以在任一個無線采集節(jié)點上增設(shè)ー個存儲接ロ模塊,用于連接U盤或者SD卡的存儲設(shè)備,將采集的數(shù)據(jù)進行存儲,如圖2所示。一般來講,該節(jié)點是比較重要的監(jiān)控點節(jié)點,所存儲的數(shù)據(jù)是全部節(jié)點的采集數(shù)據(jù)也可以是該節(jié)點的數(shù)據(jù)。作為其他實施方式,采集節(jié)點數(shù)量可以有很多(不超過ZigBee協(xié)議上限數(shù)量),以方便采集整個農(nóng)田的信息。存儲接ロ模塊為U盤/SD卡存儲模塊,與MCU之間采用SPI總線進行通信,電路以CH376為核心芯片。具體電路如圖2所示。以下是器件選擇中的ー些具體情況。在選擇傳感器的過程中,主要考慮能耗、測量范圍與精度、成本與體積等因素。綜合考慮,本發(fā)明最終采用DS18b20溫度傳感器。其采用獨特的ー線接ロ,只需要一條ロ線通信,簡化了分布式溫度傳感的應(yīng)用,無需外部元件并且可用數(shù)據(jù)總線供電,電壓范圍為3. OV至5. 5 V無需備用電源,測量溫度范圍廣(-55 ° C—+125 °C),測溫范圍內(nèi)精度高(約為±0.5 ° C)。耐磨耐碰,體積小,使用方便,封裝形式多祥,因此非常適用于本發(fā)明的農(nóng)田監(jiān)控系統(tǒng)。同時,為了使系統(tǒng)具有很好的擴展性、靈活性,系統(tǒng)在設(shè)計時增加了傳感器擴展接口,可擴展對其他傳感器,如CO :濃度、土壤的PH值、EC值和作物的生理參數(shù)等的測量。在無線傳輸部分,綜合考慮其功耗、成本、傳輸速率、傳輸距離以及組網(wǎng)復(fù)雜程度等因素,最終本發(fā)明采用了基于ZigBee技術(shù)的DRF1605無線ZigBee傳輸模塊。Zigbee是IEEE 802. 15. 4協(xié)議的代名詞,根據(jù)這個協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。是一種新興的近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),它是一種介于無線標記技術(shù)和藍牙之間的技術(shù)提案。主要用于近距離無線連接。它依據(jù)802. 15. 4標準,在數(shù)千個微小的傳感器之間相互協(xié)調(diào)實現(xiàn)通信。這些傳感器只需要很少的能量,以接力的方式通過無線電將數(shù)據(jù)從一個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點傳到另一個節(jié)點,所以它們的通信效率非常高。如圖3、圖4,為本發(fā)明所采用的DRF1605無線ZigBee傳輸模塊通信電路原理圖, 其中D型插頭3管腳與SP3232芯片的輸入管腳RlIN相連,SP3232芯片輸出管腳RlOUT與CC2530芯片PO. 2端口相連;CC2530芯片PO. 3管腳與SP3232芯片的輸入管腳TlIN相連,SP3232芯片輸出管腳TlOUT與D型插頭2管腳相連;D型插頭8管腳與SP3232的輸入管腳R2IN相連,SP3232芯片輸出管腳R20UT與CC2530芯片PO. 4管腳相連;CC2530芯片PO. 5管腳與SP3232的T2IN管腳相連,SP3232芯片T20UT管腳與D型插頭7管腳相連。該模塊以片上系統(tǒng)CC2530為核心芯片,通過+3. OV到+5. 5V RS-232收發(fā)器SP3232E完成模塊與模塊之間、模塊與采集MCU之間及模塊與PC機之間的通信,CC2530是一個兼容IEEE 802. 15.4的真正的片上系統(tǒng)。支持專有的802. 15. 4市場以及ZigBee、ZigBee PRO和ZigBeeRF4CE標準。CC2530提供了 IOldB的鏈路質(zhì)量,優(yōu)秀的接收器靈敏度和良好的抗干擾性,四種供電模式,多種閃存尺寸,以及一套廣泛的外設(shè)集——包括2個USART、12位ADC和21個通用GPIO等。除了通過優(yōu)秀的RF性能、選擇性和業(yè)界標準增強8051MCU內(nèi)核,支持一般的低功耗無線通信,CC2530還配備了系統(tǒng)內(nèi)可編程閃存,8-KBRAM等許多其他強大的功能。在U盤存儲部分考慮到存儲硬件的簡便性、便攜性、存儲速率及穩(wěn)定性等因素,本發(fā)明采用以CH376為核心芯片的U盤讀寫模塊。CH376是文件管理控制芯片,常用于單片機系統(tǒng)讀寫U盤或者SD卡中的文件內(nèi)容。CH376支持USB設(shè)備方式和USB主機方式,并且內(nèi)置了 USB通訊協(xié)議的基本固件,內(nèi)置了處理Mass-Storage海量存儲設(shè)備的專用通訊協(xié)議的固件,內(nèi)置了 SD卡的通訊接口固件,內(nèi)置了 FAT16和FAT32以及FAT12文件系統(tǒng)的管理固件,支持常用的USB存儲設(shè)備(包括U盤/USB硬盤/USB閃存盤/USB讀卡器)和SD卡(包括標準容量SD卡和高容量HC-SD卡以及協(xié)議兼容的MMC卡和TF卡)。CH376支持三種通訊接口 8位并口、SPI接口或者異步串口,單片機/DSP/MCU/MPU等控制器可以通過上述任何一種通訊接口控制CH376芯片,存取U盤或者SD卡中的文件或者與計算機通訊。CH376支持I. 5Mbps低速和12Mbps全速USB通訊,支持USB-HOST主機接口和USB-DEVICE設(shè)備接口,支持動態(tài)切換主機方式與設(shè)備方式。支持USB設(shè)備的控制傳輸、批量傳輸、中斷傳輸。自動檢測USB設(shè)備的連接和斷開,提供設(shè)備連接和斷開的事件通知。提供磁盤管理功能、文件管理功能以及文件讀寫功能,以完成磁盤初始化、查詢物理容量、查詢剩余空間、物理扇區(qū)、讀寫打開、新建或刪除文件、枚舉和搜索文件、創(chuàng)建子目錄、支持長文件名以及以字節(jié)為最小單位或者以扇區(qū)為單位對多級子目錄下的文件進行讀寫等功能。本發(fā)明采用了 SPI接口通訊模式,節(jié)省了單片機I/O 口,操作簡單,很好的實現(xiàn)了采集數(shù)據(jù)的快速、長期存儲。
采用STC12C5A60S2作為節(jié)點控制MCU。STC12C5A60S2單片機是宏晶科技生產(chǎn)的單時鐘/機器周期(IT)的單片機,是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機,速度是傳統(tǒng)8051單片機的8-12倍。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路,2路PWM,8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250K/S,即25萬次/s)。由于傳感器節(jié)點及其控制和傳輸電路采用的是電池供電,而且必須長時間在野外工作,氣候條件復(fù)雜多變,環(huán)境惡惡劣。所以在選擇微處理器時低功耗是ー個非常重要的技術(shù)指標。STC12C5A60S2系列單片機低功耗的特性很好的滿足了系統(tǒng)的這ー需求,同吋,農(nóng)田監(jiān)控系統(tǒng)中許多傳感器采集到的是模擬量,需要進行A/D轉(zhuǎn)換。STC12C5A60S2系列單片包含中央處理器(CPU)、程序存儲器(Flash)、數(shù)據(jù)存儲器(SRAM)、定時/計數(shù)器、UART串ロ、串ロ 2、I/O接ロ、高速A/D轉(zhuǎn)換、SPI接ロ、PCA、看門狗及片內(nèi)R/C振蕩器和外部晶體振蕩電路等模塊。幾乎包含了數(shù)據(jù)采集和控制中所需的所有単元模塊,其內(nèi)置的10位A/D轉(zhuǎn)換完全可以滿足本發(fā)明中對各監(jiān)控量采樣的速度和精度要求。 本發(fā)明的遠程監(jiān)測中心數(shù)據(jù)管理軟件采用C++開發(fā)工具設(shè)計,采用B / S體系結(jié)構(gòu),主要功能是偵聽Socket請求,并建立網(wǎng)絡(luò)連接。將接收到的數(shù)據(jù)存儲到指定IP地址的服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫中,用戶可以通過客戶端瀏覽器實現(xiàn)數(shù)據(jù)的瀏覽和下載、提取及更新等操作。數(shù)據(jù)接收采用Socket網(wǎng)絡(luò)通信機制,監(jiān)聽本地IP地址的綁定端ロ,如果有遠程IP請求,則接受請求并建立連接,同時啟動數(shù)據(jù)接收,接收該TCP連接發(fā)來的數(shù)據(jù),并根據(jù)數(shù)據(jù)包協(xié)議完成數(shù)據(jù)解析。然后根據(jù)數(shù)據(jù)的采集時間,采用時段劃分的數(shù)據(jù)存儲管理方式,將解析后經(jīng)驗證合法的有效數(shù)據(jù),存儲到數(shù)據(jù)庫對應(yīng)表格的對應(yīng)屬性字段中,包括監(jiān)測區(qū)編號、發(fā)送該數(shù)據(jù)包的節(jié)點編號、傳感器測得的數(shù)據(jù)值和該數(shù)據(jù)包經(jīng)由的傳輸路徑等。在需要數(shù)據(jù)分析可以從數(shù)據(jù)庫表中讀取監(jiān)測量數(shù)據(jù),繪制各節(jié)點的數(shù)據(jù)變化曲線,分析監(jiān)測量連續(xù)變化的特性等。如圖2,系統(tǒng)工作過程如下使用各種傳感器采集農(nóng)田的各種信號,經(jīng)過放大處理送給MCU的輸入端,MCU的輸出端和ZigBee模塊相連,通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給無線終端節(jié)點,無線終端節(jié)點將接受的數(shù)據(jù)通過串ロ通訊把數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機,并在PC機顯示屏中把采集得到的數(shù)據(jù)顯示出來,同時把采集得到的數(shù)據(jù),通過CH376芯片存儲到U盤/SD卡中?;赯igBee的農(nóng)田監(jiān)控系統(tǒng)解決了農(nóng)田長時間、大容量、實時采集、數(shù)據(jù)存儲的難題。通過傳感器實時采集農(nóng)田各種信息,通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)把信息顯示到PC機串ロ并把采集得到的數(shù)據(jù)存儲到U盤中去,與傳統(tǒng)的農(nóng)田監(jiān)控系統(tǒng)相比,節(jié)省了成本、提高了工作效率、具有顯著的經(jīng)濟效益和社會效益。本發(fā)明的優(yōu)點如下
網(wǎng)絡(luò)組建簡單=ZigBee具有自動組網(wǎng)功能,網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能夠感知其他節(jié)點的存在,并確定連接關(guān)系,組成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)路。増加或者刪除ー個節(jié)點,節(jié)點位置發(fā)生變動,節(jié)點發(fā)生故障等,網(wǎng)絡(luò)都能夠自我修復(fù),并對網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)進行相應(yīng)的調(diào)整,無需人工干預(yù),保證整個系統(tǒng)仍然能夠正常工作。靈活性大本發(fā)明是基于ZigBee技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng),各傳感器之間通過無線網(wǎng)絡(luò)進行通信,沒有有線通信中信號線的束縛,所以監(jiān)控點的選擇更加靈活、監(jiān)控范圍更加廣,監(jiān)控點的移動、増加、減少等都更加的方便,且不會對整個系統(tǒng)穩(wěn)定造成影響。數(shù)據(jù)大容量長期存儲本發(fā)明采用基于CH376的U盤/SD卡讀寫存儲模塊,通過單片機方便的控制U盤進行采集數(shù)據(jù)的存儲,是存儲更加方便,存儲時間更長,容量更大。擴展性強傳感器按照其信號輸出類型大致可分為模擬信號輸出類、數(shù)字信號輸出類和智能傳感器標準接口輸出類等,在本發(fā)明中系統(tǒng)在設(shè)計時預(yù)留了傳感器 擴展接口,可擴展對其他傳感器,如光照度、C02濃度、土壤的pH值、EC值和作物的生理參數(shù)等的測量。
權(quán)利要求
1.一種基于ZigBee技術(shù)的農(nóng)田監(jiān)控系統(tǒng),其特征在于,包括在農(nóng)田中分布設(shè)置的至少兩個用于實時采集農(nóng)田信息的無線采集節(jié)點和一個無線終端節(jié)點,各節(jié)點構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò);無線采集節(jié)點由一個采集ZigBee模塊、一個MCU和至少一種傳感器構(gòu)成,傳感器輸出連接MCUjMCU與采集ZigBee模塊通訊連接,傳感器采集的農(nóng)田信息通過MCU傳輸?shù)讲杉痁igBee模塊,由采集ZigBee模塊發(fā)送到無線網(wǎng)絡(luò)中;無線終端節(jié)點包括終端ZigBee模塊及與之通訊連接的用戶終端PC,終端ZigBee模塊將從無線網(wǎng)絡(luò)中接收的農(nóng)田信息傳輸?shù)接脩艚K端PC上。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于ZigBee技術(shù)的農(nóng)田監(jiān)控系統(tǒng),其特征在于,所述ZigBee模塊與MCU通過串口通訊連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于ZigBee技術(shù)的農(nóng)田監(jiān)控系統(tǒng),其特征在于,所述終端ZigBee模塊與用戶終端PC通過串口通訊連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于ZigBee技術(shù)的農(nóng)田監(jiān)控系統(tǒng),其特征在于,至少一個無線采集節(jié)點還設(shè)有存儲接口電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于ZigBee技術(shù)的農(nóng)田監(jiān)控系統(tǒng),其特征在于,所述存儲接口電路為U盤/SD卡讀寫電路。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于ZigBee技術(shù)的農(nóng)田監(jiān)控系統(tǒng),其特征在于,所述U盤/SD卡讀寫電路包括與對應(yīng)采集節(jié)點的MCU通過SPI總線連接的CH376。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項所述的基于ZigBee技術(shù)的農(nóng)田監(jiān)控系統(tǒng),其特征在于,所述傳感器至少包括溫度傳感器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項所述的基于ZigBee技術(shù)的農(nóng)田監(jiān)控系統(tǒng),其特征在于,所述MCU為STC12C5A60S2單片機。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-6中任一項所述的基于ZigBee技術(shù)的農(nóng)田監(jiān)控系統(tǒng),其特征在于,所述采集ZigBee模塊和終端ZigBee模塊采用以CC2530為核心芯片的無線模塊。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于ZigBee技術(shù)的農(nóng)田監(jiān)控系統(tǒng),包括在農(nóng)田中分布設(shè)置的至少兩個用于實時采集農(nóng)田信息的無線采集節(jié)點和一個無線終端節(jié)點,各節(jié)點構(gòu)成無線網(wǎng)絡(luò);無線采集節(jié)點由采集ZigBee模塊、MCU和傳感器構(gòu)成,傳感器輸出連接MCU,MCU與采集ZigBee模塊通訊連接,傳感器采集的農(nóng)田信息通過MCU傳輸?shù)讲杉痁igBee模塊,由采集ZigBee模塊發(fā)送到無線網(wǎng)絡(luò)中;無線終端節(jié)點包括終端ZigBee模塊及與之通訊連接的用戶終端PC,終端ZigBee模塊將從無線網(wǎng)絡(luò)中接收的農(nóng)田信息傳輸?shù)接脩艚K端PC上。本發(fā)明使用簡單、安裝方便、適應(yīng)性強、自愈能力強。
文檔編號G08C17/02GK102685930SQ20111042054
公開日2012年9月19日 申請日期2011年12月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月15日
發(fā)明者劉星星, 張煜, 王冠軍, 王新勇, 王自振, 陳國濤, 陳秋昭, 馬群 申請人:河南科技大學(xué)
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