基于ZigBee的农田风速采集节点的设计

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摘 要：随着精准农业的快速发展，无线传感器网络技术在农业环境监测领域中的应用越来越广泛。依据无线传感器网络的体系结构和特点，基于zigbee技术，设计了一种用于采集农作物微环境信息中风速的无线传感器网络节点，能够有效的对环境因子风速进行实时、准确的采集和传输。实验证明，节点运行良好，数据传输稳定可靠，达到了设计要求。

关键词：精准农业；无线传感器网络；ZigBee；CC2530；风速传感器

精准农业（Precision Agriculture）的基本涵义是根据作物生长的环境状况，调节对作物的投入，以最少的或最节省的投入达到同等收入或更高的收入，并改善环境。获取准确、实时的农作物微环境信息是精准农业实施的基础，远程无线数据传输则是其重要技术手段。本文基于ZigBee无线传感器网络的低功耗、低传输速率、低成本等特性，以AVR单片机Atmega8L、M288865风速传感器和CC2530射频芯片设计了一种用于采集农业环境中风速的传感器节点，并基于ZigBee协议栈构建无线传感器网络用于节点数据的传输。

1 系统总体设计

无线传感器网络技术在现代农业中的应用越来越广泛，在传统农业中人们主要通过人工测量来获取农田信息，需要消耗大量的人力；而通过无线传感器网络可以有效降低人力消耗和对农田环境的影响，获取精确的农作物微环境信息。本文采用的是其中的ZigBee技术，ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信新技术，主要用于近距离无线连接。它依据IEEE802. 15. 4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信。

农作物微环境的监测需要高密度的数据采集节点，节点具有低功耗、设备体积小、成本低等特点，一般农业环境监测系统由传感器终端节点、协调器节点（网关）、计算机子系统组成，如图1所示。其中传感器终端节点响应协调器节点的请求进行数据的采集和上传，协调器节点负责各传感器节点数据的收集和外网通信，计算机系统则负责各节点数据的分析处理。

本文设计为用于农作物微环境信息采集的传感器终端节点，由传感器模块、处理器模块和无线通信模块组成，传感器模块负责采集风速；处理器模块负责整个节点的控制，完成数据的采集和处理；无线通信模块负责与协调器节点通信，用于上传数据。

2 硬件实现

无线传感器网络中的终端节点要同时具有数据采集、信息处理和无线通讯的功能。农田信息的采集具有需要采集点多、设备体积小、功耗低等要求，依据无线传感器网络自身具有的自组织网络、多跳路由、大面积的空间分布等优势，本设计中的处理器模块采用AVR单片机系列中的Atmega8L，无线通信模块采用TI公司的新一代射频芯片CC2530，传感器选择M288865风速传感器，硬件结构图如图2所示。

2.1 处理器控制模块

微控制器采用ATMEL公司的Atmega8L单片机，Atmega8L是一款高性能、低功耗的微控制器，在4MHz工作频率下，功耗大约为10mw，可使用池工作，电源电压范围为2.7V～5.5V；具有5种睡眠模式，在不需要采集数据时可设定为空闲模式，电流仅为1.0mA；具有512K的EEPORM，可用来存储少量数据；Atmega8L还具有两个可编程的串行USART、8路10位的A/D转换器和23个可编程的I/O口，很适合用作无线传感器网络节点的主控芯片。

2.2 无线通信模块

无线通信模块采用CC2530芯片，CC2530是TI公司的第二代片上系统，支持IEEE802.15.4、ZigBee、ZigBee PRO和ZigBeeRF-4CE标准，用于2.4GHz免执照ISM频带，能够以非常低的总的材料成本建立强大的网络节点。

2.3 传感器模块

传感器选用M288865风速传感器，M288865是传统的风杯式风速传感器，风杯采用碳纤维材料，强度高，起动好等特点。M288865风速传感的感应元件是三杯风组件，由三个碳纤维风杯和杯架组成，转换器为多齿轮杯和狭缝光耦。当风杯受水平风力作用而旋转时，通过活轴转杯在狭缝光耦中的转动，输出与风速成正比的频率信号。表1为传感器技术参数。

2.4 电源模块

因为节点使用电池供电，并且M288865风速传感器的工作电压（5V）与CC2530射频芯片的工作电压（2.0-3.6V）不同，所以电源电路设计了两路输出，一路采用升压稳压芯片BL8530输出5V电压给风速传感器供电，另一路采用电源集成稳压芯片AMS1117，将电池电压稳压成3.3V提供给微控制器和CC2530，用于其正常工作。

3 软件实现

软件系统的设计工作主要包括风速的采集及处理程序设计，其中数据的采集及处理采用ICC AVR编译器。

风速的测量实际就是频率的测量，为得到准确的1秒钟测量闸门信号，使用Atmega8L的异步实时时钟功能，由TC2产生1秒钟定时信号。在单片机打开测量闸门的同时TC2定时器启动，T1计数器开始对输入脉冲计数。当1秒钟定时到达时，单片机产生中断，关闭测量闸门，然后读取T1计数值，带入公式V=0.3+0.0877*f（m/s）中，计算出标准单位的风速值。

4 结束语

无线传感器网络技术的出现为今后精准农业的实施搭建了一个不可多得的技术平台，基于ZigBee无线传感器网络技术的应用，将使传统农业逐渐转变成以信息和软件为中心的模式。本文设计的用于采集农田环境中风速的传感器节点，有效的实现了农田信息采集过程中低功耗、低成本、无线传输的要求，为精准农业的发展提供了基础保障。

参考文献

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