基于ZigBee的農業設施環境監測系統的制作方法

本實用新型涉及農業設施環境監測領域，尤其是涉及一種基于ZigBee的農業設施環境監測系統。

背景技術：

目前使用較廣泛的近距無線通信技術有藍牙(Bluetooth),無線局域網802.11(Wi-Fi)和紅外線數據傳輸(IrDA)。此外，還有一些具有發展潛力的近距無線技術標準，分別是ZigBee，超寬頻，短距通信，WiMedia，GPS，DECT，無線1394和專用無線系統等。

ZigBee技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通訊技術，支持移動多跳自組網，為無線傳感網絡測控提供了技術支持。該通信協議非常適合數據量小，速度要求不高，節點同構，數量眾多的無線傳感網絡大規模測控系統。該技術已廣泛應用到了智能家居、樓宇自動化、醫療等多個領域。

對于大規模測控系統，由于采集的參數多，采集節點數量大，電池定期更換頻繁，工作量非常大。除了觀光、科研用的農業設施，國內還沒有一款簡單、實用，老百姓生產用得上的農業設施測控系統。生產過程仍沿用傳統人工管理，管理手段落后，勞動強度大。

技術實現要素：

為了解決農業設施采集參數眾多，節點數量大，通用性不強，定期更換電池的缺點，本實用新型提供了基于ZigBee的農業設施環境監測系統。本實用新型可接入傳感器多，能夠采集參數的種類多、數量大，低功耗，無需更換電池；同時滿足農業生產測控系統改造升級，系統的安裝位置靈活，移動方便，不需要重新布線。

為解決上述技術問題，本實用新型通過以下技術方案來實現：基于ZigBee的農業設施環境監測系統，包括主控電路、環境參數采集模塊、RF無線收發匹配電路和電源模塊，主控電路的第一控制輸出端連接環境參數采集模塊的控制輸入端；環境參數采集模塊的采集數據輸出端連接主控電路的采集數據輸入端；主控電路的數據發送端將數據經RF無線收發匹配電路進行發射；主控電路的電源輸入端連接電源模塊的電源輸出端；所述的環境參數采集模塊包括多個采集模塊和多個備用采集模塊插座。

其中，還包括通信指示模塊，通信指示模塊的控制輸入端連接主控電路的第二控制輸出端。

其中，所述的主控電路由單片機U1、電容C6和電阻R1、晶振Y1-Y2、電容C2-C5、按鍵S1和電阻R2、電感L1和電容C1組成；所述的單片機U1為CC2530芯片。

其中，所述的環境參數采集模塊由溫濕度采集模塊、光照強度采集模塊、CO2濃度采集模塊、土壤含水量采集模塊、第一至第四備用采集模塊插座和驅動芯片組成；各采集模塊和各備用采集模塊插座的電源輸入端與驅動芯片的電源輸出端相連接；各采集模塊和各備用采集模塊插座的采集數據輸出端與主控電路的采集數據輸入端相連接；驅動芯片的控制輸入端與主控電路的第一控制輸出端相連接。

其中，所述的溫濕度采集模塊為DHT11，光照強度采集模塊為由光敏電阻和電阻串聯組成的光照采集模塊電路，CO2濃度采集模塊為MG811，土壤含水量采集模塊為FDS100，驅動芯片為ULN2003芯片；DHT11的2腳接CC2530芯片的19腳，3腳接ULN2003芯片的18腳；光照采集模塊電路的2腳接CC2530芯片的18腳，3腳接ULN2003芯片的17腳；MG811的2腳接CC2530芯片的17腳，3腳接ULN2003芯片的16腳；FDS100的2腳接CC2530芯片的16腳，3腳接ULN2003芯片的15腳；第一至第四備用采集模塊插座的2腳一一對應接CC2530芯片的15腳-13腳和35腳，3腳一一對應接ULN2003芯片的14腳-11腳；DHT11、光照采集模塊電路、MG811、FDS100和第一至第四備用采集模塊插座的1腳均接VCC電源；ULN2003芯片的1腳-8腳分別與CC2530芯片的11腳、9腳、8腳、7腳、6腳、5腳、38腳和34腳一一對應相連接。

其中，所述的電源模塊由光伏電池板P1、二極管D1、超級電容C12-C13、降壓穩壓電路U2和電阻R3-R5組成，所述的降壓穩壓電路U2為XC6211；光伏電池板P1的正電極端分別連接+5V電源和二極管D1的陽極；二極管D1的陰極分別連接超級電容C12的一端和XC6211的VIN端；ULN2003的OUT端連接電阻R3，其CE端連接CC2530芯片的37腳；電阻R3的另一端分別連接電阻R4的一端、超級電容C13的一端和VCC電源；R4的另一端分別連接電阻R5的一端和CC2530芯片的12腳；光伏電池板P1的負電極端、超級電容C12的另一端、XC6211的GND端、電阻R5的另一端和超級電容C13的另一端均接地。

其中，所述的通信指示模塊由發光二極管D2和電阻R6組成，發光二極管D2的陰極連接CC2530芯片的36腳，其陽極經電阻R6連接VCC電源。

本實用新型相比背景技術的優點在于：

1.本實用新型使用CC2530芯片作為主控電路的一部分，CC2530芯片本身具有8路10位的AD轉換接口，可以直接外接模擬或數字信號輸出的傳感器，最多可做到8路多種參數的同時采集；并且擴展靈活，對用戶需要的其他參數的檢測可以直接連接相應的傳感器，實現用戶指定參數的檢測。

2.本實用新型利用光伏電池板供電，實現了無線傳感網絡系統環境多參數實時采集、自動加入測控網絡、無線上傳數據、低功耗不需要更換電池。

3.本實用新型與基于ZigBee的農業物聯網測控系統兼容，各監測系統自動加入ZigBee局域網絡。

附圖說明

圖1為本實用新型的原理框圖；

圖2是本實用新型的主控電路的電路原理圖；

圖3是本實用新型的RF無線收發匹配電路的電路原理圖；

圖4是本實用新型的環境參數采集模塊的電路原理圖；

圖5是本實用新型的電源模塊的電路原理圖；

圖6是本實用新型的通信指示模塊的電路原理圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明做進一步詳細的說明。

如圖1所示，基于ZigBee的農業設施環境監測系統，包括主控電路、環境參數采集模塊、RF無線收發匹配電路和電源模塊。

如圖2所示，所述的主控電路由含ZigBee模塊的單片機U1、電容C6和電阻R1、晶振Y1-Y2、電容C2-C5、按鍵S1和電阻R2、電感L1和電容C1組成；所述的單片機U1為CC2530芯片，其1-4腳、41腳接地，10腳、21腳、24腳、27-29腳、31腳、39腳經電感L1接VCC源，30腳經電阻R1接地，40腳經電容C6接地；22腳經晶振Y1接23腳，32腳經晶振Y2接33腳，電容C2-C5分別接在CC2530芯片的33腳、32腳、22腳、23腳和地之間，20腳經按鍵S1接地；所述電容C1接在CC2530芯片的21腳和地之間；電阻R2接在CC2530芯片的20腳和VCC電源之間。

主控電路用于對電源模塊、環境參數采集模塊的電源進行通斷控制，使用軟件手段控制各個模塊不工作時切斷電源。主控電路采用具有ZigBee模塊的CC2530芯片作為主控器和無線發送器，CC2530芯片通過RF無線收發匹配電路連接2.4G天線，利用Z-Stack網絡協議棧構建網狀網絡拓撲結構。在應用框架中編寫系統初始化程序，各個參數采集數據子程序(含各個模塊電源接通斷開的控制)，電源電壓采集子程序，根據采集的電壓值控制降壓穩壓電路是否工作子程序，無線發送數據子程序。

CC2530芯片有三種功率模式，本系統采用pm2模式，定時間隔喚醒，循環采集各個參數。

如圖3所示，所述的RF無線收發匹配電路由外置天線ANT、電感L2-L3、電容C7-C11組成；外置天線ANT經電容C2后一路依次經電容C8和電感L2接地，另一路依次經電感L3、電容C9接地；電容C8和電感L2間的節點經電容C10接CC2530芯片的25腳,電感L3和電容C9間的節點經電容C11接CC2530芯片的26腳。

如圖4所示，所述的環境參數采集模塊由溫濕度采集模塊CJ1(DHT11)、光照強度采集模塊CJ2、CO2濃度采集模塊CJ3(MG811)、土壤含水量采集模塊CJ4(FDS100)、第一至第四備用采集模塊插座CJ5至CJ8和驅動芯片U3(ULN2003)組成；DHT11的2腳接CC2530芯片的19腳，3腳接ULN2003芯片的18腳；光敏電阻的2腳接CC2530芯片的18腳，3腳接ULN2003芯片的17腳；MG811的2腳接CC2530芯片的17腳，3腳接ULN2003芯片的16腳；FDS100的2腳接CC2530芯片的16腳，3腳接ULN2003芯片的15腳；第一至第四備用采集模塊的2腳一一對應接CC2530芯片的15腳-13腳和35腳，3腳一一對應接ULN2003芯片的14腳-11腳；DHT11、光敏電阻、MG811、FDS100和第一至第四備用采集模塊的1腳均接VCC電源；ULN2003芯片的1腳-8腳分別與CC2530芯片的11腳、9腳、8腳、7腳、6腳、5腳、38腳和34腳一一對應相連接。

環境參數采集模塊暫定采集對作物生長發育比較關鍵的5個參數：空氣溫度、濕度、光照強度、CO2濃度、土壤含水量。從傳感器的成本、工作可靠性等幾方面考慮，我們選用了價格便宜的幾個傳感器，DHT11采集空氣的溫濕度，光敏電阻采集光照強度，MG811采集CO2濃度，FDS100采集土壤含水量。將溫度濕度、光照強度、CO2濃度和土壤含水量的數據輸出引腳分別接到CC2530芯片的P0.0，P0.1，P0.2，P0.3引腳；同時利用P1.0，P1.1，P1.2，P1.3引腳控制各個傳感器的電源的接通與斷開。CC2530芯片的P0.7檢測電源電壓，P1.7控制降壓穩壓芯片XC6211的CE腳；剩余的引腳引出作為用戶外接傳感器的擴展冗余口線，可另外再擴展四個采集模塊。

如圖5所示，所述的電源模塊由光伏電池板P1、二極管D1、超級電容C12-C13、降壓穩壓電路U2和電阻R3-R5組成，所述的降壓穩壓電路U2為XC6211；光伏電池板P1的正電極端分別連接+5V電源和二極管D1的陽極；二極管D1的陰極分別連接超級電容C12的一端和XC6211的VIN端；ULN2003的OUT端連接電阻R3，其CE端連接CC2530芯片的37腳；電阻R3的另一端分別連接電阻R4的一端、超級電容C13的一端和VCC電源；R4的另一端分別連接電阻R5的一端和CC2530芯片的12腳；光伏電池板P1的負電極端、超級電容C12的另一端、XC6211的GND端、電阻R5的另一端和超級電容C13的另一端均接地。

實施例中利用光伏電池給系統供電，光伏電池板P1輸出5V直流電，利用二極管D1防止逆流。利用超級電容C12,C13作為儲能元件，利用CC2530芯片的P0.7引腳檢測電源電壓，P1.7引腳作為降壓穩壓模塊XC6211的片選控制，保證CC2530芯片的正常工作電壓范圍2.5V～3.3V。降壓穩壓電路U2輸出3.5V直流電，給超級電容C13充電，給CC2530芯片提供2.5V～3.3V的工作電源。

如圖6所示，所述的通信指示模塊由發光二極管D2和電阻R6組成，發光二極管D2的陰極連接CC2530芯片的36腳，其陽極經電阻R6連接VCC電源。

CC2530芯片的P2.0引腳外接一個發光二極管D2。每完成一次環境參數采集和無線傳送，則控制該二極管點亮一定時間，以指示設備處于正常工作狀態。

本實用新型可以根據農作物的種類，外接各種參數采集傳感器，實現相關參數的實時采集和無線傳送；用光伏電池板作為電源；通過控制每個數據采集模塊的工作電源、CC2530芯片的電源電壓、控制穩壓降壓電路的工作使能、設置CC2530芯片的定時休眠來降低系統功耗；本系統安裝位置靈活，不需要布線，為測控系統升級及用戶系統后期改造提供了方便。