基于ZigBee与GPRS的农业大棚环境监测系统的设计和实现

近年来随着大棚农业的蓬勃发展，对农业生产的信息化管理成为了一个重要的研究领域。大棚温室内的土壤湿度、环境温湿度、叶面湿度等环境因素对农作物的质量以及稳产、高产有很大的影响。如何实时、有效地获取内部各种环境参数，为种植过程的科学灌溉提供数据支持，进而提高作物产量，增加经济收益，具有重大的意义。

针对上述问题，目前常用的方法是人工巡查和有线数据采集两种。人工巡查方式消耗人力、工作量大，且难以保证数据的实时性与有效性。另一种是采用有线通讯的数据采集方式监测系统，其布线复杂，且受物理线路和环境因素影响大，成本高，不适于扩展。随着无线通讯的发展，以往的有线系统渐渐被无线监测系统取代，尤其是近些年我国GPRS/CDMA无线移动网络技术的发展以及ZigBee技术在我国的应用，使得开发一个廉价而低耗的无线系统成为易事。作为一种近距离、低成本、低功耗、低数据速率的双向无线传输技术，被广泛用于环境监测、交通管理、灾难预防等领域，也成为近年来数字农业研究中的热点之一。针对农业大棚环境监测的实际需求，研制具有多测点、多参数、可移动、使用便捷的环境监测系统具有十分重要的意义。

1 系统结构

大棚温室监测系统设计成三层网络结构：无线传感器网络，GPRS网络和远程管理平台，系统结构如图1所示。无线传感器网络负责各种环境参数的检测和数据的无线传输;

GPRS网络用于数据的转发以及与。Internet无缝连接，远程管理平台可实现对数据的处理、分析、管理。

为了减低成本，此处网关节点功能主要是实现ZigBee的协调器与gprs模块间的通讯。使得协调器收到的数据能够通过GPRS模块传输到互联网上，以此实现远程监控。

无线传感器网络由若干终端节点，路由节点和协调器节点构成。带有的大量传感器的ZigBee终端节点和路由节点分别放置在大棚的不同地方，各个节点负责对数据的感知与采集，数据以最短路径原则沿着其他路由节点逐跳地进行传输。每个传感器节点的覆盖范围必须包含另外两个节点，以防传输线路中有节点出现故障时，数据的传输中断。在传输过程中，监测数据可能被多个节点处理，多跳到每个簇的汇聚节点，然后传到网关节点。网关节点与远程的服务器采用经典的C/S模式实现通讯，使用者也可根据需要使用智能手机作为客户端，实现随时随地实时的收集大棚中的环境参数，并对数据进行分析处理，做出判断与决测。

2 网络节点设计

2.1 终端节点的硬件设计

农业大棚中环境温湿度，二氧化碳含量等环境参数数据对于节点处理器的处理能力不需要很高的要求，且发送的数据量小。为了降低成本，本系统采用单片CC2530作为处理器，用于数据的采集和数据的无线通讯。电源模块则对整个节点的运行提供能源，以满足系统中不同模块对电源的需求，保证正常运行。节点硬件主要结构如图2所示。

2.1.1 传感器模块

传感器模块主要由环境温湿度、二氧化碳等传感器等部分组成。土壤湿度传感器用于监测种植区域的土壤水分，环境温湿度传感器用于监测生长环境中的温度和湿度，二氧化碳传感器用于监测温室中的二氧化碳含量，保证植物能在合适环境中生长。温湿度传感器采用SHT11传感器，它是由工厂校准，输出温度的分辨率为0.01℃，输出相对湿度的分辨率为0.03%。它提供全量程标定的数字输出。具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容性聚合体湿度敏感元件和一个用能隙材料制成的温度敏感元件，这两个敏感元件与一个14位的A/D转换器以及一个串行接口电路设计在同一个芯片上面。该传感器响应超快、抗干扰能力强、极高的性价比。它与单片机的接口也非常简单与IIC协议类似。本系统中对CO2含量监测有较高的要求，且传感器应受温湿度的变化小。这里采用：MG811型的二氧化碳传感器，它主要实用与空气质量控制系统和温室二氧化碳浓度检测。二氧化碳传感器经过高输入阻抗放大器放大后接入单片机，利用CC2530内部自带的AD转换器进行模数转换。

2.1.2 电源模块

网络节点中处理器CC2530需要3.3 V供电，而传感器模块和放大器等需要5 V供电。为了满足不同模块对电源的需求，以及节点的便捷性。我们采用多节1.5 V干电池供电，

通过LM1117输出所需的3.3 V和5 V电压。LM1117是一个低压差电压调节器系列。其压差在1.2 V输出，负载电流为800 mA时为1.2 V。它有5个固定电压输出(1.8 V，2.5 V，2.85 V，3.3 V和5 V)的型号，此外它还提供电流限制和热保护。输出电压精度在1%以内。设计时输出端需要一个至少10 uF的钽电容来改善瞬时响应和稳定性。

2.1.3 无线通讯模块

无线通讯模块主