張 輝，胡 鋼

（1.南通河海大學(xué)海洋與近海工程研究院，南通226000；2.物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院（常州），常州213022）

基于單片機(jī)和3G的遠(yuǎn)程無(wú)線土壤參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)?

張 輝1，2，胡 鋼1，2

（1.南通河海大學(xué)海洋與近海工程研究院，南通226000；2.物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院（常州），常州213022）

目前市場(chǎng)上關(guān)于農(nóng)田土壤參數(shù)采集的裝置多采用有線方式，布線不便、缺乏靈活性，因此，提出了基于Zigbee和3G的無(wú)線土壤參數(shù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)由單片機(jī)MSP430、射頻芯片CC2530以及3G路由器組成。單片機(jī)對(duì)傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、處理和發(fā)送，經(jīng)ZigBee組網(wǎng)把多節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)匯聚到中心節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)短距離通信，再經(jīng)3G路由器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸，從而達(dá)到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)土壤參數(shù)的目的。經(jīng)實(shí)際測(cè)試驗(yàn)證該系統(tǒng)具有實(shí)用性。

土壤參數(shù)采集；無(wú)線；紫蜂；3G路由器

1 引 言

目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)農(nóng)田的節(jié)水監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一般基于有線通訊方式，雖然機(jī)制成熟，但有線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在諸多缺點(diǎn)：有線監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布置需要大量走線，布置方式不靈活而且不利于農(nóng)田正常作業(yè)；監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)量由于受到通信布線成本限制而不能大量布置，造成監(jiān)測(cè)力度不夠，甚至存在監(jiān)測(cè)盲區(qū)［1］；有線監(jiān)測(cè)點(diǎn)線路檢查和維護(hù)需要大量的人力物力，若多塊農(nóng)田實(shí)現(xiàn)集中管理會(huì)極大的增加安裝成本，不利于構(gòu)建大型的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。

針對(duì)以上缺點(diǎn)，項(xiàng)目提出的無(wú)線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于ZigBee和3G技術(shù)，通過(guò)ZigBee的自組網(wǎng)方式實(shí)現(xiàn)多個(gè)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)匯集，3G技術(shù)作為一種先進(jìn)的無(wú)線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)距離可靠傳輸。基于ZigBee和3G的無(wú)線土壤參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有成本低、部署靈活方便及通信便利等特點(diǎn)［2］，使其在農(nóng)業(yè)應(yīng)用方面表現(xiàn)尤為突出。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)從功能上可分為下位機(jī)和上位機(jī)部分，下位機(jī)部分包括數(shù)據(jù)采集及處理模塊、無(wú)線通信模塊，無(wú)線通信模塊由Zigbee短距離無(wú)線通信和3G遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸兩部分構(gòu)成。上位機(jī)是基于Delphi開(kāi)發(fā)的監(jiān)控界面。

數(shù)據(jù)采集及處理模塊由ARN＿100土壤濕度傳感器、ARN＿TW土壤溫度傳感器、JASP2801土壤PH值傳感器、12V供電電源以及MSP430F169單片機(jī)組成，主要負(fù)責(zé)獲取土壤溫度、濕度和PH值傳感器的模擬數(shù)據(jù)、AD轉(zhuǎn)換及串口的定時(shí)發(fā)送。

Zigbee短距離無(wú)線通信基于ZigBee協(xié)議架構(gòu)，組建底層星型網(wǎng)絡(luò)，星型網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)中心節(jié)點(diǎn)即協(xié)調(diào)器和若干個(gè)終端節(jié)點(diǎn)組成。終端節(jié)點(diǎn)通過(guò)串口接收單片機(jī)定時(shí)發(fā)送來(lái)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，然后通過(guò)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信方式，把接收到的數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送給中心節(jié)點(diǎn)，所有的終端節(jié)點(diǎn)都把土壤參數(shù)數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送給中心節(jié)點(diǎn)。中心節(jié)點(diǎn)起到匯聚終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的作用，由于Zigbee傳輸距離有限，所以本系統(tǒng)把中心節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給3G路由器，利用3G傳輸?shù)倪h(yuǎn)距離和高效性，經(jīng)3G的TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信。

基于Delphi開(kāi)發(fā)的上位機(jī)部分構(gòu)成系統(tǒng)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理模塊，主要通過(guò)與3G路由器連通以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，完成實(shí)時(shí)土壤參數(shù)數(shù)據(jù)的接收、處理、動(dòng)態(tài)顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及歷史數(shù)據(jù)管理，數(shù)據(jù)管理包括對(duì)歷史數(shù)據(jù)的查詢(xún)、打印水晶報(bào)表和繪制曲線圖。系統(tǒng)的總體框架圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架圖

3 數(shù)據(jù)采集及處理模塊

數(shù)據(jù)采集及處理模塊由傳感器、MSP430F169最小系統(tǒng)，電源電路，驅(qū)動(dòng)電路，土壤參數(shù)采集電路組成，數(shù)據(jù)采集模塊框圖如圖2所示。

3.1 數(shù)據(jù)采集

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)土壤溫度、濕度和PH值參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)采集部分由相應(yīng)的傳感器和接口電路組成，傳感器參數(shù)如表1所示。

表1 傳感器主要參數(shù)［3］

圖2 數(shù)據(jù)采集框圖

系統(tǒng)采用的濕度傳感器輸出0-2V電壓信號(hào)，溫度和PH值傳感器輸出為4-20mA電流信號(hào)。由于單片機(jī)只能對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行處理，所有本系統(tǒng)中加入調(diào)理模塊，調(diào)理模塊的作用就是把4-20mA的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化成最大值為3.3V的電壓信號(hào)，其電路如圖3所示。而對(duì)于濕度傳感器，調(diào)理電路中的R19電路要換成0值電阻。

圖3 調(diào)理模塊電路

3.2 數(shù)據(jù)處理

MSP430F169是一款低功耗16位單片機(jī)，處理能力強(qiáng)，運(yùn)算速度快，集成度高［4］。前端傳感器采集的數(shù)據(jù)為模擬信號(hào)，需經(jīng)AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。MSP430F169共有12個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換通道，設(shè)置了16個(gè)轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)器用于暫時(shí)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換結(jié)果，合理設(shè)置后，ADC12硬件會(huì)自動(dòng)將轉(zhuǎn)換結(jié)果保存到相應(yīng)的存儲(chǔ)器里。本系統(tǒng)采用A0-A2 3路外部模擬通道，參考電壓采用外部參考電源，AD參考電源電路如圖4所示，AD轉(zhuǎn)換完成后，單片機(jī)將此數(shù)字信號(hào)通過(guò)串口定時(shí)發(fā)送給Zigbee終端節(jié)點(diǎn)。

由單片機(jī)采集模擬信號(hào)，經(jīng)由AD轉(zhuǎn)換，輸出數(shù)字信號(hào)。本設(shè)計(jì)基于安全性以及準(zhǔn)確性考慮，采用了幀頭、幀尾設(shè)計(jì)，并加入校驗(yàn)位，更保證了數(shù)據(jù)的精確度。由于需采集土壤3種參數(shù)，所以開(kāi)通了A0、A1、A2三路通道。表2為數(shù)據(jù)幀格式。

圖4 AD參考電源

表2 數(shù)據(jù)幀格式

數(shù)據(jù)定義格式如下所示：

此模塊的軟件設(shè)計(jì)流程：第一步初始化，包括端口初始化、波特率設(shè)置、初始化串口、初始化AD轉(zhuǎn)換通道。第二步信號(hào)采集，首先使能通道，等待模數(shù)轉(zhuǎn)換，通過(guò)公式計(jì)算相應(yīng)溫濕度和PH值，最后定時(shí)發(fā)送采集的數(shù)據(jù)。關(guān)鍵程序如下：

4 無(wú)線通信模塊

4.1 Zigbee短距離無(wú)線通信

ZigBee技術(shù)是一種近距離、低功耗、低速率、低成本的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。系統(tǒng)采用星形網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器主要負(fù)責(zé)配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)并維護(hù)網(wǎng)絡(luò)正常工作，接收采集的數(shù)據(jù)，并通過(guò)串口與3G模塊相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸。終端負(fù)責(zé)接收單片機(jī)發(fā)送的土壤參數(shù)信息，并且通過(guò)點(diǎn)播方式把數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送給協(xié)調(diào)器。

終端節(jié)點(diǎn)工作過(guò)程如圖5所示，終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)之后，采用任務(wù)輪詢(xún)的方式，通過(guò)判斷是否有CMD＿SERIAL＿M(jìn)SG事件發(fā)生來(lái)判斷串口有無(wú)接收到數(shù)據(jù)，若此事件發(fā)生，終端則通過(guò)串口接收數(shù)據(jù)，并把此數(shù)據(jù)通過(guò)AF＿DataRequest函數(shù)以點(diǎn)播形式無(wú)線發(fā)送給協(xié)調(diào)器。關(guān)鍵程序如下：

協(xié)調(diào)器工作過(guò)程如圖6所示，協(xié)調(diào)器上電后初始化并建立網(wǎng)絡(luò)，同樣協(xié)調(diào)器也采用任務(wù)輪詢(xún)方式，通過(guò)查詢(xún)是否有事件AF＿Incoming＿M(jìn)SG發(fā)生，判斷有無(wú)無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送過(guò)來(lái)。若此事件發(fā)生，協(xié)調(diào)器接收無(wú)線數(shù)據(jù)，同時(shí)將此數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給3G路由器。關(guān)鍵程序如下：

圖5 終端節(jié)點(diǎn)工作過(guò)程

圖6 協(xié)調(diào)器工作過(guò)程

4.2 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信

系統(tǒng)中使用的工業(yè)級(jí)3G路由器，支持TCP/IP協(xié)議，支持DTU功能［5］。TCP/IP協(xié)議是一種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，在應(yīng)用程序中應(yīng)用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信時(shí)，利用TCP套接字（Socket）在本機(jī)與目的機(jī)之間建立一個(gè)套結(jié)字虛擬連接，套接字連接成功后兩者便可以通信。

Socket通信要求通信雙方一端作為客戶(hù)端，另一端作為服務(wù)器。在服務(wù)器端，建立服務(wù)器端的Socket，偵聽(tīng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的連接請(qǐng)求，當(dāng)檢測(cè)到來(lái)自客戶(hù)端的連接請(qǐng)求時(shí)，向客戶(hù)端發(fā)送收到連接請(qǐng)求的信息，并建立與客戶(hù)端之間的連接。對(duì)于客戶(hù)端，首先建立客戶(hù)端的Socket，確定要連接服務(wù)器的主機(jī)名和端口，然后發(fā)送請(qǐng)求信息請(qǐng)求連接到服務(wù)器，并等待服務(wù)器的回饋，連接成功后就可以與服務(wù)器進(jìn)行通信［6］。

系統(tǒng)中，3G路由器作為Socket客戶(hù)端，遠(yuǎn)程控制中心是Socket的服務(wù)端。在本質(zhì)上，3G路由器上電后DTU先注冊(cè)到GPRS網(wǎng)絡(luò)，然后通過(guò)DTU和遠(yuǎn)程控制中心建立Socket連接。所以首先要啟動(dòng)DTU，DTU串口設(shè)置項(xiàng)配置成Zigbee串口配置參數(shù)，然后把DTU連接方式設(shè)置成客戶(hù)端，網(wǎng)絡(luò)類(lèi)型TCP，服務(wù)端x設(shè)置成遠(yuǎn)程監(jiān)控端的IP，端口號(hào)本系統(tǒng)設(shè)置成6800，然后保存設(shè)置，DTU配置界面如圖7所示。

圖7 3G路由器DTU設(shè)置

Zigbee與3G路由器之間通過(guò)串口進(jìn)行通信，由于Zigbee輸出信號(hào)是TTL電平標(biāo)準(zhǔn)，而系統(tǒng)中采用的3G路由器串口采用RS-232通信標(biāo)準(zhǔn)［7］，所以為保證Zigbee和3G可以正常通信，需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換電路如圖8所示。

圖8 電平標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換電路

5 數(shù)據(jù)管理模塊

遠(yuǎn)程中心服務(wù)軟件是針對(duì)本系統(tǒng)面向TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)軟件。3G路由器的DTU作為Socket的客戶(hù)端，遠(yuǎn)程控制中心作為上位機(jī)要有一對(duì)應(yīng)的Socket服務(wù)器，用于接收和處理通過(guò)3G路由器發(fā)送的遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)，并且對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。本系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)管理軟件采用Delphi進(jìn)行開(kāi)發(fā)，利用已有的控件完成設(shè)計(jì)，土壤參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控界面如圖9所示。

圖9 土壤參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控界面

遠(yuǎn)程控制中心收到土壤參數(shù)信息之后，在圖9所示的實(shí)時(shí)監(jiān)控界面動(dòng)態(tài)顯示，同時(shí)，每隔一個(gè)小時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)存儲(chǔ)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)采用Access數(shù)據(jù)庫(kù)［8］。為了方便查詢(xún)歷史數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)如圖10所示查詢(xún)界面，用戶(hù)可以通過(guò)選擇需要查詢(xún)的設(shè)備號(hào)，查詢(xún)?nèi)掌诤Y選必要的數(shù)據(jù)，同時(shí)用戶(hù)還可以對(duì)篩選出來(lái)的信息打印水晶報(bào)表、繪制曲線圖。

圖10 土壤參數(shù)數(shù)據(jù)管理界面

6 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已成為當(dāng)前業(yè)界研究的熱點(diǎn)。系統(tǒng)所介紹的無(wú)線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以性能優(yōu)越的MSP430單片機(jī)完成數(shù)據(jù)采集，通過(guò)低功耗的ZigBee實(shí)現(xiàn)多監(jiān)測(cè)點(diǎn)的組網(wǎng)，以GPRS作為承載網(wǎng)絡(luò)，利用GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣等優(yōu)勢(shì)，提高了系統(tǒng)的實(shí)用性和靈活性，具有良好的應(yīng)用前景和實(shí)際意義。該系統(tǒng)非常適合于邊遠(yuǎn)地區(qū)或可移動(dòng)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控，在現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)中具有良好的應(yīng)用前景和實(shí)際意義。

［1］ 司海飛，楊忠，等.無(wú)線傳感網(wǎng)器網(wǎng)絡(luò)研究現(xiàn)狀與應(yīng)用［J］.機(jī)電工程，2011，28（1）：16-20.

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A Design of Soil Parameters Monitoring System Based on MCU and 3G

Zhang Hui1，2，Hu Gang1，2
（1.Marine and Offshore Engineering Institute，NanTong HoHai University，NanTong 226000，China；2.College of Internet of Things Engineering，Hohai University，Changzhou 213022，China）

The current soil parameters monitoring machines，generally using wire connection，is inconvenient to layout.In this paper，a design of soil parametersmonitoring system based on Zigbee and 3G is presented.The system is composed of MCUMsp430，radio frequency chip CC2530 and 3G router.Firstly，the Msp430 processes data from sensors.Then，the short-distance wireless communication networks of zigbee collect all data from different nodes.Lastly，the 3G router realizes long-distance wireless communication.Therefore，the monitoring center can acquire real-time soil parameters.The test result shows that it has practicability.

Soil parameters；Wireless；ZigBee；3G router

10.3969/j.issn.1002-2279.2015.03.025

TP393

A

1002-2279（2015）03-0092-05

南通市2012年應(yīng)用研究計(jì)劃資助項(xiàng)目（BK2012003）

張輝（1989-），男，江蘇徐州人，碩士研究生，主研方向：無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

2014-09-01