一种基于ZigBee技术的农田信息采集系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于ZigBee技术的农田信息采集系统，其特征在于所述系统由协调器节点、路由器节点和终端采集节点组成；所述协调器节点通过串口线与上位机连接；所述终端采集节点通过路由器节点与协调器节点连接，或者终端采集节点与协调器节点直接连接。本实用新型采用ZigBee无线技术，组网形式灵活多样，农田采集位置具有很高的自由度；核心板为无功放核心板和有功放核心板两种，使用者能够根据实际农田的面积、地形等因素自由选择有无功放功能的核心板，在保证传输质量的同时进一步降低系统能耗。
【专利说明】
一种基于Z i gBee技术的农田信息采集系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及数据传输领域，具体是一种基于ZigBee技术的农田信息采集系统。
【背景技术】
[0002]目前，“精准农业”的概念已渐渐被人们所熟识，在现如今的农业种植中，如何能够更全面、准确、快速地获取农田信息已成为提高农作物产量的关键所在。当下，一些农田信息采集技术通过布置传感器，并利用事先铺设的电缆，将数据信息传回，已实现对农田信息的把控。这种方法只适用于小型温室，对于大型温室或户外农田来说还是有很大的局限性。首先，在广阔的地域布置线缆，价格昂贵;其次，受土壤温湿度和酸碱度影响，线缆很容易被腐蚀且很难修复;最后，每个节点只能布置一个传感器，测量参数过于单一，不利于多方位把控农田数据信息。
【实用新型内容】
[0003]针对现有技术的不足，本实用新型拟解决的技术问题是，提供一种基于ZigBee技术的农田信息采集系统。该系统能够实现单节点多参数采集，是一种低成本、低能耗的农田?目息米集系统。
[0004]本实用新型解决所述技术问题的技术方案是，提供一种基于ZigBee技术的农田信息采集系统，其特征在于所述系统由协调器节点、路由器节点和终端采集节点组成;所述协调器节点通过串口线与上位机连接;所述终端采集节点通过路由器节点与协调器节点连接，或者终端采集节点与协调器节点直接连接；
[0005]所述协调器节点包括接口模块、串口通信模块、核心板、供电模块和操作显示模块;所述接口模块分别与上位机、串口通信模块和供电模块连接;所述串口通信模块分别与核心板、供电模块和操作显示模块连接;所述核心板分别与供电模块和操作显示模块连接；所述供电模块与操作显示模块连接；
[0006]所述路由器节点包括电源接口模块、供电模块、核心板和操作显示模块;所述电源接口模块分别与外接电源和供电模块连接;所述供电模块分别与核心板和操作显示模块连接;所述核心板与操作显示模块连接；
[0007]所述终端采集节点包括电源接口模块、供电模块、核心板、引脚扩展模块、操作显示模块、显示屏和传感器连接引脚模块;所述电源接口模块分别与外接电源、传感器连接引脚模块和供电模块连接;所述供电模块分别与传感器连接引脚模块、核心板、显示屏和操作显示模块连接;所述核心板分别与传感器连接引脚模块、操作显示模块、显示屏和引脚扩展模块连接。
[0008]与现有技术相比，本实用新型有益效果在于:
[0009]1、本实用新型采用ZigBee无线技术，组网形式灵活多样，农田采集位置具有很高的自由度；
[0010]2、系统根据无线传感器网络中各节点的功能，分别对三类节点进行了有针对性的设计，改善通用节点设备中存在冗余模块的问题，降低系统能耗与成本；
[0011]3、本实用新型中各个节点均采用核心板与底板分离式设计，核心板为无功放核心板和有功放核心板两种，使用者能够根据实际农田的面积、地形等因素自由选择有无功放功能的核心板，在保证传输质量的同时进一步降低系统能耗；
[0012]4、终端采集节点中的传感器连接引脚模块设计了满足多种接口协议引脚，能够实现空气温湿度、土壤温湿度、光照度等多种农田信息的采集，实现“一点多用”，提高节点使用效率。
【附图说明】
[0013]图1为本实用新型基于ZigBee技术的农田信息采集系统一种实施例的整体结构框图；
[0014]图2为本实用新型基于ZigBee技术的农田信息采集系统一种实施例的协调器节点结构框图；
[0015]图3为本实用新型基于ZigBee技术的农田信息采集系统一种实施例的路由器节点结构框图；
[0016]图4为本实用新型基于ZigBee技术的农田信息采集系统一种实施例的终端采集节点结构框图；
[0017]图5为本实用新型基于ZigBee技术的农田信息采集系统的工作流程图；
[0018]图6为本实用新型基于ZigBee技术的农田信息采集系统一种实施例的终端采集节点节能过程示意图。
【具体实施方式】
[0019]下面将对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
[0020]本实用新型提供了一种基于ZigBee技术的农田信息采集系统(参见图1-6，简称系统)由协调器节点1、路由器节点2和终端采集节点3组成;所述协调器节点I通过串口线与上位机连接，进行数据通信;所述终端采集节点3通过路由器节点2与协调器节点I连接，或者终端采集节点3与协调器节点I直接连接;所述路由器节点2的中继功能既使得终端采集节点3与协调器节点I之间能够实现更远距离的通信，同时也能够使网络拓扑层次结构清晰；终端采集节点3作为农田数据信息的直接获取者，通过连接不同种类和不同数量的传感器，以实现对农田信息多角度的采集;终端采集节点3能够根据自身分布实际位置，自动选择最近的协调器节点I或路由器节点2作为父节点进行组网；
[0021]所述协调器节点I包括接口模块101、串口通信模块102、核心板103、供电模块104和操作显示模块105;所述核心板103根据网络可通信距离长短具体分为两类:无功放核心板和有功放核心板;所述有功放核心板是由型号为CC2530的ZigBee芯片通过无线滤波电路与型号为RFX2401C的功放芯片连接组成的;所述无功放核心板是型号为CC2530的ZigBee芯片;
[0022]所述接口模块101分别与上位机、串口通信模块102和供电模块104连接;所述串口通信模块102分别与核心板103、供电模块104和操作显示模块105连接;所述核心板103分别与供电模块104和操作显示模块105连接;所述供电模块104与操作显示模块105连接;接口模块101将上位机发送的串口通信信息接入串口通信模块102，串口通信模块102将RS232协议的负逻辑电平转换为核心板103内部的串行通信接口 UART(通用异步收发传输器)可识别的LVTTL标准，实现了上位机和协调器节点I之间的通信；同时接口模块101还将5V直流电源电压导入到供电模块104，供电模块104将5V直流电压转换为稳定的3.3V直流电压，为串口通信模块102、核心板103、操作显示模块105供电。所述核心板提供节点数据处理、数据收发、节点管理等方面功能，CC2530与RFX2401C之间通过滤波电路完成数据交互;所述串口通信模块102的型号是PL2303;所述供电模块104是AMSl 117-3.3高效线性后置稳压器；
[0023]所述路由器节点2包括电源接口模块201、供电模块104、核心板103和操作显示模块105;所述电源接口模块201分别与外接电源和供电模块104连接;所述供电模块104分别与核心板103和操作显示模块105连接;所述核心板103与操作显示模块105连接;6V外接直流电压通过经电源接口模块201接入供电模块104，供电模块104将6V直流电压转换为稳定的3.3V直流电压，为核心板103、操作显示模块306供电。路由器节点的作用是网络关联和中继;所述电源接口模块201的型号是DC-005 ；
[0024]所述终端采集节点3包括电源接口模块201、供电模块104、核心板103、引脚扩展模块303、操作显示模块105、显示屏302和传感器连接引脚模块301;所述电源接口模块201分别与外接电源、传感器连接引脚模块301和供电模块104连接;所述供电模块104分别与传感器连接引脚模块301、核心板103、显示屏302和操作显示模块105连接;所述核心板103分别与传感器连接引脚模块301、操作显示模块105、显示屏302和引脚扩展模块303连接;所述本实施例中传感器连接引脚模块301包括CO2浓度传感器连接引脚304、土壤温湿度传感器连接引脚305、光照度传感器连接引脚306和空气温湿度传感器连接引脚307;所述传感器连接引脚模块301与外接传感器连接;所述显示屏用于显示采集到的数据信息;6V外接直流电压通过经电源接口模块201接入终端采集节点3的底板后，一部分经供电模块104得到稳定的3.3V直流电压，为核心板103、操作显示模块105、土壤温湿度传感器连接引脚305、光照度传感器连接引脚306和空气温湿度传感器连接引脚307供电；另一部分电压直接通向⑶2浓度传感器连接引脚304，用于高电压驱动传感器的使用。空气温湿度传感器连接引脚307通过单总线协议与核心板ZigBee芯片的P0_7完成数据和时钟的交互;土壤温湿度传感器连接引脚305和光照度传感器连接引脚306应用IIC协议分别将核心板ZigBee芯片的P1_0、P1_1、Pl_2作为时钟线、土壤温湿度数据线和光照度数据线；CO2浓度传感器连接引脚304通过核心板ZigBee芯片的P0_6引脚将数据传入，并经核心板ZigBee芯片内的A/D转换器完成数据模数转换，完成数据采集。终端采集节点作为分布在农田中直接采集农田数据的节点，分布方式自由度极高，因而节点距离父节点的相对距离有长有短，为进一步降低系统能耗，终端采集节点3可根据实际情况选择是否需要加功放的核心板。
[0025]所述外接电源均为6V直流电。
[0026]所述终端采集节点3的节能过程分为两个部分(参见图6):休眠状态和工作状态。处于休眠状态的终端采集节点，不能进行节点的控制与管理，也不会进行农田数据采集工作，节点与父节点直接无任何数据通信，此时终端采集节点的功耗降到最低，仅以微弱的电流保证休眠定时器以及相关存储器的正常运转。节点休眠定时结束后，会自动切换到工作状态，处于工作状态的节点，其工作过程分为两个部分。终端采集节点在数据处理阶段时，传感器会采集相应农田数据信息并传递到节点，节点微处理器分析数据，并与上次同类数据对比，通过数据变化量是否超过预先设定的发送阈值判断数据是否需要发送，由此能够减少无用冗余数据的发送，也可节约路由节点的电能;之后，节点转换为数据收发状态，此时节点需通过天线发送高频信号，节点的能耗达到峰值，在确认数据发送完成后，节点会继续进入下一个周期的休眠状态。
[0027]本实用新型的工作原理和工作流程是:
[0028]系统上电后，首先进行自身软硬件初始化并建立ZigBee网络；网络建立成功后，协调器节点I会等待路由器节点2或终端采集节点3加入该网络中，并为加入网络的节点设备分配网络地址，这时网络组建完成;之后，上位机会通过串口线与协调器节点I进行通信，发送控制命令，命令数据包到协调器的核心板CC2530芯片，协调器节点I会存储该控制命令，并根据控制命令所包含的目标节点地址信息，等待对应终端采集节点3在休眠结束后发送的命令请求数据包；当收到目标节点的命令请求数据包后，协调器节点I会依照目标地址，以单播或广播的方式将此控制命令发往目标节点。若该目标节点属于协调器的第一级子节点，则控制命令直接发至，否则需要经过路由器节点2的中继过程。路由器节点2根据自身所处的网络拓扑结构位置，建立节点间的网络关联;当路由器节点2收到来自父节点或子节点的数据包时，路由器节点2会根据数据包中包含的目标节点网络地址信息查询自身路由表，如若能中继到目标节点，则将数据包立即向着对应节点发送出去；如若不能中继到目标节点，则将数据包继续中继到其他路由器节点。目标节点收到控制指令后，会其内容修改自身休眠时长、发送阈值等参数以及开启相应传感器采集农田信息;采集完成后，终端采集节点3通过将新数据与旧数据求差并根据发送阈值判断是否需要发送数据到协调器，如若差值大于阈值则发送，如若差值小于差值则不发送，以此减少发送次数，降低节点能耗;最后，终端采集节点3按照新的参数再次转换为休眠态。当协调器节点I收到子节点发送来的数据包时，协调器节点I会立刻调用串口写入程序将数据包继续发往上位机，最终在上位机上完成农田数据信息的显示。
[0029]本实用新型未述及之处适用于现有技术。
【主权项】
1.一种基于ZigBee技术的农田信息采集系统，其特征在于所述系统由协调器节点、路由器节点和终端采集节点组成;所述协调器节点通过串口线与上位机连接;所述终端采集节点通过路由器节点与协调器节点连接，或者终端采集节点与协调器节点直接连接； 所述协调器节点包括接口模块、串口通信模块、核心板、供电模块和操作显示模块;所述接口模块分别与上位机、串口通信模块和供电模块连接;所述串口通信模块分别与核心板、供电模块和操作显示模块连接;所述核心板分别与供电模块和操作显示模块连接;所述供电模块与操作显示模块连接； 所述路由器节点包括电源接口模块、供电模块、核心板和操作显示模块;所述电源接口模块分别与外接电源和供电模块连接;所述供电模块分别与核心板和操作显示模块连接；所述核心板与操作显示模块连接； 所述终端采集节点包括电源接口模块、供电模块、核心板、引脚扩展模块、操作显示模块、显示屏和传感器连接引脚模块;所述电源接口模块分别与外接电源、传感器连接引脚模块和供电模块连接;所述供电模块分别与传感器连接引脚模块、核心板、显示屏和操作显示模块连接;所述核心板分别与传感器连接引脚模块、操作显示模块、显示屏和引脚扩展模块连接。2.根据权利要求1所述的基于ZigBee技术的农田信息采集系统，其特征在于所述核心板为无功放核心板和有功放核心板;所述有功放核心板是由型号为CC2530的ZigBee芯片通过无线滤波电路与型号为RFX2401C的功放芯片连接组成的；所述无功放核心板是型号为CC2530 的 ZigBee 芯片。3.根据权利要求1所述的基于ZigBee技术的农田信息采集系统，其特征在于所述串口通信模块的型号是PL2303。4.根据权利要求1所述的基于ZigBee技术的农田信息采集系统，其特征在于所述供电模块是AMSl 117-3.3高效线性后置稳压器。5.根据权利要求1所述的基于ZigBee技术的农田信息采集系统，其特征在于所述电源接口模块的型号是DC-OO 5。
【文档编号】G08C17/02GK205508119SQ201620334690
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年4月20日
【发明人】赵全明, 高晨, 刘楚雄, 李霞, 李宏斌, 王雪莹
【申请人】河北工业大学