精准农业监控系统设计与应用

3 技术实现

要实现农场传感检测及控制网络，需要具备以下组件：传感器、动作器、微处理器以及无线传输模块（ZigBee模块）。典型的传感器包括温度传感器（DS18B20芯片只有小纽扣大小）、水位传感器、压力传感器等；动作器包括继电器、电机和灯光控制器等，原来的灌溉施肥自动化控制系统、自动化喷淋系统、LED灯光补光系统中都有类似的执行特定动作的器件。该产品采用美国DALLAS公司生产的 DS18B20可组网数字温度传感器芯片封装而成，具有耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。

目前市面上简便易用的ZigBee模块本身就具备了微处理器MCU可以处理和控制底层的传感器和动作器，这种类型的模块（芯片）更加集中地体现出ZigBee技术“传感网络”的特性。

为降低成本，还可以使用如图2所示的结构，就近通过有线方式引出多个传感器，采集多点的信息，并控制多个动作器。独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。 　　1.2 测温范围 －55℃～＋125℃，固有测温分辨率0.5℃。支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，最多只能并联8个，如果数量过多，会使供电电源电压过低，从而造成信号传输的不稳定，实现多点测温。工作电源： 3~5V/DC。在使用中不需要任何外围元件。测量结果以9~12位数字量方式串行传送。不锈钢保护管直径 Φ6 。适用于DN15~25, DN40~DN250各种介质工业管道和狭小空间设备测温。标准安装螺纹 M10X1, M12X1.5, G1/2”任选。PVC电缆直接出线或德式球型接线盒出线，便于与其它电器设备连接。

系统中使用的ZigBee模块为ZICM2410模块，配备9 dB增益的天线，单点覆盖面积达到空旷半径500 m，应用中需要注意的问题包括：

（1）2.4 GHz的射频信号波长短，容易被物体遮挡，因此需要将天线拉高，最好高过农作物的水平面，因此安装时应当注意。

（2）电池供电，按照1 min采集一次数据的频率，Zig电感生产Bee模块可以工作半年到两年之久，但是要注意电池本身的质量和环境适应性，如在暴晒雨淋或者湿度大的情况下，对于温湿度变化并不敏感（ZICM2410本身可工作在-40 ℃~+85 ℃，自然环境的温度变化并不会比实验室模拟的温度剧变强烈）。

（3）天线的安装，如果使用全向天线，要注意水平方向的对齐，这样能最大地利用射频能量，保障传感器数据的可靠传输，关于天线的相关知识，参看文章《ZigBee物理层分析》（致远电子《嵌入式对话》）。

4 核心器件

ZICM2410是美国CEL公司根据自主研发的ZigBee ready模块（如图4所示），为2.4 GHz IEEE 802.15.4无线网络提供一个高性能低成本的组网方案。ZIC2410芯片是一款真正意义上的ZigBee片上系统：集成了ZigBee无线收发器和一个单指令内嵌Flash空间的51CPU核，同时还有GPIO、UART、音频解码器（IIS接口，PCM/μ-a-law/ADPCM格式），ZigBee数据收发的速率可以达到1 Mb/s。

ZICM2410主要性能参数如下：

（1）功率

103 dB链路预算；接收灵敏度-97 dB@1.5 V；发送功率+6 dBm@1.5 V；3 000英尺无障碍传输距离；最低睡眠电流<1 μA；工作电压2.1 V~3.3 V；接收电流35 mA；发送电流44 mA。

（2）对内接口类型

CPU：单指令51内核环型线圈电感器CPU；96 KB Flash，8 KB RAM；GPIO个数：22；接口类型：SPI（主从）；UART（2路）、I2S/PCM；4路8位ADC。

（3）温度范围

工作温度：-40 ℃~+85 ℃；保存温度：-55 ℃~+125 ℃。

（4电感器厂家）速率

ZigBee（250 kb/s）；Turbo（500 kb/s）；Premium（1 Mb/s）。

5 结束语

国内在规模化农业场合对ZigBee技术的应用还是极其稀少，但是在国外，这样的应用已比较普遍。一方面因为无线传感技术在美国及欧美国家起源并推广的时间比较早，另一方面也因为农业国情的不同。但是从大的趋势上看，先进的、产业化的技术总是一体成型电感会得到政府和相关单位的支持。本文描述的方案具有技术先进性、易用性，非常适合智能化精准农业的应用场合。

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