CN102130942A - 一种基于ZigBee、3G网络的温室无线远程植物生理生态监测*** - Google Patents

一种基于ZigBee、3G网络的温室无线远程植物生理生态监测*** Download PDF

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周增产
卜云龙
张晓慧
吴建红
董明明
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Abstract

一种基于ZigBee、3G网络的温室无线远程植物生理生态监测***，包括：远程控制终端，其连接了3G网络的PC机以及PC机内部运行存储数据的历史数据库、决策支持***；通信链路，包括ZigBee近距离无线通讯网络以及3G远程无线网络；数据采集终端，包括一组采集植物生理生态参数的传感器；供电模块，用于为仪器提供工作电源；ZigBee子节点模块，包含有用于各传感器数据采集的ZigBee子节点，与所述供电模块连接；用于汇集各测定子结点采集的植物生理生态参数的ZigBee中心主节点，与所述供电模块连接；各采集植物生理生态参数的传感器均与所述ZigBee子节点模块连接。其用以实现远距离无线监测测定点的土壤温度、水分，叶片温度、光合作用、茎秆生长等植物生理生态参数。

Description

一种基于ZigBee、3G网络的温室无线远程植物生理生态监测***
技术领域
本发明属于无线传感器领域，特别涉及一种能够同时测量多种植物生理生态参数的温室远程无线传感器网络。
背景技术
目前，温室环境调控能力普遍不强，智能化水平低，植物生理生态信息获取与传输手段落后。传统的农业决策支持***和管理软件以历史数据库、专家经验、知识模型为基础，缺乏以实时信息为基础的农情监测功能，***的决策缺乏实时性，滞后的信息很难适应农业生产的时变性特点。目前，随着移动终端设备的普及，以及3G技术的不断完善，无线访问带宽不断提高，3G技术不断应用于各个行业领域，各行业利用先进的无线技术，将自己的领域不断创新，提出新的无线解决方案。3G技术作为一种先进的无线通信技术，比起以往的2G通信技术具有带宽明显增大、数据传输速度明显提升、数据传输更加安全可靠等优点。为各种远程实时数据的采集、设备的远程控制奠定了基础。
农田信息的分布式数据传输具有如下要求：数据采集或监控的网点多、数据换数量不大、设备成本低、数据传输可靠性高、安全性高、设备体积小、不便放置较大的充电电池或者电源模块、用电池供电、地形复杂、需要较大的网络覆盖等特点。因此，要选择一种合适的传输标准，实现并得到最好性价比的无线传输***。ZigBee这种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线通信网络技术是满足农田信息数据传输的最佳选择。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于ZigBee、3G网络的温室无线远程植物生理生态监测***，其用以解决现有温室作物技术信息远距离传输能力弱，控制效果较差，在可扩展性、可靠性和实时性方面存在不足等问题，实现远距离无线监测测定点的土壤温度、水分，叶片温度、光合作用、茎秆生长等植物生理生态参数。
为实现上述目的，本发明采取以下设计方案：
一种基于ZigBee、3G网络的温室无线远程植物生理生态监测***，其包括：
远程控制终端，该远程控制终端包括连接了3G网络的PC机以及PC机内部运行存储数据的历史数据库、决策支持***；
通信链路，包括ZigBee近距离无线通讯网络以及3G远程无线网络；
数据采集终端，包括一组采集植物生理生态参数的传感器；
供电模块，用于为仪器提供工作电源；
ZigBee子节点模块，包含有用于各传感器数据采集的ZigBee子节点，与所述供电模块连接；
用于汇集各测定子结点采集的植物生理生态参数的ZigBee中心主节点，与所述供电模块连接；
上述的一组采集植物生理生态参数的传感器至少包括下面传感器中的一种：用于测试测定点温室室温的室温传感器；用于测试测定点土壤温度的土壤温度传感器；用于测试测定点土壤水分的土壤水分传感器；用于测试测定点叶片温度的叶片温度传感器；用于测试测定点温室光照的光合作用传感器；用于测试测定点植物生长的茎秆生长速率传感器；
各采集植物生理生态参数的传感器均与所述ZigBee子节点模块连接。
所述的ZigBee子节点采用JN5139模块，模块内置一款32位RISC处理器，并集成有2.4GHz频段的IEEE802.15.4标准的无线收发器。
所述的3G无线模块采用CDMA2000 EVDO DTU，CDMA2000 EVDO DTU内嵌标准的TCP/IP协议栈，支持透明数据传输。
本发明的优点是：
1)通过将Zigbee技术的短距离无线通信和3G业务相结合，实现了对数据采集的远程控制和传输。因而解决了信息传输的两个问题：(1)温室和管理者之间的远程，高速通信；(2)分布式的温室局域网通信。
2)设备成本低、数据传输可靠性高、安全性高、设备体积小。
3)本发明中ZigBee节点采用JN5139模块，它是一款兼容IEEE 802.15.4的低功耗、低成本的无线微型控制器。模块具有超低功耗设计，在启用休眠功能后，两节7号电池可以使用长达半年左右。
4)本发明中3G无线模块，采用CDMA2000 EVDO DTU，CDMA2000 EVDO DTU内嵌标准的TCP/IP协议栈，支持透明数据传输。
附图说明
图1为本发明基于ZigBee、3G网络的温室无线远程植物生理生态监测***一实施例无线网络结构示意图。
图2为本发明AT指令建立网络协议流程图。
图3为本发明实施温室室温传感器模块电路原理图。
图4为本发明实施例的供电模块实施例电路原理图。
图5示出了温室温湿度传感器电路原理图。
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明。
具体实施方式
参阅图1所示，本发明基于ZigBee、3G网络的温室无线远程植物生理生态监测***，主要包括远程控制终端，通信链路和数据采集终端；其中远程控制终端包括连接了3G网络的PC机以及PC机内部运行存储数据的历史数据库、决策支持***；通信链路，包括ZigBee近距离无线通讯网络以及3G远程无线网络；数据采集终端包括采集植物生理生态参数的传感器，包括土壤温度传感器，土壤水分传感器，叶片温度传感器，光合作用传感器，植物茎秆生长速率传感器。
ZigBee子节点将采集到的土壤温度传感器、土壤水分传感器、叶片温度传感器，光合作用传感器以及植物茎秆生长传感器的数据通过ZigBee网络发送到ZigBee终端节点，终端节点的数据，最后通过3G通信模块将这些数据发送到指定服务器端。在服务器端能对以上数据分别提取、保存，并实时获取现场的各类数据，通过对各类数据的分析、处理判断做出预测、报警等服务，从而达到增产增收的效果。
本实施例中，3G模块采用了CDMA2000 EVDO DTU。CDMA2000是国内3G移动通信的一种，有技术成熟、宽大等优点。目前电信的CDMA2000都采用HSDPA技术，下行速率为7.2Mbit/s今后还会升级到14.4Mbit/s。完全可以满足视频无线传输的实时性要求。利用它进行网络传输时，首先需要通过PPP协议拨号接入互联网，然后才能进行数据的无线传输。PPP协议拨号是通过控制器发送AT指令操作3G模块来实现的。AT指令建立网络协议流程如图2所示。
运行于远程控制终端的上位机程序是整个数据采集***的主控部分，开发平台：windows XP操作***；开发工具：Microsoft ⅥsualC++6.0；数据库：Access 2003。主要功能包括远程控制、数据采集、数据存储、数据显示等。
本实施例中，参见图3，ZigBee子节点与传感器连接，将采集的各个传感器信号经过处理后，利用消息发送给主节点。ZigBee模块采用英国Jennic公司推出的高性能、低功耗的一系列无线Soc模块JN5139。JN5139是一款兼容于IEEE802.15.4的低功耗、低成本无线微型控制器。JN5139内置ROM存储器中集成了点对点通信与网状网通信的完整协议栈；而其内置的RAM存储器，可以支持网络路由和控制器功能而不需要外部扩展任何的存储空间。内置的硬件MAC地址和高度安全的AES加密算法加速器，减小了***的功耗和处理器的负载。它还支持晶振休眠和***节能功能，同时提供了4路12位的ADC。本实施例中ZigBee子节点的4路12位ADC可分别与4个传感器连接采集4路传感器数据并利用消息发送给主节点。
本实施例中，鉴于无线传感器网络节点分布特点，多数应用场合供电条件受限，节点模块采用电池供电。经实验验证，纽扣电池供电能力不足。参见图4本设计采用两节7号电池供电，电源芯片采用SP6201，它是CMOSLDO器件，适用于要求高精度、快速操作和方便使用的应用。芯片输入电压2.5-6V，输出电压3.3V。为保证在电压转换时芯片工作稳定性，从VIN到GND需要连接一个1uF或更大的小电容，在VOUT和GND之间需要连接一个输出电容器以防止产生振荡。低至0.22uF的电容可满足大多数应用的稳定性要求。1uF的电容就可确保器件在整个输入电压、输出电压和温度范围内从空载到满载条件下的稳定工作。
图5示出了温室温湿度传感器电路原理图，本实施例采用的温室室温传感器工作原理如下：SHTIO(U5)是Sensirion公司推出的一款数字式温湿度传感器。SHT10传感器包括一个电容式聚合体测湿元件和一个能隙式测温元件，并与一个14位AD转换器以及串行接口电路在同一芯片上实现无缝连接。小巧的尺寸以及极低的工作能耗使之非常适合于无线传感器网络节点的应用，工作电压为2.4～5.5V，测量电流550uA，休眠电流0.3uA，测湿精度为士4.5％RH，25℃时测温精度为±0.5℃，测量范围分别是0-100％RH和-40～123.8℃。
本实施例采用了室内温度传感器，土壤温度传感器，土壤水分传感器，叶片温度传感器，光合作用传感器以及茎秆生长速率传感器等六种植物生理生态传感器，传感器采集的各项植物生理生态信息通过无线网络传输到上位机使分析人员、数据采集人员能够方便、直观的从计算机屏幕或者液晶显示屏上了解植物生理生态状况；该***操作简单，结构简单，功能丰富，外形小巧，方便实用。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种基于ZigBee、3G网络的温室无线远程植物生理生态监测***，其特征在于包括：
远程控制终端，该远程控制终端包括连接了3G网络的PC机以及PC机内部运行存储数据的历史数据库、决策支持***；
通信链路，包括ZigBee近距离无线通讯网络以及3G远程无线网络；
数据采集终端，包括一组采集植物生理生态参数的传感器；
供电模块，用于为仪器提供工作电源；
ZigBee子节点模块，包含有用于各传感器数据采集的ZigBee子节点，与所述供电模块连接；
用于汇集各测定子结点采集的植物生理生态参数的ZigBee中心主节点，与所述供电模块连接；
上述的一组采集植物生理生态参数的传感器至少包括下面传感器中的一种：用于测试测定点温室室温的室温传感器；用于测试测定点土壤温度的土壤温度传感器；用于测试测定点土壤水分的土壤水分传感器；用于测试测定点叶片温度的叶片温度传感器；用于测试测定点温室光照的光合作用传感器；用于测试测定点植物生长的茎秆生长速率传感器；
各采集植物生理生态参数的传感器均与所述ZigBee子节点模块连接。
2.根据权利要求1所述的基于ZigBee、3G网络的温室无线远程植物生理生态监测***，其特征在于：所述的ZigBee子节点采用JN5139模块，模块内置一款32位RISC处理器，并集成有2.4GHz频段的IEEE802.15.4标准的无线收发器。
3.根据权利要求1所述的基于ZigBee、3G网络的温室无线远程植物生理生态监测***，其特征在于：所述的3G无线模块采用CDMA2000EVDO DTU，CDMA2000EVDO DTU内嵌标准的TCP/IP协议栈，支持透明数据传输。
4.根据权利要求1所述的基于ZigBee、3G网络的温室无线远程植物生理生态监测***，其特征在于：所述的温室室温传感器为数字式温湿度传感器，包括一个电容式聚合体测湿元件和一个能隙式测温元件，并与一个14位AD转换器以及串行接口电路设在同一芯片上实现无缝连接。
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