基于WSN的多层土壤温湿度监测节点及供能优化设计

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1、2015年5月农机化研究第5期基于WSN的多层土壤温湿度监测节点及供能优化设计乔俊枫，陈克涛，张永猛，张杰，吴婷婷(西北农林科技大学机电学院，陕西杨凌712100)摘要:土壤温湿度作为农业生产的重要影响因素，对作物的生长状况起到关键性作用，实现实时、长期、连续地监测多层土壤的温湿度对于指导农事种植与操作具有重要意义。为此，针对多层土壤温湿度监测，设计了4层土壤温湿度监测节点，并提出太阳能分段利用方法设计了太阳能分段利用供电模块，使其能长期、稳定的运行。同时，利用ZigBee网络进行数据传输，实现了低功耗、高精度、高稳定度的数据采集及传输。关键词:WSN;土壤温湿度;多层;供能中图分类号:S12

2、6文献标识码:A文章编号:1003－188X(2015)05－0145－06DOI:10.13427/j.cnki.njyi.2015.05.032并对太阳能供电模块的供电进行了实验优化。0引言1系统工作原理及结构设计随着精细农业在我国不断发展，数字化信息采集作为技术支撑越来越广泛地被应用于农业生产与实本监测系统采用模块化设计，单个节点包括太阳［1］践中。而制约我国精细农业发展的主要因素之一能供电模块、数据采集及处理模块与数据传输模块。是无法进行高精度、高速度的作物生长环境信息获图1为系统原理框图。取，尤其是对作物生长影响较大的土壤温度与土壤湿度两个因子的获取。传统农事作业以经验为主，获取到的

3、农作物生长信息较少，且具有一定的主观性，从而使得生产判断决策实时性极低，无法满足精细农业的需求。因此，现代农业及生态研究中，快速、准确、长时间连续地测定农田土壤温湿度对于精细农业的［2］发展具有重要意义。同时，不同植物与不同的生长期对于不同土壤层次的温湿度需求不同，因此对多层土壤温湿度信息进行监测对于植物的生长具有重要图1系统原理框图Fig．1Systemstructurediagram意义。无线传感器网络作为一种全新的信息获取与［3］电源采用太阳能供电模块对节点进行供电，其可处理技术，已经被应用到精细农业中。无线传感器［4－6］提供5V与12V直流供电电压;数据传输模块分两类，网络在农业领域

4、也有着得天独厚的优势，将传感节点间的数据通信采用ZigBee技术进行汇聚，汇聚节器节点布置在农田中可以实现实时协作感知、监测和［7］点与服务器间的通信通过GPＲS－DTU传送至服务采集农田中的信息。器;数据采集及处理模块采用CC2530作为控制芯片，为了研究土壤不同层次的温湿度的变化规律及其将土壤水分传感器EC－5及改装过的土壤温度传感水分的渗透情况，设计了一种基于无线传感器网络的［8］器DS18B20采集到的数据进行处理并传输。本系统多层土壤温湿度监测节点，并运用ZigBee技术以及网络构建选用ZigBee协议作为传输协议，采用内嵌GPＲS技术实现了对土壤温湿度数据的实时、快速与［9］Zig

5、Bee协议CC2530作为各节点核心处理芯片，由远距离传输。同时，提出了太阳能分段利用的方法，协调器通过多条路由的方式将采集处理过的数据发收稿日期:2014－05－17送到管理平台上。节点按功能可以分为协调器节点、基金项目:陕西省科技厅工业攻关项目(S2013GY2906)路由节点与叶子节点3类。叶子节点采集到的数据传作者简介:乔俊枫(1991－)，男，山东临沂人，本科生，(E－mail)qjf199100901@163．com。给附近的路由节点或协调器节点，路由节点采集及接通讯作者:吴婷婷(1982－)，女，江苏盐城人，讲师，硕士，(E－mail)tt收的数据传送给附近的协调器节点，协调器将

6、汇聚的_wu@nwsuaf．edu．cn。·145·2015年5月农机化研究第5期数据经过GPＲS－DTU传送到管理平台进行数据汇给节点供电。当监测的电压在4．2V～5．5V之间时，总、保存。常开触点保持断开，常闭触点保持闭合，直接给锂电池供电，此时绿灯亮;FH表示电压大于4．2V而小于2太阳能供电模块设计5．5V时，同时给节点与锂电池供电。当监测电压大于2．1太阳能供电模块硬件设计5．5V时，常闭触点断开，常开触点断开，此时红灯亮不电源模块采用锂电池作为供电蓄电池，相对于传供电;JW表示电压大于5．5V时，关闭所有开关，避免统的铅酸电池，锂离子电池具有体积小、容量大、寿命了对锂电池的损害。长

7、等优点。采用STC12C5410AD作为充放电控制芯3监测节点设计片，对电源部分的充放电进行有效的控制，在给系统持续供电的前提下保护电池。太阳能分段利用如图23．1监测节点硬件设计所示。监测节点完成4层土壤的温度与湿度信息的采集、处理及发送。其主要包括电源模块、微处理模块、温湿度监测模块与ＲS232串口。监测节点的结构原理如图4所示。图2太阳能分段利用示意图Fig．2Diagramofsegmen