基于ZigBee的中草药土壤检测系统

高正红，刘雪兰

(江苏农牧科技职业学院 信息工程系，江苏 泰州 225300)

基于ZigBee的中草药土壤检测系统

高正红，刘雪兰

(江苏农牧科技职业学院 信息工程系，江苏 泰州 225300)

设计了基于ZigBee无线传感网的中草药土壤检测系统，包括土壤酸碱度(pH值)和湿度采集，实现了对pH值和湿度的精确检测。通过对影响中草药品质的pH值和湿度数据进行采集和定量分析，结合中草药在各个生长阶段pH值和湿度的要求，对土壤的pH值和湿度作及时的调整，满足中草药对土壤的要求。经实践表明，该系统精度高，操作方便，智能性高，投资成本低，具有良好的应用前景和市场推广价值。

中草药；土壤；ZigBee；传感器；酸碱度；湿度；检测系统

0 引言

人工栽培的中药材品种都有其不同的生长环境，影响中草药生长的环境条件主要包括：温度、湿度、光照、CO2浓度、土壤等。其中土壤是中药材栽培的立足基础，土壤环境参数的变化直接影响中药材生长发育和产量品质，其对土壤的酸碱度、水分湿度等自然条件都有严格的要求，这对中草药种植的地理范围提出很高的要求[1]。为满足市场对中草药产量的要求，目前跨地区人工栽培中草药都是在大棚中进行，人工实现中草药适宜的生长环境，这就需要控制好土壤的酸碱度、水分湿度。目前大棚的酸碱度、水分湿度基本上是使用分立仪器进行测量，采用这种方式得到的测量值与实际值之间有偏差且工作量较大。为节约劳动力成本，笔者为某中草药种植科技园设计了一套中草药土壤检测系统，该系统能对土壤环境参数进行采集并分析，将测量结果与理想环境参数进行对比，并人为改变土壤的酸碱度、水分湿度值参数。系统投入运行后，效果良好，中草药产量和质量有大幅的提高，带来较好的经济效益。

1 土壤检测系统框架结构

基于ZigBee(一种新兴的短距离无线通信技术，用于传感控制领域，是物联网应用的核心技术)的中草药种植土壤检测系统主要由酸碱度传感器和湿度传感器及应用网关组成，系统主要结构如图1所示。酸碱度传感器和湿度传感器与应用网关之间通过基于ZigBee的无线传感器网络进行通讯，应用网关对外提供网络接口，通过以太网实现与其它终端设备的通讯。网关作为传感器与土壤检测系统的桥梁，具有两方面的功能，一是实现酸碱度和湿度的采集、转化和管理；二是实现和其它终端设备进行数据交换。检测系统的许多终端设备可以通过应用网关实现对传感器的访问。

图1 土壤检测系统结构图

2 土壤检测系统硬件设计

2.1 监测节点与汇聚点的硬件结构设计

无线传感器网络监测节点的硬件结构模块如图2所示，主要包括：CC2530、LCD液晶显示模块、酸碱度采集模块、湿度采集模块。无线收发模块CC2530中集成了AD采样硬件模块。

测量节点采用ZigBee芯片CC2530作为微处器，负责节点的通信和数据采集。选用HIH-4000-001作为湿度传感器对土壤湿度进行采集，选用JASP2801传感器对pH值进行采集。

CC2530 是专门针对IEEE802.15.4和ZigBee应用的单芯片解决方案[2]。它的主要特点有：256 kB的闪存和20 kB 的擦除周期，以支持无线更新和大型应用程序；在掉电模式下，只有睡眠定时器运行时，仅有不到1 μA的电流损耗；具备卓越的接收机灵敏度和可编程输出功率，能够以非常好的性价比建立众多的网络节点。CC2530芯片内含RF收发器和增强型8051CPU，同时集成可编程闪存，RAM的内存达8 kB。CC2530芯片具有多种运行模式，运行模式之间的转换时间很短，能满足超低耗系统的要求[3]。

图2 无线传感器网络监测节点

2.2 湿度检测电路

湿度传感器采用HIH-4000-001，该传感器[4]是专为大量生产的原始设备制造厂(OEM)用户而设计的，硬件电路接口如图3所示。传感器的输出电压值很低且是线性的，可以直接作为控制器的输入电压，它的输出电流仅为200 μA，能直接用于低引出，并可以采用电池供电。传感器是属于容性的元件，能工作在0～100%的相对湿度和-40 ℃～85 ℃的温度范围内；最重要的是它的精确度可达±3.5%RH，而响应时间只需要5 s；输出的电压为线性电压。在理想温度25 ℃下，输出电压参数为：

1)电压输出(二阶曲线配合)：V输出=0.00003·RH2+0.0281·RH+0.82；

2)电压输出(一阶配合)：V输出=V供电·(0.0062·RH+0.16)；

3)温度补偿后输出电压：V输出=(0.0305+0.000044·T-0.0000011·T2)·RH+(0.9237-0.0041T+0.000040T2) 。

图3 湿度信号采集电路

实际的测量温度则在一定范围内变化，所以应考虑湿度传感器的温度系数，对环境温度进行补偿：

2.3 pH值检测电路

在测量溶液中的氢离子浓度时用到电位分析法，用一个指示电极和一个参比电极，或者采用两个指示电极，与试液组成电池，然后根据电池电动势的变化或指示电极电位的变化进行分析。参比电极是测量各种电极电势时作为参照比较的电极，将被测定的电极与精确已知电极电势数值的参比电极构成电池，测定电池电动势数值，就可计算出被测定电极的电极电势。在参比电极上进行的电极反应必须是单一的可逆反应，电极电势稳定和重现性好。通常多用微溶盐电极作为参比电极，常用的参比电极是银-氯化银电极。由于原电池的电动势非常小，必须把信号放大，经过模数转换，送微处理器处理。pH值采集的过程如图4所示。

图4 pH值采集示意图

3 系统软件的设计

系统软件设计主要包括：传感器采集程序、汇聚节点程序、测量节点程序，其中传感器采集包括湿度和酸碱度采集程序。软件设计包括的模块有：无线网络的组网、数据的采集与收发、传感器工作的控制。传感器节点的功能是数据的采集与定时发送；路由节点的功能是数据的转发；汇聚节点的功能是负责网络配置与管理，包括定义通信信道、网络标识符、配置网络的Profile，响应节点要求加入网络的请求和绑定请求，为其他节点分配网络地址等，接收各传感器节点发来的数据，经过适应的处理后传给终端。

3.1 测量节点程序

系统进行初始化，启动协调器新建一个新的网络，经过路由节点和传感器节点加入网络，如果系统允许加入网络，则一个新的节点被创建，接着绑定协调器。绑定后从传感器节点采集的数据发送给收集节点，收集点通过接口传至PC机进行相应处理，再以表格或统计图的方式显示。路由节点的流程基本与协调器相似，只是它将接收的信息再转发给协调器。图5为协调器和传感器节点的数据采集算法流程图。

图5 节点数据采集算法流程图

3.2 汇聚节点程序

汇聚节点的功能是建立无线传输网络，它是无线传感器网络前端传感器阵列的桥梁，处理中要经历发出采集数据命令、接收数据并上传、分配地址、回收地址、中断等一系列的步骤。汇聚节点主要特点有：控制能力、数据处理能力、数据存储能力、通信能力。汇聚节点程序工作流程如图6所示。

图6 汇聚节点工作流程图

3.3 传感器采集程序

传感器数据采集是系统数据的来源，数据的准确性和实时性直接关系到终端数据的准确性[5]。所以数据采集系统必须具备精度高、可靠性高、实时性好、抗干扰能力强的特点。采取过程是基于传统的中断模式，实时性高，可靠性好，涉及定时器中断、数据采集中断、数据发送中断。工作程序流程如图7所示。

图7 数据采集流程图

4 结束语

本文结合当前中草药种植土壤检测中存在的问题，设计了一套基于ZigBee无线传感网的中草药土壤检测系统，在土壤数据采集方面采用了多种传感器进行测量，实现了对土壤环境的智能监控，其劳动力成本大大降低，经济效益得到较大提升。本装置是一种新型农业信息化技术装备，其功能齐全，性能完善，成本较低，具有广阔的市场应用前景和推广价值，目前已在某单位科技示范园投入使用。

[1] 吉红.自动控制在国外设施农业中的应用[J].农业环境与发展,2007(5):52-54.

[2] 鞠传香.基于Zigbee技术的温室大棚智能监控系统[J].江苏农业科学,2013,41(12):405-407.

[3] 高之圣.低功耗无线传感器网络节点温室大棚监控系统的设计[J].微处量器与可编程控制器,2013(23):56-57.

[4] 张粤.基于ZigbeeCC2430的土壤含水率监测系统设计[J].农机化研究,2012,34(2):189-192.

[5] 邓中华.基于Zigbee无线温度采集系统设计[J].计算机工程与科学,2011,33(6):164-167.

2014-07-06

江苏省农产品质量安全追溯管理体系研究与试点(2130109)；江苏农牧科技职业学院科研项目(NSFYB1311)

高正红(1975-)，男，江苏泰州人，江苏农牧科技职业学院讲师，硕士。研究方向：农业智能终端； 刘雪兰(1979-)，女，江苏泰州人，江苏农牧科技职业学院讲师，硕士。研究方向：嵌入式系统。

TP274.5

A

1008-4657(2014)04-0037-05

寸晓非]