基于单片机和3G的远程无线土壤参数监测系统❋

张 辉，胡 钢

（1.南通河海大学海洋与近海工程研究院，南通226000；2.物联网工程学院（常州），常州213022）

基于单片机和3G的远程无线土壤参数监测系统❋

张 辉1，2，胡 钢1，2

（1.南通河海大学海洋与近海工程研究院，南通226000；2.物联网工程学院（常州），常州213022）

目前市场上关于农田土壤参数采集的装置多采用有线方式，布线不便、缺乏灵活性，因此，提出了基于Zigbee和3G的无线土壤参数采集系统。该系统由单片机MSP430、射频芯片CC2530以及3G路由器组成。单片机对传感器数据进行采集、处理和发送，经ZigBee组网把多节点数据汇聚到中心节点，实现短距离通信，再经3G路由器实现远程通信，最终实现数据的远程传输，从而达到实时监测土壤参数的目的。经实际测试验证该系统具有实用性。

土壤参数采集；无线；紫蜂；3G路由器

1 引 言

目前国内市场农田的节水监测系统一般基于有线通讯方式，虽然机制成熟，但有线监测系统存在诸多缺点：有线监测点的布置需要大量走线，布置方式不灵活而且不利于农田正常作业；监测点数量由于受到通信布线成本限制而不能大量布置，造成监测力度不够，甚至存在监测盲区［1］；有线监测点线路检查和维护需要大量的人力物力，若多块农田实现集中管理会极大的增加安装成本，不利于构建大型的远程控制系统。

针对以上缺点，项目提出的无线监测系统基于ZigBee和3G技术，通过ZigBee的自组网方式实现多个节点数据汇集，3G技术作为一种先进的无线通信技术，实现数据远距离可靠传输。基于ZigBee和3G的无线土壤参数监测系统具有成本低、部署灵活方便及通信便利等特点［2］，使其在农业应用方面表现尤为突出。

2 系统总体结构设计

系统从功能上可分为下位机和上位机部分，下位机部分包括数据采集及处理模块、无线通信模块，无线通信模块由Zigbee短距离无线通信和3G远程数据传输两部分构成。上位机是基于Delphi开发的监控界面。

数据采集及处理模块由ARN＿100土壤湿度传感器、ARN＿TW土壤温度传感器、JASP2801土壤PH值传感器、12V供电电源以及MSP430F169单片机组成，主要负责获取土壤温度、湿度和PH值传感器的模拟数据、AD转换及串口的定时发送。

Zigbee短距离无线通信基于ZigBee协议架构，组建底层星型网络，星型网络由一个中心节点即协调器和若干个终端节点组成。终端节点通过串口接收单片机定时发送来的实时数据，然后通过点对点通信方式，把接收到的数据无线发送给中心节点，所有的终端节点都把土壤参数数据无线发送给中心节点。中心节点起到汇聚终端节点数据的作用，由于Zigbee传输距离有限，所以本系统把中心节点接收到的数据通过串口发送给3G路由器，利用3G传输的远距离和高效性，经3G的TCP/IP协议实现远程数据通信。

基于Delphi开发的上位机部分构成系统的远程数据管理模块，主要通过与3G路由器连通以实现远程通信，完成实时土壤参数数据的接收、处理、动态显示、数据存储及历史数据管理，数据管理包括对历史数据的查询、打印水晶报表和绘制曲线图。系统的总体框架图如图1所示。

图1 系统总体框架图

3 数据采集及处理模块

数据采集及处理模块由传感器、MSP430F169最小系统，电源电路，驱动电路，土壤参数采集电路组成，数据采集模块框图如图2所示。

3.1 数据采集

系统实现对土壤温度、湿度和PH值参数的实时监测，数据采集部分由相应的传感器和接口电路组成，传感器参数如表1所示。

表1 传感器主要参数［3］

图2 数据采集框图

系统采用的湿度传感器输出0-2V电压信号，温度和PH值传感器输出为4-20mA电流信号。由于单片机只能对电压信号进行处理，所有本系统中加入调理模块，调理模块的作用就是把4-20mA的电流信号转化成最大值为3.3V的电压信号，其电路如图3所示。而对于湿度传感器，调理电路中的R19电路要换成0值电阻。

图3 调理模块电路

3.2 数据处理

MSP430F169是一款低功耗16位单片机，处理能力强，运算速度快，集成度高［4］。前端传感器采集的数据为模拟信号，需经AD转换成数字信号。MSP430F169共有12个模数转换通道，设置了16个转换存储器用于暂时存储转换结果，合理设置后，ADC12硬件会自动将转换结果保存到相应的存储器里。本系统采用A0-A2 3路外部模拟通道，参考电压采用外部参考电源，AD参考电源电路如图4所示，AD转换完成后，单片机将此数字信号通过串口定时发送给Zigbee终端节点。

由单片机采集模拟信号，经由AD转换，输出数字信号。本设计基于安全性以及准确性考虑，采用了帧头、帧尾设计，并加入校验位，更保证了数据的精确度。由于需采集土壤3种参数，所以开通了A0、A1、A2三路通道。表2为数据帧格式。

图4 AD参考电源

表2 数据帧格式

数据定义格式如下所示：

此模块的软件设计流程：第一步初始化，包括端口初始化、波特率设置、初始化串口、初始化AD转换通道。第二步信号采集，首先使能通道，等待模数转换，通过公式计算相应温湿度和PH值，最后定时发送采集的数据。关键程序如下：

4 无线通信模块

4.1 Zigbee短距离无线通信

ZigBee技术是一种近距离、低功耗、低速率、低成本的无线传感器网络技术。系统采用星形网络，协调器主要负责配置网络参数、启动网络并维护网络正常工作，接收采集的数据，并通过串口与3G模块相连，实现数据的远程传输。终端负责接收单片机发送的土壤参数信息，并且通过点播方式把数据无线发送给协调器。

终端节点工作过程如图5所示，终端节点加入网络之后，采用任务轮询的方式，通过判断是否有CMD＿SERIAL＿MSG事件发生来判断串口有无接收到数据，若此事件发生，终端则通过串口接收数据，并把此数据通过AF＿DataRequest函数以点播形式无线发送给协调器。关键程序如下：

协调器工作过程如图6所示，协调器上电后初始化并建立网络，同样协调器也采用任务轮询方式，通过查询是否有事件AF＿Incoming＿MSG发生，判断有无无线数据发送过来。若此事件发生，协调器接收无线数据，同时将此数据通过串口发送给3G路由器。关键程序如下：

图5 终端节点工作过程

图6 协调器工作过程

4.2 远程数据通信

系统中使用的工业级3G路由器，支持TCP/IP协议，支持DTU功能［5］。TCP/IP协议是一种网络协议，在应用程序中应用TCP/IP协议进行通信时，利用TCP套接字（Socket）在本机与目的机之间建立一个套结字虚拟连接，套接字连接成功后两者便可以通信。

Socket通信要求通信双方一端作为客户端，另一端作为服务器。在服务器端，建立服务器端的Socket，侦听整个网络中的连接请求，当检测到来自客户端的连接请求时，向客户端发送收到连接请求的信息，并建立与客户端之间的连接。对于客户端，首先建立客户端的Socket，确定要连接服务器的主机名和端口，然后发送请求信息请求连接到服务器，并等待服务器的回馈，连接成功后就可以与服务器进行通信［6］。

系统中，3G路由器作为Socket客户端，远程控制中心是Socket的服务端。在本质上，3G路由器上电后DTU先注册到GPRS网络，然后通过DTU和远程控制中心建立Socket连接。所以首先要启动DTU，DTU串口设置项配置成Zigbee串口配置参数，然后把DTU连接方式设置成客户端，网络类型TCP，服务端x设置成远程监控端的IP，端口号本系统设置成6800，然后保存设置，DTU配置界面如图7所示。

图7 3G路由器DTU设置

Zigbee与3G路由器之间通过串口进行通信，由于Zigbee输出信号是TTL电平标准，而系统中采用的3G路由器串口采用RS-232通信标准［7］，所以为保证Zigbee和3G可以正常通信，需要进行电平转换，转换电路如图8所示。

图8 电平标准转换电路

5 数据管理模块

远程中心服务软件是针对本系统面向TCP/IP协议的网络服务软件。3G路由器的DTU作为Socket的客户端，远程控制中心作为上位机要有一对应的Socket服务器，用于接收和处理通过3G路由器发送的远端数据，并且对接收到的数据进行处理。本系统中的数据管理软件采用Delphi进行开发，利用已有的控件完成设计，土壤参数实时监控界面如图9所示。

图9 土壤参数实时监控界面

远程控制中心收到土壤参数信息之后，在图9所示的实时监控界面动态显示，同时，每隔一个小时，系统将自动存储各个节点的数据，本系统采用Access数据库［8］。为了方便查询历史数据，本系统开发如图10所示查询界面，用户可以通过选择需要查询的设备号，查询日期筛选必要的数据，同时用户还可以对筛选出来的信息打印水晶报表、绘制曲线图。

图10 土壤参数数据管理界面

6 结束语

无线远程数据采集系统已成为当前业界研究的热点。系统所介绍的无线数据采集系统以性能优越的MSP430单片机完成数据采集，通过低功耗的ZigBee实现多监测点的组网，以GPRS作为承载网络，利用GPRS网络覆盖范围广等优势，提高了系统的实用性和灵活性，具有良好的应用前景和实际意义。该系统非常适合于边远地区或可移动系统中实现远程数据监控，在现代化农业中具有良好的应用前景和实际意义。

［1］ 司海飞，杨忠，等.无线传感网器网络研究现状与应用［J］.机电工程，2011，28（1）：16-20.

［2］ 王建，雷斌.基于ZigBee的土壤墒情监控系统设计［J］.设计参考，2009，11（2）：35-38.

［3］ 刘卉，汪懋华，王跃宣，等.基于无线传感器网络的土壤温湿度监测系统的设计与开发［J］.吉林大学学报（工学版），2008，38（3）：604-608.

［4］ 邵雯.基于MSP430的水位监控管理系统的研究与设计［D］.江苏：苏州大学，2010：121-122.

［5］ 李震，Wang Ming，洪添胜，等.农田土壤含水率监测的无线传感器网络系统设计［J］.农业工程学报，2010，26（2）：212-217.

［6］ 韦凤伶，陶宏才，何林.基于3G的个人健康管理系统设计［J］.计算机与通信信号，2011（10）48-49.

［7］ Silva A R，Duran M C.Communication with above devices in wireless underground sensor networks：a empirical study Communications（ICC）［C］.2010 IEEE International Conference Proceedings，IEEE Communication Society，Cape Town，2010：23-27.

［8］ 科教工作室.Access2010数据库应用（第二版）［M］.北京：清华大学出版社，2011：58-63.

［9］ LVTAO，HuQingXin，ZhangHang.An Improvement for each algorithm in wireless in sensor network［C］.//Proceeding of the 5th IEEE Conference on Industrial Electronices and Applicationsi.Washington.DC：IEEE Computer Society，2010：2811-2814.

A Design of Soil Parameters Monitoring System Based on MCU and 3G

Zhang Hui1，2，Hu Gang1，2
（1.Marine and Offshore Engineering Institute，NanTong HoHai University，NanTong 226000，China；2.College of Internet of Things Engineering，Hohai University，Changzhou 213022，China）

The current soil parameters monitoring machines，generally using wire connection，is inconvenient to layout.In this paper，a design of soil parametersmonitoring system based on Zigbee and 3G is presented.The system is composed of MCUMsp430，radio frequency chip CC2530 and 3G router.Firstly，the Msp430 processes data from sensors.Then，the short-distance wireless communication networks of zigbee collect all data from different nodes.Lastly，the 3G router realizes long-distance wireless communication.Therefore，the monitoring center can acquire real-time soil parameters.The test result shows that it has practicability.

Soil parameters；Wireless；ZigBee；3G router

10.3969/j.issn.1002-2279.2015.03.025

TP393

A

1002-2279（2015）03-0092-05

南通市2012年应用研究计划资助项目（BK2012003）

张辉（1989-），男，江苏徐州人，硕士研究生，主研方向：无线传感器网络。

2014-09-01