專利名稱：基于ZigBee的無線植物生理生態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于無線傳感器領(lǐng)域，特別涉及一種能夠同時(shí)測(cè)量多種植物生理生態(tài) 參數(shù)的溫室無線傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前，溫室環(huán)境調(diào)控能力普遍不強(qiáng)，智能化水平低，植物生理生態(tài)信息獲取與傳輸 手段落后。在農(nóng)業(yè)方面，已開發(fā)的能夠用于各種植物信息獲取的無線傳感器節(jié)點(diǎn)非常少，特 別是低功耗的傳感器節(jié)點(diǎn)。因此，如何集成現(xiàn)有技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)展開無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 的研究，開發(fā)適合于我國(guó)國(guó)情的低成本、低功耗的無線智能傳感器節(jié)點(diǎn)是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的主要 任務(wù)之一。智能無線傳感器和在此基礎(chǔ)上集成的低成本、低功耗的無線網(wǎng)絡(luò)化植物生理生 態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在國(guó)內(nèi)尚屬空白。植物外部生長(zhǎng)環(huán)境測(cè)試技術(shù)相對(duì)發(fā)展較快，環(huán)境溫度、濕度、 光照強(qiáng)度等測(cè)試傳感器已經(jīng)得到了推廣應(yīng)用。但針對(duì)植物本身特性的測(cè)試，如植物葉面溫 度、植物莖流、光合有效輻射、莖/果實(shí)/樹木生長(zhǎng)變化，以及土壤水分等的測(cè)試方法相對(duì)發(fā) 展較慢。國(guó)外有些研究機(jī)構(gòu)和公司已經(jīng)有相關(guān)產(chǎn)品問世，但價(jià)格十分昂貴，而國(guó)內(nèi)該方向的 研究剛剛起步，無產(chǎn)品投入實(shí)際應(yīng)用。國(guó)內(nèi)的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)大部分采用集中式或PLC 控制結(jié)構(gòu)，控制方法多為簡(jiǎn)易的ON/OFF型，以此構(gòu)建的溫室環(huán)境控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，信息 遠(yuǎn)距離傳輸能力弱，控制效果較差，在可擴(kuò)展性、可靠性和實(shí)時(shí)性方面存在不足。因此，實(shí)際 的溫室生產(chǎn)需求對(duì)植物生理信息獲取與分析技術(shù)和環(huán)境控制技術(shù)提出了更高的要求。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型的目的是提供一種基于ZigBee的無線植物生理生態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其可 以有效解決現(xiàn)有技術(shù)信息遠(yuǎn)距離傳輸能力弱，控制效果較差，在可擴(kuò)展性、可靠性和實(shí)時(shí)性 方面存在不足等問題，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離無線監(jiān)測(cè)測(cè)定點(diǎn)的土壤溫度、水分，葉片溫度、光合作用、 莖稈生長(zhǎng)等植物生理生態(tài)參數(shù)，并通過ZigBee中心主節(jié)點(diǎn)將各個(gè)測(cè)試點(diǎn)的數(shù)據(jù)匯聚上傳 至上位機(jī)進(jìn)行分析、對(duì)比、存儲(chǔ)等處理。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采取如下的技術(shù)方案一種基于ZigBee的無線植物生理生態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其包括有用于提供系統(tǒng)工作的供電模塊；用于采集、分析、處理植物生理生態(tài)信息的主計(jì)算機(jī)；一群組ZigBee子節(jié)點(diǎn)；每個(gè)ZigBee子節(jié)點(diǎn)下連接一傳感器，該傳感器為溫室室溫傳感器、土壤溫度傳感 器、土壤水分傳感器、葉片溫度傳感器、光合作用傳感器和莖稈生長(zhǎng)速率傳感器中的一種；用于匯集所有ZigBee子結(jié)點(diǎn)采集的植物生理生態(tài)參數(shù)的ZigBee中心主節(jié)點(diǎn)；所述各ZigBee子節(jié)點(diǎn)將采集的各傳感器信號(hào)經(jīng)過處理后，利用消息發(fā)送給 ZigBee中心主節(jié)點(diǎn)；ZigBee中心主節(jié)點(diǎn)同步或分步將采集到的所有ZigBee子節(jié)點(diǎn)發(fā)送的 傳感器信息發(fā)送到主計(jì)算機(jī)。
3[0012]在ZigBee子節(jié)點(diǎn)下還配設(shè)有一用于顯示分析儀的工作狀態(tài)以及采集到的數(shù)據(jù)信 息的顯示模塊，其與該ZigBee子節(jié)點(diǎn)和電源模塊連接。在ZigBee子節(jié)點(diǎn)下還配設(shè)有一用于語音提示指導(dǎo)生產(chǎn)的真人語音發(fā)音模塊，與 所述供電模塊和該ZigBee子節(jié)點(diǎn)模塊的控制端連接。本實(shí)用新型通過一些實(shí)施例實(shí)現(xiàn)了溫室環(huán)境下植物生理生態(tài)參數(shù)的無線采集處 理，為管理人員及時(shí)提供植物生理生態(tài)信息。本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)是該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能豐富，外形小巧，方便實(shí)用。

圖1為本實(shí)用新型基于ZigBee的無線植物生理生態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成原理示意圖；圖2為基于ZigBee的無線植物生理生態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)一實(shí)施例架構(gòu)示意圖；圖3為本實(shí)用新型一實(shí)施例的供電模塊實(shí)施例電路原理圖；圖4為本實(shí)用新型一實(shí)施溫室室溫傳感器模塊電路原理圖；圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例的各種傳感器的技術(shù)參數(shù)表。下面通過附圖和實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
具體實(shí)施方式
參見圖1，本實(shí)用新型基于ZigBee的無線植物生理生態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括有用 于采集、分析、處理植物生理生態(tài)信息的主計(jì)算機(jī)；一群組ZigBee子節(jié)點(diǎn)(子節(jié)點(diǎn)1、2、3、 4、5、6)。每個(gè)ZigBee子節(jié)點(diǎn)下的傳感器可以是溫室室溫傳感器、土壤溫度傳感器、土壤水 分傳感器、葉片溫度傳感器、光合作用傳感器和莖稈生長(zhǎng)速率傳感器中的一個(gè)；可以是一個(gè) ZigBee子節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一種傳感器；也可是多個(gè)ZigBee子節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)接同一種傳感器，等等，根 據(jù)需要可做不同的設(shè)計(jì)。本實(shí)用新型基于ZigBee的無線植物生理生態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)還包括一用于匯集所有 ZigBee子結(jié)點(diǎn)采集的植物生理生態(tài)參數(shù)的ZigBee中心主節(jié)點(diǎn)。所述各ZigBee子節(jié)點(diǎn)將采集的各傳感器信號(hào)經(jīng)過處理后，利用消息發(fā)送給 ZigBee中心主節(jié)點(diǎn)；ZigBee中心主節(jié)點(diǎn)同步或分步將采集到的所有ZigBee子節(jié)點(diǎn)發(fā)送的 傳感器信息發(fā)送到主計(jì)算機(jī)1。圖2所示實(shí)施例中，本基于ZigBee的無線植物生理生態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)帶有6個(gè)ZigBee 子節(jié)點(diǎn)，6個(gè)ZigBee子節(jié)點(diǎn)下分別帶有不同的傳感器。這六個(gè)傳感器，分別與六個(gè)子節(jié)點(diǎn)連 接，分別負(fù)責(zé)采集溫室室溫，土壤溫度，葉片溫度，土壤水分，溫室光合作用，莖稈生長(zhǎng)速率 的信息。參見圖2所示，在ZigBee子節(jié)點(diǎn)支路單元還可配設(shè)有一用于顯示分析儀的工作狀 態(tài)以及采集到的數(shù)據(jù)信息的顯示模塊，其與ZigBee子節(jié)點(diǎn)和電源模塊連接。在ZigBee子節(jié) 點(diǎn)下還配設(shè)有一用于語音提示指導(dǎo)生產(chǎn)的真人語音發(fā)音模塊，與所述供電模塊和該ZigBee 子節(jié)點(diǎn)模塊的控制端連接。通過本實(shí)施例，可以在溫室環(huán)境下進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)植物生理生態(tài)信息采集測(cè)試并存儲(chǔ)，以便科研人員分析。參見圖2，本實(shí)施例中，ZigBee子節(jié)點(diǎn)可由ZigBee模塊實(shí)現(xiàn)，該ZigBee模塊采用 英國(guó)Jennie公司推出的高性能、低功耗的一系列無線Soc模塊JN5139。JN5139是一款兼 容于IEEE802. 15. 4的低功耗、低成本無線微型控制器。JN5139內(nèi)置ROM存儲(chǔ)器中集成了點(diǎn) 對(duì)點(diǎn)通信與網(wǎng)狀網(wǎng)通信的完整協(xié)議棧；而其內(nèi)置的RAM存儲(chǔ)器，可以支持網(wǎng)絡(luò)路由和控制 器功能而不需要外部擴(kuò)展任何的存儲(chǔ)空間。內(nèi)置的硬件MAC地址和高度安全的AES加密算 法加速器，減小了系統(tǒng)的功耗和處理器的負(fù)載。它還支持晶振休眠和系統(tǒng)節(jié)能功能，同時(shí)提 供了 4路12位的ADC。本實(shí)施例中ZigBee子節(jié)點(diǎn)的4路12位ADC可分別與4個(gè)傳感器連 接采集4路傳感器數(shù)據(jù)并利用消息發(fā)送給主節(jié)點(diǎn)。本實(shí)施例中，鑒于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布特點(diǎn)，多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合供電條件受限，節(jié) 點(diǎn)模塊采用電池供電。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，紐扣電池供電能力不足。本設(shè)計(jì)采用兩節(jié)7號(hào)電池供 電，電源芯片采用SP6201，它是CM0SLD0器件，適用于要求高精度、快速操作和方便使用的 應(yīng)用。芯片輸入電壓2. 5-6V，輸出電壓3. 3V。為保證在電壓轉(zhuǎn)換時(shí)芯片工作穩(wěn)定性，從VIN 到GND需要連接一個(gè)luF或更大的小電容，使LD0放大器對(duì)高頻旁路，在V0UT和GND之間 需要連接一個(gè)輸出電容器以防止產(chǎn)生振蕩。低至0. 22uF的電容可滿足大多數(shù)應(yīng)用的穩(wěn)定 性要求。luF的電容就可確保器件在整個(gè)輸入電壓、輸出電壓和溫度范圍內(nèi)從空載到滿載條 件下的穩(wěn)定工作。圖3示出了供電模塊一實(shí)施例電路原理圖。本實(shí)施例采用的溫室室溫傳感器工作原理如下SHTI0是Sensirion公司推出的 一款數(shù)字式溫濕度傳感器。SHT10傳感器包括一個(gè)電容式聚合體測(cè)濕元件和一個(gè)能隙式 測(cè)溫元件，并與一個(gè)14位AD轉(zhuǎn)換器以及串行接口電路在同一芯片上實(shí)現(xiàn)無縫連接。小 巧的尺寸以及極低的工作能耗使之非常適合于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)用，工作電壓為 2. 4-5. 5V，測(cè)量電流550uA,休眠電流0. 3uA，測(cè)濕精度為士 4.5% RH，25°C時(shí)測(cè)溫精度為 士0. 5°C，測(cè)量范圍分別是 0-100% RH 和-40-123. 8V。圖4示出了溫室溫濕度傳感器電路原理圖本實(shí)施例采用了室內(nèi)溫度傳感器，土壤溫度傳感器，土壤水分傳感器，葉片溫度 傳感器，光合作用傳感器以及莖稈生長(zhǎng)速率傳感器等六種植物生理生態(tài)傳感器，傳感器采 集的各項(xiàng)植物生理生態(tài)信息通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)使分析人員、數(shù)據(jù)采集人員能夠方 便、直觀的從計(jì)算機(jī)屏幕或者液晶顯示屏上了解植物生理生態(tài)狀況。圖5列出了各種傳感器的技術(shù)參數(shù)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中可適時(shí)調(diào)配。以上附圖及實(shí)施例僅用以說明本實(shí)用新型的技術(shù)方案，而非對(duì)其限制；盡管參照 前述實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解其依然可 以對(duì)前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對(duì)其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換； 而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本實(shí)用新型各實(shí)施例技術(shù)方案的精 神和范圍。
權(quán)利要求一種基于ZigBee的無線植物生理生態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于包括有用于提供系統(tǒng)工作的供電模塊；用于采集、分析、處理植物生理生態(tài)信息的主計(jì)算機(jī)；一群組ZigBee子節(jié)點(diǎn)；每個(gè)ZigBee子節(jié)點(diǎn)下連接一傳感器，該傳感器為溫室室溫傳感器、土壤溫度傳感器、土壤水分傳感器、葉片溫度傳感器、光合作用傳感器和莖稈生長(zhǎng)速率傳感器中的一種；用于匯集所有ZigBee子結(jié)點(diǎn)采集的植物生理生態(tài)參數(shù)的ZigBee中心主節(jié)點(diǎn)；所述各ZigBee子節(jié)點(diǎn)將采集的各傳感器信號(hào)經(jīng)過處理后，利用消息發(fā)送給ZigBee中心主節(jié)點(diǎn)；ZigBee中心主節(jié)點(diǎn)同步或分步將采集到的所有ZigBee子節(jié)點(diǎn)發(fā)送的傳感器信息發(fā)送到主計(jì)算機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ZigBee的無線植物生理生態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于在 ZigBee子節(jié)點(diǎn)下還配設(shè)有一用于顯示分析儀的工作狀態(tài)以及采集到的數(shù)據(jù)信息的顯示模 塊，其與該ZigBee子節(jié)點(diǎn)和電源模塊連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于ZigBee的無線植物生理生態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于在 ZigBee子節(jié)點(diǎn)下還配設(shè)有一用于語音提示指導(dǎo)生產(chǎn)的真人語音發(fā)音模塊，與所述供電模塊 和該ZigBee子節(jié)點(diǎn)模塊的控制端連接。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種基于ZigBee的無線植物生理生態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括有用于提供系統(tǒng)工作的供電模塊；用于采集、分析、處理植物生理生態(tài)信息的主計(jì)算機(jī)；一群組ZigBee子節(jié)點(diǎn)；每個(gè)ZigBee子節(jié)點(diǎn)下連接一傳感器，該傳感器為溫室室溫傳感器、土壤溫度傳感器、土壤水分傳感器、葉片溫度傳感器、光合作用傳感器和莖稈生長(zhǎng)速率傳感器中的一種；用于匯集所有ZigBee子結(jié)點(diǎn)采集的植物生理生態(tài)參數(shù)的ZigBee中心主節(jié)點(diǎn)；所述各ZigBee子節(jié)點(diǎn)將采集的各傳感器信號(hào)經(jīng)過處理后，利用消息發(fā)送給ZigBee中心主節(jié)點(diǎn)；ZigBee中心主節(jié)點(diǎn)同步或分步將采集到的所有ZigBee子節(jié)點(diǎn)發(fā)送的傳感器信息發(fā)送到主計(jì)算機(jī)。通過其可以實(shí)現(xiàn)以ZigBee無線模塊為核心的溫室無線網(wǎng)絡(luò)化植物生理生態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，便于溫室環(huán)境的管理。
文檔編號(hào)H04W84/18GK201607286SQ20092035084
公開日2010年10月13日 申請(qǐng)日期2009年12月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月31日
發(fā)明者劉文璽, 吳建紅, 周增產(chǎn), 張曉慧, 楊瑋, 董明明 申請(qǐng)人:北京京鵬環(huán)球科技股份有限公司