基于ZigBee和C#的農田數據采集系統(tǒng)*

朱 凱， 朱惠斌， 白麗珍， 張健偉， 成習軍， 曹科高

(昆明理工大學 現代農業(yè)工程學院，云南 昆明 650224)

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基于ZigBee和C#的農田數據采集系統(tǒng)*

朱 凱， 朱惠斌， 白麗珍， 張健偉， 成習軍， 曹科高

(昆明理工大學 現代農業(yè)工程學院，云南 昆明 650224)

針對農田數據采集系統(tǒng)有線傳輸方式常受到地形、安裝環(huán)境等限制問題，提出了一種基于ZigBee數據采集傳輸系統(tǒng)。采用CC2530芯片為主搭建無線傳感器網絡，終端和協(xié)調器采用半開源的Z-Stack協(xié)議棧進行程序開發(fā)，上位機基于Visio Studio 2015平臺采用C# 語言進行軟件開發(fā)，并配合ACCESS數據庫，共同實現了系統(tǒng)的遠程檢測與本地保存和動態(tài)顯示。在玉米試驗田進行實地測試，終端按采集需要暫時設定為每間隔1 h采集一次數據，其余時間處于休眠狀態(tài)。經計算，終端預計工作時間為100 d左右；且經過測試，終端與協(xié)調器的有效傳輸距離能達到80 m，數據傳輸有效率達92 %。結果表明：該系統(tǒng)具有低功耗、低成本、系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可擴展性強等特點，滿足農業(yè)信息化的需求。

無線傳感器網絡； ZigBee； 數據采集； C# 編程語言

0 引 言

農田數據的測量是獲取農業(yè)信息資源的重要途徑之一，如何準確、及時、高效地獲取農業(yè)生產過程中的各項指標信息，是提高農業(yè)生產管理及決策的關鍵環(huán)節(jié)[1]。因此，近年來，農業(yè)特別是溫室農業(yè)的發(fā)展更加重視植物生理環(huán)境的采集和監(jiān)控，即根據植物的生長情況調節(jié)其生長環(huán)境，并可以檢測到環(huán)境變化后植物的生長情況，以便使調控功能更科學[2]。但是，相對于非溫室，普通的農田具有對象多余、地域廣闊、偏僻分散、遠離都市社區(qū)、通信調節(jié)落后等特點，在很多情況下，農業(yè)數據信息的獲取更加困難[3],加上農田環(huán)境惡劣，普通的傳感器節(jié)點放入農田后壽命普遍不長。因此，需要將低成本、高效率、智能化設備應用于農田信息采集，提升改造傳統(tǒng)農業(yè)[4]。

傳統(tǒng)的農作物監(jiān)控系統(tǒng)采用RS—485或CAN總線等有線的方式傳輸數據[5]，同時，當數據采集點處于運動狀態(tài)時，布線操作困難[6]，利用無線傳輸的方式進行數據采顯得比較迫切。其關鍵技術便是無線傳感器網絡[7～10]。

ZigBee技術擁有功耗低、成本低、網絡容量大、時延短、安全可靠、工作頻率靈活等諸多優(yōu)點，成為了近年來數字農業(yè)研究的熱點之一[11～14]。

本文針對信息化農業(yè)的需要，利用ZigBee技術和上位機(PC)搭建了一種無線農田數據采集系統(tǒng)。整個系統(tǒng)充分考慮了功耗、成本以及系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面的要求。將無線傳感器網絡應用于農田，即將眾多傳感器放在農田的指定位置，傳感器依照輸入的程序指令對所處的環(huán)境進行感應并產生電信號，中央處理器將所檢測到的電信號進行整合和處理成數字信號，并通過ZigBee無線傳輸技術傳輸給協(xié)調器，協(xié)調器將接收到的數據傳送給上位機，完成檢測任務。

1 系統(tǒng)結構設計

首先，由終端傳感器進行環(huán)境數據的采集，然后將傳感器采集到的數據經過ZigBee無線網關傳送至由ZigBee接收模塊、D/A轉換芯片等電子元件組成的協(xié)調器，由協(xié)調器與PC使用USB進行有線連接，將傳感器采集到的數據傳輸至PC，反饋給檢測人員，并對數據進行本地儲存。

PC的程序使用Visual Studio 2015開發(fā)工具和C#語言進行設計和開發(fā)。通過開發(fā)的程序鏈接ACCESS數據庫，可以將采集到的數據及時存儲于本地，然后通過查詢程序可以隨時查看歷史紀錄及將某段時間內的歷史記錄生成折線圖，并且可以選擇需要的數據及日期，自動從ACCESS數據庫里生成EXCEL表格，便于查詢。

圖1 ZigBee無線采集系統(tǒng)

2 硬件設計

硬件設計包括終端和調節(jié)器。通過若干終端和1個協(xié)調器組成ZigBee無線傳感器網絡。終端用于采集環(huán)境數據，協(xié)調器用于接收終端采集到的數據，最后傳至PC。

2.1 終端設計

終端由ZigBee射頻模塊(集成了80C51單片機)、溫度傳感器、濕度傳感器、儲存控制芯片、A/D轉換芯片、供電模塊等組成。其中，ZigBee射頻模塊采用CC2530芯片，該芯片支持IEEE 802.15.4協(xié)議，并集成了8051單片機，擁有32 MHz晶振，8 kB RAM，128 kB FLASH[14]，控制和處理傳感器、儲存控制芯片等電子元件，數據經過ZigBee射頻模塊發(fā)送給主節(jié)點。

溫度傳感器和濕度傳感器采用數字溫濕度傳感器DHT11,是含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，其應用專用的數字模塊采集技術和溫濕度傳感技術，確保產品具有極高的可靠性和卓越的長期穩(wěn)定性[15，16]。DHT11通過串行接口與CC2530連接。其接口電路如圖2所示。由于DHT11自帶A/D轉換模塊，能及時將采集到的模擬信號轉換為數字信號。

圖2 DHT11傳感器電路原理

儲存芯片采用E2PROM公司的AT24C02芯片，儲存容量為256×8 kB,用于保存已轉換為數字信號的數據，以防止突然斷電而導致數據丟失，芯片具有掉電數據保存功能，可多次擦寫，擦寫次數可達10萬次以上[17]。

2.2 調節(jié)器設計

調節(jié)器由ZigBee射頻模塊(集成了80C51單片機)、儲存控制芯片、D/A轉換芯片、USB接口、供電模塊等組成。與終端不同之處在于，ZigBee射頻模塊采用的是CC2530芯片。CC2530鏈接1個USB全速接口，通過USB數據線與PC串口相連接。調節(jié)器通過ZigBee射頻模塊接收到數字信號，通過D/A轉換芯片轉換為模擬信號，然后儲存于儲存芯片AT24C02中 ，經過USB接口與PC連接，最終將傳感器采集到的數據傳至PC中。

3 系統(tǒng)軟件設計

軟件設計分為子節(jié)點(終端)數據采集和發(fā)射、主節(jié)點(協(xié)調器)數據接收和PC顯示及本地儲存。

3.1 終端和協(xié)調器程序設計

子節(jié)點(終端)的任務為按時完成數據采集并發(fā)送給協(xié)調器。因此，CC2530在非采集和非發(fā)送數據時間段處于休眠狀態(tài)，此時，CC2530自帶的睡眠定時器工作，當時間到達指定采集點后，定時器溢出，系統(tǒng)復位，啟動CC2530內的8051單片機，控制DHT11進行數據采集并將模擬信號轉換為數字信號，儲存于AT24C02芯片后再由CC2530發(fā)射至協(xié)調器。發(fā)射數據遵守IEEE802.15.4標準，如圖3所示。

圖3 IEEE 802.15.4協(xié)議

協(xié)調器的任務為接收終端數據并傳輸至PC。CC2530在非接收數據點處于休眠狀態(tài)。當協(xié)調器檢測到有信號傳入時，系統(tǒng)復位，接收信號并對信號進行D/A轉換后儲存于AT24C02中。之后，通過USB串口通信將數據傳輸至PC。

終端和協(xié)調器基于半開源的Z-Stack協(xié)議棧進行程序開發(fā)，采用C語言。最終在保證系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下達到數據采集、發(fā)射和接收的目的。

3.2 PC程序設計

協(xié)調器通過USB接口與PC端進行數據傳輸后保存至ACCESS數據庫，然后，通過數據庫中保存的數據供使用者查詢和分析。因此，PC端程序設計需要有實時查詢數據功能。上位機程序采用C#語言進行編寫，使用的開發(fā)環(huán)境為Visual Studio 2015。如圖4所示，為PC程序的流程，根據框圖所編寫的客戶端窗口如圖5所示，通過SQL方法鏈接Access數據，可以隨時對數據庫進行查詢和生成圖表，方便操作者使用。當點擊自動保存時，采集到的數據自動保存到ACCESS數據庫，防止數據丟失。

圖4 PC程序流程

圖5 PC端程序窗口界面

4 系統(tǒng)測試

由于田間植被對無線信號的吸收、系統(tǒng)自身不穩(wěn)定等均會對系統(tǒng)的檢測結果造成影響[17]，因此，為了測試系統(tǒng)的傳輸穩(wěn)定性及數據采集的準確性，針對性地在昆明理工大學玉米實驗田進行測試。將3個終端放入農田，直徑距離約50～100 m左右，然后用協(xié)調器連接PC，在距離農田80 m左右的位置接收終端的數據包。終端每隔1 h采集一次數據，之后進入休眠模式。協(xié)調器接收到數據后傳輸給PC，利用ACCESS數據庫進行本地保存。并通過設計好的人機交互程序隨時查看數據。

如圖6所示,采集的數據為實驗某天數據庫查尋，圖7所示為某天實驗數據制圖，可以對節(jié)點號、空氣溫度、空氣濕度、采集日期進行自主選擇，方便數據查詢。并點擊圖6中的導出可以對選擇的數據生成EXCEL表格，實現數據的共享功能。

系統(tǒng)穩(wěn)定性實驗，經過1個月的測試，基本能穩(wěn)定準確地采集到數據。將系統(tǒng)采集的數據和人工采集的數據進行比較，數據傳輸有效率達92 %。證明了系統(tǒng)功耗低、成本低、時延短、安全可靠，能夠達到系統(tǒng)的設計要求。

圖6 數據庫查詢

圖7 折線圖生成

5 結束語

提出了一種基于ZigBee無線技術的多信息農田數據采集系統(tǒng)，完成了由CC2530為主的無線芯片與其他相關芯片結合的系統(tǒng)硬件設計，最終達到數據采集的目的。測試結果表明：系統(tǒng)擁有功耗低、成本低、時延短、安全可靠、數據查詢方便等特點，能夠達到系統(tǒng)的設計要求，并且系統(tǒng)通過更換傳感器和對軟件程序進行簡單編改，可以實現其他數據檢測需求。因此，設計的數據采集系統(tǒng)基本滿足農業(yè)信息化的要求。

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Farmland data acquisition system based on ZigBee and C#*

ZHU Kai, ZHU Hui-bin, BAI Li-zhen, ZHANG Jian-wei, CHENG Xi-jun, CAO Ke-gao

(Faculty of Modern Agricultural Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650224,China)

Aiming at restriction problem of landform and settle environment on wired transmission,a data acquisition and transmission system based on ZigBee is proposed.The CPU of the wireless sensor networks(WSNs)is on the basis of CC2530,half-open-sourced Z-Stack protocol stack is adopted in the program development of the terminal and coordinator.The upper computer software is also developed with C# based on Visio Studio 2015 and ACCESS database to achieve remote monitoring,local data-saving and dynamic display.Field tests on a corn plot are carried out,the terminal is set to collect data every 1 h,and hibernate in the rest of time.By calculation,terminal estimated working time is about 100 days;the efficient transmitting distance between terminal and coordinators is 80m,and the efficiency of data transmitting reaches 92 %.Results show that system can content the requirements of agricultural information,which has features of low power consumption,low cost,stability and scalability.

wireless sensor networks(WSNs); ZigBee; data acquisition; programming language C#

10.13873/J.1000—9787(2017)08—0095—04

2016—08—29

云南省科技廳面上資助項目(2015FB125)；云南省博士學位人才引進科研啟動基金資助項目(KSY201323139)；農業(yè)部公益性行業(yè)(農業(yè))科研專項項目(201503119)

S 126； TP 23

A

1000—9787(2017)08—0095—04

朱 凱(1992-)，男，碩士研究生，主要研究方向為農業(yè)電氣化與自動化。

朱惠斌(1974-)，男，通訊作者，博士，副教授，主要從事農業(yè)機械裝備與計算機測控工作，E—mail：hbzhu113@qq.com。