基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)農(nóng)業(yè)環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

方和平 朱家沅

摘 要：針對傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)信息監(jiān)測系統(tǒng)面臨的布線復雜、成本高、供電不便等問題，文中提出一種基于ZigBee技術(shù)無線環(huán)境數(shù)據(jù)采集并加以環(huán)境調(diào)節(jié)的農(nóng)作物監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)以CC2530構(gòu)建的節(jié)點為核心，通過節(jié)點之間自組網(wǎng)的方式實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的傳輸，再由嵌入式終端對傳輸數(shù)據(jù)加以分析和處理，從而根據(jù)數(shù)據(jù)控制調(diào)控環(huán)境設(shè)備并把數(shù)據(jù)上傳到計算機端，完成對農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測和調(diào)控的目標。系統(tǒng)運行結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠有效地節(jié)省人力，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率。

關(guān)鍵詞：ZigBee；Z-Stack；信息監(jiān)測；環(huán)境調(diào)節(jié)

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）09-00-03

0 引 言

我國人口占世界總?cè)丝诘?2%，而耕地面積只占世界耕地面積的7%，這就意味著發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的必要性[1]。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，農(nóng)作物環(huán)境信息數(shù)據(jù)主要通過人工采集或者大量布線從傳感器獲取，然后將數(shù)據(jù)傳送至計算機。此種方式不僅浪費大量人力資源，而且花費成本較大。針對上述問題，本文提出一種基于ZigBee技術(shù)的農(nóng)作物監(jiān)測系統(tǒng)，實時獲取農(nóng)作物的生長狀況，根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)控制調(diào)控設(shè)備，維持作物最佳的生長環(huán)境。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)框架設(shè)計

農(nóng)業(yè)環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。在該系統(tǒng)中，各個監(jiān)測區(qū)域的傳感器將采集到的數(shù)據(jù)通過自組網(wǎng)傳送至路由節(jié)點，再由路由節(jié)點傳送至協(xié)調(diào)器節(jié)點。ZigBee網(wǎng)絡(luò)通過串口通信的方式將數(shù)據(jù)信息傳送至嵌入式監(jiān)控終端以及計算機，監(jiān)控終端可通過采集到的環(huán)境信息做出決策，控制相應的環(huán)境調(diào)控設(shè)備。

1.2 系統(tǒng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案設(shè)計

整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用樹形拓撲結(jié)構(gòu)，其中協(xié)調(diào)器作為父節(jié)點，而終端傳感器節(jié)點作為葉子節(jié)點，路由器作為網(wǎng)絡(luò)中繼。當監(jiān)測區(qū)域需擴大時，可采用增加路由以擴充網(wǎng)絡(luò)覆蓋

范圍的方法。

該結(jié)構(gòu)包含數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層和管理層[2]。其中，數(shù)據(jù)采集層由眾多搭載不同傳感器的終端節(jié)點組成；數(shù)據(jù)傳輸層采用ZigBee自組網(wǎng)絡(luò)通信的方式將數(shù)據(jù)采集層所采集到的數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中傳輸；管理層則對采集到的數(shù)據(jù)進行分析。系統(tǒng)各部分功能規(guī)劃見表1所列。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 ZigBee芯片

系統(tǒng)采用的ZigBee射頻收發(fā)芯片是TI公司設(shè)計生產(chǎn)的CC2530。在CC2530的基礎(chǔ)上構(gòu)建協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由器節(jié)點、終端節(jié)點。CC2530具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統(tǒng)[3]。此外，TI公司還提供免費的ZigBee協(xié)議棧Z-Stack，可為用戶制定快速的ZigBee應用解決方案。

2.2 節(jié)點硬件設(shè)計

節(jié)點的硬件主要由電源電路、串口轉(zhuǎn)換電路、TFT接口電路、按鍵電路、調(diào)試接口電路、射頻收發(fā)電路組成。節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2.1 電源電路設(shè)計

電路接入外部5 V直流電源供電，通過電壓轉(zhuǎn)換芯片AMS1117將輸入的5 V電壓轉(zhuǎn)換為3.3 V系統(tǒng)工作電壓。電源部分原理圖如圖3所示。

2.2.2 串口通信轉(zhuǎn)換電路設(shè)計

本文系統(tǒng)選擇使用USART0作為串行通信接口。為了使串行接口同電腦交換數(shù)據(jù)，設(shè)計以PL2303為核心的數(shù)據(jù)交換電路。轉(zhuǎn)換電路原理圖如圖4所示。

2.2.3 調(diào)試接口電路

調(diào)試接口分別使用I/O引腳P2.1和P2.2作為調(diào)試模式中的調(diào)試數(shù)據(jù)和調(diào)試時鐘。調(diào)試接口原理圖如圖5所示。

2.2.4 TFT接口電路

TFT屏接口電路用于驅(qū)動TFT屏顯示采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)信息以及ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)連接信息。各接口對應的芯片引腳見表2所列。

2.3 傳感器選擇

農(nóng)業(yè)環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)主要檢測的環(huán)境對象為空氣溫濕度、土壤濕度、氣體濃度、光照強度等。通過將傳感器搭載到各節(jié)點上，然后將節(jié)點布置于環(huán)境監(jiān)測區(qū)域中，就能夠通過ZigBee自組網(wǎng)特性完成對區(qū)域環(huán)境的監(jiān)測。傳感器的選型和對應的通信方式見表3所列。

2.4 嵌入式監(jiān)控終端電路設(shè)計

系統(tǒng)采用STM32F103RCT6最小系統(tǒng)作為終端監(jiān)測調(diào)控平臺。其作用是對采集的數(shù)據(jù)進行分析和處理，并實現(xiàn)與PC端的信息交互，把PC端下達的決策命令傳送到控制終端監(jiān)測調(diào)控平臺，再通過終端監(jiān)測調(diào)控平臺控制環(huán)境調(diào)控設(shè)備。

STM32的設(shè)計包括最小系統(tǒng)設(shè)計和外圍電路設(shè)計兩部分。該嵌入式監(jiān)控終端電路包括晶振電路、復位電路、USB接口電路等，外圍電路包括中斷按鍵、TFT接口電路等。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本文系統(tǒng)軟件設(shè)計包含ZigBee協(xié)議應用程序設(shè)計、嵌入式監(jiān)控終端控制程序設(shè)計、計算機上位機 程序設(shè)計三部分。

ZigBee協(xié)議應用程序設(shè)計主要是對終端傳感器節(jié)點、路由器節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點三者之間如何組網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)某绦蛟O(shè)計。

嵌入式監(jiān)控終端控制程序設(shè)計主要接收協(xié)調(diào)器節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行分析和處理，控制調(diào)控環(huán)境參數(shù)設(shè)備以及將分析后的數(shù)據(jù)傳送到電腦端。

計算機上位機程序設(shè)計主要將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)實時顯示到電腦端，也可通過電腦端給嵌入式監(jiān)測終端發(fā)送指令，從而控制調(diào)控設(shè)備的運行。

3.1 ZigBee組網(wǎng)結(jié)構(gòu)程序設(shè)計

ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)主要有星狀、樹狀、網(wǎng)狀三種[4]。三種網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)如圖6所示。

本文系統(tǒng)采用樹狀網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)方式構(gòu)建ZigBee網(wǎng)絡(luò)。在Z-Stack中，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)定義如下：

#define NWK_MODE_TREE

3.2 ZigBee協(xié)議應用程序設(shè)計

Z-Stack協(xié)議棧是協(xié)議和用戶的一個接口。IEEE 802.15.4定義了物理層和介質(zhì)訪問層技術(shù)規(guī)范；ZigBee聯(lián)盟定義了網(wǎng)絡(luò)層、應用程序支持子層、應用層技術(shù)規(guī)范[5]。將各層定義的協(xié)議集合在一起，以函數(shù)的形式實現(xiàn)，并給用戶提供應用層，從而直接調(diào)用函數(shù)，實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)收發(fā)。

在Z-Stack協(xié)議棧中，ZigBee的應用都可基于任務事件的形式完成。系統(tǒng)任務和應用任務中的事件依時間片進行輪轉(zhuǎn)。節(jié)點針對不同的事件調(diào)用不同的事件處理函數(shù)，從而完成在網(wǎng)絡(luò)中傳輸數(shù)據(jù)的任務。節(jié)點運行流程如圖7所示。

3.3 嵌入式監(jiān)控終端程序設(shè)計

嵌入式監(jiān)控終端通過串口通信的方式對從協(xié)調(diào)器接收的數(shù)據(jù)進行分析和處理。嵌入式監(jiān)控終端程序運行框圖如圖8所示。

3.4 計算機上位機程序設(shè)計

計算機上位機程序在Visual Studio 2012的環(huán)境下開發(fā)，采用的開發(fā)語言是C#。通過調(diào)用組件，編寫相應的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)分析處理等步驟實現(xiàn)嵌入式終端節(jié)點同PC端經(jīng)行數(shù)據(jù)交互的功能。運行操作界面如圖9所示。

4 系統(tǒng)運行結(jié)果

系統(tǒng)實物運行如圖10所示。系統(tǒng)運行結(jié)果表明，搭載不同的傳感器節(jié)點可實時采集環(huán)境數(shù)據(jù)并匯聚到協(xié)調(diào)器節(jié)點，數(shù)據(jù)無丟失，傳輸距離能夠有效覆蓋監(jiān)測區(qū)域。

5 結(jié) 語

本文系統(tǒng)主要用于監(jiān)測農(nóng)業(yè)環(huán)境中的溫濕度、光照強度、氣體濃度、土壤濕度信息，通過ZigBee組建無線區(qū)域網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸以及對各個節(jié)點的管理。對采集的數(shù)據(jù)進行分析和處理后，可通過控制相應的調(diào)控設(shè)備從而調(diào)節(jié)對應的作物生長環(huán)境。該系統(tǒng)既節(jié)省了大量的人力，同時也提高了作物的產(chǎn)量，具有良好的應用價值。

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