基于ZigBee組網(wǎng)的溫室大棚監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

藍(lán)善根

（貴州省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司 貴州省貴陽市 550000）

隨著我國對(duì)農(nóng)村發(fā)展的重視程度逐漸提升，從種糧補(bǔ)貼到集約化的土地管理，出臺(tái)了很多政策為農(nóng)民增收，農(nóng)業(yè)現(xiàn)代信息化建設(shè)因此也取得了飛躍式進(jìn)展。智慧農(nóng)業(yè)應(yīng)運(yùn)而生，由無線傳感技術(shù)、人工智能、自動(dòng)控制技術(shù)等多種現(xiàn)代化技術(shù)結(jié)合的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被廣泛研究與應(yīng)用。本文理論結(jié)合實(shí)際，將物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于智慧農(nóng)業(yè)，在對(duì)農(nóng)業(yè)信息科學(xué)采集、監(jiān)控與處理基礎(chǔ)上保障農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

1 物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)分析

1.1 物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)和數(shù)據(jù)處理流程

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在近些年進(jìn)入了高速發(fā)展的時(shí)代，其主要是指如傳感器信息采集技術(shù)、紅外感應(yīng)器、定位系統(tǒng)、無線組網(wǎng)信息傳輸?shù)雀鞣N相關(guān)設(shè)備及技術(shù)，采集并處理聲音、光照、化學(xué)信息、物理信息以及生物信息，通過機(jī)器學(xué)習(xí)以及機(jī)器自主判斷發(fā)出指令，控制機(jī)器組完成特定任務(wù)，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別以及管理[2]。本文基于其技術(shù)特點(diǎn)，從數(shù)據(jù)輸出流動(dòng)的角度來分析物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中的數(shù)據(jù)處理方案。如圖 1 所示。

1.2 M2M架構(gòu)

M2M(Machine-to-Machine)即機(jī)器和機(jī)器之間建立連接，在目前物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)中占據(jù)中主要位置，同時(shí)其不只是簡單的數(shù)據(jù)交換和和機(jī)械交換技術(shù)，即使沒有人工干預(yù)，也能夠自主采集信息，自主分析判斷，并對(duì)被控制的機(jī)器發(fā)出正確的指令，即機(jī)器被賦予“思想”和“智慧”。

1.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分析

1.3.1 體系結(jié)構(gòu)

在目前的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，其主要是由一些分散且數(shù)量相對(duì)較多的無線傳感器節(jié)點(diǎn)所組成，這些節(jié)點(diǎn)主要是用于感知其周圍環(huán)境的各種信息，其與無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議組成的網(wǎng)絡(luò)能夠得到有效應(yīng)用，并且在每一個(gè)節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行交換之后，利用無線傳感器網(wǎng)關(guān)來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，最終傳輸?shù)奖O(jiān)控主機(jī)系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的最終傳輸目標(biāo)。

1.3.2 節(jié)點(diǎn)類型與ZigBee 協(xié)議

1.3.2.1 節(jié)點(diǎn)類型

圖1：物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)處理流程

圖2：溫室大棚系統(tǒng)架構(gòu)圖

無線傳感器節(jié)點(diǎn)(WSN)具有能耗低、尺寸小等特點(diǎn)，為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展發(fā)揮了重要作用。節(jié)點(diǎn)分為傳感節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)三種形式。其中最為普通也是數(shù)量最多的節(jié)點(diǎn)就是傳感節(jié)點(diǎn)，其可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和整理，隨后將這些數(shù)據(jù)傳輸?shù)铰酚善鞯墓?jié)點(diǎn)中，這種方式的優(yōu)點(diǎn)在于，如果在數(shù)據(jù)傳輸期間發(fā)生某個(gè)節(jié)點(diǎn)故障，其也不會(huì)影響到整個(gè)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境功能。但是需要注意的是，路由節(jié)點(diǎn)并不關(guān)鍵，并且在一些較小規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中可以不使用路由節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與和傳輸，此時(shí)的數(shù)據(jù)會(huì)繼續(xù)傳給周圍的一些傳感節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸和存儲(chǔ)。匯聚節(jié)點(diǎn)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)組成中最為重要的節(jié)點(diǎn)類型，所有節(jié)點(diǎn)所感知的數(shù)據(jù)都需要經(jīng)過其進(jìn)行傳輸，所以其與其他一些節(jié)點(diǎn)相比較而言，數(shù)據(jù)處理能力和電池續(xù)航能力相對(duì)較強(qiáng)，如果此時(shí)發(fā)生某個(gè)節(jié)點(diǎn)故障，這些所被感知的數(shù)據(jù)會(huì)在本處的匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行存儲(chǔ)，最后在任務(wù)管理器的作用下，用戶可以對(duì)所感知的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，實(shí)施最終決策。在無線傳感器中的節(jié)點(diǎn)協(xié)議模塊有著一定的不同之處，其可以根據(jù)功能的不同來進(jìn)行不同的加載。

1.3.2.2 ZigBee 協(xié)議

協(xié)議是保障網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的重要基礎(chǔ)，并且在這種規(guī)則下，ZigBee協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)無線傳感器節(jié)點(diǎn)重要的通信功能，并且其具有簡單、安全和功率消耗低等特點(diǎn)，在無線短距離數(shù)據(jù)傳輸中有著十分重要的作用和意義[3]。該協(xié)議的基礎(chǔ)是IEEE 802.15.4，但是該協(xié)議在構(gòu)建過程中將PHY 和MAC 兩個(gè)層次進(jìn)行考慮，所以需要擴(kuò)展ZigBee 協(xié)議內(nèi)容與空間，將其與更高層次的標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行銜接，為后續(xù)各種網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)創(chuàng)造基礎(chǔ)條件。

2 溫室大棚信息采集終端設(shè)計(jì)

2.1 架構(gòu)設(shè)計(jì)

溫室大棚結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，主要包含傳感分析以及控制系統(tǒng)，包含溫度、濕度、土壤、通風(fēng)、光照等等環(huán)境檢測(cè)與控制，如溫度控制設(shè)備以及通風(fēng)設(shè)備等，調(diào)節(jié)環(huán)境以滿足作物生長。本文基于溫室大棚的特點(diǎn)提出其具體的監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)架構(gòu)，如圖2 溫室大棚系統(tǒng)架構(gòu)圖所示。

在結(jié)構(gòu)上講，該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包含數(shù)據(jù)采集終端、服務(wù)器和操作用戶三部分組成。設(shè)計(jì)該系統(tǒng)要考慮：對(duì)溫室大棚中各種農(nóng)作物的實(shí)際情況進(jìn)行分析，明確其室內(nèi)溫度、濕度、光照強(qiáng)度和二氧化碳濃度等各項(xiàng)數(shù)據(jù)參數(shù)，需要保障數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確，這樣可以客觀的反映出大棚的實(shí)際環(huán)境狀態(tài)和特點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集和傳輸具備極強(qiáng)的抗干擾能力；顯示界面系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示重要數(shù)據(jù)；一旦產(chǎn)生突發(fā)事件，提供預(yù)警以及應(yīng)急處理機(jī)制。

2.2 采集終端

在實(shí)際設(shè)計(jì)的采集終端作業(yè)中，需要保障整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)來源的準(zhǔn)確性，這也是實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)的基礎(chǔ)條件。在數(shù)據(jù)采集終端中，對(duì)于芯片的考慮而言主要包含單片機(jī)和四種傳感器類型芯片，在整個(gè)終端系統(tǒng)中，單片機(jī)是中心技術(shù)，并且每一個(gè)數(shù)據(jù)采集都需要在模數(shù)轉(zhuǎn)換之后輸送到單片機(jī)中，然后根據(jù)無線收發(fā)模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄徒墓?jié)點(diǎn)。其運(yùn)行的流程為：為系統(tǒng)加電，做好數(shù)據(jù)采取的前期初始化工作，需要明確的是，數(shù)據(jù)采集在一般情況下需要根據(jù)所申請(qǐng)的中斷要求進(jìn)行的，如果存在此種情況，會(huì)調(diào)用系統(tǒng)子程序，根據(jù)數(shù)模轉(zhuǎn)化來采集數(shù)據(jù)。但是在實(shí)際的數(shù)據(jù)采集中，四個(gè)通道會(huì)對(duì)應(yīng)著不同的環(huán)境參數(shù)，所以需要循環(huán)監(jiān)測(cè)這四個(gè)通道的實(shí)際情況，只有這四個(gè)通道采集數(shù)據(jù)完畢之后，才可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。

2.3 協(xié)調(diào)器設(shè)計(jì)

匯聚節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)在協(xié)調(diào)器設(shè)計(jì)中占據(jù)著重要位置，并且其可以在傳感器網(wǎng)絡(luò)建立過程中將系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程控制器中，此匯聚結(jié)點(diǎn)對(duì)于數(shù)據(jù)的分析與處理能力上都要高出傳感節(jié)點(diǎn)。在具體應(yīng)用中，由于該結(jié)點(diǎn)具備一定的感知能力，所以其芯片設(shè)計(jì)與普通節(jié)點(diǎn)基本相同，只是在供電方面和協(xié)議方面有一定的差異。所以如果有著充足的條件，可以在結(jié)點(diǎn)中加裝一組持續(xù)供電的電池，利用芯片來支持技術(shù)運(yùn)行。

2.4 采集網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

2.4.1 網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的確定

找到協(xié)調(diào)器結(jié)點(diǎn)，結(jié)合掃描來判定，設(shè)定掃描時(shí)限，如果在時(shí)限內(nèi)部不能發(fā)現(xiàn)其網(wǎng)絡(luò)中含有其他協(xié)調(diào)器，則可以判定其滿足要求。

2.4.2 信道掃描

首先結(jié)合默認(rèn)或者指定的信道來進(jìn)行能量掃描，標(biāo)注出可用信道，結(jié)合能量升序來進(jìn)行信道排序。其次搜索能夠在通信半徑內(nèi)信標(biāo)幀，結(jié)合信標(biāo)幀來發(fā)現(xiàn)最佳通道，滿足最少的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)。

2.4.3 配置網(wǎng)絡(luò)PAN ID

在合適信道發(fā)現(xiàn)之后，確定網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)PAN ID 為將要組件的ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)一般為四位16 進(jìn)制數(shù)，數(shù)值不超過0x3FFF。然后在ZigBee 中64 位擴(kuò)展地址和16 位短地址共同形成網(wǎng)絡(luò)地址，由IEEE 組織統(tǒng)一分配擴(kuò)展地址，用作設(shè)備的唯一表示[8]。其中短地址必須保持唯一，為后來的結(jié)點(diǎn)提供入網(wǎng)標(biāo)識(shí)，一般設(shè)定的短地址為0x0000。

2.4.4 網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行

在網(wǎng)絡(luò)PAN ID 配置之后MAC 層被原語通知啟動(dòng)運(yùn)行，改變協(xié)調(diào)器的參數(shù)狀態(tài)。等到網(wǎng)絡(luò)初始化完成之后，其他結(jié)點(diǎn)可以申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)，在實(shí)施數(shù)據(jù)監(jiān)控、采集和傳輸以及分析處理等方面作出其應(yīng)有的功能。

2.4.5 服務(wù)器端設(shè)計(jì)

通過結(jié)點(diǎn)入網(wǎng)和知識(shí)領(lǐng)域接入，用戶可以在服務(wù)器端對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中的各項(xiàng)設(shè)施進(jìn)行操作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)服務(wù)器端的數(shù)據(jù)接收和處理，為后續(xù)各項(xiàng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)決策打下基礎(chǔ)。

3 結(jié)語

綜上所述，本文以溫室大棚環(huán)境中的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相關(guān)分析為基礎(chǔ)，采用CRNN 算法，提出物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在溫室大棚環(huán)境中的重要應(yīng)用，其中包含數(shù)據(jù)采集端設(shè)計(jì)、服務(wù)器端設(shè)計(jì)和采集數(shù)據(jù)功能和監(jiān)測(cè)報(bào)警機(jī)制設(shè)計(jì)等，希望能夠?yàn)橄嚓P(guān)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供一些有效的建議和技術(shù)基礎(chǔ)，進(jìn)而促進(jìn)農(nóng)業(yè)的建設(shè)與可持續(xù)發(fā)展。