基于Zigbee的水果移植智能決策系統設計與實現

余 兵

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基于Zigbee的水果移植智能決策系統設計與實現

余 兵

（漳州職業技術學院 計算機工程系，福建 漳州 363000）

為提高農業管理的智能化水平，借助Zigbee、傳感器、繼電器、攝像頭、PDA等物聯網設備與技術，設計出了智能農業領域中的決策管理系統，實現了水果移植過程中智能化管理，以及根據用戶評價信息為農戶改進種植環境提供了科學的決策依據，具有實際應用價值。

zigbee；無線傳感網絡；智能決策

1 引言

由于獨特的氣溫、土壤條件及耕種模式，臺灣水果不僅品種極其豐富，而且營養充沛、口感細膩。但價格昂貴，普通人很難品嘗到臺灣水果的美味，如果能把臺灣水果移植到大陸，就能吃到更便宜的臺灣水果。漳州與臺灣一水之隔，在經濟、文化、教育等多方面緊密合作。得益于與臺灣中南部相似的氣候，漳州為兩岸農業合作提供了良好的自然條件，因此漳州與臺灣的農業交流與合作更是風生水起。作為大陸臺灣農民創業園的首例，創建于2005年的漳浦臺灣農民創業園在兩岸頗負盛名。2010年2月12日，胡錦濤總書記曾到此看望在這里創業的臺商。目前，臺農創園六個產業區已引進臺資農業企業247家，實際利用臺資3億多美元。有如此得天獨厚的環境，為臺灣水果的移植提供了天然的保障。

雖然目前浙江、廣東等地已經引進臺灣水果進行種植，但移植后水果品質與臺灣原產水果有一定的差距，我們的項目定位為對臺灣水果移植后的品質進行改良，尋找一種最優的移植方案，并進行推廣。該系統在實施過程中，借助Zigbee、傳感器、攝像頭、PDA等物聯網設備與技術，在種植生產過程中，嚴格控制其生長環境，讓它盡可能接近臺灣的真實種植環境。在加工銷售環節，利用RFID、二維碼、條碼和溯源稱等設備，一方面可以讓消費者放心購買；一方面可以讓種植戶通過消費者的反饋信息，很方便地獲取該批次最受歡迎的產品出自哪個大棚，以及其整個生長周期中的環境參數，為水果移植后品質改良提供了科學依據。[1]

2 系統需求分析

2.1 系統功能需求分析

本系統建設的目標是將能夠為優質農產品提供一個可移植的最佳解決方案。因此，我們對系統提出如下幾個功能需求：

1.具有登錄權限管理功能。在作物的整個移植過程需要經過不同的培育環節，不同的環節需要不同的操作員來執行相應的工作。

2.大棚田間管理功能。通過手持終端設備登記對大棚的各種操作，如：剪枝、噴灑農藥、采收等，作為今后確定農產品移植方案的重要決策依據。

3.具有監控和報警功能。通過傳感器采集大棚內部的光照、溫度、濕度和土壤含水量等數據，并定時發送這些數據到服務器中。

4.歷史數據數據查詢功能。能夠查詢某個監測點或特定時間段內的歷史數據，并且能夠曲線化顯示數據，使用戶能更快速、直觀的了解各測量參數的動態變化情況。

2.2 系統技術架構分析

該系統需要用到Zigbee、傳感器、繼電器、平板電腦、PC機、PDA、服務器等多種設備，各種設備運行平臺各不一樣，它們相互之間需要數據交換。為了實現跨平臺訪問，數據庫所有操作都通過訪問后臺服務器中的WebService來實現，安全可靠移植性好。

系統可以讓用戶遠程通過PC客戶端或者手機客戶端實時控制現場設備，需要自定義通信協議，平板電腦在整個架構中起到一個通信網關的作用，一方面把現場采集到的數據通過3G模塊或者Wifi模塊發送到后臺數據庫；一方面接受PC客戶端或手機客戶端發送過來的控制命令，并根據通信協議進行解析，實現不同的操作。[2]

系統中設備處于一個局域網中，用戶想使用公網在遠程控制現場種植環境，必須使用端口映射。

3 系統設計

3.1 系統總體設計流程

圖1 系統總體設計流程圖

該系統業務流程由如圖1所示，具體由以下幾個環節組成：

操作登記：根據專家提供的作物生長的科學依據，制定噴施農藥時間、種類、計量的周期表，每次在實施過程中，使用PDA把操作內容存儲在數據庫中，供以后追溯和決策。

現場監控：基于農業生產環境數據，遠程控制溫室設施、風機等設施。用戶可以基于警報系統，對某些設備進行聯動控制。

進場登記：水果采摘后，進入加工環節，通過Rfid讀寫器讀取水果包裝上二維碼，把該水果的生長信息存入到數據庫中。

出場登記：系統對出場的產品進行登記，并生成一個唯一的追溯碼，供消費者追溯查詢。

種植管理：建立作物科學智能管理模塊，實現標準化、集約化、精準管理。

3.2 系統總體流程架構設計

該系統由各類傳感器、繼電器、平板電腦、RFID讀寫器、攝像頭、服務器、PC終端和手機終端組成。每個監測點經由Zigbee和傳感器模塊完成數據的采集和傳輸。依據傳輸距離不同的需求，采集到的數據可以通過Wifi模塊或3G模塊兩種方式傳輸，通過調用遠程服務器上運行的WebService服務，將采集到的數據發送到后臺數據庫。PC端的監控軟件會實時對數據進行分析和繪制，可以設置自動控制和手工控制兩種方式來控制現場設備，以滿足種植戶基于數據做出各種措施決策。另外，為了用戶更方便地監控現場，可以使用手機客戶端或者通過訪問Web站點的方式來操作現場設備，實現智能化管理。[3]

圖2為系統總體邏輯架構示意圖。

圖2 系統總體邏輯架構示意圖

3.3 數據庫設計

根據對決策管理系統的需求分析，本著能真實、充分的反應農作物移植過程需要處理的信息的要求進行數據庫設計，包括各個實體之間的聯系，能滿足用戶對數據處理的要求；系統易于適應不用的環境和應用要求的改變，本文設計了如表1所示的數據庫表。

表1 系統數據庫表

3.4 通信協議設計

為了使上位機與種植環節中所用到的zigbee節點正常通信，必須采用統一的數據傳輸格式，要設計出用于雙方通信的通信協議[4]，具體的通信協議如表2和表3所示。

表2 數據接收格式

例如：發送數據的內容為FA FB 06 01 00 00 00 00 00則是打開繼電器1，發送數據的內容為FA FB 06 02 00 00 00 00 00則是關閉繼電器1，發送數據的內容為FA FB 08 01 00 00 00 00 00則是打開繼電器3，發送數據的內容為FA FB 08 02 00 00 00 00 00則是關閉繼電器3。

表3 數據發送格式

例如發送的數據內容為：FF FD 00 04 30 30 00 00 hh hh hh（byte1 – byte11），其中：byte1 byte2：傳感器端數據發送的固定頭，固定為 FF FD；byte3：數據類型的標識，00 為光電感測器的數據，01 為溫濕度感測器的數據，03 為火焰感測器的數據，04 為酒精感測器的數據，05 為可燃感測器的數據，06 為人體感測器的數據；byte4：為傳感數據長度（統一為04）；byte4~ byte7：為傳感器數據； Byte9~ byte10：保留； byte11： byte1 – byte10 校驗值（相加取低8位）。

3.5 zigbee節點軟件設計

從開發速度和提高性能的方面考慮，在終端節點軟件設計時，選用Ti公司提供的開源協議棧Basic RF。Basic RF 由TI 公司提供，它包含了IEEE 802.15.4 標準的數據包的收發，實現簡單無線點對點數據傳輸。這個協議可用來演示無線設備是如何進行數據傳輸的，但不包含完整功能的協議。

終端節點包括兩種類型：繼電器和傳感器。傳感器節點用于采集種植現場的各種數據參數，并發送給平板電腦上的主節點，繼電器幾點接收主節點發送過來的控制信息，用于控制現場的各種設備。

傳感器節點中的程序首先調用創建一個basicRfCfg_t 的數據結構，并初始化其中的成員調用basicRfInit()函數進行協議的初始化。初始化成功后進入死循環，以一定頻率采集數據，并按照3.4中所設計的通信協議構建需要發送的數據，最后調用basicRfSendPacket(...)把數據發送出去。

繼電器節點中的程序首先也是調用創建一個basicRfCfg_t 的數據結構，并初始化其中的成員調用basicRfInit()函數進行協議的初始化。初始化成功后進入死循環，調用basicRfReceive（）函數接收平板電腦上的主節點發送過來的控制信息，根據3.4定義好的通信協議來控制現場設備。

4 系統特色及關鍵技術

4.1 本項目的特色與創新性

1.使用端口映射功能

用戶可以通過PC終端或手機終端在任意地點任意時間上網登錄系統，查看、處理數據，臺灣方面的專家通過遠程視頻監控可以實時指導用戶進行生產。

2.自動化監控系統

科學有效提出處理方法，實現作物生長、采摘、物流等環節的現代化。整個系統模塊化設計，進行現場環境無線監測，采集設備出來的數據以無線組網，實現網絡虛擬菜園與現實大棚的動態及時管理。

3.處理方法創新

不僅實現了作物生長關鍵數據的采集，還進行了基于農業專家系統的數據挖掘，為之后的深入研究與專家系統的豐富提供參考和案例，實現農作物生長數字化研究。

針對不同監測指標，以及基于監測指標計算的二級指標，進行條件設置，當一個或多個條件達到時，系統發出報警，警報可以以短信方式通知設定好的人群，可以及時采取預防應對措施。

4.2 本項目解決的關鍵技術

1.可以通過PC客戶端或智能手機反向控制種植現場的設備

在平板電腦上啟動一個監控程序，利用平板電腦上的3G模塊或Wifi模塊接收PC客戶端或智能手機發送過來的控制命令，平板電腦上的Zigbee主控模塊通過無線控制繼電器的開關，達到控制現場設備的目的。

2.采用WebService方式操作數據庫

數據庫是系統的核心，數據庫的安全至關重要。本項目在開發時，所有訪問數據庫的操作都是通過訪問WebService的方式，安全又方便。

3.對用戶的評價信息和現場種植環境采集的數據進行智能化處理，從海量數據中提取有價值的信息，找出最佳種植方案，并進行推廣。

[1] 何麗芳，馮秀蘭，張寶鑫.大樹移植智能決策支持系統初探[J].山東林業科技,2005(1):43-45.

[2] 呂振.基于Zigbee的大棚農業監測系統的設計與實現[J].貴州農業科學,2012，40（4）：227-230.

[3] 李百明. Zigbee無線傳感器在礦山環境監測中的應用研究[R].江西：江西理工大學，2009.

[4] 李勁松，楊明，劉曉平.基于CC2430和zigbee2006協議棧的通信模塊設計[J]. 單片機及嵌入式應用，2010（2）:26-28.

Design and Implementation of Fruit Transplanting Intelligence Descison System Based on Zigbee Technology

YU Bing

(Computer Department of Zhangzhou Technical Institute, Fujian Zhangzhou 363000, China)

In order to improve the intelligent level of agricultural management, with the help of Zigbee, sensor, relay, camera, PDA networking equipment and technology, the paper design a system of intelligence dscison system. With the system, the user can manage intelligence during fruit transplanting. According to the user information for farmers, the system can improve cultivation environment provides scientific decision-making basis. The system has practical application value.

zigbee; wireless sensor network; intelligence decision

N949

A

1673-1417（2012）03-0034-05

2012－07－21

余兵（1982－），男，江西豐城人，助教，碩士。

（責任編輯：季平）