基于ZigBee的智能農業管理系統設計

摘要：為了提高農業生產效率，降低人工勞動量，實現農業生產的智能化，設計了基于ZigBee無線傳感器網絡的智能農業管理系統。系統實現了對設施農業的空氣溫度、土壤溫濕度、光照度、CO2濃度等數據信息的采集、傳輸和處理，并能對農作物生長環境進行自動調節，使農作物處于最佳生長環境，有效提高農作物產量，具有很高的實用推廣價值。

關鍵詞：ZigBee；智能農業；溫濕度；繼電器；管理系統

中圖分類號：S126；TP23 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）03-0681-04

隨著科技的發展，農業生產的現代化程度越來越高。采用科學的方法對農業生產進行智能化管理，準確地對設施農業中的各種環境參數進行監控、獲取、控制和調整，能使農作物處于最佳的生長環境，使農作物優質高產[1]。

目前，基于無線傳感器網絡的農業監測系統的研究比較多[2]，但對于智能農業的研究相對較少，并且很多研究成果都不具有實際可操作性。設計一種基于ZigBee無線傳感器網絡的智能農業管理系統，將ZigBee技術用于農業系統中對溫度、濕度、CO2濃度、光照度等環境因子進行監測，并通過網絡將數據傳送給管理者，管理者通過計算機或智能手機的系統軟件對數據進行分析和處理，實時地了解環境參數值。當系統對數據進行分析后，如果發現某一環境參數超出預設范圍，則會發出報警信號和信息來提示管理者，管理者可以直接通過計算機或手機發出控制命令，進而控制加熱器、鼓風機、水泵和遮陽網等設備工作，同時采集環境參數，使環境參數達到適當的范圍，從而提高農業生產效率，降低人工勞動量，實現農業的智能化管理。

1 ZigBee技術簡介

ZigBee技術是一種基于IEEE 802.15.4協議標準新興的短距離、低復雜度、低成本、低功耗、雙向無線通信技術[3]。ZigBee可在2.4 GHz、868 MHz和915 MHz等3個免費頻段上工作，并且最高傳輸速率分別可達250、20和40 kb/s，其各自信道的帶寬也不同，分別設有16、1和10個信道。ZigBee根據輸出功率和信道環境的不同，可靠傳輸距離為10～75 m，一般在30 m左右。耗電量在休眠狀態下僅為1 μW。在短距離通信的情況下，其工作狀態的耗電量為30 mW[4]。為了避免發送數據時的競爭與沖突，ZigBee的介質接入控制子層（MAC）采用了載波監聽多路訪問/沖突防止（CSMA/CA）的碰撞避免機制。ZigBee聯盟在ZigBee的網絡層（NWK）制定了星型、樹型和網狀網3種網絡拓撲結構[5]。每個ZigBee網絡最多可支持65 000個節點。因此， ZigBee的技術特性決定了它是無線傳感器網絡的最佳選擇。

2 系統設計

2.1 系統總體結構

智能農業管理系統由ZigBee無線傳感器網絡、管理中心、終端控制設備3部分組成。系統總體結構圖如圖1。

ZigBee無線傳感器網絡通常由網關、路由節點和終端節點構成，網絡中通常只有一個節點作為網關，它是網絡的核心，負責建立無線網絡；路由節點是無線網絡中的無線收發器，它負責維護網絡內路徑和轉發通信，并可以對傳感器進行配置使其具有數據采集功能；終端節點與路由節點或網關建立連接，配置傳感器使其采集數據并配置控制設備。為了降低能量損耗和數據丟失，設計采用了樹型網絡結構。網絡中路由節點和終端節點都配備了傳感器，對環境參數進行數據采集。部分終端節點配備了繼電器，對鼓風機、水泵、加熱器和遮陽網等設備進行控制。

管理中心的PC機或智能手機通過設計的系統軟件對傳送來的數據進行分析、處理、存儲、顯示并判斷是否超過預警值，如果超過預警值報警并啟動繼電器，使控制設備開始工作，調整環境參數。

終端控制設備主要是鼓風機、水泵、加熱器和遮陽網等設備。通過配備在部分終端節點的繼電器對其進行控制，使其對環境參數進行適當調整。

2.2 系統硬件設計

2.2.1 無線傳感器節點硬件設計 無線傳感器節點主要由供電模塊、無線通信模塊、串口模塊和終端節點模塊組成。結構框圖如圖2。

供電模塊主要負責給各個傳感器節點提供電源。由于ZigBee具有低功耗的優點，系統采用太陽能電池和5 V鋰電池供電。陽光充足時采用太陽能電池供電，陽光不足時采用5 V鋰電池供電，鋰電池供電可以持續使用6個月到兩年。通過AMS1117_3.3芯片可為系統提供3.3 V的直流電壓；通過LM2585芯片可為傳感器提供5～24 V的工作電壓。

無線通信模塊主要以CC2430芯片為核心[6]，負責信息和數據的收發，并與其他節點進行無線通信。CC2430是TI公司生產的一種包含了一顆小巧高效的8051控制器和一個高性能2.4 GHz DSSS（直接序列擴頻）射頻收發器核心的芯片，它能滿足以ZigBee為基礎的2.4 GHz ISM頻段應用。它使用一個8位低功耗、高性能的MCU（8051），具有32/64/128 kB可編程閃存和8 kB的RAM，還包含4個定時器、模/數轉換器、32 kHz晶振的休眠模式定時器、掉電檢測電路、上電復位電路以及21個可編程I/O引腳等。CC2430芯片的外圍電路非常簡單，只需少量的外圍元器件就能實現對數據的收發和處理，進行無線通信。

串口模塊主要是網關，負責無線通信模塊和與PC機之間的通信。

終端節點模塊主要是終端節點上配置的空氣溫度傳感器、土壤溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器和光照度傳感器以及部分終端節點上配置的繼電器，負責采集環境參數數據和控制加熱器、水泵、鼓風機和遮陽網等設備。

2.2.2 CC2430與傳感器的連接方式 結合CC2430芯片自身強大的功能特性[7]和系統對低功耗、高精度、高可靠性和低成本的要求，溫度傳感器選用DS18B20、溫濕度傳感器選用SHT11、CO2濃度傳感器選用B-530、光照度傳感器選用TBQ-6。CC2430芯片與傳感器的連接電路如圖3。

2.2.3 繼電器的驅動電路 加熱器、水泵、鼓風機和遮陽網等設備的工作狀態都是通過繼電器進行控制的。由于CC2430輸出的電平值較低，在CC2430和繼電器之間要加驅動電路。CC2430輸出的控制信號給驅動電路發送控制命令，通過驅動電路來控制繼電器中電磁線圈的斷開與閉合，從而控制加熱器、水泵、鼓風機和遮陽網等設備的工作狀態。繼電器的驅動電路如圖4。當CC2430輸出高電平時，三極管處于導通狀態，繼電器線圈閉合，電路導通，控制設備開始工作。當CC2430輸出低電平時，三極管處于截止狀態，繼電器線圈斷開，電路斷開，控制設備停止工作。

2.3 系統軟件設計

2.3.1 管理中心軟件設計 管理中心系統軟件是采用微軟公司開發的Visual Basic.NET開發工具進行設計的，對節點采集來的實時數據建立數據庫進行統一管理。在管理中心可通過設計的軟件界面查詢到任何一個傳感器節點的位置以及實時環境參數值和歷史數據，并且軟件會自動對傳來的實時數據與預設的環境參數值進行比較，如果超過預設的環境參數值，則會報警并發送消息提醒管理者，同時發出信號對終端設備進行控制，自動調節環境參數值。管理中心系統結構圖如圖5。

2.3.2 無線傳感器節點軟件設計 無線傳感器節點的主要功能是數據采集、網絡連接、保持與鄰近節點間的通信、檢測鏈路狀態和擔當部分路由功能。為了降低系統功耗，可采用定時采集數據的方式。在傳感器節點設置斷點，間歇性采集和發送數據，每完成一次數據采集和發送后進入一段休眠狀態，直到下次中斷到來喚醒休眠狀態，進入工作狀態[8]。傳感器節點軟件設計流程圖如圖6。

3 測試數據

管理中心對各節點的數據顯示界面如圖7。啟動后顯示各節點的實時數據，并對歷史數據進行儲存，以便分析研究。通過設置按鍵可對系統各環境參數初始值進行修改、設定。當環境參數值超過預設范圍，界面進行顯示，報警裝置開始工作，提醒工作人員做出相應的處理，并啟動終端控制設備對環境參數進行自動調節。

4 小結

基于ZigBee的智能農業管理系統的設計，充分利用了ZigBee技術低成本、低功耗、節點能夠自組網[9]和數據傳輸安全可靠等優點，實現了對設施農業中的各種環境參數值進行監控、獲取、控制和自動調整等智能化管理，從而使農作物處于最佳的生長環境中，有利于農作物的優質高產。整個系統結構簡單、智能化程度高、成本較低、組網迅速靈活且可靠性高，在農業領域有很高的實用性和可操作性。

參考文獻：

[1] 何成平，龔益民，林 偉.基于無線傳感器網絡的設施農業智能監控系統[J].安徽農業科學，2010，38（8）：4370-4372.

[2] 陳智偉，蘇維均，于重重，等.基于WSNs的農業溫室監控系統的設計[J].傳感器與微系統，2011，30（7）：82-87.

[3] 紀建偉，魯飛飛.ZigBee技術在農業環境監測系統中的應用與研究[J].農業網絡信息，2011（1）：24-27.

[4] 蔡 鑌，畢慶生，李福超，等.基于ZigBee無線傳感器網絡的農業環境監測系統研究與設計[J].江西農業學報，2010，22（11）：153-156.

[5] 韓廷閣，李書琴.基于ZigBee的土壤濕度無線采集系統節點設計[J].農機化研究，2010（12）：154-159.

[6] 滕志軍，岳 鑫，屈銀龍，等.基于ZigBee的污水處理實時監測系統[J].鐵合金，2010（4）：34-36.

[7] 楊 婷，汪小旵.基于ZigBee無線傳感器網絡的自動滴灌系統設計[J].節水灌溉，2010（2）：10-16.

[8] 楊 瑋，呂 科，張 棟，等.基于ZigBee技術的溫室無線智能控制終端開發[J].農業工程學報，2010，26（3）：198-202.

[9] 紀建偉，左仲善，鄒秋瀅.基于ZigBee與嵌入式技術的農業遠程監測系統的設計[J].中國農機化，2010（6）：83-86，94.

（責任編輯 王曉芳）