基于ARM與Zigbee的農業環境監測系統設計

宋倩怡

（華北電力大學控制與計算機工程學院，北京 昌平 102206）

現代化農業相對于傳統農業的技術上有很大的變化，傳統農業多數為直接引江河的水進行灌溉，進行“天然調節”管理，沒有監測水質是否適合農作物生長，對于土壤溫濕度更是沒有進行相應的監控。我們都知道，土壤的溫度及濕度對于農作物的除了生長還有對于開花結果有很大影響。除此之外，二氧化碳濃度，光照等都是現代農業進行相應檢測調節的首要。

借助于計算機技術、傳感器技術、通信技術和微電子技術的應用發展，傳統的農業人工監測系統已經逐步發展為在線監測系統，這種新的監測系統能夠實現數據實時傳輸，并且具有運行穩定、可靠的特點。但是，數據傳輸多采用有線網絡，存在布線繁瑣、維護困難、成本過高等問題。為了優化在線農業監測系統，本文討論將基于ARM嵌入式技術以及Zigbee 技術的無線傳感器網絡，通信技術，現代網絡等先進技術相結合的現代化農業監測系統。

1 現代農業環境監測技術

1.1 無線傳感器網絡

目前的無線傳感器網絡是一種全新的信息獲取及處理模式，基本上是在監測區域部署大量具有感知、處理和進行無線通信能力的傳感器節點，這些節點通過自組織方式構成網絡。結合了嵌入式計算機技術、無線通信技術、分布式信息處理技術、微電子技術等先進技術的無線傳感器網絡，能實現自主完成監測，自主發現、識別與跟蹤目標，廣泛應用于軍事、環境監測、醫療監護以及智能家居等領域。目前在農業領域應用較少，所以發展此項技術具有廣闊的前景。

1.2 Zigbee技術

ZigBee技術[1-4]是一種距離短、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本支持大量節點的雙向無線通信技術, 主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間進行數據傳輸以及典型的有周期性數據、間歇性數據和低反應時間數據傳輸的應用。ZigBee可工作在2.4GHz、868MHz和915 MHz等3個頻段上，傳輸速率分別是250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s，傳輸距離在10-75m的范圍內，但可以繼續增加。Zigbee的基礎是IEEE 802.15.4，但其擴展了IEEE，對其 網絡層協議和API進行了標準化，定義了一個靈活、安全的網絡層。此外， ZigBee 聯盟還制定了應用接口層、高層應用規范等。

1.3 嵌入式系統

一些軟硬件可裁剪，功能、可靠性、成本、體積、功耗要求嚴格的專用計算機系統，都使用嵌入式系統[5-7]。嵌入式系統運用廣泛，大到飛機汽車，小到手表等設備，嵌入式系統以其易操作易移植的特性得到了寵幸。嵌入式操作系統中操作系統實現簡單，多數以單程序便可以實現整個系統控制邏輯。

1.4 ARM微處理器

ARM微處理器具有強大的處理能力和極低的功耗，隨著其功能的增強和完善，在工控領域某些方面可以取代原先X86架構的單片機。本文用的是ARM920T，ARM920T的32位微處理器結構以極低的功耗提供優異的性能。16K指令高速緩存和16K數據高速緩存可為現有的程序和數據提供零等待時間，或者也可被鎖定，以確保對關鍵指令和數據的無延遲存取。

2 系統功能及總體設計

2.1 水質、土壤溫濕度、光照、二氧化碳濃度監測

本系統主要是實現對農業上作物生長環境的的監控，其中包括對水質的綜合檢測及土壤溫濕度以及必要時的二氧化碳的監測控制。在某一區域內部署一定量的監測傳感器節點，由節點與節點之間自行協調并組成通信網絡，以獲取相應信息，并經過多跳后路由到匯聚節點連接 Zigbee網絡，由Zigbee網絡傳送到ARM9處理器并通過處理后由Internet上傳到網絡到終端PC機上。同樣，在農作物下的適當位置安置溫度及濕度傳感器，同樣由Zigbee無線模塊傳送到處理器進行處理。在特殊特殊環境，特別是溫室大棚，還需要對光照及二氧化碳的濃度進行檢測，以便進行相應的調節及數據傳送。

2.2 操作系統

本系統采用WinCE操作系統作為嵌入式控制系統，其資源豐富，網絡功能強大，圖形化界面成熟，有著很好的開發移植性。該系統采用的嵌入式操作系統已ARM為核心處理，通過 Zigbee網絡傳送過來的數據對水質污染的告警及土壤溫濕度、大棚光照二氧化碳濃度進行自動控制，穩定性好，處理效率高。

3 系統的軟件設計

3.1 編譯環境

嵌入式移動平臺的基礎是 WinCE系統，由開放內核WinCE6.0提供全面的源代碼，開發者可以編譯并構建自己的代碼和獨特的操作系統。將開發板通過USB線與PC機連接，啟動同步工具，在PC機上的VS2005進行c++程序的編寫，在線調試完成后生成解決方案，下載到開發板即可。

3.2 接口驅動程序設計

驅動程序原理如圖1所示。應用程序開發者通過嵌入式內核函數和硬件層進行交互。WinCE的流動式驅動面向的是各種各樣的外設，最終的dll文件可以導出各種標準流式接口函數，應用程序使用文件API對設備進行訪問。

圖1 驅動程序原理圖

4 系統硬件設計

4.1 整體硬件結構圖

本系統中主要體現兩個方面，即ZigBee構成的無線網絡和Internet網絡。另外，測控I/O模塊實行標準測控電壓電流規格定義，ZigBee無線技術可實現簡單的擴展，具有優越的監控自處理性能。

本系統設計了基于ARM9嵌入式的硬件平臺，外圍擴展設計有數字（模擬）量輸出、輸入以及Zigbee無線處理模塊。硬件平臺主要有嵌入式主控平臺和無線網絡傳輸模塊等。其中，還預留了可擴展I/O口。硬件結構框圖如圖2所示。

4.2 AMR主控模塊

系統芯片是ARM920T—16/32位的微處理器，作為嵌入式系統的主控硬件平臺的核心。

系統核心芯片是Samsung公司生產的基于ARM920T 微處理器S3C2440A，系統框圖如圖3所示。

圖3 核心板系統框圖

4.3 串行接口模塊

本系統的串口用于前期設備調試及與無線模塊的通信，在與PC機連接調試時，其引出腳電平需進行電平轉換，而與無線模塊通信則可直接相連。同時，可以在Linux內核串口驅動的基礎上修改為ZigBee的數據收發驅動。

4.4 I/O口設計

本系統實現了8路數字量的輸入和輸出，其中采用CH573對數字量輸出進行鎖存并控制CH573的鎖存信號，采用CH245對輸入量進行選通并控制CH245的片選信號，實現輸出量和輸入量的復用。

在本系統中A/D實現4路12位模擬量采樣輸入，采用TI公司生產的12位模數轉換器ADS7818；系統D/A實現2路 12位模擬量輸出，采用 TI公司的 12位數模轉換器TLV5636。上述兩款芯片均為SPI接口，可直接掛接到處理器的SPI總線接口上，使用方便。

4.5 Zigbee無線模塊

本系統的Zigbee無線模塊，采用的芯片為CC2430，內置了增強型的8051內核，具有8 KB SDRAM，128 KB閃存采用串行接口與ARM系統通信，能夠滿足信息量的傳輸。本模塊只需加上電源電路、晶振電路、天線，無需其它外部擴展即可配置為FFD(全功能器件)或RFD(簡化功能器件)。

5 實驗結果

測試系統在某一溫室大棚里的工作狀態，溫度與濕度實驗溫室大棚中進行，實驗中設置四個無線傳感器終端節點，將各自所在區域的溫度與濕度采集后傳送到匯聚節點。系統在某一時段監測獲得的數據如表1所示。

表1 實驗結果

6 結束語

根據系統的需要，農業環境監測方案基于 ZigBee 技術無線傳感器網絡和ARM嵌入式操作系統，具有成本低、數據傳輸可靠、功耗低、易于實現監控等特點，系統的可擴展性、移動性得到提高，設備維護成本大大降低。同時應用ARM強大的穩定處理能力及易操作的嵌入式系統設計了相應的應用程序，使系統運用簡單，易操作，能為當前傳統農業的現代化轉變發揮效用。

[1] 姚春.ZigBee在大數量節點應用中的問題研究[J].嵌入式系統應用,2009,(1):3-5.

[2] 李銀華,姬光鋒,韓郡業.無線傳感器網絡在溫室環境監測系統中的應用[J].自動化儀表,2010(10):61-64.

[3] 魯照權,黃梅初,杜征,等.基于 ZigBee無線網絡的大棚種植溫度監測系統[J].安徽農業科學,2008(13):5682-5684.

[4] 王福祿,房俊龍,張喜海.基于無線傳感器網絡技術的溫室環境監測系統研究[J].自動化技術與應用,2009(10):61-63.

[5] 劉良,賴萬昌,等.基于 ARM9 的 GPRS 圖像傳輸系統的設計與實現[J].計算機工程與設計,2010,31(7): 1477-1480.

[6] 王謙,孫忠富,李秀紅,等.基于嵌入式系統的農業環境監測系統的設計[J].微計算機信息,2006(23):46-48,81.

[7] 池俊亞,朱景福,王熙,等.基于 ARM及 GSM 的農田環境遠程監測系統設計[J].農機化研究,2008(4):108-110.