基于ZigBee與GPRS 的農業大棚環境監測系統的設計和實現

張國揚，郝萬君，李 澤，陳建鎖，張 偉

（蘇州科技學院 電子與信息工程學院，江蘇 蘇州215009）

近年來隨著大棚農業的蓬勃發展，對農業生產的信息化管理成為了一個重要的研究領域。大棚溫室內的土壤濕度、環境溫濕度、葉面濕度等環境因素對農作物的質量以及穩產、高產有很大的影響。如何實時、有效地獲取內部各種環境參數，為種植過程的科學灌溉提供數據支持，進而提高作物產量，增加經濟收益，具有重大的意義。

針對上述問題，目前常用的方法是人工巡查和有線數據采集兩種。人工巡查方式消耗人力、工作量大，且難以保證數據的實時性與有效性。另一種是采用有線通訊的數據采集方式監測系統，其布線復雜，且受物理線路和環境因素影響大，成本高，不適于擴展。隨著無線通訊的發展，以往的有線系統漸漸被無線監測系統取代，尤其是近些年我國GPRS/CDMA無線移動網絡技術的發展以及ZigBee技術在我國的應用，使得開發一個廉價而低耗的無線系統成為易事[1]。作為一種近距離、低成本、低功耗、低數據速率的雙向無線傳輸技術，被廣泛用于環境監測、交通管理、災難預防等領域，也成為近年來數字農業研究中的熱點之一[2-4]。 針對農業大棚環境監測的實際需求，研制具有多測點、多參數、可移動、使用便捷的環境監測系統具有十分重要的意義。

1 系統結構

大棚溫室監測系統設計成三層網絡結構：無線傳感器網絡，GPRS網絡和遠程管理平臺，系統結構如圖1所示。無線傳感器網絡負責各種環境參數的檢測和數據的無線傳輸；GPRS網絡用于數據的轉發以及與Internet無縫連接,遠程管理平臺可實現對數據的處理、分析、管理。

為了減低成本，此處網關節點[5]功能主要是實現ZigBee的協調器與gprs模塊間的通訊。使得協調器收到的數據能夠通過GPRS模塊傳輸到互聯網上，以此實現遠程監控。

無線傳感器網絡由若干終端節點，路由節點和協調器節點構成。帶有的大量傳感器的ZigBee終端節點和路由節點分別放置在大棚的不同地方，各個節點負責對數據的感知與采集，數據以最短路徑原則沿著其他路由節點逐跳地進行傳輸。每個傳感器節點的覆蓋范圍必須包含另外兩個節點，以防傳輸線路中有節點出現故障時，數據的傳輸中斷。在傳輸過程中，監測數據可能被多個節點處理，多跳到每個簇的匯聚節點，然后傳到網關節點。網關節點與遠程的服務器采用經典的C/S模式[6]實現通訊，使用者也可根據需要使用智能手機作為客戶端，實現隨時隨地實時的收集大棚中的環境參數，并對數據進行分析處理，做出判斷與決測。

圖1 系統基本結構圖Fig.1 Basic structure of the system

2 網絡節點設計

2.1 終端節點的硬件設計

農業大棚中環境溫濕度，二氧化碳含量等環境參數數據對于節點處理器的處理能力不需要很高的要求，且發送的數據量小。為了降低成本，本系統采用單片CC2530作為處理器，用于數據的采集和數據的無線通訊。電源模塊則對整個節點的運行提供能源，以滿足系統中不同模塊對電源的需求，保證正常運行。節點硬件主要結構如圖2所示。

圖2 節點硬件結構圖Fig.2 Structure diagram of the hardware of node

2.1.1 傳感器模塊

傳感器模塊主要由環境溫濕度、二氧化碳等傳感器等部分組成。土壤濕度傳感器用于監測種植區域的土壤水分，環境溫濕度傳感器用于監測生長環境中的溫度和濕度，二氧化碳傳感器用于監測溫室中的二氧化碳含量，保證植物能在合適環境中生長。溫濕度傳感器采用SHT11傳感器，它是由工廠校準，輸出溫度的分辨率為0.01℃，輸出相對濕度的分辨率為0.03%。它提供全量程標定的數字輸出。具有極高的可靠性與卓越的長期穩定性。傳感器包括一個電容性聚合體濕度敏感元件和一個用能隙材料制成的溫度敏感元件，這兩個敏感元件與一個 14位的 A/D轉換器以及一個串行接口電路設計在同一個芯片上面。該傳感器響應超快、抗干擾能力強、極高的性價比。它與單片機的接口也非常簡單與IIC協議類似。本系統中對CO2含量監測有較高的要求，且傳感器應受溫濕度的變化小。這里采用MG811型的二氧化碳傳感器，它主要實用與空氣質量控制系統和溫室二氧化碳濃度檢測。二氧化碳傳感器經過高輸入阻抗放大器放大后接入單片機，利用CC2530內部自帶的AD轉換器進行模數轉換。

2.1.2 電源模塊

網絡節點中處理器CC2530需要3,3 V供電，而傳感器模塊和放大器等需要5 V供電。為了滿足不同模塊對電源的需求，以及節點的便捷性。我們采用多節1.5 V干電池供電，通過LM1117輸出所需的3.3 V和5 V電壓。LM1117是一個低壓差電壓調節器系列。其壓差在1,2 V輸出，負載電流為800 mA時為1.2 V。它有5個固定電壓輸出 （1.8 V，2,5 V，2.85 V，3.3 V和5 V）的型號，此外它還提供電流限制和熱保護。輸出電壓精度在1%以內。設計時輸出端需要一個至少10 uF的鉭電容來改善瞬時響應和穩定性。

2.1.3 無線通訊模塊

無線通訊模塊主要采用CC2530芯片和低功耗射頻前端CC2591[7],它主要用于功率放大，大大簡化了射頻電路的設計。TI公司的CC2591是高性價比和高性能的2.4 GHz RF前端,適合低功耗低電壓2.4 GHz無線應用，CC2591的輸出功率高達22 dBm,集成了開關，匹配網絡和平衡/不平衡電路，電感，功率放大器(PA)以及低噪音放大器(LNA)，可以用在所有的2.4 GHz ISM系統,無線傳感器網絡，無線工業系統，IEEE 802.15.4和ZigBee系統，無線消費類電子系統和無線音頻系統。CC2530與CC2591主要部分硬件連接如圖3所示。

當HGM為高電平,表示CC2591接收數據時,LNA是高增益模式;當HGM為低電平,表示CC2591接收數據時,LNA是低增益模式。而EN引腳和PA_EN引腳在CC2591正常工作時候置為高電平,當其進入低功耗模式時候,將其置為低電平,這樣可以降低功耗。CC2530的I/O端口P1_1,P1_4,P0_7連接 CC2591的HGM、EN、PA_EN引腳實現由單片機來控制CC2591。

圖3 CC2530與CC2591主要部分硬件連接圖Fig.3 Hardware connection diagram of the main part of CC2530 and CC2591

2.2 終端節點的軟件設計

無線傳感器網絡節點的數據傳輸采用基于802.15.4標準的ZigBee無線傳輸協議，使用API操作模式。API操作模式通常應用于較復雜的網絡傳輸,通過改變目標地址來實現點對多點的數據傳輸任務,傳輸結束后返回確認信息(或已發送成功,或發送失敗)。接收數據時可以額外接收到發送端模塊的發送信息，對節點進行遠程參數配置后,實現整個網絡信息系統的在線參數配置[8]，分配系統資源。

當協調器運行后，協調器便建立了ZigBee網絡。周圍的節點紛紛加入到網絡中，當節點加入到網絡中時。這里設置一些發送事件（如發送溫度，濕度等數據），在該事件中我們可以調用傳感器的采集程序，處理完數據后便把數據發送出去。網絡節點的工作過程大體如圖4所示。

圖4 節點的工作過程流程圖Fig.4 Flow chart of the working process of node

其中sendTheMessage()函數中調用傳感器采集程序并對數據進行處理，然后調用AF_DataRequest（）進行數據的發送。此外在sendTheMessage()函數中我們還對數據進行簡單的判斷， 如果出現異常 （如溫度過高等），設置osal_start_timerEx(GenericApp_TaskID,SEND_DATA_EVENT,1 000);即1 s發送一次數據；而正常情況下為15 min發送一次數據。這種設計方法既能實現低功耗，減輕網絡的通訊壓力，不至于引發局部網絡癱瘓的現象，還可以較好地保證實時性，提高信息可靠性。

3 網關節點設計

網關節點的主要任務是轉發采集的數據。它一方面通過ZigBee協調器與傳感器網絡相連接，另一方面通過GPRS通信模塊與Internet外部網絡連接。實現兩種協議直接的轉換，發布遠程數據中心的監測任務，也要把收集到的數據發送到與Internet網絡相連的遠程數據中心[7]。GPRS與Internet網絡的無縫連接，可以達到數據連續傳輸的目的。網關節點主要由CC2530芯片模塊、GPRS通信模塊以及電源模塊組成，其結構如圖5所示。GPRS通信采用華為公司的GTM900 GPRS模塊，它是當今市場上尺寸最小的三頻GPRS模塊之一,完美地支持語音通信和短消息方式通信的功能，可以用于實現實時通信與手機信息交互的功能，以便及時地處理情況。GTM900內嵌的TCP/IP協議與Internet網絡的協議相同，易與Internet網絡相連，此外它支持AT命令操作，利用指令AT%IPOPEN="TCP","219.136.10.247",60000便可建立與Internet連接，便捷了開發與使用。

圖5 網關基本框架Fig.5 Gateway of the basic framework

4 管理軟件設計

本系統的管理平臺軟件是基于.NET平臺下開發，使用SOCKET套接字實現TCP/IP協議；運用C/S模式實現多點控制。首先是服務端設計，主要是用于數據的轉發。當服務端收到來自于網關的數據時便轉發給其他的客戶端包括電腦客戶端或者智能手機客戶端。

5 實驗結果

為了試驗所搭建的系統的性能，本文選用蘇州市太倉現代農業基地作為試點。選用5個網絡節點，一個網關節點和筆記本電腦形成監測平臺。實驗數據通過網關傳到上位機，在上位機上可以實時看到數據，實驗顯示，在樹林里傳輸距離能夠達到50 m，可以滿足溫室大棚環境監測的需要。其中服務端數據圖6所示。

圖6 試驗中的服務端界面圖Fig.6 Server interface figure in the test

6 結論

本文針對溫室大棚提高產量及質量的需求，設計了基于無線傳感器網絡的環境監測系統，用于溫室環境參數的實時監測。著重介紹了，無線傳感器網絡的體系結構、節點的軟硬件設計以及通過GPRS技術遠程傳輸。無線傳感器網絡利用節點功耗低、工作時間長、成本低等特點，實現在線監測，為科學的種植提供科學依據。

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