基于ZigBee的智能農業物聯網系統研發*

林之博 陳耿新 林潔紋 謝福紅 陳苗潔

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基于ZigBee的智能農業物聯網系統研發*

林之博 陳耿新 林潔紋 謝福紅 陳苗潔

（揭陽職業技術學院）

針對智能農業物聯網系統的需求及特點，設計基于ZigBee的智能農業物聯網系統架構模型，研究該系統ZigBee智能終端節點、ZigBee協調器、網關和智能農業管理軟件等關鍵技術，搭建基于ZigBee的智能農業物聯網系統并應用于蝴蝶蘭種植大棚。遠近程數據檢測與設備控制性能測試結果表明：該系統監控性能穩定，實用性、可操作性強，易于安裝、維護和擴展。

ZigBee；智能農業；物聯網；網關

0　引言

物聯網是國家戰略性新興產業之一，智能農業是國家“十二五”物聯網發展規劃中重點發展并扶持的九大領域之一[1]。智能農業物聯網利用大量智能終端節點構成監控網絡，通過終端節點的各種傳感器實時采集影響農作物生長、食品安全的環境參數，同時利用智能控制器和現場環境調節設備對環境參數進行智能控制，確保農作物在最佳生長環境中快速生長，達到提高產量、改善品質、調節生長周期和保證食品安全的目的[2]。智能農業作為物聯網技術的重要應用領域，國內外學者、工程師均對其做了大量研究[2-7]。Miao Chaodong、王冬、初洪龍設計的智能農業監測系統，以ZigBee芯片為核心設計傳感節點，搭建傳感網絡，并分別開發基于B/S架構和基于GPRS的遠程監測軟件，系統實現多種參數的采集，但未應用3G等先進通信技術[2-4]。李繼彬研發了基于ZigBee的智能溫室傳感網絡，并通過RS485接口與上位機通信，實現查詢、調節溫室各項參數，但未實現遠程監控[5]。Kassim等研究基于無線傳感器網絡的精準農業決策支持系統，重點研究利用網絡和軟件智能、精確控制灌溉系統，使農作物收益率最大化，但未介紹傳感節點的實現技術[7]。

本文根據物聯網模型構建智能農業物聯網系統架構，分析其3層模型的原理及功能，研究系統ZigBee智能終端節點、協調器、網關和智能農業管理軟件等關鍵技術，搭建基于ZigBee的智能農業物聯網系統并應用于蝴蝶蘭種植大棚。

1　系統架構設計

物聯網系統模型分為感知層、網絡層和應用層[8]，基于ZigBee的智能農業物聯網系統架構如圖1所示，各層相對獨立、功能明確、協調工作。

圖1　基于ZigBee的智能農業物聯網系統架構

智能農業物聯網系統的最底層為感知層，它負責農場關鍵環境參數檢測和環境調節設備控制、無線傳感網絡組網與協同信息處理[8]。本系統采用ZigBee無線通信技術。現場各智能終端節點（ZigBee節點或路由器）連接溫度、濕度、氣體等傳感器和水泵、補光燈、排風機等執行器。智能終端具有路由功能，負責現場數據和命令的轉發。各智能終端節點采集的數據（或接收的命令）和路由器轉發的數據（或命令）均最終傳輸至協調器（由協調器發出），協調器負責建立、管理ZigBee網絡，并與外部網絡通信。本系統的ZigBee協調器可通過藍牙與智能手機等直接通信，也可通過串口與網絡層網關通信。

網絡層由互聯網、無線通信網絡（GPRS/3G）、局域網、網關及Bluetooth個域網等通信網絡和服務器組成，負責處理、傳遞感知層獲取的信息和執行器控制的命令。其中，網關是ZigBee網絡與外網信息交換的橋梁，實現信息模型轉換、安全隔離；服務器提供智能農業系統數據處理與存儲。

應用層處于智能農業物聯網系統的最高層，直接面向終端用戶，實現用戶與農場信息交互，包括PC、平板電腦、智能手機等管理控制設備及相應的智能農業管理軟件系統。用戶利用管理控制設備，通過網絡層分別接收、顯示和控制感知層的傳感器數據及環境調節設備。

2　系統關鍵技術

基于ZigBee的智能農業物聯網系統的關鍵技術及部件包括ZigBee智能終端節點、ZigBee協調器、網關和智能農業管理軟件。

2.1ZigBee智能終端節點和協調器

ZigBee智能終端節點利用ZigBee無線網絡和其連接的傳感器、執行器實現數據收發和信息采集、環境參數控制。圖2是ZigBee智能終端節點框圖及實物圖，其包括ZigBee模塊（主要包括芯片CC2530、天線和外圍電路）、各種傳感器（包括溫度、濕度、氣體、光強、人體紅外等傳感器）和繼電器。溫度傳感器DS18B20和濕度傳感器DHT11的總線接口分別與CC2530的P1.1、P1.2口連接；人體紅外傳感器與CC2530的P0.5口連接；氣體模擬傳感器和光敏電阻均利用CC2530內部14位模數轉換器ADC進行模數轉換，繼電器與CC2530的P1.4口連接。

(a)　框圖 (b)　實物圖

ZigBee協調器負責匯聚節點和路由的所有檢測數據，同時負責接收管理控制設備發送的控制命令并轉發至目標節點，所以協調器需具備較強的軟硬件性能。圖3是ZigBee協調器框圖及實物圖，主要包括ZigBee模塊、藍牙模塊，本系統協調器同樣采用芯片CC2530，但其運行的程序不同于節點和路由器，其程序處理能力也遠勝于這兩者。

圖3(a)框圖

(b)實物圖

圖3ZigBee協調器

ZigBee智能終端節點上傳感器采集的環境參數，經I/O口傳輸至ZigBee模塊進行數據處理后，通過天線和ZigBee網絡發送至協調器匯聚、處理，再由協調器發送至網關和通信網絡，在智能管理設備上顯示。相反，智能管理設備發出的控制命令經通信網絡傳送至協調器處理、轉換，再通過ZigBee網絡傳送至目標節點，節點上ZigBee模塊進行數據處理后，發出控制指令控制現場環境調節設備。

2.2網關和智能農業管理軟件

網關負責ZigBee傳感網絡與外網數據模型轉換、安全隔離。本系統采用PC作為網關，其核心為網關管理軟件。網關與ZigBee協調器通過串口通信，采用主從式，由主機網關發起，從機協調器應答。圖4是兩者通信協議幀格式，其中，幀由幀頭、命令、數據高位、數據低位、校驗和（數據高位、數據低位之和）和幀尾組成，各組成部分長度均為1Byte，且幀頭、幀尾分別為十六進制EF、FE，如上傳溫度命令為：EF C1 00 00 C1 FE。

(a)　網關發送至協調器命令幀 (b)　協調器發送至網關應答幀

運行于PC機的網關軟件系統如圖5所示，其利用圖4所示幀格式與ZigBee協調器通信和數據處理，同時發送傳感數據至智能管理設備或接收智能管理設備發出的控制命令并實現格式轉換。該軟件還包括智能監控功能模塊，實現各節點檢測參數數值實時顯示、曲線實時顯示和環境調節設備控制。單擊界面中“啟動服務器”按鈕可啟動網關服務器功能；單擊“智能控制”按鈕可智能控制環境調節設備，無需人員參與便可根據環境參數實時調節合適的農作物生長環境。

圖5　網關軟件系統

基于Android的智能農業管理軟件如圖6所示，移動設備利用該軟件通過Wi-Fi或藍牙進行現場控制，或通過GPRS/3G進行遠程監控；它能以參數類型和節點方式（如圖6(b)）顯示參數，同時實現人體紅外監測、顯示和對現場環境調節設備的控制。

(a)　主界面(b)　節點1監測界面

3　系統搭建與測試

搭建基于ZigBee的智能農業物聯網系統并應用于蝴蝶蘭種植大棚，測試系統的檢測與控制性能。蝴蝶蘭在自然條件下生長周期長，人工栽培可大大縮短其生長周期。促花時期要求白天溫度20℃~24℃、夜間溫度17℃~20℃、濕度70%RH~80%RH。系統中各ZigBee節點連接溫度、濕度、氣體、光強、人體紅外傳感器和繼電器（繼電器分別連接熱風機、補光燈、水泵、排風機）。各節點布置在大棚各關鍵位置，如圖7所示。

圖7　應用于蝴蝶蘭種植大棚的智能農業物聯網系統

應用于上述蝴蝶蘭種植大棚的基于ZigBee的智能農業物聯網系統測試結果如表1所示，該系統各通信方式的檢測數據丟包率由高至低依次為GPRS、Bluetooth、3G、Wi-Fi；控制失敗率由高至低依次為GPRS、3G、Bluetooth、Wi-Fi。采用Wi-Fi性能最優，且現場監控性能優于遠程監控。

4　結語

1) 基于ZigBee的智能農業物聯網系統架構由下至上分為感知層、網絡層和應用層，感知層由ZigBee構成自組網絡，負責數據采集和環境調節設備控制。

表1　基于ZigBee的智能農業物聯網系統測試結果

2) 該系統關鍵技術包括ZigBee節點、協調器、網關和智能農業管理軟件，網關與協調器通過串口和特定幀格式通信，通信由網關發起，協調器應答。

3) 基于ZigBee的智能農業物聯網系統實現農場多種環境參數采集和遠近程控制、智能控制，性能穩定、實用性及可操作性強，易于安裝、維護及擴展。

參考文獻

[1] 王剛.《“十二五”國家戰略性新興產業發展規劃》解讀[J].物聯網技術,2012,2(6):12.

[2] Miao Chaodong. The intelligent supervision of the agriculture production based on internet of things and cloud service platform[C]. Advances in Intelligent Systems Research, 2015, 126: 1597-1600.

[3] 王冬.基于物聯網的智能農業監測系統的設計與實現[D].大連:大連理工大學,2013.

[4] 初洪龍.基于物聯網的智能農業大棚的研究與實現[D].大連: 大連理工大學,2014.

[5] 李繼彬.應用物聯網技術實現對智能溫室的監測和控制[J].南方農業,2015,9(4):13-19.

[6] 代品宣,王青云,梁瑞宇.魯棒的物聯網智能農業控制系統設計與實現[J].電子器件,2015,38(1):178-183.

[7] Kassim M R M, Mat I, Harun A N. Wireless Sensor Network in precision agriculture application[C]. International Conference on Computer Information and Telecommunication Systems, 2014:1-5.

[8] 陳耿新,陳鴻彬,龔綠綠.基于物聯網的人性化智能家居系統研究[J].自動化與信息工程,2013,34(6):1-5.

Research on Intelligent Agriculture System Based on ZigBee

Lin Zhibo Chen Gengxin Lin Jiewen Xie Fuhong Chen Miaojie

(Jieyang Vocational & Technical College)

This paper designs and builds the framework model of intelligent agriculture system based on ZigBee. The key technology and parts including ZigBee end device and coordinator, gateway and intelligent agriculture management software are researched and developed, and the whole intelligent agriculture system based on ZigBee for butterfly orchid planting greenhouses is constructed. The data detection and equipment control through remote and local communications are tested. The test results show that system detection and control performance through remote and local communications is stable. The system has strong practicability and operability. It is liable to install, maintain and enlarge.

ZigBee; Intelligent Agriculture; Internet of Things; Gateway

林之博，男，1993年生，主要研究方向：物聯網技術、嵌入式系統等。E-mail: 952220736@qq.com

陳耿新（通信作者），男，1984年生，講師，工程師。主要研究方向：智能傳感技術及應用、物聯網等。E-mail: jycchengx@163.com

2015年廣東大學生科技創新培育專項資金