基于ZigBee技術的農業智能感知系統的設計與實現

谷龍龍，王 權，陶 偉，孟 浩

(1．安徽農業大學信息與計算機學院，安徽合肥 230036;2．安徽農業大學教務處，安徽合肥 230036)

田間環境直接影響著農作物的生長狀況，而農作物的生長又會反作用于田間環境，因此，對田間環境進行實時監控，及時調整相關環境因子參數，能夠有效促進農作物增產增收。田間環境監控系統可以根據不同的監控對象和場合，利用多種先進的傳感器和信息技術手段采集、存儲、分析、利用田間環境信息，科學決策農業生產［1－2］。

感知環境的變化并根據變化做出相應的決策是改善作物生長環境的核心環節，影響作物生長的環境因子包括溫濕度、光照強度、土壤營養成分以及酸堿度等。筆者設計了一種農業感知系統，將作物生長環境的信息采集后，通過Zig-Bee無線網絡將數據發送到控制中心，控制中心根據環境因子的變化自動或者手動遠程控制相應的電氣設備，從而達到對環境的智能感知和調節。此外，該系統還通過傳感器監測溫室大棚的安全情況，具有消防、安防預警功能［3］。基于ZigBee技術的農業智能感知系統的設計與實現，不僅能給農業生產帶來科學管理和高效益，也為農業信息化提供了可靠的硬件基礎。

1 系統總體設計

ZigBee標準規定了在一個單一的網絡中，最多容納3類的節點:ZigBee匯聚節點，ZigBee路由節點和ZigBee終端節點，這些節點相互通信，可以組成不同的網絡拓撲結構。通常在一個ZigBee網絡中，需要有一個并且只能有一個網絡協調器，即ZigBee匯聚節點，ZigBee匯聚節點需要提供路由信息、安全管理和其他服務等［4］。

系統通過溫濕度傳感器、光照傳感器、二氧化碳傳感器、煙霧傳感器和人體紅外傳感器采集數據，采集的數據經過格式轉換后由ZigBee終端節點經由ZigBee網絡發送到ZigBee協調器上，并上傳至于ZigBee協調器相連的上位機(PC端)，進而由上位機的監控軟件對數據進行動態分析和繪制;同時可以通過與上位機相連的GSM模塊，經由電信網將采集的數據發送至用戶手機等移動終端，實現對作物生長環境的智能感知。根據終端節點采集的信息，用戶可以在PC端和移動終端實現手動或者自動對各種電氣設備的遠程控制，從而實現對溫室大棚環境的智能調節。系統總體結構如圖1所示。

2 系統功能設計

2．1 ZigBee收發模塊設計 該模塊使用CC2530F256芯片作為控制器和收發器。CC2530不但具有代碼預取功能的高性能、低功耗的8051微控制器內核，而且具有RF收發器的優良性能，結合TI公司的Z-Stack協議棧，可以實現智能控制和自動組網。

CC2530芯片內置了32 MHz、32 768 kHz的晶體振蕩器和32 KHz、16 MHz的RC振蕩器，可以通過設置不同的工作模式而使之適應超低功耗的要求，并且模式之間的轉換時間短，進一步確保了低能源消耗。此外，CC2530還內置了豐富的通信接口資源，除了21個通用I/O口外，還有具有8路輸入和可配置分辨率的12位ADC以及2個支持多種串行通信協議的USART接口，可以滿足與不同傳感器接口通信和易擴展性的需要。CC2530節點如圖2所示。

2．2 溫濕度傳感器 系統選用DHT11數字溫濕度傳感器。DHT11是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，測量范圍為0～50℃，20% ～90%RH，溫濕度精度分別為±2℃和±5%，具有響應快、抗干擾能力強、性價比高等特點。傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，可以同時輸出環境溫度和濕度信息，一次完整的數據傳輸為40 bit，高位先出。

輸出格式為:8 bit濕度整數數據+8 bit濕度小數數據+8 bit溫度整數數據+8 bit溫度小數數據+8 bit校驗和。

溫溫度傳感器可以通過單總線外接一個5～10 K的上拉電阻與微控制器相連，原理如圖3所示。

2．3 光照傳感器 光照傳感器模塊采用光電二極管檢測電路實現。光電二極管在電路中處于反向偏置，在沒有光照時，反向電阻很大，反向電流很小;當光照到PN結上時，使PN結附近產生光電子和光生空穴對，使少數載流子濃度大大增加，反向電流隨之增大，從而實現把。光信號轉換為電信號［5］，經LM393雙電壓比較器放大后輸出。

2．4 氣體傳感器 氣體傳感器選用MG811固體電解質傳感器模塊、MQ2模塊氣體傳感器。

MG811可測量CO2濃度范圍為0～10 000 ppm。MG811為電化學原理工作，探頭穩定工作需要6 V直流電源供電，使用前需要預熱2～5 min，不可帶電熱插拔，探測方向不可隨意改變。MQ2氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導率較低的二氧化錫(SnO2)。當傳感器所處環境中存在可燃氣體時，傳感器的電導率隨空氣中可燃氣體濃度的增加而增大［6－7］。通過電路可將電導率的變化轉換為與該氣體濃度相對應的電信號。

2．5 紅外熱釋電模塊 系統采用以LHI778為感應探頭的人體紅外熱釋電模塊HR-SR501，具有靈敏度高，可靠性強，超低電壓工作模式等特點。當人或者動物進入其感應范圍時則輸出高電平，同時將預警信息發送到PC端或者移動終端，并產生警報信息以避免非法闖入;人離開感應范圍則自動延時關閉高電平，輸出低電平。

3 系統軟件設計

系統分為下位機軟件設計和上位機軟件設計2部分。下位機實現各傳感器節點對溫室大棚環境信息的采集、安全監測，與上位機實時通信的功能;上位機實現與下位機各監測點、移動終端進行通信，并將下位機采集的溫濕度、二氧化碳濃度和光照強度信息進行動態分析和圖形繪制，以及預警提示等功能。

下位機軟件流程如圖4、5所示。首先要進行協調器器和傳感器節點初始化，然后ZigBee組網，掃描并設置信道，設置PAN ID和協調器地址;設置完成后進行相關環境參數采集并上傳至上位機。

上位機軟件設計如圖6所示，主控部分首先要進行協調器的初始化和ZigBee自動組網，上位機然后向下位機發送輪詢指令或控制指令，并將協調器采集到的數據進行讀取、分析、顯示、存儲，并能發送指令給協調器從而對控制節點進行決策控制，同時還可以將數據信息發送至移動終端。

上位機界面功能結構如圖7所示。用戶管理界面用于用戶登錄、登錄管理，用戶按權限分為管理員(Admin)和普通用戶。Admin具有最高權限，可以管理其他用戶及其權限，在登錄界面可以實現用戶登錄、管理已注冊用戶、刪除已注冊用戶、修改用戶密碼等操作。

主菜單有6個圖標，通過單擊不同圖標切換到不同的界面。

主菜單操作界面主要有以下功能:

(1)參數配置。用于配置串口通信參數與數據刷新間隔、自動控制的配置、登錄和退出系統。

(2)數據顯示。顯示當前時刻各傳感器采集的環境參數，并實時繪制溫濕度變化情況。

(3)節點控制。設置節點傳感器以及電氣設備的工作狀態，自動/手動切換，設置開啟電氣設備的方式。

(4)節點狀態。顯示當前ZigBee網絡中除協調器節點外所有節點的工作狀態是否正常。

(5)數據分析。對一天或一周數據進行分析。

(6)GSM配置。檢驗GSM模塊是否工作正常，設置短信白名單功能，即只有在該系統注冊的手機號碼才能與系統通信。

4 數據傳輸協議設計

4．1 下位機與上位機通信 Z-STACK協議棧具有通信沖突檢測和數據CRC校驗功能，即使多個節點同時通信，也不會引發數據沖突，從而保證了通信的可靠性［8］。協調器與上位機通信時，一幀完整的數據包含7 bit，分別由幀頭(1 bit)、數據(5 bit)、幀尾(1 bit)組成。協調器負責將不同終端節點上傳的數據封裝成幀，然后將一幀數據發送給上位機，上位機收到一幀完整的數據后，通過識別幀頭來判斷什么類型節點的數據。

幀頭:用來識別一幀數據的開始，不同類型的節點或傳感器的數據用不同的幀頭標識。

數據:數據格式長度為5 bit，不足5 bit補“0”至定長。

幀尾:用于識別一幀數據的結束。當上位機收到協調器發來的一幀數據時，識別到數據的第7個字節是字母‘D’時，一幀數據結束。系統通信協議格式如表1所示。

表1 系統通信協議格式

4．2 移動終端通信指令 移動終端可以接收或者手動索取PC端接收的各傳感器節點的數據信息，然后按照表2和表3的指令格式遠程控制電氣設備的開關或者索取即時環境參數。

5 系統測試與數據分析

系統對溫室內的溫濕度、光照強度和二氧化碳濃度進行實時監測，根據作物的生長規律，系統每隔20 min采集一次數據［9］。如表4所示為部分實驗結果，上位機顯示結果如圖8所示，圖9為全天溫度值分析情況。

表2 自動接收信息

表3 手動索取信息或發送控制信息

表4 部分實驗結果

測試結果顯示，該系統運行方便、穩定，實用性強。

6 總結

基于ZigBee技術的農業智能感知系統的設計與實現，使溫室大棚時刻處于多傳感器智能感知的網絡中，管理人員通過上位機軟件和移動終端可以即時了解農作物的生長環境，并可以對溫室大棚內電氣設備實時控制，從而提高資源利用率和生產水平，給農業生產帶來科學管理和高效益。根據節點耗能的特點將節點分為低耗節點和高耗節點，給高耗節點輔以太陽能供電，以滿足節能環保的要求。考慮到大面積、遠距離監控的要求，后續工作考慮實現ZigBee網絡直接接入電信網以及實現GPS定位功能。

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