基于ZigBee和ARM的農(nóng)業(yè)環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

謝利民

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院 無(wú)錫機(jī)電分院，江蘇 無(wú)錫 214028）

信息技術(shù)在世界農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用始于20世紀(jì)70年代末期。雖然起步較晚，但發(fā)展速度很快。利用信息技術(shù)在生物生長(zhǎng)、發(fā)育、繁衍等過(guò)程中進(jìn)行環(huán)境的檢測(cè)和調(diào)控使提供適宜環(huán)境，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)的可持續(xù)生產(chǎn)，是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。基于ZigBee和ARM平臺(tái)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，可監(jiān)測(cè)農(nóng)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中的空氣溫濕度、土壤含水量、光照強(qiáng)度、二氧化碳濃度等，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，通過(guò)專家系統(tǒng)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室灌溉、光照控制、二氧化碳發(fā)生器控制、通風(fēng)換氣等過(guò)程的決策和遠(yuǎn)程調(diào)控。本系統(tǒng)集數(shù)據(jù)測(cè)量、存儲(chǔ)、遠(yuǎn)程調(diào)控和系統(tǒng)故障自診斷功能為一體，它使農(nóng)業(yè)專家和現(xiàn)代農(nóng)民在辦公室里就能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)看到農(nóng)作物生長(zhǎng)狀況和進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)硬件功能模塊

本系統(tǒng)以ARM7LPC2214處理器作為節(jié)點(diǎn)的核心，CC2530核心板作為Zigbee無(wú)線傳輸模塊，通過(guò)太陽(yáng)能和蓄電池供電。每個(gè)采集節(jié)點(diǎn)通過(guò)光照度傳感器采集日光照射強(qiáng)度信息、通過(guò)二氧化碳傳感器采集空氣中二氧化碳濃度信息、通過(guò)土壤濕度傳感器采集土壤濕度信息、通過(guò)溫濕度傳感器采集空氣溫濕度信息。傳感器把被測(cè)區(qū)域的溫度、濕度、光照度轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，輸送到采集節(jié)點(diǎn)。采集節(jié)點(diǎn)通過(guò)處理器將電平信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，發(fā)送至CC2530核心板，通過(guò)Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給就近的采集節(jié)點(diǎn)，其他采集節(jié)點(diǎn)根據(jù)算法計(jì)算出最優(yōu)路徑，建立相應(yīng)的路由列表，經(jīng)層層轉(zhuǎn)發(fā)將數(shù)據(jù)信息發(fā)送至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的Zigebee模塊收到數(shù)據(jù)后，本節(jié)點(diǎn)的處理器將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)口芯片或者RS232接口，經(jīng)過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換后傳送給控制中心計(jì)算機(jī)。節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)硬件功能模塊如圖1所示。

圖1 節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)硬件功能模塊圖

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)以ARM嵌入式芯片LPC2214微控制器和ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)芯片CC2530為核心，分終端路由節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)兩個(gè)部分，由電源管理和分配模塊、USB/RS232通信模塊、傳感器接口模塊、LCD液晶顯示模塊、I/O接口模塊、網(wǎng)關(guān)電路模塊、JTAG接口調(diào)試模塊、EPPROM存儲(chǔ)模塊、人機(jī)交互模塊等組成。

嵌入式微控制器主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集處理和以太網(wǎng)通信功能，芯片選用LPC2214微控制器，LPC2214具備豐富的通信接口，支持大量的外圍設(shè)備，支持實(shí)時(shí)仿真和嵌入式跟蹤的16/32位ARM7TDMI－S CPU，并帶有256kB的嵌入的高速Flash存儲(chǔ)器。本系統(tǒng)中處理器運(yùn)行uc/OS－2操作系統(tǒng)。CC2530無(wú)線網(wǎng)絡(luò)芯片主要實(shí)現(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)通信的功能，CC2530基于IEEE 802.15.4的無(wú)線通信協(xié)議，它具有成本低、功耗低、復(fù)雜度低、可靠性高、雙向傳輸、組網(wǎng)靈活方便的低速率無(wú)線通信的特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用Zstark協(xié)議棧。

1.2 系統(tǒng)硬件主要功能模塊設(shè)計(jì)

1.2.1 以太網(wǎng)通信模塊設(shè)計(jì)

為了增加通信方式和軟件的可擴(kuò)展性，本系統(tǒng)還提供了以太網(wǎng)接口連接上位計(jì)算機(jī)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)接口采用了常規(guī)的以太網(wǎng)芯片RTL8019AS，是由Realtek公司出的一款高集成度的全雙工即插即用的以太網(wǎng)控制芯片，具有8/16位總線模式，集成了IEEE802.3協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的介質(zhì)訪問(wèn)控制子層（MAC）和物理層的性能。使用該芯片，上位機(jī)電腦可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)交互數(shù)據(jù)，如圖2所示。

1.2.2 控制接口模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中當(dāng)自動(dòng)控制模塊收到控制開閉的指令后，操作相應(yīng)的閥門或水泵完成澆灌、二氧化碳發(fā)生、光照等操作；由于各種環(huán)境發(fā)生裝置型號(hào)多樣，本系統(tǒng)統(tǒng)一使用繼電器通過(guò)控制水泵或閥門電流來(lái)實(shí)現(xiàn)外圍設(shè)備開關(guān)。

如圖3所示，HJR 1－2CL－05V 是一個(gè)小型繼電器，CK1為繼電器常開端，CB1為常閉端。當(dāng)三極管基極電壓RELAY＿ACT為5V時(shí)，三極管導(dǎo)通，XQ1與XQ2導(dǎo)通形成一個(gè)回路，COM1口與常開端CK1接通，被控輸出電路導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)被控閥門打開；若RELAY＿ACT為0V，三極管不導(dǎo)通，XQ1與XQ2不導(dǎo)通形成回路，繼電器不能吸合，輸出電路不導(dǎo)通，被控閥門關(guān)閉。電路中增加了二極管10BQ100防止繼電器吸合時(shí)產(chǎn)生反向電動(dòng)勢(shì)串?dāng)_其他芯片工作。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 采集節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

由于本系統(tǒng)采集節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的硬件實(shí)現(xiàn)上相同，每個(gè)采集節(jié)點(diǎn)使用前先需經(jīng)過(guò)配置，確定其為采樣節(jié)點(diǎn)并分配給節(jié)點(diǎn)序列號(hào)。經(jīng)過(guò)軟硬件初始化后，Zigbee模塊請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)，加入網(wǎng)絡(luò)成功后開始工作流程。程序流程如圖4所示。

采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)入接收數(shù)據(jù)狀態(tài)，其ZigBee模塊收到廣播發(fā)來(lái)的指令時(shí)，發(fā)送給處理器，處理器通過(guò)指令通信協(xié)議中的序列號(hào)判斷是否為發(fā)給本節(jié)點(diǎn)的指令。如果序列號(hào)匹配就響應(yīng)進(jìn)入下一步驟，不相同則直接丟棄。

圖2 以太網(wǎng)接口電路

圖3 繼電器工作電路

圖4 采集節(jié)點(diǎn)工作流程

網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)都需要首先進(jìn)行節(jié)點(diǎn)配置才能使用，節(jié)點(diǎn)配置需電腦用RS232接口逐個(gè)連接節(jié)點(diǎn)完成。采集節(jié)點(diǎn)需要配置設(shè)備序列號(hào)。設(shè)置設(shè)備序列號(hào)命令格式如表1所示。

表1 設(shè)置設(shè)備序列號(hào)

其中，type為設(shè)備類型，需要用大寫字母C、R表示，C代表網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)備，R代表采集節(jié)點(diǎn)設(shè)備。sn1～sn6為6位設(shè)備序列號(hào)，序列號(hào)采用全數(shù)字，無(wú)英文符號(hào)。例如：set［空格］sn［空格］C926150［回車］命令意為設(shè)置該節(jié)點(diǎn)為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，編號(hào)為序列號(hào)為926150。

2.2 網(wǎng)關(guān)程序設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)運(yùn)行前，首先需要通過(guò)計(jì)算機(jī)用RS232串口對(duì)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行配置，設(shè)置好IP地址、網(wǎng)關(guān)、通信端口等參數(shù)才可以使用以太網(wǎng)口與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。網(wǎng)絡(luò)中只有唯一的一個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，本系統(tǒng)使用網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)按如圖5所示執(zhí)行工作流程。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)收到采集節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)后，通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為UDP格式送到計(jì)算機(jī)。同時(shí)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的處理器也保持接收中斷指令，一旦從網(wǎng)絡(luò)接口或者RS232接口收到的計(jì)算機(jī)發(fā)來(lái)的查詢或設(shè)置指令，通過(guò)Zigbee廣播方式將指令傳送到各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)。所有的采集節(jié)點(diǎn)都能收到指令，但是只有節(jié)點(diǎn)序列號(hào)與指令中序列號(hào)相匹配的采集節(jié)點(diǎn)才會(huì)響應(yīng)處理指令。

圖5 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)程序流程圖

計(jì)算機(jī)管理軟件一般使用以太網(wǎng)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通信，將指令送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)后，由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)廣播下去，符合指令中序列號(hào)組的終端節(jié)點(diǎn)做出回應(yīng)發(fā)回應(yīng)答信息，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)收到后通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送給計(jì)算機(jī)。不符合指令中序列組號(hào)的終端節(jié)點(diǎn)直接丟棄數(shù)據(jù)包不作回應(yīng)。以太網(wǎng)信息的發(fā)送和應(yīng)答格式如下：

（1）信息發(fā)送，格式如表2所示。

表2 信息發(fā)送格式

（2）應(yīng)答信息，格式如表3所示。

表3 應(yīng)答信息格式

3 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了智能化農(nóng)業(yè)環(huán)境的監(jiān)控，擺脫了過(guò)去依靠人工監(jiān)測(cè)作物生長(zhǎng)，人工農(nóng)業(yè)、培育的舊局面，采用智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)以后，不僅大大節(jié)約了人力和設(shè)備投入，還提高了農(nóng)業(yè)可控性、精確性、實(shí)時(shí)性和高效性，提高了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的水平。本系統(tǒng)為校企合作項(xiàng)目，系統(tǒng)已順利通過(guò)了驗(yàn)收，并由省農(nóng)林廳進(jìn)行了應(yīng)用推廣，系統(tǒng)穩(wěn)定效果良好。隨著我國(guó)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，我們將在本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步研發(fā)智能移動(dòng)客戶端設(shè)備，使用戶更方便地監(jiān)控農(nóng)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，更好地為農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化服務(wù)。

［1］ 劉濤，趙計(jì)生.ZigBee技術(shù)的農(nóng)田自動(dòng)節(jié)水灌溉系統(tǒng)［J］.測(cè)控技術(shù)，2008，27（2）：61－62.

［2］ 高雪梅.中國(guó)農(nóng)業(yè)節(jié)水農(nóng)業(yè)現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)及存在問(wèn)題［J］.天津科學(xué)技術(shù)，2012，18（1）：54－56.

［3］ 李錫文，楊明金，楊仁全.現(xiàn)代溫室環(huán)境智能控制的發(fā)展現(xiàn)狀及展望［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2008（4）：9－13.

［4］ 周立功，ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程［M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008：37－39.