基于物聯網的智能農業監控系統

湖北工業大學機械工程學院 涂文奇 朱鄖濤 劉嘉誠

基于物聯網的智能農業監控系統

湖北工業大學機械工程學院 涂文奇 朱鄖濤 劉嘉誠

針對目前的人工成本日益高漲，而傳統的農業生產方式制約農業進一步發展空間，因此需要設計一種智能農作物監控系統，使能夠遠程監控農作物的生長情況，以便及時作出相應的處理，此系統采用CC2530作為ZigBee監控網絡節點，采集農作物生長環境的各種數據，STM32F407作為網關負責對數據的接受、處理和轉發，通過Internet網絡使用電腦或手機對農作物的生長環境進行監控，本系統有著操作簡單，自動化程度高，方便擴展和集中式監控等特點，滿足農業對大規模的監控的要求。

智能農業;ZigBee;STM32F407；Internet

0 引言

隨著現代農業的發展，農業智能化生產廣泛的使用，一定程度地提高了農業的生產水平，但由于缺乏統一的管理，導致管理任務繁重，制約了智能農業的進一步發展，最近幾年物聯網的快速發展，尤其是zigbee低功耗，低成本，高安全性的特性，被廣泛應用于傳感與控制領域。尤其是強大的組網能力，可對農業智能生產的統一管理，減輕管理人員的工作負擔，對農業生產水平的提高具有重要的意義。

1 系統總體結構

整個監控系統由ZigBee網絡節點、網關+zigbee協調器、電腦或手機監控終端3部分組成。其中ZigBee網絡節點連接著空氣溫濕度傳感器、光照傳感器、二氧化碳傳感器、土壤溫濕度傳感器和電磁閥等，并通過zigbee網絡將各自的監測數據傳送給zigbee協調器統一轉發。STM32F407微處理器作為網關，負責一定區域的zigbee網絡節點的管理維護，主要是負責節點數據的分析，控制終端數據的處理和轉發，并按照TCP/IP協議編寫數據包轉發機制，使用網絡模塊將數據包發送至Internet網絡。監控終端可由電腦的應用程序或手機的APP應用程序負責監控。

2 硬件實現方案

2.1 網關結構設計

網關采用組合式設計，組裝簡單，便于后期升級維護。網關結構見圖2，網關主板與各部分連接，主板連接zigbee協調器和網絡模塊，電源部分采用5V1A直流供電。網關采用STM32103ZET6微處理器芯片，具有SPI、UART、USB、CAN等多種的類型的接口，可實現高效的系統管理功能；支持UC/OS-II、嵌入式Linux等操作系統。

圖1 系統設計總體框圖

圖2 網關模塊結構圖

2.2 ZigBee節點方案設計

Zigbee是一種具有低功耗、低成本、短延時、高安全、自動組網能力強等特點的無線通信技術。遵循IEEE802.15.4標準和zigbee聯盟定義標準，完整的zigbee協議層由物理層、介質訪問控制層、網絡層、安全層和高層應用規范組成，支持樹形、網狀等多種拓撲結構。

cc2530是TI公司的zigbeesoc解決方案，它能夠以非常低的成本建立起強大的網絡節點，cc2530結合了領先的RF收發器的優良性能，業界標準的增強型8051cpu，系統內可編程閃存，8-KBram和許多其他強大的功能。Cc2530具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統。運行模式之間的轉換時間短進一步確保了低能耗消耗。

3 軟件設計方案

3.1 節點數據幀

Zigbee節點上電啟動后，開始自動組建網絡，組網成功后開始上傳組網信息數據包，并開始采集農作物的生長環境，定時上傳數據，節點如圖3所示，在zigbee數據協議幀格式的基礎上加入自定義的數據，包括傳感器類型占用4bit，判斷數據來自何種傳感器，傳感器編號占用8bit，用來區分節點，數據類型占用4bit，用來判斷是數據還是命令。采集時間占用6byte，方便分析對應時間點的數據，節點電量占用1byte，用于查詢節點電量，便于掌握節點工作情況，傳感器數據占用20byte，用于傳感器接受的命令指令或發送的傳感器采集數據，也便于以后的數據幀擴展等組成。

表1 節點數據幀格式

3.2 網關軟件設計

LWIP是瑞典計算機科學院(SICS)的AdamDunkels等開發的一個小型開源的TCP/IP協議棧，是TCP/IP的一種實現方式。，LWIP實現的重點是在保持TCP協議主要功能的基礎上減少對RAM的占用，它只需十幾KB的RAM和40K左右的ROM就可以運行，包括TCP、UDP、ICMP、DHCP、PPP和ARP等常見協議的所有或部分功能，而且提供了類似伯克利TCP/IP的API函數，使LWIP協議棧十分適合在低端的嵌入式系統中使用。

網關采用可靠的tcp傳輸協議，保證了數據傳輸的可靠性。

如下圖所示，數據發送的發起者是應用層。首先是應用層調用ip_write（）函數，接著就是再將控制權交給tcp_ enqueue（）函數，使數據分割成適當大小的TCP段，然后放到所屬連接的傳輸隊列中。然后通過tcp_output（）函數判斷接收器窗口是否有足夠大的空間，如果空間滿足，就使用ip_route（）及ip_output_if（）函數發送數據。

數據接受的發起者是網口接口層，首先是網口接口將數據包傳送給ip_input（）函數，經過驗證IP頭后傳給TCP段給tcp_input()函數。經過TCP解析和TCP連接。這個TCP段到達tcp_process（）函數，實現了TCP狀態機，任何必要的狀態轉換在這里實現，最終tcp_receive（）函數將數據傳送給上層的應用程序，完成接受過程。

4 總結

本文設計了基于zigbee和STM32F407的智能農業監控系統。系統采用zigbee協議組建監控網絡，實現了對農作物生長環境和設備的統一管理，讓管理者通過終端訪問和控制監控系統的信息和設備。整個系統安裝簡單、擴展性強、時間便捷，管理者可通過自己需要合理配置不同的zigbee終端節點，為系統大規模應用打下了奠定的基礎。

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2016-02-25）