基于ZigBee技術的精準農業綜合監測系統設計

周正貴，李海燕

(安徽商貿職業技術學院電子信息工程系，安徽蕪湖 241002)

基于ZigBee技術的精準農業綜合監測系統設計

周正貴，李海燕

(安徽商貿職業技術學院電子信息工程系，安徽蕪湖 241002)

本文利用ZigBee技術研究一種精準農業綜合監測系統。系統分為上位機、主控器、網絡協調器、子節點網絡，主控器由基于STM32F103系列微型控制器設計，網絡協調器及各子節點由基于集成51單片機內核的CC2530芯片設計。子節點網絡節點連接多種傳感器采集空氣質量、水質、土壤信息參數，經ZigBee網絡把數據發送至網絡協調器，最終主控器接收處理數據并發送至上位機服務器存儲，用戶可遠程實時訪問上位機傳感器數據，實現智能化科學管理。

ZigBee；網絡；監測；節點

我國是一個農業大國，科技的發展推動農業生產方式不斷更新，現代農業逐步邁向信息化、精準化。種植人員運用科技能夠實時、準確地掌握農作物生長環境綜合數據，進而調節改善農作物生長綜合環境。本文設計了一種基于ZigBee技術的精準農業綜合監測系統，實現農作物生長區域的大氣、水質、土壤墑情綜合監測，實現對農作物的科學有效的智能化管理。系統可對農作物生長區域的溫度、濕度、光照強度、水質的pH值、水質的濁度、土壤的pH值、土壤的水分等進行實時監測，通過短距離無線網絡ZigBee上傳數據至監控中心，實現集中顯示，為決策提供依據。

ZigBee是一種近距離、低功耗、價格低廉、組網便捷、源碼開放的通信技術，廣泛應用在農業、工業、交通等行業底層原始數據采集、設備控制等領域。ZigBee協議分為物理層、媒體鏈路層、傳輸層、網絡層、應用層等，ZigBee組網方式靈活，一個網絡系統中可容納6000多個節點，根據協議程序可組建成星型、網狀型、簇狀型網絡。

1 系統方案設計

為了實時監測并改善農作物生長環境參數，需要對農作物所屬區域的大氣、水質、土壤墑情等因素進行測量，這樣在調控農業生產的過程中就能夠參考這些數據來改善農作物生長環境。系統采用無線短距離通信技術ZigBee構建系統網絡，終端網絡節點采集農作物區域的空氣、水質、土壤等信息，通過ZigBee網絡發送至上位機，遠程可以實時在線查詢數據，實現智能化功能。系統總體設計框圖如圖1所示。

傳感器節點、網關節點采用CC2530芯片設計，該芯片內部嵌入了8位單片機CPU，資源豐富，含有RF無線射頻、串口、DMA、定時器等，并為使用者提供了一個強大的ZigBee解決方案。CC2530芯片廣泛應用在ZigBee系統、樓宇自動化、工業現場控制、低功耗無線網絡等領域。

2 系統硬件電路設計

2.1 主機電路設計

系統分為主機、網絡協調器、子節點網絡。主機由基于STM32F103系列微型控制器設計，網絡協調器及各子節點采用基于集成了51單片機內核的CC2530芯片設計。主機部分液晶顯示原理圖如圖2所示，采用5寸液晶片作為上位機顯示界面，LCD芯片數據線、控制線按照如圖2所示進行連接。

圖1 系統總體設計框圖

圖2 主機液晶顯示電路原理圖

2.2 串口電路設計

主機STM32F103微處理器是32位ARM微控制器。為了能將終端傳感器數據發送至服務器，主機外部采用SP3232芯片設計串口接口電路，如圖3所示。SP3232是一種標準的RS232轉換芯片，能完成TTL電平與232電平的相互轉化，包含驅動器、收發器等電路模塊。

圖3 主機串口電路原理圖

2.3 傳感器節點電路設計

子節點傳感器及ZigBee接口原理圖如圖4所示。AM2301傳感器原理圖、光照強度模塊原理圖、酸堿度檢測、土壤水分、濁度傳感器的設計依據相同設計原理，傳感器采集到數據后經濾波、放大等處理后送至CC2350芯片IO端口。

圖4 子節點傳感器及ZigBee接口原理圖

3 系統軟件設計

3.1 系統軟件總體設計

軟件用C語言編寫，基于ST公司官方庫函數實現各模塊的功能實現。系統軟件算法流程圖如圖5所示，系統上電后，主機、網關節點先通電，其他終端節點依次上電，設置所有節點均為相同的頻段號、網絡ID號，即可成功組建ZigBee網絡，各傳感器節點會上傳采集的數據至網關，最后發送至上位機服務器，由于傳感器采集的數據實時上傳，將始終保持農作物區域感知數據實時更新。

圖5 系統軟件算法流程圖

圖6 傳感器數據采集流程圖

3.2 傳感器算法設計

圖7 手機查詢顯示界面

系統使用了7種傳感器，其中AM2301濕敏電容數字溫濕度模塊是含有己校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器。系統中7種傳感器轉換算法相似，首先上電后，傳感器進行初始化、復位操作；然后由CC2530處理器發出讀取指令，當傳感器響應后，按照時序圖讀取字節數；最后依據數據轉換格式計算傳感器數據。傳感器數據采集流程圖如圖6所示。

3.3 遠程訪問服務器軟件設計

當上位機接收到傳感器數據后，上位機服務器數據庫中將存儲相應的數據。系統利用Android設計了訪問服務器應用軟件，當用戶打開軟件后，系統會鏈接到上位機服務器，并在顯示界面顯示各傳感器數據，如圖7所示。

4 結語

本文給出一種基于ZigBee技術的精準農業綜合監測系統，詳細設計了主機及節點硬件電路、軟件算法，結合無線傳感器網絡技術實現了對農業種植區域數據的實時遠程采集，種植人員可根據所采集的數據及時改善種植物生長環境，提高農作物產量、品質。

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Design of Precision Agriculture Comprehensive Monitoring System Based on ZigBee Technology

ZHOU Zheng-gui, LI Hai-yan

(Department of Electronic Information Engineering,Anhui Business College,Wuhu Anhui 241002,China)

A precision agriculture comprehensive monitoring system was developed based on ZigBee technology. The system consists of upper computer, main control device, network coordinator and subnode network. The main controller was designed based on STM32F103 microcontroller, and network coordinator and subnodes were designed based on CC2530 chip of 51 microcontroller core. The subnodes and network nodes connected a variety of sensors to collect air quality, water quality and soil parameters. ZigBee network was adopted to send data to network coordinator. Finally the main controller

data and sent data to the upper computer for storage, thus users could remotely get access to sensor data of the upper computer in real time and realize intelligentized scientific management.

ZigBee; network; monitoring; node

2017-03-31

安徽省教育廳自然科學研究重點項目“基于物聯網技術的智慧農業系統研究”(KJ2016A254)；安徽省教育廳質量工程項目“物聯網應用技術專業綜合改革試點”(2015zy118)；安徽商貿職業技術學院自然科學研究項目“基于RFID技術的食品追溯系統研究”(2014KYZ04)。

周正貴(1984- )，男，講師，碩士，從事物聯網應用技術、電子信息技術研究。

TP274

A

2095-7602(2017)08-0051-05