基于ZigBee與Modbus的智能農業灌溉系統

孟一飛++謝堂健++楊文慧++劉麗萍

摘 要：物聯網是新一代信息技術的重要組成部分，文中立足農業，提出了物聯網在農業中的具體應用。為實現溫濕度采集和智能灌溉，將ZigBee無線網絡與Modbus協議結合，對智能農業系統進行設計。在農業大田中部署若干個節點，每個節點控制若干電磁閥或傳感器，由上位機通過協調器控制節點動作，實現對農業大田溫濕度采集和灌溉的遠程控制。經實驗驗證，該系統可實現無線數據采集與智能灌溉。

關鍵詞：智能農業；ZigBee；CC2530；Modbus；溫濕度傳感器；電磁閥

中圖分類號：TP39；S274 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）10-00-06

0 引 言

智能農業[1]是運用遙感技術（RS）、全球定位系統技術（GPS）、計算機網絡技術等技術與土壤快速分析、自動灌溉、自動施肥給藥等智能化農機技術相結合的新型農業生產方式。本文正是基于智能農業的背景，旨在解決農作物環境遠程監測及灌溉遠程控制，重點論述了基于ZigBee網絡與Modbus協議的智能灌溉系統的原理與方案，實現了灌溉的無線控制。

中國是一個人口大國、農業大國，中國農業的發展面臨著農業人口比例高、農業生產效率低、人均淡水資源占有量少等問題，面對這一系列問題，解決灌溉的半自動化和自動化問題對于提高農業生產效率，節約勞動力與勞動成本，實現農業的精細化，節約水資源等具有重要意義，可助力農業生產的自動化、信息化、科學化。

隨著城市的發展，農村人口比例會進一步降低，農業發展更現代化。本文提出的智能灌溉技術具有良好的應用前景。

1 系統功能及概要設計

1.1 系統總體功能

本系統設計基于對ZigBee無線網絡的認識[2]，實現遠程無線控制電磁閥通斷和監控農業大田空氣溫濕度、光照強度、土壤溫濕度情況。按照自上而下的設計理念進行設計，PC機作為上位機通過互聯網或總線向協調器下發命令，協調器接收到命令后立即做出響應，解析該命令，并將命令通過廣播或者單播的方式借助ZigBee無線網絡下發至節點。節點會在此解析命令，執行命令并向協調器反饋信息，協調器向上位機反饋結果。在整個通信過程中，命令下發格式嚴格按照Modbus協議完成，因此在每次下發命令和執行命令過程中都會進行CRC校驗。

系統總體框架如圖 1所示。本文不僅對智能農業系統中的智能灌溉部分進行設計實現，還對空氣溫濕度和光照強度進行了無線采集。

1.2 系統框架設計

根據系統功能要求，系統主要由上位機、協調器、節點、傳感器以及電磁閥等組成。上位機和協調器通過USB轉485方式進行通信，協調器與節點之間經由ZigBee網絡通信。對于ZigBee節點，主要實現數據采集和灌溉控制。節點不僅采集溫濕度傳感器、光照強度傳感器和土壤溫濕度傳感器的數據，還要對電磁閥進行控制，即電磁閥的開與關。硬件系統框圖如圖 2所示。

2 ZigBee傳感網絡設計與實現

無線傳感器網絡[3]（Wireless Sensor Network，WSN）是新一代傳感器網絡，它綜合了微電子技術、現代網絡及通信技術等，能夠協同監測和采集網絡覆蓋區中的信息，并對其處理，最后通過無線網絡發送信息。本文提出的技術利用ZigBee傳感網絡實現了遠程控制農業灌溉與數據采集。

2.1 ZigBee傳感器網絡概述

ZigBee傳感網絡采用ZigBee技術作為通信方式，通過部署在監測區域的傳感器節點來采集、處理網絡覆蓋區中的對象信息，并將信息傳回至觀測者。

表1是常用的幾種無線網絡的參數指標，對常用的幾種無線網絡進行了對比。為滿足智能農業系統中長距離、低功耗的需求，本系統把ZigBee網絡[4]作為無線傳輸方式的首選。

一個典型的ZigBee無線網絡結構通常包括節點群、協調器，此外還會根據需要添加用于中繼的路由器。ZigBee節點分布式部署在某一區域內，可以通過自組網的方式構成無線網絡。ZigBee無線網絡標準規定在一個單一的網絡中最多可容納255個節點，這些節點分為三種類型，即ZigBee匯聚節點（協調器）、ZigBee路由節點和ZigBee終端節點。圖 3簡明畫出了ZigBee網絡實現的三種拓撲結構，分別為星型結構，簇狀結構和網狀結構。一個ZigBee網絡中理論上最多容納65 536個設備。ZigBee網絡具有大容量的特點，使其在無線傳感網絡中擁有巨大的優勢。

2.2 基于CC2530的ZigBee設計

通訊模塊主要是指協調器與節點，它們的核心芯片都是CC2530。ZigBee硬件開發選用Altium Designer平臺，即對CC2530進行原理圖和PCB的繪制[5]。CCC2530節點開發的主要流程包括需求分析、核心CPU的確定、外圍器件的選取[6]、PCB設計以及焊接與測試等。

根據CC2530數據手冊，CC2530的工作電壓在2～3.6 V之間。此外，繼電器模塊的工作電壓為5 V，因此供電電路必須同時提供3.3 V和5 V電壓[7，8]。

繼電器是利用電磁效應實現功能的一種電子控制器件。在電路設計過程中，使用電磁閥作為灌溉用的閥門器件，采用繼電器作為電磁閥的控制元件。在設計中以MAX3485作為UART轉485通信的核心芯片，該芯片是作用于RS-485通信協議標準的低功耗收發器[9]，是TTL信號與差分信號的轉換芯片。

CC2530核心板模塊采用DRF1605模塊[10]，該產品技術成熟，基于TI公司CC2530F256芯片。DFR系列可自動組網，上電即組網，用戶無需了解復雜的ZigBee協議。

2.3 控制模塊設計

控制模塊主要是電磁閥部分，電磁閥在系統中是智能灌溉的控制器件，通過遠程控制實現電磁閥的開啟與閉合。電磁閥由繼電器直接控制。灌溉系統中的電磁閥部分結構示意圖如圖 4所示。endprint

電磁閥選用DC 24 V型，在實驗中，采用直流24 V電源為其供電。在實際大田中，本著綠色節能的理念，采用太陽能光伏板與蓄電池供電。

2.4 傳感器模塊設計

傳感器模塊可采集信號，為系統的“決策”提供判斷和支撐。本文主要介紹DHT11溫濕度傳感器、MAX44009光照強度傳感器和土壤溫濕度傳感器。智能灌溉時，需要考慮土壤濕度等客觀條件，此外，空氣溫濕度、光照等因素是影響作物生長的因素，因此對這些參數的獲取與監測也十分必要。

2.4.1 DHT11溫濕度傳感器

溫濕度傳感器[11]采用DHT11數字溫濕度傳感器，其濕度測量范圍為20～90%RH，溫度測量范圍為0～50℃。DHT11與單片機之間僅需一個I/O口就能進行通信。DHT11與CC2530連接示意圖如圖5所示。為了提高穩定性，當連接線長度短于20 m時，數據端和電源之間接一個4.7 kΩ的上拉電阻。

2.4.2 光照強度傳感器

MAX44009是由Maxim公司設計的環境光傳感器，其內部集成了光電二極管和ADC。該傳感器量程超寬，可以檢測0.045～188 000 Im的光強。MAX44009的工作電壓范圍為1.7 ～3.6 V，功耗低。在實際大田中，系統的供電采用太陽能光伏板，所以光照強度的獲取對供電系統的研究十分必要。

由于CC2530硬件上只有UART和SPI接口，而MAX44009只有I2C接口，因此在系統設計中采取模擬I2C的方式來讀取光強傳感器。CC2530與MAX44009的接線方案如圖 6所示。其中，VCC為3.3 V。

2.4.3 土壤水分溫濕度傳感器

文中選用SMTS-II-100土壤傳感器，該傳感器具有功耗低、精度高等優點，用以測量土壤層中的溫濕度。水分測量量程范圍分為0～50%和0～100%兩個檔位，溫度測量量程分為-30℃～70℃和-40℃～90℃（485型）兩個檔位。該傳感器的額定電源電壓范圍為5～24 V，選用485接口輸出，其接線方案如圖7所示。

3 基于ZigBee的Modbus協議

3.1 Modbus協議概述

Modbus協議是美國Modicon公司開發的總線協議，可實現主從即時通信，實現方便簡單。Modbus協議定義了能被處理器識別的消息幀結構，可保證主機和從機之間的良好通信模式[12]。

RTU（Remote Terminal Unit，RTU）和ASCII模式在Modbus協議中均被認可，本文采用RTU模式。典型的RTU消息幀見表2所列。

3.1.1 地址域

在ZigBee無線網絡中，為方便上位機查詢某一節點信息，為節點進行統一編號，設備地址長度為1 B，每一個節點地址在網絡中是唯一的。協調器或主設備沒有地址。另外我們規定，地址FF為主設備用于廣播發射命令。

3.1.2 功能碼

功能碼標明了主設備需要執行的動作，功能域由一個字節構成，1～255（0x01～0xFF）是協議支持的功能碼。

常見的Modbus協議功能碼見表 3所列。

3.1.3 數據域

數據域通常包括兩個16進制數，請求時，通常包括起始地址和字節數等內容。

3.1.4 CRC校驗

CRC檢驗是Modbus協議中RTU數據幀的錯誤檢測，防止錯誤數據的傳輸。其校驗域為16位數據，接收設備重新計算校驗碼后會與接收到的校驗碼進行比對，若一致則數據正確，若不一致則說明數據有誤，拋棄該數據。

3.2 Modbus協議在ZigBee網絡上的移植

對于ZigBee無線傳感網絡而言，網絡中的信息傳遞缺乏互動性和自我約束。本文將Modbus協議嵌入到ZigBee協議棧中，從而實現了Modbus協議在ZigBee網絡上的移植與應用[13]。上文已對Modbus協議的功能碼進行了介紹，Modbus協議在ZigBee網絡上的應用是通過Modbus命令嵌入到ZigBee協議棧中來實現的。本文采用的是ZStack協議棧，使用的開發版本是ZStack-CC2530-2.5.1a。

其次，Modbus從屬于應用層協議，它為需要通信的設備提供相互認識和使用的消息結構。Modbus協議數據的傳輸通過ZigBee應用層采用透傳方式實現，所謂透傳是指在傳輸過程中，傳輸設備不處理數據，不修改數據包。加入Modbus協議后，并不影響通信效率[14]。

在通信過程中，主機下發指令，從機根據指令判斷功能碼執行不同的動作。而ZigBee節點的工作就是解析接收的數據執行不同的操作。當需要解析的功能命令很多時，把每個功能集成到子函數里，然后在case分支里調用[15]。

本文以RTU模式作為Modbus的傳輸方式，主要用到了03號命令和05號命令。

表4所示的03號命令數據幀的含義為上位機需要01號節點反饋寄存器首地址為0000H后的5個寄存器數據，因為系統要采集5種數據。

上位機需要01號節點1號繼電器的狀態為閉合。在05命令中，程序定義FF00狀態為閉合狀態，0000狀態為開狀態。

本文中的通信數據傳達均采用Modbus協議實現，協議中規定總線上有一個主機和多個從機，在初始化網絡階段，網絡已為每個從機設定了唯一一個網絡地址。信息匹配的從機首先進行CRC校驗，CRC校驗失敗的會拋棄該條命令，并向主機反饋錯誤信息。Modbus協議的執行流程如圖 8所示。

4 系統程序設計與實現

4.1 協調器與上位機的通信

本設計中上位機與協調器之間的通信主要采用UART轉485的方式進行。圖9所示為CC2530串口的初始化流程圖。endprint

串口接收數據和發送數據的方法與其他單片機的I/O通信相同，僅寄存器不一致，以下僅為程序中具體使用的函數名及作用：

//串口0發送字符串函數

void UartSendString（char *Data， uint16 len）

//串口發送任意長度數據

void UART2_SendData（u8 *pbuff， u16 len）

//UART接收使能：

void UART_RxEnable（UART_CH ch， FunctionalState Enable）

//獲取串口新數據：

bool UART_GetNewData（UART_CH ch， u8 *pData）

//32 M系統時鐘下的毫秒延時函數：

void Delay_ms（uint16 ms）

//獲取串口接收緩沖區滿標志：

bool UART_GetRxBuffFullFlag（UART_CH ch）

//設置串口接收緩沖區：

void UART_SetRxBuff（UART_CH ch， u8 *pRxBuff， u16 BuffSize）

//串口0接收中斷服務程序：

void UART0_ISR（void）

4.2 ZigBee組網

ZigBee網絡的構建主要由ZigBee協議棧完成，圖 10所示為ZigBee組網流程圖。

網絡構建主要分為如下兩個階段：

（1）網絡初始化。由協調器負責最初網絡的構建，設置網絡標識符（PANID）和網絡參數。按照初始化設定的網絡信道進行主動掃描，對指定的信道進行能量檢測以避免可能出現的干擾。

（2）節點加入網絡。主要包括節點搜索周圍的協調器和協調器的應答。

4.3 傳感器數據采集

傳感器采集是對上文選定的三種傳感器進行無線數據采集[16]，其采集流程如圖11所示。在無線采集過程中，首先應構建ZigBee網絡，包絡協調器發起網絡，節點加入網絡，這是數據傳輸的前提與途徑。其次是進行條件判斷，即如果收到Modbus采集指令（這里指03號命令），則開始采集數據，否則繼續等待指令。

4.4 電磁閥控制

智能灌溉[17]模型搭建好后，采用Modbus協議中05號命令進行測試。電磁閥控制流程如圖12所示。

對于電磁閥這個灌溉關鍵器件的控制，可以通過設置CC2530的某些引腳電平來實現。由于控制量是個開關量，因此可由CC2530引腳電平的變化控制繼電器來實現電磁閥的開與關。具體代碼如下：

P1SEL = 0xDF； //設置P1.4口為普通IO

P1DIR = 0x20； //設置P1.4為輸出

上文對Modbus協議在ZigBee網絡中的移植原理已進行了闡述，對ZigBee組網的流程也做了說明。以電磁閥控制的05號命令為例，詳細說明Modbus協議在ZigBee協議棧中的移植與應用。

上位機將RTU數據幀下發至協調器后，經由ZigBee網絡將命令發至節點。在實驗中取一個節點，并定義其為Modbus協議中的1號節點，同時設定一個數據緩沖數組。

#define ED_ADDR 0x01

//定義節點接收數組

uint8 afRxData[32]={0}；

//節點收到數據包后，要判斷是否屬于自己

if（0x01 == afRXData[0] || afRXData[0] == 0xFF）

然后進行CRC校驗。校驗通過后，繼續解析命令，對功能碼、繼電器地址進行判斷，之后解析操作命令，判斷開關。具體程序如下所示：

checkCRC=crc16（afRxData，afRxLength-2）；

//判斷CRC校驗

if（checkCRC==（afRxData[afRxLength-2] << 8 | afRxData[afRxLength-1]））

{

//命令解析

switch（afRxData[1]）

{

case 0x03：

rfreadRegisters（）；

break；

case 0x05：

writecoil（）；

}

}

繼電器地址以及繼電器的操作指令判斷程序如下：

//地址判斷，是否是0001

if（（afRxData[3]==0x00）&&（ afRxData[3]==0x01））

//FF00，繼電器閉合

{ if（（afRxData[5]==0x00）&&（afRxData[4]==0xFF））

{ P1_4=0； }

else if

//0000，繼電器斷開

（（afRxData[5]==0x00）&&（afRxData[4]==0x00））

{ P1_4=1； }

}

5 實驗及測試

在測試中，采用Modbus協議通訊軟件和串口調試助手進行軟件測試。其中，Modbus協議通訊軟件可直接進行CRC校驗。命令發送時，配置好串口后，以hex格式發送。

經過測試，此系統可以完成協調器下發命令，節點向協調器反饋相應數據。協調器下發03號命令時，節點可以成功向協調器反饋寄存器內相應的數據，包括溫濕度信息、光照強度信息和土壤溫濕度信息。協調器下發05號命令時，節點可以使能對應的繼電器，從而使電磁閥處于打開狀態。endprint

6 結 語

本文進行了基于ZigBee和Modbus協議的智能農業灌溉系統的設計，重點論述了ZigBee無線網絡、Modbus協議在智能農業系統中的應用。介紹了ZigBee技術和Modbus協議，并對CC2530的硬件電路進行了設計、對傳感器進行了選型和數據獲取，最后進行了電磁閥的電路搭建及驗證。本文的創新之處是將Modbus協議與ZigBee網絡相結合，給出了遠程采集信息與控制的設計方案與軟件實現流程，在智能農業上具有良好的應用。

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