基于cc2530+z-stack的智慧農(nóng)場監(jiān)控系統(tǒng)的研究

張杰

摘要：為實(shí)現(xiàn)對農(nóng)場環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)控，提高農(nóng)作物產(chǎn)量，設(shè)計了基于zigbee技術(shù)的智慧農(nóng)場監(jiān)控系統(tǒng)。硬件上，系統(tǒng)采用cc2530模塊、各類傳感器和繼電器，實(shí)現(xiàn)環(huán)境信息的采集和控制;軟件上，系統(tǒng)采用IAR環(huán)境和z-stack協(xié)議棧，對信息采集和控制事件進(jìn)行編程。本文主要圍繞監(jiān)控系統(tǒng)所用的關(guān)鍵技術(shù)、系統(tǒng)架構(gòu)、設(shè)計流程這三個方面進(jìn)行討論。

關(guān)鍵詞：cc2530;智慧農(nóng)場;z-stack

中圖分類號：TP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）11-0050-02

0 引言

大數(shù)據(jù)時代，物聯(lián)網(wǎng)作為通信行業(yè)的新興技術(shù)，在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)不斷完善、技術(shù)不斷進(jìn)步、國家政策大力扶持的推動下，已經(jīng)創(chuàng)造出巨大的市場空間和產(chǎn)業(yè)機(jī)遇。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)在生產(chǎn)過程中，農(nóng)作物的種植多憑農(nóng)民的經(jīng)驗(yàn)和感覺進(jìn)行生產(chǎn)，這不僅會造成作業(yè)效率低下、肥水藥的嚴(yán)重浪費(fèi)，還使得農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)與安全難以保證，很難做到精準(zhǔn)化和利益最大化。進(jìn)入工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)時代，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)可與物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)等結(jié)合，實(shí)現(xiàn)設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)，打造智能設(shè)備，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)智能化。本文通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將傳感器放置在農(nóng)田中計算出精確的灌溉量、施肥量、濕度、溫度等信息，監(jiān)控農(nóng)場的環(huán)境參數(shù)，時時掌握植物動態(tài)，一旦測量值超過閾值就會發(fā)出警告并將信息通知農(nóng)場主，農(nóng)產(chǎn)主根據(jù)實(shí)際情況對農(nóng)場控制，如施肥、澆水、補(bǔ)光、通風(fēng)等，從而避免傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)式管理的資源浪費(fèi)和對環(huán)境的破壞。

1 關(guān)鍵技術(shù)

在無線通信領(lǐng)域，zigbee技術(shù)以其低功耗、自組網(wǎng)、抗干擾強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)容量大等相關(guān)技術(shù)優(yōu)勢受到業(yè)內(nèi)廣泛的關(guān)注。智慧農(nóng)業(yè)集系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)、服務(wù)、管理、控制于一體，以cc2530模塊為系統(tǒng)設(shè)備，通過低功耗、自組網(wǎng)、自恢復(fù)的zigbee協(xié)議連接網(wǎng)關(guān)組成完整的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。

1.1 zigbee

Zigbee技術(shù)為物聯(lián)網(wǎng)誕生，以低功耗和穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)為優(yōu)勢，是當(dāng)前最為流行的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之一，zigbee一開始主要應(yīng)用在工業(yè)控制、傳感等領(lǐng)域，傳感網(wǎng)絡(luò)是zigbee技術(shù)的核心，通過傳感網(wǎng)絡(luò)非常便于聯(lián)網(wǎng)控制。zigbee技術(shù)最大的特點(diǎn)就是材料成本低，組建的網(wǎng)絡(luò)大。基于zigbee的智慧農(nóng)場系統(tǒng)可在控制網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容納大量的傳感器采集節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模農(nóng)場的遠(yuǎn)程控制，通過網(wǎng)關(guān)的本地策略化功能及農(nóng)場管理平臺，調(diào)節(jié)農(nóng)場溫濕度、農(nóng)場智慧燈的亮滅等，并會自動上報告警數(shù)據(jù)和在智慧農(nóng)常管理平臺顯示告警位置，讓農(nóng)場的管理瞬間變得簡單。

1.2 z-stack

z-stack是TI公司開發(fā)的用于zigbee技術(shù)的協(xié)議棧，便于程序員開發(fā)zigbee技術(shù)，在IAR集成開發(fā)環(huán)境中進(jìn)行編程，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對事件的產(chǎn)生和事件的處理。若想組建一個zigbee網(wǎng)絡(luò)，那么，在同一個網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備必須符合同一個協(xié)議棧規(guī)范，只要遵循該規(guī)范，即使在不同廠商買的不同設(shè)備同樣也可以形成網(wǎng)絡(luò)。z-stack可以從TI公司的官方網(wǎng)站上下載并安裝，Zigbe協(xié)議棧每一層都有一個事件處理函數(shù)，用來處理與這一層操作相關(guān)的各種事件，這樣，整個協(xié)議棧便會按照時間順序有條不紊地運(yùn)行。

2 系統(tǒng)設(shè)計

智慧農(nóng)場監(jiān)控系統(tǒng)通過zigbee可實(shí)現(xiàn)各設(shè)備之間的互聯(lián)互通，如農(nóng)場環(huán)境發(fā)生變化，可自動檢測信息，當(dāng)環(huán)境值超出閾值發(fā)出報警信息并提供遠(yuǎn)程信息反饋等功能。此系統(tǒng)可形成一個長期安全穩(wěn)定的智能防線，給予農(nóng)作物一個適合生長的最佳環(huán)境。系統(tǒng)設(shè)計包括硬件部分和軟件設(shè)計兩部分。

智慧農(nóng)場監(jiān)控系統(tǒng)選用cc2530作為核心硬件處理器，信息采集部分選用所需要的傳感器實(shí)現(xiàn)，如DS18B20、DHT11、紅外傳感器、HDS05、GY-30等;控制部分采用繼電器控制USB接口實(shí)現(xiàn)，如磁鐵式繼電器;顯示部分采用HT1620模塊。cc2530模塊是實(shí)現(xiàn)zigbee技術(shù)的優(yōu)秀解決方案，完全符合zigbee技術(shù)對節(jié)點(diǎn)體積小和能耗低的要求。cc2530模塊體積小巧、供電能耗低、內(nèi)置具有代碼預(yù)取功能的8051微型控制器、具有射頻功能，工作頻率為2.4GHz。cc2530有21個通用I/O引腳，6個電源引腳AVDD1- AVDD5，8路可配置分辨率的12位模擬信號到數(shù)字信號轉(zhuǎn)換電路，兩個支持多種串行通信協(xié)議的USART0和USAR1，1個看門狗定時器，1個多功能的5通道DMA控制器，4個定時器，1個用于MCU和無線設(shè)備連接的接口。

軟件設(shè)計流程為系統(tǒng)啟動后，初始化各個zigbee模塊，包括協(xié)調(diào)器、路由器、終端，協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)后，路由器和終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。隨后，路由器和終端節(jié)點(diǎn)開始采集農(nóng)場地上和地下環(huán)境信息，如果環(huán)境信息符合要求，系統(tǒng)將信息傳遞給協(xié)調(diào)器并在顯示屏實(shí)現(xiàn)，協(xié)調(diào)器接受信息后通過串口轉(zhuǎn)USB接口，將信息傳遞給PC機(jī)和手機(jī);如果環(huán)境信息不符合要求，系統(tǒng)將信息傳遞給協(xié)調(diào)器并在顯示屏實(shí)現(xiàn)和報警，協(xié)調(diào)器接受信息后通過串口轉(zhuǎn)USB接口，將信息傳遞給PC機(jī)和手機(jī)，農(nóng)場主看到信息后會根據(jù)實(shí)際情況對農(nóng)場進(jìn)行相應(yīng)的控制。

3 結(jié)語

基于zigbee技術(shù)的智慧農(nóng)場監(jiān)控系統(tǒng)以其成本低、功耗低、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)多的特點(diǎn)已在我國大部分農(nóng)場中進(jìn)行應(yīng)用，比如農(nóng)作物種植、種苗培育、名貴珍惜花卉培養(yǎng)等。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和農(nóng)業(yè)應(yīng)用的結(jié)合，是高科技成果為規(guī)模化生產(chǎn)的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)服務(wù)的成功案例，可為農(nóng)作物生長創(chuàng)造最佳環(huán)境，增加作物產(chǎn)量，進(jìn)而提高農(nóng)場主的收入，提高農(nóng)村人民生活質(zhì)量。

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Research of Intelligent farm Monitoring System Based on cc2530+z-Stack

ZHANG Jie

（Jilin Agricultural Science And Technology University，Jilin Jilin? 132101）

Abstract：In order to monitor the environmental quality of the farm and improve the crop yield， an intelligent farm monitoring system based on zigbee is designed. On the hardware， the system adopts the cc2530 module， various sensors and relays to realize the collection and control of environmental information. In the software， the system adopts IAR environment and z-stack protocol stack to program information acquisition and control events. This paper mainly discusses the key technologies， system architecture and design process of the monitoring system.

Key words：cc2530; Intelligent farm; z-stack