基于ZigBee組網的溫室大棚監測技術研究

藍善根

（貴州省郵電規劃設計院有限公司 貴州省貴陽市 550000）

隨著我國對農村發展的重視程度逐漸提升，從種糧補貼到集約化的土地管理，出臺了很多政策為農民增收，農業現代信息化建設因此也取得了飛躍式進展。智慧農業應運而生，由無線傳感技術、人工智能、自動控制技術等多種現代化技術結合的物聯網技術被廣泛研究與應用。本文理論結合實際，將物聯網應用于智慧農業，在對農業信息科學采集、監控與處理基礎上保障農業的可持續發展。

1 物聯網相關技術分析

1.1 物聯網的架構和數據處理流程

物聯網技術在近些年進入了高速發展的時代，其主要是指如傳感器信息采集技術、紅外感應器、定位系統、無線組網信息傳輸等各種相關設備及技術，采集并處理聲音、光照、化學信息、物理信息以及生物信息，通過機器學習以及機器自主判斷發出指令，控制機器組完成特定任務，實現智能化識別以及管理[2]。本文基于其技術特點，從數據輸出流動的角度來分析物聯網技術在實際應用中的數據處理方案。如圖 1 所示。

1.2 M2M架構

M2M(Machine-to-Machine)即機器和機器之間建立連接，在目前物聯網結構中占據中主要位置，同時其不只是簡單的數據交換和和機械交換技術，即使沒有人工干預，也能夠自主采集信息，自主分析判斷，并對被控制的機器發出正確的指令，即機器被賦予“思想”和“智慧”。

1.3 無線傳感器網絡分析

1.3.1 體系結構

在目前的無線傳感器網絡應用中，其主要是由一些分散且數量相對較多的無線傳感器節點所組成，這些節點主要是用于感知其周圍環境的各種信息，其與無線網絡協議組成的網絡能夠得到有效應用，并且在每一個節點信息進行交換之后，利用無線傳感器網關來進行數據傳輸，最終傳輸到監控主機系統中，實現數據的最終傳輸目標。

1.3.2 節點類型與ZigBee 協議

1.3.2.1 節點類型

圖1：物聯網數據處理流程

圖2：溫室大棚系統架構圖

無線傳感器節點(WSN)具有能耗低、尺寸小等特點，為物聯網發展發揮了重要作用。節點分為傳感節點、路由節點和匯聚節點三種形式。其中最為普通也是數量最多的節點就是傳感節點，其可以對數據進行收集和整理，隨后將這些數據傳輸到路由器的節點中，這種方式的優點在于，如果在數據傳輸期間發生某個節點故障，其也不會影響到整個網絡環境功能。但是需要注意的是，路由節點并不關鍵，并且在一些較小規模的網絡結構中可以不使用路由節點來實現數據存儲與和傳輸，此時的數據會繼續傳給周圍的一些傳感節點來實現數據的傳輸和存儲。匯聚節點是整個網絡組成中最為重要的節點類型，所有節點所感知的數據都需要經過其進行傳輸，所以其與其他一些節點相比較而言，數據處理能力和電池續航能力相對較強，如果此時發生某個節點故障，這些所被感知的數據會在本處的匯聚節點進行存儲，最后在任務管理器的作用下，用戶可以對所感知的數據進行分析和處理，實施最終決策。在無線傳感器中的節點協議模塊有著一定的不同之處，其可以根據功能的不同來進行不同的加載。

1.3.2.2 ZigBee 協議

協議是保障網絡構建的重要基礎，并且在這種規則下，ZigBee協議能夠實現無線傳感器節點重要的通信功能，并且其具有簡單、安全和功率消耗低等特點，在無線短距離數據傳輸中有著十分重要的作用和意義[3]。該協議的基礎是IEEE 802.15.4，但是該協議在構建過程中將PHY 和MAC 兩個層次進行考慮，所以需要擴展ZigBee 協議內容與空間，將其與更高層次的標準要求進行銜接，為后續各種網絡的建設創造基礎條件。

2 溫室大棚信息采集終端設計

2.1 架構設計

溫室大棚結合物聯網技術，主要包含傳感分析以及控制系統，包含溫度、濕度、土壤、通風、光照等等環境檢測與控制，如溫度控制設備以及通風設備等，調節環境以滿足作物生長。本文基于溫室大棚的特點提出其具體的監控與數據采集系統架構，如圖2 溫室大棚系統架構圖所示。

在結構上講，該監測系統包含數據采集終端、服務器和操作用戶三部分組成。設計該系統要考慮：對溫室大棚中各種農作物的實際情況進行分析，明確其室內溫度、濕度、光照強度和二氧化碳濃度等各項數據參數，需要保障數據的準確，這樣可以客觀的反映出大棚的實際環境狀態和特點。數據采集和傳輸具備極強的抗干擾能力；顯示界面系統實時顯示重要數據；一旦產生突發事件，提供預警以及應急處理機制。

2.2 采集終端

在實際設計的采集終端作業中，需要保障整個監測系統數據來源的準確性，這也是實現監測的基礎條件。在數據采集終端中，對于芯片的考慮而言主要包含單片機和四種傳感器類型芯片，在整個終端系統中，單片機是中心技術，并且每一個數據采集都需要在模數轉換之后輸送到單片機中，然后根據無線收發模塊將數據傳輸到就近的節點。其運行的流程為：為系統加電，做好數據采取的前期初始化工作，需要明確的是，數據采集在一般情況下需要根據所申請的中斷要求進行的，如果存在此種情況，會調用系統子程序，根據數模轉化來采集數據。但是在實際的數據采集中，四個通道會對應著不同的環境參數，所以需要循環監測這四個通道的實際情況，只有這四個通道采集數據完畢之后，才可以進行數據的處理。

2.3 協調器設計

匯聚節點的設計在協調器設計中占據著重要位置，并且其可以在傳感器網絡建立過程中將系統節點存儲的數據傳輸到遠程控制器中，此匯聚結點對于數據的分析與處理能力上都要高出傳感節點。在具體應用中，由于該結點具備一定的感知能力，所以其芯片設計與普通節點基本相同，只是在供電方面和協議方面有一定的差異。所以如果有著充足的條件，可以在結點中加裝一組持續供電的電池，利用芯片來支持技術運行。

2.4 采集網絡構建

2.4.1 網絡協調器的確定

找到協調器結點，結合掃描來判定，設定掃描時限，如果在時限內部不能發現其網絡中含有其他協調器，則可以判定其滿足要求。

2.4.2 信道掃描

首先結合默認或者指定的信道來進行能量掃描，標注出可用信道，結合能量升序來進行信道排序。其次搜索能夠在通信半徑內信標幀，結合信標幀來發現最佳通道，滿足最少的ZigBee 網絡。

2.4.3 配置網絡PAN ID

在合適信道發現之后，確定網絡標識PAN ID 為將要組件的ZigBee 網絡，這個網絡標識一般為四位16 進制數，數值不超過0x3FFF。然后在ZigBee 中64 位擴展地址和16 位短地址共同形成網絡地址，由IEEE 組織統一分配擴展地址，用作設備的唯一表示[8]。其中短地址必須保持唯一，為后來的結點提供入網標識，一般設定的短地址為0x0000。

2.4.4 網絡運行

在網絡PAN ID 配置之后MAC 層被原語通知啟動運行，改變協調器的參數狀態。等到網絡初始化完成之后，其他結點可以申請加入網絡，在實施數據監控、采集和傳輸以及分析處理等方面作出其應有的功能。

2.4.5 服務器端設計

通過結點入網和知識領域接入，用戶可以在服務器端對物聯網技術中的各項設施進行操作，進而實現服務器端的數據接收和處理，為后續各項農業生產決策打下基礎。

3 結語

綜上所述，本文以溫室大棚環境中的物聯網技術相關分析為基礎，采用CRNN 算法，提出物聯網技術在溫室大棚環境中的重要應用，其中包含數據采集端設計、服務器端設計和采集數據功能和監測報警機制設計等，希望能夠為相關農業生產提供一些有效的建議和技術基礎，進而促進農業的建設與可持續發展。