基于ZigBee智慧農業控制系統的研究與設計

龍祖連

（廣西水利電力職業技術學院，廣西 南寧 530023）

0 引 言

隨著科技技術的不斷發展，物聯網技術在各個領域中得到越來越重要的應用；物聯網技術從簡單的藍牙技術、WiFi技術、2.4G無線技術，到現在的ZigBee無線組網技術、NBIoT技術、LoRa技術等，都是技術進步的體現。目前，國外農業控制系統根據的是國外的環境信息及需求設計的，無法適應我國農業的環境生長，國內的系統在功能和穩定性也不那么理想，難以推廣應用。因此，本文結合廣西農業的特點及溫室種植的研究，采用ZigBee無線組網技術及4G網絡設計智慧農業控制系統，不僅成本低、低功耗，同時，智能化程度高、穩定性好等方面也滿足需求，便于推廣應用。

1 系統總體框圖設計

智慧農業控制系統以CC2530單片機為主，自帶無線組網功能，信號采集模塊類型豐富、功能齊全，方便采集節點的放置及增加，主要功能包括：溫濕度節點信息采集、光照度節點信息采集、土壤酸堿度節點信息采集等，終端節點信息的采集通過單片機自帶ZigBee網絡傳輸到單片機協調器，協調器通過對各終端節點數據進行匯聚處理后，經串口傳輸到觸摸屏進行數據交互與控制。同時協調器經過4G模塊把終端節點采集的信息傳送到云平臺和手機APP。在云平臺可以對采集到的數據進行分析，繪制成相應的數據曲線保存在云端，方便對歷史數據的查看與分析，保證農作物良好的生長。智慧農業控制系統總體框圖如圖1所示。

圖1 智慧農業控制系統總體框圖

2 系統硬件設計

2.1 主控處理器模塊

在本系統中主控處理器主要完成ZigBee網絡組網、傳感器數據采集與計算機通信等。根據需求選擇TI公司的CC2530F256作為主控系統芯片，該芯片是集成了增強型8051微控制器內核與2.4 GHz的RF收發器，具有256 KB內存，同時在該公司開發的ZigBee協議棧（Z-Stack）上做應用開發，比較容易實現系統功能。由于CC2530芯片的集成度高且是低功耗及多種工作模式，作為終端節點使用在設計的智慧農業控制系統中，可以免除布線的煩惱，1節3.7 V的鋰電池就可以工作1年以上。CC2530主控模塊電路如圖2所示。

圖2 CC2530主控模塊電路

2.2 溫濕度數據采集及控制模塊

市場上的溫濕度傳感器很多，本文結合廣西的農業環境的信息選擇了DHT11數字溫濕度傳感器和DS18B20溫度傳感器。DHT11傳感器包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機連接，具有超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達20 m以上，接線簡單，測量范圍為，濕度：20%RH～90%RH，溫度：0～50 ℃，適合在農業溫室種植環境監測系統中使用。雖說廣西冬天的溫度不會很低，但是考慮到有極端天氣的出現，本文還采用了DS18B20溫度傳感器，用于外部農作物溫度的檢測，溫度的檢測范圍為-55～125 ℃。這樣不管在溫室還是空曠的環境都能實時采集溫濕度，從而調節溫室內的溫濕度，達到農作物需要的適合生長的溫濕度環境。

2.3 光照度數據采集及控制模塊

在系統設計中光照度傳感器采用BH1750FVI光照度傳感器，測量范圍0～65 535 lx。光照度傳感器安裝在大棚內部，檢測大棚內部的光照度，若是大棚內部的光照度小于設定的閾值，則控制器發送控制信號至遮陽系統以開啟遮陽系統，讓光照進大棚；若是大棚內部的光照度高于設定的閾值，則控制器發送控制信號至遮陽系統以關閉遮陽系統。遮陽系統包括電機與遮陽棚，控制器發送控制信號至遮陽棚以控制遮陽棚的打開或關閉。

2.4 土壤酸堿度數據采集及控制模塊

土壤傳感器采用HSTL-102STR土壤傳感器，土壤傳感器可以同時檢測土壤的水分、電導率及鹽分數據，通過檢測土壤的水分以便控制噴灌系統打開或者關閉。當土壤的水分低于設定閾值時，開啟噴灌系統；當土壤的水分達到或者高于設定閾值時，關閉噴灌系統。土壤傳感器檢測土壤的電導率、鹽分，以供用戶了解土壤的性質，進而采取相應的執行措施。

2.5 風速數據采集及控制模塊

風速傳感器采用YDBS-3001-FS，測量范圍為0～30 m/s，測量精度為±1 m/s。因廣西地處沿海地區，每年都會有臺風的出現，風速傳感器安裝在大棚外部，測量大棚外部的風速情況，以供控制器判斷大棚是否有損壞的可能，即當大棚外部風速達到閾值時，大棚有可能被損壞。

3 系統軟件設計

根據本系統選用的主控芯片CC2530，配套的軟件開發選用的是IAR開發環境，其最大優勢是能夠直接使用TI公司提供的協議棧（Z-Stack）進行開發，只需要調用API 接口函數就可以實現ZigBee網絡建立、設備初始化、終端節點數據采集等。同時對主控芯片選擇合理的工作模式，降低系統工作功耗。協調器通過串口通信將匯聚的數據信息與計算機通信，從而實現對溫室養殖環境進行監測。在整個系統的軟件開發過程中，都是在協議棧（Z-Stack）進行開發，首先要配置ZigBee無線組網的傳輸號，因為系統終端節點數量大于一個，所以選擇廣播傳輸方式。

3.1 液晶顯示界面

采用7寸的串口觸摸屏方便數據查看及操作。觸摸顯示屏可以用來手動輸入各個設定的閾值，例如溫度閾值、濕度閾值、光照度閾值、風速閾值等，實現自動控制；也可用于手動控制恒溫系統、通風系統、噴灌系統、遮陽系統的開啟或關閉，同時顯示各傳感器實時檢測的相應參數。

3.2 云平臺數據顯示

系統采用4G DTU模塊進行云平臺數據查看，遠程監測端通過4G DTU模塊與ZigBee協調器連接，4G DTU模塊用于接收ZigBee協調器發送來的數據，并將數據傳輸至遠程監測端進行監測。遠程監測端包括手機、平板電腦，可隨時隨地對大棚進行監測。

3.3 終端節點數據采集

TI 公司提供的協議棧（Z-Stack）對本文系統的軟件設計提供了很大的幫助，只需要在相應的函數添加各個傳感器代碼，修改組網信息就可以。該協議棧提供三種通信方式：廣播、組播及點對點通信，采用廣播方式來設計。

（1）終端節點采集傳感器數據信息廣播發送函數。

（2）協調器接收到數據并在液晶屏幕上顯示函數。

注意：在使用軟件下載程序時，區分好終端和協調器的下載方式。

4 結 語

本文基于ZigBee智慧農業控制系統，從硬件與軟件兩個方面設計并提供了一個切實可行的系統框架和方案。該系統農業種植檢測智能化、電路簡單、穩定性好、人機互動良好，實現了遠程監控農業的生長狀況，保證了農作物的健康成長，同時系統運行穩定、可靠，適用于很多溫室系列的數據采集環境。