基于ZigBee網絡農業(yè)環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)設計

引 言

我國人口占世界總人口的 22%，而耕地面積只占世界耕地面積的 7%，這就意味著發(fā)展現(xiàn)代化農業(yè)的必要性 [1]。傳統(tǒng)農業(yè)生產中，農作物環(huán)境信息數(shù)據(jù)主要通過人工采集或者大量布線從傳感器獲取，然后將數(shù)據(jù)傳送至計算機。此種方式不僅浪費大量人力資源，而且花費成本較大。針對上述問題本文提出一種基于 ZigBee 技術的農作物監(jiān)測系統(tǒng)，實時獲取農作物的生長狀況，根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)控制調控設備，維持作物最佳的生長環(huán)境

1 系統(tǒng)方案設計

1.1 系統(tǒng)框架設計

農業(yè)環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)結構如圖 1所示。在該系統(tǒng)中各個監(jiān)測區(qū)域的傳感器將采集到的數(shù)據(jù)通過自組網傳送至路由節(jié)點，再由路由節(jié)點傳送至協(xié)調器節(jié)點。ZigBee網絡通過串口通信的方式將數(shù)據(jù)信息傳送至嵌入式監(jiān)控終端以及計算機，監(jiān)控終端可通過采集到的環(huán)境信息做出決策，控制相應的環(huán)境調控設備。

                                              圖1 系統(tǒng)結構框圖

1.2 系統(tǒng) ZigBee網絡組網方案設計

整個ZigBee 網絡采用樹形拓撲結構，其中協(xié)調器作為父節(jié)點，而終端傳感器節(jié)點作為葉子節(jié)點，路由器作為網絡中繼。當監(jiān)測區(qū)域需擴大時，可采用增加路由以擴充網絡覆蓋范圍的方法。

該結構包含數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)傳輸層和管理層 [2]。其中，數(shù)據(jù)采集層由眾多搭載不同傳感器的終端節(jié)點組成 ；數(shù)據(jù)傳輸層采用 ZigBee 自組網絡通信的方式將數(shù)據(jù)采集層所采集到的數(shù)據(jù)在網絡中傳輸 ；管理層則對采集到的數(shù)據(jù)進行分析。系統(tǒng)各部分功能規(guī)劃見表 1 所列。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 ZigBee芯片

系統(tǒng)采用的 ZigBee 射頻收發(fā)芯片是 TI 公司設計生產的CC2530。在 CC2530 的基礎上構建協(xié)調器節(jié)點、路由器節(jié)點終端節(jié)點。CC2530 具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統(tǒng) [3]。此外，TI 公司還提供免費的ZigBee 協(xié)議棧 Z-Stack，可為用戶制定快速的 ZigBee 應用解決方案

2.2 節(jié)點硬件設計

節(jié)點的硬件主要由電源電路、串口轉換電路、TFT 接口電路、按鍵電路、調試接口電路、射頻收發(fā)電路組成。節(jié)點的硬件結構如圖 2 所示

2.2.1 電源電路設計

電路接入外部 5 V 直流電源供電，通過電壓轉換芯片AMS1117 將輸入的 5 V 電壓轉換為 3.3 V 系統(tǒng)工作電壓。電源部分原理圖如圖 3 所示。

2.2.2 串口通信轉換電路設計

本文系統(tǒng)選擇使用 USART0 作為串行通信接口。為了使串行接口同電腦交換數(shù)據(jù)，設計以 PL2303 為核心的數(shù)據(jù)交換電路。轉換電路原理圖如圖 4 所示。

2.2.3 調試接口電路

調試接口分別使用 I/O 引腳 P2.1 和P2.2 作為調試模式中的調試數(shù)據(jù)和調試時鐘。調試接口原理圖如圖 5 所示

                              圖 5 調試接口原理圖

2.2.4 TFT接口電路

TFT 屏接口電路用于驅動 TFT 屏顯示采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)信息以及 ZigBee 網絡中的網絡連接信息。各接口對應的芯片引腳見表 2 所列。

2.3 傳感器選擇

農業(yè)環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)主要檢測的環(huán)境對象為空氣溫濕度、土壤濕度、氣體濃度、光照強度等。通過將傳感器搭載到各節(jié)點上，然后將節(jié)點布置于環(huán)境監(jiān)測區(qū)域中，就能夠通過ZigBee 自組網特性完成對區(qū)域環(huán)境的監(jiān)測。傳感器的選型和對應的通信方式見表 3 所列。

2.4 嵌入式監(jiān)控終端電路設計

系統(tǒng)采用 STM32F103RCT6 最小系統(tǒng)作為終端監(jiān)測調控平臺。其作用是對采集的數(shù)據(jù)進行分析和處理，并實現(xiàn)與 PC 端的信息交互，把 PC 端下達的決策命令傳送到控制終端監(jiān)測調控平臺，再通過終端監(jiān)測調控平臺控制環(huán)境調控設備。

STM32 的設計包括最小系統(tǒng)設計和外圍電路設計兩部分。該嵌入式監(jiān)控終端電路包括晶振電路、復位電路、USB 接口電路等，外圍電路包括中斷按鍵、TFT 接口電路等。

3 系統(tǒng)軟件設計

本文系統(tǒng)軟件設計包含 ZigBee 協(xié)議應用程序設計、嵌入式監(jiān)控終端控制程序設計、計算機上位機程序設計三部分

ZigBee 協(xié)議應用程序設計主要是對終端傳感器節(jié)點、路由器節(jié)點和協(xié)調器節(jié)點三者之間如何組網進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)某绦蛟O計

嵌入式監(jiān)控終端控制程序設計主要接收協(xié)調器節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，并對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行分析和處理，控制調控環(huán)境參數(shù)設備以及將分析后的數(shù)據(jù)傳送到電腦端

計算機上位機程序設計主要將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)實時顯示到電腦端，也可通過電腦端給嵌入式監(jiān)測終端發(fā)送指令，從而控制調控設備的運行

3.1 ZigBee組網結構程序設計

ZigBee 網絡拓撲結構主要有星狀、樹狀、網狀三種 [4]

三種網絡拓撲結構如圖 6 所示。

                              圖 6 三種網絡拓撲結構圖

本文系統(tǒng)采用樹狀網絡拓撲結構方式構建 ZigBee 網絡。 在 Z-Stack 中，網絡拓撲結構定義如下：

#define NWK_MODE_TREE

3.2 ZigBee 協(xié)議應用程序設計

Z-Stack 協(xié)議棧是協(xié)議和用戶的一個接口。IEEE 802.15.4定義了物理層和介質訪問層技術規(guī)范 ；ZigBee 聯(lián)盟定義了網絡層、應用程序支持子層、應用層技術規(guī)范 [5]。將各層定義的協(xié)議集合在一起，以函數(shù)的形式實現(xiàn)，并給用戶提供應用層，從而直接調用函數(shù)，實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)收發(fā)。

在 Z-Stack 協(xié)議棧中，ZigBee 的應用都可基于任務事件的形式完成。系統(tǒng)任務和應用任務中的事件依時間片進行輪轉。節(jié)點針對不同的事件調用不同的事件處理函數(shù)，從而完成在網絡中傳輸數(shù)據(jù)的任務。節(jié)點運行流程如圖 7 所示。

3.3 嵌入式監(jiān)控終端程序設計

嵌入式監(jiān)控終端通過串口通信的方式對從協(xié)調器接收的數(shù)據(jù)進行分析和處理。嵌入式監(jiān)控終端程序運行框圖如圖 8 所示。

3.4 計算機上位機程序設計

計算機上位機程序在 Visual Studio 2012 的環(huán)境下開發(fā)，采用的開發(fā)語言是 C#。通過調用組件，編寫相應的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)分析處理等步驟實現(xiàn)嵌入式終端節(jié)點同 PC 端經行數(shù)據(jù)

交互的功能。運行操作界面如圖 9 所示。

4 系統(tǒng)運行結果

系統(tǒng)實物運行如圖 10 所示。系統(tǒng)運行結果表明，搭載不同的傳感器節(jié)點可實時采集環(huán)境數(shù)據(jù)并匯聚到協(xié)調器節(jié)點，數(shù)據(jù)無丟失，傳輸距離能夠有效覆蓋監(jiān)測區(qū)域。

5 結 語

本文系統(tǒng)主要用于監(jiān)測農業(yè)環(huán)境中的溫濕度、光照強度、氣體濃度、土壤濕度信息，通過 ZigBee 組建無線區(qū)域網實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸以及對各個節(jié)點的管理。對采集的數(shù)據(jù)進行分析和處理后，可通過控制相應的調控設備從而調節(jié)對應的作物生長環(huán)境。該系統(tǒng)既節(jié)省了大量的人力，同時也提高了作物的產量，具有良好的應用價值。