一種基于ZigBee網(wǎng)絡的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)設計

引言

隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展，工作效率低下的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)正在逐漸退出市場，現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)智能管理初見端倪，網(wǎng)絡信息技術正滲透農(nóng)業(yè)領域并得到廣泛應用。物聯(lián)網(wǎng)被稱為繼計算機和互聯(lián)網(wǎng)信息產(chǎn)業(yè)后的第三次革命性創(chuàng)新。ZigBee無線傳感網(wǎng)絡通過部署無線傳感器節(jié)點，組建無線傳感網(wǎng)絡，從而進行實時動態(tài)采集農(nóng)作物的生長環(huán)境中的空氣溫濕度、光照強度、一氧化碳量等要素，并借助GPRS移動網(wǎng)絡發(fā)送至終端節(jié)點，從而操控終端設備，形成農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控物聯(lián)網(wǎng)。為了提高管理系統(tǒng)的信息化、智能化管理水平，實現(xiàn)更加安全、方便、快捷、簡單的操控環(huán)境，設計了一套基于ZigBee網(wǎng)絡的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)。

1硬件系統(tǒng)設計

當農(nóng)作物生長環(huán)境中的空氣溫濕度、光照強度等要素發(fā)生改變時，溫濕度傳感器、光敏電阻等傳感器會捕捉到這一變化，并將數(shù)據(jù)傳送到STM32的微處理器，進行數(shù)據(jù)分析處理，通過串口模式將數(shù)據(jù)發(fā)送到以CC2430為ZigBee網(wǎng)絡的終端節(jié)點，各個終端節(jié)點與協(xié)調(diào)器組建無線網(wǎng)絡，同時協(xié)調(diào)器通過串口把數(shù)據(jù)發(fā)送到以STM32與SIM900A構成的網(wǎng)關。最終手機通過短信息的方式查看檢測環(huán)境信息，發(fā)送指令來操控設備。

由此可以看出，該硬件系統(tǒng)主要由三部分組成：第一部分是信息采集處理顯示系統(tǒng)，它由STM32FL03ZET6單片機、溫濕度傳感器、光敏電阻、MQ-7傳感器和TFTLCD顯示屏組成；第二部分是無線傳感網(wǎng)絡，它由ZigBee協(xié)調(diào)器、路由器及終端節(jié)點組成；第三部分是網(wǎng)關及移動收發(fā)設備，它由STM32模塊、SIM900A-GPRS模塊和手機移動設備組成。其系統(tǒng)硬件設計結構如圖1所示。

圖1硬件系統(tǒng)設計結構

ZigBee技術是一種應用于短距離范圍內(nèi)、低傳輸數(shù)據(jù)速率下的無線通信技術在通信狀態(tài)下，終端節(jié)點耗電只有幾十毫瓦左右，工作幾個月只需要一節(jié)干電池，可見低功耗是ZigBee技術的顯著特點。在本設計中系統(tǒng)無線網(wǎng)絡結構采用各個終端節(jié)點通過中心節(jié)點實現(xiàn)星狀連接方式，簡單的組網(wǎng)結構使整體功耗最低叫同時，系統(tǒng)采用中斷喚醒休眠模式，當傳感器數(shù)據(jù)沒有變化時，CC2430進入休眠模式，從而降低成本。

整個系統(tǒng)借助ZigBee無線網(wǎng)絡傳輸監(jiān)控信息，STM32處理器處理各個傳感器采集到的信息，通過串口方式與CC2430芯片進行數(shù)據(jù)通信，構成終端節(jié)點。各終端節(jié)點向協(xié)調(diào)器發(fā)送信息。協(xié)調(diào)器借助STM32網(wǎng)關將數(shù)據(jù)發(fā)送至移動網(wǎng)絡。

本設計中的終端節(jié)點由CC2430模塊、STM32模塊、TFTLCD顯示屏、溫濕度傳感器、MQ-7、光敏電阻和繼電器構成。終端節(jié)點的硬件設計示意圖如圖2所示。

當終端節(jié)點工作時STM32通過搭載各個傳感器可以采集溫濕度、光照強度和一氧化氮含量等要素，對各個數(shù)據(jù)進行

分析處理并顯示在TFTLCD顯示屏上，如果超出軟件預設值則通過串行通信的方式把報警信息傳送給CC2430模塊，經(jīng)ZigBee無線網(wǎng)絡將信息傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器，STM32與SIM900A構成的網(wǎng)關與協(xié)調(diào)器通過串行通信的方式傳輸信息，最終手機通過查看短信來獲取來自終端節(jié)點的變化。手機可發(fā)送指令控制終端節(jié)點的控制設備如繼電器。

圖2終端節(jié)點硬件設計框圖

網(wǎng)關部分由STM32模塊與SI，M900A組成。主控芯片采用32位的STM32F103ZET6高速處理器，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的快速處理與傳輸。它主要有高性能、低成本、低功耗的特點，是同類32位市場上功耗最低的產(chǎn)品。SIM900A是SIMCOM公司的工業(yè)級雙頻GSM/GPRS模塊，可以低功耗實現(xiàn)SMS短信，數(shù)據(jù)和傳真信息的傳輸。支持5?24V的超寬工作范圍。2軟件系統(tǒng)設計

本設計組建無線傳感網(wǎng)絡方案采用ZigBee2006Z-Stack協(xié)議棧，主要由標準物理層（PHY）、媒體訪問控制層（MAC）、網(wǎng)絡層、應用層、和安全服務規(guī)范。根據(jù)不同的功能分別對協(xié)調(diào)器（coordinator）、路由器（router）、終端節(jié)點（end-device）進行軟件設計。

2.1協(xié)調(diào)器的設計

一個ZigBee網(wǎng)絡的建立是由協(xié)調(diào)器所承擔的并且是唯一的，主要負責啟動網(wǎng)絡，并且會協(xié)調(diào)組建網(wǎng)絡中的安全層及其應用層的綁定，整個網(wǎng)絡配置完成后，其退化成路由器。在組建網(wǎng)絡過程中，協(xié)調(diào)器通過節(jié)點成員的加入、網(wǎng)絡地址的分配、網(wǎng)絡鏈表的更新、信息的收集與轉發(fā)等來實現(xiàn)網(wǎng)絡的組建。

2.2終端節(jié)點的設計

終端節(jié)點主要負責采集發(fā)送各個傳感器信息，本次設計通過終端節(jié)點的不同物理地址區(qū)別各個終端節(jié)點的排序，其主要做兩個工作：第一是終端節(jié)點通過各個傳感器采集溫濕度、一氧化碳濃度、光照等要素，然后通過無線傳感網(wǎng)絡發(fā)送到協(xié)調(diào)器；第二是實時準備接受協(xié)調(diào)器的控制命令，收到控制命令后會做出相應的控制如打開水閥開關等。圖3所示為終端節(jié)點STM32處理器軟件設計流程圖。

2.3GSM網(wǎng)關設計

以STM32與SIM900A構成的網(wǎng)關與手機為主的手持終端構成移動網(wǎng)絡。網(wǎng)關與手機之間，網(wǎng)關是主機，手機是從機。

程序采用最大任務數(shù)10個的任務堆棧結構，每次增加一個任務，任務數(shù)增加1，記錄任務內(nèi)容，每次處理一個任務,進行彈棧處理，任務數(shù)自動減1。

網(wǎng)關在收到協(xié)調(diào)器的信息后將信息以SMS短信的方式發(fā)送到手機上，手機得到信息可回復信息，進而控制終端節(jié)點的相關設備。

STM32與SIM900A構成的網(wǎng)關，處理短信收發(fā)任務良好,運行穩(wěn)定。圖4所示為網(wǎng)關軟件設計流程圖。

圖4網(wǎng)關軟件設計流程圖

3實驗結果分析

系統(tǒng)穩(wěn)定是用戶對本次產(chǎn)品設計是否滿意的一個重要因素。經(jīng)過疲勞測試，系統(tǒng)運行穩(wěn)定；本次設計的終端節(jié)點以CC2430、STM32單片機和各類傳感器構成，在各個檢測要素中以溫度為例。當溫度超過軟件預定值時，STM32單片機會向CC2430發(fā)送低電平，當溫度小于軟件預定值時，STM32單片機會向CC2430發(fā)送高電平。

系統(tǒng)中的協(xié)調(diào)器通過各終端節(jié)點的物理地址來判別各個終端節(jié)點的編號，分別終端節(jié)點1、2的物理地址分別為20、40。協(xié)調(diào)器串口連接串口調(diào)試助手檢測實驗結果。當1、2號溫度超標，協(xié)調(diào)器通過串口發(fā)送如圖5所示的“2040溫度超標”當1號超標2號正常，協(xié)調(diào)器通過串口發(fā)送如圖6所示的“20超標40不超標”。

4結語

本設計根據(jù)ZigBee網(wǎng)絡的優(yōu)點，設計了一套組網(wǎng)簡單、組網(wǎng)穩(wěn)定、操作方便的ZigBee無線傳感網(wǎng)絡的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，能夠精確監(jiān)測目標土地的溫濕度、光照強度、一氧化碳含量等要素的變化，并且用戶可以通過GSM網(wǎng)絡收發(fā)實時信息。簡單快捷的操作方式更容易得到用戶的認可，同時系統(tǒng)采用省電模式大大降低了能耗，具備了低成本的優(yōu)勢。

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