基于ARM與Zigbee的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

宋倩怡

（華北電力大學(xué)控制與計算機工程學(xué)院，北京 昌平 102206）

現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)相對于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的技術(shù)上有很大的變化，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)多數(shù)為直接引江河的水進(jìn)行灌溉，進(jìn)行“天然調(diào)節(jié)”管理，沒有監(jiān)測水質(zhì)是否適合農(nóng)作物生長，對于土壤溫濕度更是沒有進(jìn)行相應(yīng)的監(jiān)控。我們都知道，土壤的溫度及濕度對于農(nóng)作物的除了生長還有對于開花結(jié)果有很大影響。除此之外，二氧化碳濃度，光照等都是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)進(jìn)行相應(yīng)檢測調(diào)節(jié)的首要。

借助于計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和微電子技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展，傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)人工監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)逐步發(fā)展為在線監(jiān)測系統(tǒng)，這種新的監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)實時傳輸，并且具有運行穩(wěn)定、可靠的特點。但是，數(shù)據(jù)傳輸多采用有線網(wǎng)絡(luò)，存在布線繁瑣、維護(hù)困難、成本過高等問題。為了優(yōu)化在線農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)，本文討論將基于ARM嵌入式技術(shù)以及Zigbee 技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通信技術(shù)，現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)等先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合的現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)。

1 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測技術(shù)

1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

目前的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種全新的信息獲取及處理模式，基本上是在監(jiān)測區(qū)域部署大量具有感知、處理和進(jìn)行無線通信能力的傳感器節(jié)點，這些節(jié)點通過自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。結(jié)合了嵌入式計算機技術(shù)、無線通信技術(shù)、分布式信息處理技術(shù)、微電子技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，能實現(xiàn)自主完成監(jiān)測，自主發(fā)現(xiàn)、識別與跟蹤目標(biāo)，廣泛應(yīng)用于軍事、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療監(jiān)護(hù)以及智能家居等領(lǐng)域。目前在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較少，所以發(fā)展此項技術(shù)具有廣闊的前景。

1.2 Zigbee技術(shù)

ZigBee技術(shù)[1-4]是一種距離短、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本支持大量節(jié)點的雙向無線通信技術(shù), 主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。ZigBee可工作在2.4GHz、868MHz和915 MHz等3個頻段上，傳輸速率分別是250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s，傳輸距離在10-75m的范圍內(nèi)，但可以繼續(xù)增加。Zigbee的基礎(chǔ)是IEEE 802.15.4，但其擴展了IEEE，對其 網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化，定義了一個靈活、安全的網(wǎng)絡(luò)層。此外， ZigBee 聯(lián)盟還制定了應(yīng)用接口層、高層應(yīng)用規(guī)范等。

1.3 嵌入式系統(tǒng)

一些軟硬件可裁剪，功能、可靠性、成本、體積、功耗要求嚴(yán)格的專用計算機系統(tǒng)，都使用嵌入式系統(tǒng)[5-7]。嵌入式系統(tǒng)運用廣泛，大到飛機汽車，小到手表等設(shè)備，嵌入式系統(tǒng)以其易操作易移植的特性得到了寵幸。嵌入式操作系統(tǒng)中操作系統(tǒng)實現(xiàn)簡單，多數(shù)以單程序便可以實現(xiàn)整個系統(tǒng)控制邏輯。

1.4 ARM微處理器

ARM微處理器具有強大的處理能力和極低的功耗，隨著其功能的增強和完善，在工控領(lǐng)域某些方面可以取代原先X86架構(gòu)的單片機。本文用的是ARM920T，ARM920T的32位微處理器結(jié)構(gòu)以極低的功耗提供優(yōu)異的性能。16K指令高速緩存和16K數(shù)據(jù)高速緩存可為現(xiàn)有的程序和數(shù)據(jù)提供零等待時間，或者也可被鎖定，以確保對關(guān)鍵指令和數(shù)據(jù)的無延遲存取。

2 系統(tǒng)功能及總體設(shè)計

2.1 水質(zhì)、土壤溫濕度、光照、二氧化碳濃度監(jiān)測

本系統(tǒng)主要是實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)上作物生長環(huán)境的的監(jiān)控，其中包括對水質(zhì)的綜合檢測及土壤溫濕度以及必要時的二氧化碳的監(jiān)測控制。在某一區(qū)域內(nèi)部署一定量的監(jiān)測傳感器節(jié)點，由節(jié)點與節(jié)點之間自行協(xié)調(diào)并組成通信網(wǎng)絡(luò)，以獲取相應(yīng)信息，并經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點連接 Zigbee網(wǎng)絡(luò)，由Zigbee網(wǎng)絡(luò)傳送到ARM9處理器并通過處理后由Internet上傳到網(wǎng)絡(luò)到終端PC機上。同樣，在農(nóng)作物下的適當(dāng)位置安置溫度及濕度傳感器，同樣由Zigbee無線模塊傳送到處理器進(jìn)行處理。在特殊特殊環(huán)境，特別是溫室大棚，還需要對光照及二氧化碳的濃度進(jìn)行檢測，以便進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)及數(shù)據(jù)傳送。

2.2 操作系統(tǒng)

本系統(tǒng)采用WinCE操作系統(tǒng)作為嵌入式控制系統(tǒng)，其資源豐富，網(wǎng)絡(luò)功能強大，圖形化界面成熟，有著很好的開發(fā)移植性。該系統(tǒng)采用的嵌入式操作系統(tǒng)已ARM為核心處理，通過 Zigbee網(wǎng)絡(luò)傳送過來的數(shù)據(jù)對水質(zhì)污染的告警及土壤溫濕度、大棚光照二氧化碳濃度進(jìn)行自動控制，穩(wěn)定性好，處理效率高。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

3.1 編譯環(huán)境

嵌入式移動平臺的基礎(chǔ)是 WinCE系統(tǒng)，由開放內(nèi)核WinCE6.0提供全面的源代碼，開發(fā)者可以編譯并構(gòu)建自己的代碼和獨特的操作系統(tǒng)。將開發(fā)板通過USB線與PC機連接，啟動同步工具，在PC機上的VS2005進(jìn)行c++程序的編寫，在線調(diào)試完成后生成解決方案，下載到開發(fā)板即可。

3.2 接口驅(qū)動程序設(shè)計

驅(qū)動程序原理如圖1所示。應(yīng)用程序開發(fā)者通過嵌入式內(nèi)核函數(shù)和硬件層進(jìn)行交互。WinCE的流動式驅(qū)動面向的是各種各樣的外設(shè)，最終的dll文件可以導(dǎo)出各種標(biāo)準(zhǔn)流式接口函數(shù)，應(yīng)用程序使用文件API對設(shè)備進(jìn)行訪問。

圖1 驅(qū)動程序原理圖

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計

4.1 整體硬件結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)中主要體現(xiàn)兩個方面，即ZigBee構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)。另外，測控I/O模塊實行標(biāo)準(zhǔn)測控電壓電流規(guī)格定義，ZigBee無線技術(shù)可實現(xiàn)簡單的擴展，具有優(yōu)越的監(jiān)控自處理性能。

本系統(tǒng)設(shè)計了基于ARM9嵌入式的硬件平臺，外圍擴展設(shè)計有數(shù)字（模擬）量輸出、輸入以及Zigbee無線處理模塊。硬件平臺主要有嵌入式主控平臺和無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊等。其中，還預(yù)留了可擴展I/O口。硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

4.2 AMR主控模塊

系統(tǒng)芯片是ARM920T—16/32位的微處理器，作為嵌入式系統(tǒng)的主控硬件平臺的核心。

系統(tǒng)核心芯片是Samsung公司生產(chǎn)的基于ARM920T 微處理器S3C2440A，系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 核心板系統(tǒng)框圖

4.3 串行接口模塊

本系統(tǒng)的串口用于前期設(shè)備調(diào)試及與無線模塊的通信，在與PC機連接調(diào)試時，其引出腳電平需進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換，而與無線模塊通信則可直接相連。同時，可以在Linux內(nèi)核串口驅(qū)動的基礎(chǔ)上修改為ZigBee的數(shù)據(jù)收發(fā)驅(qū)動。

4.4 I/O口設(shè)計

本系統(tǒng)實現(xiàn)了8路數(shù)字量的輸入和輸出，其中采用CH573對數(shù)字量輸出進(jìn)行鎖存并控制CH573的鎖存信號，采用CH245對輸入量進(jìn)行選通并控制CH245的片選信號，實現(xiàn)輸出量和輸入量的復(fù)用。

在本系統(tǒng)中A/D實現(xiàn)4路12位模擬量采樣輸入，采用TI公司生產(chǎn)的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS7818；系統(tǒng)D/A實現(xiàn)2路 12位模擬量輸出，采用 TI公司的 12位數(shù)模轉(zhuǎn)換器TLV5636。上述兩款芯片均為SPI接口，可直接掛接到處理器的SPI總線接口上，使用方便。

4.5 Zigbee無線模塊

本系統(tǒng)的Zigbee無線模塊，采用的芯片為CC2430，內(nèi)置了增強型的8051內(nèi)核，具有8 KB SDRAM，128 KB閃存采用串行接口與ARM系統(tǒng)通信，能夠滿足信息量的傳輸。本模塊只需加上電源電路、晶振電路、天線，無需其它外部擴展即可配置為FFD(全功能器件)或RFD(簡化功能器件)。

5 實驗結(jié)果

測試系統(tǒng)在某一溫室大棚里的工作狀態(tài)，溫度與濕度實驗溫室大棚中進(jìn)行，實驗中設(shè)置四個無線傳感器終端節(jié)點，將各自所在區(qū)域的溫度與濕度采集后傳送到匯聚節(jié)點。系統(tǒng)在某一時段監(jiān)測獲得的數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 實驗結(jié)果

6 結(jié)束語

根據(jù)系統(tǒng)的需要，農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測方案基于 ZigBee 技術(shù)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和ARM嵌入式操作系統(tǒng)，具有成本低、數(shù)據(jù)傳輸可靠、功耗低、易于實現(xiàn)監(jiān)控等特點，系統(tǒng)的可擴展性、移動性得到提高，設(shè)備維護(hù)成本大大降低。同時應(yīng)用ARM強大的穩(wěn)定處理能力及易操作的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計了相應(yīng)的應(yīng)用程序，使系統(tǒng)運用簡單，易操作，能為當(dāng)前傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化轉(zhuǎn)變發(fā)揮效用。

[1] 姚春.ZigBee在大數(shù)量節(jié)點應(yīng)用中的問題研究[J].嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2009,(1):3-5.

[2] 李銀華,姬光鋒,韓郡業(yè).無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].自動化儀表,2010(10):61-64.

[3] 魯照權(quán),黃梅初,杜征,等.基于 ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的大棚種植溫度監(jiān)測系統(tǒng)[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2008(13):5682-5684.

[4] 王福祿,房俊龍,張喜海.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的溫室環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用,2009(10):61-63.

[5] 劉良,賴萬昌,等.基于 ARM9 的 GPRS 圖像傳輸系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機工程與設(shè)計,2010,31(7): 1477-1480.

[6] 王謙,孫忠富,李秀紅,等.基于嵌入式系統(tǒng)的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J].微計算機信息,2006(23):46-48,81.

[7] 池俊亞,朱景福,王熙,等.基于 ARM及 GSM 的農(nóng)田環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].農(nóng)機化研究,2008(4):108-110.