基于ZigBee與GPRS 的農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計和實(shí)現(xiàn)

張國揚(yáng)，郝萬君，李 澤，陳建鎖，張 偉

（蘇州科技學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 蘇州215009）

近年來隨著大棚農(nóng)業(yè)的蓬勃發(fā)展，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的信息化管理成為了一個重要的研究領(lǐng)域。大棚溫室內(nèi)的土壤濕度、環(huán)境溫濕度、葉面濕度等環(huán)境因素對農(nóng)作物的質(zhì)量以及穩(wěn)產(chǎn)、高產(chǎn)有很大的影響。如何實(shí)時、有效地獲取內(nèi)部各種環(huán)境參數(shù)，為種植過程的科學(xué)灌溉提供數(shù)據(jù)支持，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量，增加經(jīng)濟(jì)收益，具有重大的意義。

針對上述問題，目前常用的方法是人工巡查和有線數(shù)據(jù)采集兩種。人工巡查方式消耗人力、工作量大，且難以保證數(shù)據(jù)的實(shí)時性與有效性。另一種是采用有線通訊的數(shù)據(jù)采集方式監(jiān)測系統(tǒng)，其布線復(fù)雜，且受物理線路和環(huán)境因素影響大，成本高，不適于擴(kuò)展。隨著無線通訊的發(fā)展，以往的有線系統(tǒng)漸漸被無線監(jiān)測系統(tǒng)取代，尤其是近些年我國GPRS/CDMA無線移動網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展以及ZigBee技術(shù)在我國的應(yīng)用，使得開發(fā)一個廉價而低耗的無線系統(tǒng)成為易事[1]。作為一種近距離、低成本、低功耗、低數(shù)據(jù)速率的雙向無線傳輸技術(shù)，被廣泛用于環(huán)境監(jiān)測、交通管理、災(zāi)難預(yù)防等領(lǐng)域，也成為近年來數(shù)字農(nóng)業(yè)研究中的熱點(diǎn)之一[2-4]。 針對農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境監(jiān)測的實(shí)際需求，研制具有多測點(diǎn)、多參數(shù)、可移動、使用便捷的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)具有十分重要的意義。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

大棚溫室監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計成三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，GPRS網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程管理平臺，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)各種環(huán)境參數(shù)的檢測和數(shù)據(jù)的無線傳輸；GPRS網(wǎng)絡(luò)用于數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)以及與Internet無縫連接,遠(yuǎn)程管理平臺可實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的處理、分析、管理。

為了減低成本，此處網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)[5]功能主要是實(shí)現(xiàn)ZigBee的協(xié)調(diào)器與gprs模塊間的通訊。使得協(xié)調(diào)器收到的數(shù)據(jù)能夠通過GPRS模塊傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)上，以此實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由若干終端節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)構(gòu)成。帶有的大量傳感器的ZigBee終端節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)分別放置在大棚的不同地方，各個節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)的感知與采集，數(shù)據(jù)以最短路徑原則沿著其他路由節(jié)點(diǎn)逐跳地進(jìn)行傳輸。每個傳感器節(jié)點(diǎn)的覆蓋范圍必須包含另外兩個節(jié)點(diǎn)，以防傳輸線路中有節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障時，數(shù)據(jù)的傳輸中斷。在傳輸過程中，監(jiān)測數(shù)據(jù)可能被多個節(jié)點(diǎn)處理，多跳到每個簇的匯聚節(jié)點(diǎn)，然后傳到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與遠(yuǎn)程的服務(wù)器采用經(jīng)典的C/S模式[6]實(shí)現(xiàn)通訊，使用者也可根據(jù)需要使用智能手機(jī)作為客戶端，實(shí)現(xiàn)隨時隨地實(shí)時的收集大棚中的環(huán)境參數(shù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，做出判斷與決測。

圖1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Basic structure of the system

2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計

2.1 終端節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計

農(nóng)業(yè)大棚中環(huán)境溫濕度，二氧化碳含量等環(huán)境參數(shù)數(shù)據(jù)對于節(jié)點(diǎn)處理器的處理能力不需要很高的要求，且發(fā)送的數(shù)據(jù)量小。為了降低成本，本系統(tǒng)采用單片CC2530作為處理器，用于數(shù)據(jù)的采集和數(shù)據(jù)的無線通訊。電源模塊則對整個節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行提供能源，以滿足系統(tǒng)中不同模塊對電源的需求，保證正常運(yùn)行。節(jié)點(diǎn)硬件主要結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of the hardware of node

2.1.1 傳感器模塊

傳感器模塊主要由環(huán)境溫濕度、二氧化碳等傳感器等部分組成。土壤濕度傳感器用于監(jiān)測種植區(qū)域的土壤水分，環(huán)境溫濕度傳感器用于監(jiān)測生長環(huán)境中的溫度和濕度，二氧化碳傳感器用于監(jiān)測溫室中的二氧化碳含量，保證植物能在合適環(huán)境中生長。溫濕度傳感器采用SHT11傳感器，它是由工廠校準(zhǔn)，輸出溫度的分辨率為0.01℃，輸出相對濕度的分辨率為0.03%。它提供全量程標(biāo)定的數(shù)字輸出。具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性。傳感器包括一個電容性聚合體濕度敏感元件和一個用能隙材料制成的溫度敏感元件，這兩個敏感元件與一個 14位的 A/D轉(zhuǎn)換器以及一個串行接口電路設(shè)計在同一個芯片上面。該傳感器響應(yīng)超快、抗干擾能力強(qiáng)、極高的性價比。它與單片機(jī)的接口也非常簡單與IIC協(xié)議類似。本系統(tǒng)中對CO2含量監(jiān)測有較高的要求，且傳感器應(yīng)受溫濕度的變化小。這里采用MG811型的二氧化碳傳感器，它主要實(shí)用與空氣質(zhì)量控制系統(tǒng)和溫室二氧化碳濃度檢測。二氧化碳傳感器經(jīng)過高輸入阻抗放大器放大后接入單片機(jī)，利用CC2530內(nèi)部自帶的AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

2.1.2 電源模塊

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中處理器CC2530需要3,3 V供電，而傳感器模塊和放大器等需要5 V供電。為了滿足不同模塊對電源的需求，以及節(jié)點(diǎn)的便捷性。我們采用多節(jié)1.5 V干電池供電，通過LM1117輸出所需的3.3 V和5 V電壓。LM1117是一個低壓差電壓調(diào)節(jié)器系列。其壓差在1,2 V輸出，負(fù)載電流為800 mA時為1.2 V。它有5個固定電壓輸出 （1.8 V，2,5 V，2.85 V，3.3 V和5 V）的型號，此外它還提供電流限制和熱保護(hù)。輸出電壓精度在1%以內(nèi)。設(shè)計時輸出端需要一個至少10 uF的鉭電容來改善瞬時響應(yīng)和穩(wěn)定性。

2.1.3 無線通訊模塊

無線通訊模塊主要采用CC2530芯片和低功耗射頻前端CC2591[7],它主要用于功率放大，大大簡化了射頻電路的設(shè)計。TI公司的CC2591是高性價比和高性能的2.4 GHz RF前端,適合低功耗低電壓2.4 GHz無線應(yīng)用，CC2591的輸出功率高達(dá)22 dBm,集成了開關(guān)，匹配網(wǎng)絡(luò)和平衡/不平衡電路，電感，功率放大器(PA)以及低噪音放大器(LNA)，可以用在所有的2.4 GHz ISM系統(tǒng),無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，無線工業(yè)系統(tǒng)，IEEE 802.15.4和ZigBee系統(tǒng)，無線消費(fèi)類電子系統(tǒng)和無線音頻系統(tǒng)。CC2530與CC2591主要部分硬件連接如圖3所示。

當(dāng)HGM為高電平,表示CC2591接收數(shù)據(jù)時,LNA是高增益模式;當(dāng)HGM為低電平,表示CC2591接收數(shù)據(jù)時,LNA是低增益模式。而EN引腳和PA_EN引腳在CC2591正常工作時候置為高電平,當(dāng)其進(jìn)入低功耗模式時候,將其置為低電平,這樣可以降低功耗。CC2530的I/O端口P1_1,P1_4,P0_7連接 CC2591的HGM、EN、PA_EN引腳實(shí)現(xiàn)由單片機(jī)來控制CC2591。

圖3 CC2530與CC2591主要部分硬件連接圖Fig.3 Hardware connection diagram of the main part of CC2530 and CC2591

2.2 終端節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸采用基于802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee無線傳輸協(xié)議，使用API操作模式。API操作模式通常應(yīng)用于較復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)傳輸,通過改變目標(biāo)地址來實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對多點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸任務(wù),傳輸結(jié)束后返回確認(rèn)信息(或已發(fā)送成功,或發(fā)送失敗)。接收數(shù)據(jù)時可以額外接收到發(fā)送端模塊的發(fā)送信息，對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行遠(yuǎn)程參數(shù)配置后,實(shí)現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)的在線參數(shù)配置[8]，分配系統(tǒng)資源。

當(dāng)協(xié)調(diào)器運(yùn)行后，協(xié)調(diào)器便建立了ZigBee網(wǎng)絡(luò)。周圍的節(jié)點(diǎn)紛紛加入到網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)節(jié)點(diǎn)加入到網(wǎng)絡(luò)中時。這里設(shè)置一些發(fā)送事件（如發(fā)送溫度，濕度等數(shù)據(jù)），在該事件中我們可以調(diào)用傳感器的采集程序，處理完數(shù)據(jù)后便把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的工作過程大體如圖4所示。

圖4 節(jié)點(diǎn)的工作過程流程圖Fig.4 Flow chart of the working process of node

其中sendTheMessage()函數(shù)中調(diào)用傳感器采集程序并對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后調(diào)用AF_DataRequest（）進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送。此外在sendTheMessage()函數(shù)中我們還對數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的判斷， 如果出現(xiàn)異常 （如溫度過高等），設(shè)置osal_start_timerEx(GenericApp_TaskID,SEND_DATA_EVENT,1 000);即1 s發(fā)送一次數(shù)據(jù)；而正常情況下為15 min發(fā)送一次數(shù)據(jù)。這種設(shè)計方法既能實(shí)現(xiàn)低功耗，減輕網(wǎng)絡(luò)的通訊壓力，不至于引發(fā)局部網(wǎng)絡(luò)癱瘓的現(xiàn)象，還可以較好地保證實(shí)時性，提高信息可靠性。

3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的主要任務(wù)是轉(zhuǎn)發(fā)采集的數(shù)據(jù)。它一方面通過ZigBee協(xié)調(diào)器與傳感器網(wǎng)絡(luò)相連接，另一方面通過GPRS通信模塊與Internet外部網(wǎng)絡(luò)連接。實(shí)現(xiàn)兩種協(xié)議直接的轉(zhuǎn)換，發(fā)布遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心的監(jiān)測任務(wù)，也要把收集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到與Internet網(wǎng)絡(luò)相連的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心[7]。GPRS與Internet網(wǎng)絡(luò)的無縫連接，可以達(dá)到數(shù)據(jù)連續(xù)傳輸?shù)哪康?。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)主要由CC2530芯片模塊、GPRS通信模塊以及電源模塊組成，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。GPRS通信采用華為公司的GTM900 GPRS模塊，它是當(dāng)今市場上尺寸最小的三頻GPRS模塊之一,完美地支持語音通信和短消息方式通信的功能，可以用于實(shí)現(xiàn)實(shí)時通信與手機(jī)信息交互的功能，以便及時地處理情況。GTM900內(nèi)嵌的TCP/IP協(xié)議與Internet網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議相同，易與Internet網(wǎng)絡(luò)相連，此外它支持AT命令操作，利用指令A(yù)T%IPOPEN="TCP","219.136.10.247",60000便可建立與Internet連接，便捷了開發(fā)與使用。

圖5 網(wǎng)關(guān)基本框架Fig.5 Gateway of the basic framework

4 管理軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的管理平臺軟件是基于.NET平臺下開發(fā)，使用SOCKET套接字實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議；運(yùn)用C/S模式實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)控制。首先是服務(wù)端設(shè)計，主要是用于數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。當(dāng)服務(wù)端收到來自于網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)時便轉(zhuǎn)發(fā)給其他的客戶端包括電腦客戶端或者智能手機(jī)客戶端。

5 實(shí)驗結(jié)果

為了試驗所搭建的系統(tǒng)的性能，本文選用蘇州市太倉現(xiàn)代農(nóng)業(yè)基地作為試點(diǎn)。選用5個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，一個網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和筆記本電腦形成監(jiān)測平臺。實(shí)驗數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)傳到上位機(jī)，在上位機(jī)上可以實(shí)時看到數(shù)據(jù)，實(shí)驗顯示，在樹林里傳輸距離能夠達(dá)到50 m，可以滿足溫室大棚環(huán)境監(jiān)測的需要。其中服務(wù)端數(shù)據(jù)圖6所示。

圖6 試驗中的服務(wù)端界面圖Fig.6 Server interface figure in the test

6 結(jié)論

本文針對溫室大棚提高產(chǎn)量及質(zhì)量的需求，設(shè)計了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，用于溫室環(huán)境參數(shù)的實(shí)時監(jiān)測。著重介紹了，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)的軟硬件設(shè)計以及通過GPRS技術(shù)遠(yuǎn)程傳輸。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)利用節(jié)點(diǎn)功耗低、工作時間長、成本低等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測，為科學(xué)的種植提供科學(xué)依據(jù)。

[1]王新玲．GPRS抄表系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用[J]．計算機(jī)與信息技術(shù)，2005(9)：61-62．WANG Xin-ling.The development and application of GPRS meter reading system[J].Computer&Information Technology,2005(9)：61-62．

[2]韓華峰.基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2009(7):158-163.HAN Hua-feng.Design and application of ZigBee based telemonitoring system forgreenhouse environmentdata acquisition [J].TransactionsofThe Chinese Society of Agricultural Engineering,2009(7):158-163.

[3]譚澤富，雷國平，蔡黎．GPRS在農(nóng)業(yè)旱情監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[J]．農(nóng)機(jī)化研究，2007(11)：187—189．TAN Ze-fu,LEI Guo-ping,CAI Li.Application research of GPRS technology in agriculture drought monitoring system[J].Journal of Agricultural Mechanization Research,2007(11):187-189.

[4]辛穎，謝光忠，蔣亞東．基于ZigBee協(xié)議的溫度濕度無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[J]．傳感器與微系統(tǒng)，2006，25（7）：37—48，88．XIN Ying,XIE Guang-zhong,JIANG Ya-dong.Wireless temperature and humidity sensor network based on ZigBee protocol[J].Transducer and Microsystem Technologies,2006，25（7）：37—48，88．

[5]章偉聰，俞新武，李忠成.基于CC2530及ZigBee協(xié)議棧設(shè)計無線網(wǎng)絡(luò)傳感器節(jié)點(diǎn) [J].計算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用，2011,20（7）:184-187.ZHANG Wei-cong,YU Xin-wu,LI Zhong-cheng.Wireless network sensor node design based on CC2530 and ZigBee protocol stack[J].Computer Systems＆Applications.2011,20(7):184-187.

[6]師碩，于明，等.Visual C#.NET實(shí)用教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.

[7]蔣峰，趙偉.Zigbee技術(shù)在溫室無線監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].農(nóng)機(jī)化研究，2013(9):218-222.JIANG Feng,ZHAO Wei.ZigBee technology application in green house wirelessmonitoring system [J].Journalof Agricultural Mechanization Research,2013(9):218-222.

[8]沈君黎，朱華，姚明海，等.面向應(yīng)急環(huán)境監(jiān)測的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計[J].機(jī)電工程，2010，27（11）:65-70.SHEN Jun-li,ZHU Hua,YAO Ming-hai.Design of wireless sensor network node for emergency environmental monitoring[J].Mechanical&Electrical Engineering Magazine,2010,27(11):65-70.

[9]侯培國，雷巧玲.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的全氣質(zhì)量藍(lán)測系統(tǒng)[J].工業(yè)儀器與自動化設(shè)備， 2009（3）:109-113.HOU Pei-guo,LEI Qiao-ling.Design of the air quality monitoring system based on WSN[J].Industrial Instrumentation and Automation Equipment,2009（3）:109-113.