一種基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)設(shè)計

呂文龍+孫炎輝+白航+高碧輝

摘 要：詳細(xì)闡明了基于ZigBee技術(shù)設(shè)計的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)的工作原理及整體結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)通過Z-Stack協(xié)議棧組建無線網(wǎng)絡(luò)，以STM32作為處理器來處理各傳感器所采集的溫濕度、光照等作物生長要素數(shù)據(jù)，并將信息借助移動網(wǎng)絡(luò)通過手機(jī)短信的方式發(fā)往相應(yīng)設(shè)備，該方法提高了智能性，降低了操控難度，節(jié)約了成本，并具有安全、方便、可靠、易于維護(hù)等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：ZigBee；農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；嵌入式；無線傳感網(wǎng)；STM32處理器；短信

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2014）07-0078-02

0引言

隨著經(jīng)濟(jì)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[1]，網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)正滲透農(nóng)業(yè)領(lǐng)域并得到廣泛應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)被稱為繼計算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)信息產(chǎn)業(yè)后的第三次革命性創(chuàng)新[2]。ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)通過部署無線傳感器節(jié)點，組建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，從而進(jìn)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(qiáng)度、一氧化碳量等要素，并借助GPRS移動網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至終端節(jié)點，從而操控終端設(shè)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(shè)計了一套基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)。

1硬件系統(tǒng)設(shè)計

當(dāng)農(nóng)作物生長環(huán)境中的空氣溫濕度、光照強(qiáng)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(jìn)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(luò)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(luò)，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(gòu)成的網(wǎng)關(guān)。最終手機(jī)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(shè)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(jī)、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(luò)，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(guān)及移動收發(fā)設(shè)備，它由STM32模塊、SIM900A-GPRS模塊和手機(jī)移動設(shè)備組成。其系統(tǒng)硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1硬件系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)

ZigBee技術(shù)是一種應(yīng)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(shù)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(shù)的顯著特點。在本設(shè)計中系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)使整體功耗最低[3]。同時，系統(tǒng)采用中斷喚醒休眠模式，當(dāng)傳感器數(shù)據(jù)沒有變化時，CC2430進(jìn)入休眠模式[4]，從而降低成本。

整個系統(tǒng)借助ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行數(shù)據(jù)通信，構(gòu)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(guān)將數(shù)據(jù)發(fā)送至移動網(wǎng)絡(luò)。

本設(shè)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(gòu)成。終端節(jié)點的硬件設(shè)計示意圖如圖2所示。

當(dāng)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(qiáng)度和一氧化氮含量等要素，對各個數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并顯示在TFTLCD顯示屏上，如果超出軟件預(yù)設(shè)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(luò)將信息傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器，STM32與SIM900A構(gòu)成的網(wǎng)關(guān)與協(xié)調(diào)器通過串行通信的方式傳輸信息，最終手機(jī)通過查看短信來獲取來自終端節(jié)點的變化。手機(jī)可發(fā)送指令控制終端節(jié)點的控制設(shè)備如繼電器。

圖2終端節(jié)點硬件設(shè)計框圖

網(wǎng)關(guān)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5～24 V的超寬工作范圍。

2軟件系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計組建無線傳感網(wǎng)絡(luò)方案采用ZigBee2006 Z-Stack協(xié)議棧，主要由標(biāo)準(zhǔn)物理層（PHY）、媒體訪問控制層（MAC）、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層、和安全服務(wù)規(guī)范[5]。 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(jìn)行軟件設(shè)計。

2.1協(xié)調(diào)器的設(shè)計

一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立是由協(xié)調(diào)器所承擔(dān)的并且是唯一的，主要負(fù)責(zé)啟動網(wǎng)絡(luò)，并且會協(xié)調(diào)組建網(wǎng)絡(luò)中的安全層及其應(yīng)用層的綁定，整個網(wǎng)絡(luò)配置完成后，其退化成路由器[6]。在組建網(wǎng)絡(luò)過程中，協(xié)調(diào)器通過節(jié)點成員的加入、網(wǎng)絡(luò)地址的分配、網(wǎng)絡(luò)鏈表的更新、信息的收集與轉(zhuǎn)發(fā)等來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的組建。

2.2終端節(jié)點的設(shè)計

終端節(jié)點主要負(fù)責(zé)采集發(fā)送各個傳感器信息，本次設(shè)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(luò)發(fā)送到協(xié)調(diào)器；第二是實時準(zhǔn)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(yīng)的控制如打開水閥開關(guān)等。圖3所示為終端節(jié)點STM32處理器軟件設(shè)計流程圖。

2.3GSM網(wǎng)關(guān)設(shè)計

以STM32與SIM900A構(gòu)成的網(wǎng)關(guān)與手機(jī)為主的手持終端構(gòu)成移動網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)關(guān)與手機(jī)之間，網(wǎng)關(guān)是主機(jī)，手機(jī)是從機(jī)。

圖3終端節(jié)點STM32處理器軟件設(shè)計流程圖

程序采用最大任務(wù)數(shù)10個的任務(wù)堆棧結(jié)構(gòu)，每次增加一個任務(wù)，任務(wù)數(shù)增加1，記錄任務(wù)內(nèi)容，每次處理一個任務(wù)，進(jìn)行彈棧處理，任務(wù)數(shù)自動減1。

網(wǎng)關(guān)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(jī)上，手機(jī)得到信息可回復(fù)信息，進(jìn)而控制終端節(jié)點的相關(guān)設(shè)備。

STM32與SIM900A構(gòu)成的網(wǎng)關(guān)，處理短信收發(fā)任務(wù)良好，運(yùn)行穩(wěn)定。圖4所示為網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計流程圖。

圖4網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計流程圖

3實驗結(jié)果分析

系統(tǒng)穩(wěn)定是用戶對本次產(chǎn)品設(shè)計是否滿意的一個重要因素。經(jīng)過疲勞測試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定；本次設(shè)計的終端節(jié)點以CC2430、STM32單片機(jī)和各類傳感器構(gòu)成，在各個檢測要素中以溫度為例。當(dāng)溫度超過軟件預(yù)定值時，STM32單片機(jī)會向CC2430發(fā)送低電平，當(dāng)溫度小于軟件預(yù)定值時，STM32單片機(jī)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(jié)果。當(dāng)1、2號溫度超標(biāo)，協(xié)調(diào)器通過串口發(fā)送如圖5所示的 “2040溫度超標(biāo)”。當(dāng)1號超標(biāo)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(biāo)40不超標(biāo)”。

圖52040溫度超標(biāo)圖 圖620超標(biāo)40不超標(biāo)圖

4結(jié)語

本設(shè)計根據(jù)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點，設(shè)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(luò)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，能夠精確監(jiān)測目標(biāo)土地的溫濕度、光照強(qiáng)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(luò)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(rèn)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。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]張琛馳. 對我國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的思考[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技， 2012（22）： 34，351.

[2]劉愛軍. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)現(xiàn)狀及應(yīng)用前景展望[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2012，2（1）：69-73.

[3]高守瑋，吳燦陽. ZigBee技術(shù)實踐教程-基于CC2430/31的無心傳感器網(wǎng)絡(luò)解決方案[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

[4]楊登強(qiáng)，王玉杰. 基于ZigBee技術(shù)的只能停車場系統(tǒng)研究[J]. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2012，2（8）：44-47.

[5] YU Ning ，WANG Jiangwen，WU Yinfeng.Localization Algorithm in Wireless Sensor Networks.Chinese Hournal of Sensors and Actuators[J].2007，20（1）：187-192.

作者簡介：呂文龍（1990—）， 男，內(nèi)蒙古包頭人，本科，學(xué)士學(xué)位。主要研究方向為無線傳感網(wǎng)絡(luò)；

孫炎輝（1982—），男，回族，河南洛陽人，碩士研究生。主要研究方向為無線傳感網(wǎng)絡(luò)。

————————————————

收稿日期：2014-04-08

摘 要：詳細(xì)闡明了基于ZigBee技術(shù)設(shè)計的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)的工作原理及整體結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)通過Z-Stack協(xié)議棧組建無線網(wǎng)絡(luò)，以STM32作為處理器來處理各傳感器所采集的溫濕度、光照等作物生長要素數(shù)據(jù)，并將信息借助移動網(wǎng)絡(luò)通過手機(jī)短信的方式發(fā)往相應(yīng)設(shè)備，該方法提高了智能性，降低了操控難度，節(jié)約了成本，并具有安全、方便、可靠、易于維護(hù)等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：ZigBee；農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；嵌入式；無線傳感網(wǎng)；STM32處理器；短信

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2014）07-0078-02

0引言

隨著經(jīng)濟(jì)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[1]，網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)正滲透農(nóng)業(yè)領(lǐng)域并得到廣泛應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)被稱為繼計算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)信息產(chǎn)業(yè)后的第三次革命性創(chuàng)新[2]。ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)通過部署無線傳感器節(jié)點，組建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，從而進(jìn)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(qiáng)度、一氧化碳量等要素，并借助GPRS移動網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至終端節(jié)點，從而操控終端設(shè)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(shè)計了一套基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)。

1硬件系統(tǒng)設(shè)計

當(dāng)農(nóng)作物生長環(huán)境中的空氣溫濕度、光照強(qiáng)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(jìn)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(luò)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(luò)，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(gòu)成的網(wǎng)關(guān)。最終手機(jī)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(shè)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(jī)、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(luò)，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(guān)及移動收發(fā)設(shè)備，它由STM32模塊、SIM900A-GPRS模塊和手機(jī)移動設(shè)備組成。其系統(tǒng)硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1硬件系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)

ZigBee技術(shù)是一種應(yīng)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(shù)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(shù)的顯著特點。在本設(shè)計中系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)使整體功耗最低[3]。同時，系統(tǒng)采用中斷喚醒休眠模式，當(dāng)傳感器數(shù)據(jù)沒有變化時，CC2430進(jìn)入休眠模式[4]，從而降低成本。

整個系統(tǒng)借助ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行數(shù)據(jù)通信，構(gòu)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(guān)將數(shù)據(jù)發(fā)送至移動網(wǎng)絡(luò)。

本設(shè)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(gòu)成。終端節(jié)點的硬件設(shè)計示意圖如圖2所示。

當(dāng)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(qiáng)度和一氧化氮含量等要素，對各個數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并顯示在TFTLCD顯示屏上，如果超出軟件預(yù)設(shè)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(luò)將信息傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器，STM32與SIM900A構(gòu)成的網(wǎng)關(guān)與協(xié)調(diào)器通過串行通信的方式傳輸信息，最終手機(jī)通過查看短信來獲取來自終端節(jié)點的變化。手機(jī)可發(fā)送指令控制終端節(jié)點的控制設(shè)備如繼電器。

圖2終端節(jié)點硬件設(shè)計框圖

網(wǎng)關(guān)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5～24 V的超寬工作范圍。

2軟件系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計組建無線傳感網(wǎng)絡(luò)方案采用ZigBee2006 Z-Stack協(xié)議棧，主要由標(biāo)準(zhǔn)物理層（PHY）、媒體訪問控制層（MAC）、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層、和安全服務(wù)規(guī)范[5]。 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(jìn)行軟件設(shè)計。

2.1協(xié)調(diào)器的設(shè)計

一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立是由協(xié)調(diào)器所承擔(dān)的并且是唯一的，主要負(fù)責(zé)啟動網(wǎng)絡(luò)，并且會協(xié)調(diào)組建網(wǎng)絡(luò)中的安全層及其應(yīng)用層的綁定，整個網(wǎng)絡(luò)配置完成后，其退化成路由器[6]。在組建網(wǎng)絡(luò)過程中，協(xié)調(diào)器通過節(jié)點成員的加入、網(wǎng)絡(luò)地址的分配、網(wǎng)絡(luò)鏈表的更新、信息的收集與轉(zhuǎn)發(fā)等來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的組建。

2.2終端節(jié)點的設(shè)計

終端節(jié)點主要負(fù)責(zé)采集發(fā)送各個傳感器信息，本次設(shè)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(luò)發(fā)送到協(xié)調(diào)器；第二是實時準(zhǔn)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(yīng)的控制如打開水閥開關(guān)等。圖3所示為終端節(jié)點STM32處理器軟件設(shè)計流程圖。

2.3GSM網(wǎng)關(guān)設(shè)計

以STM32與SIM900A構(gòu)成的網(wǎng)關(guān)與手機(jī)為主的手持終端構(gòu)成移動網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)關(guān)與手機(jī)之間，網(wǎng)關(guān)是主機(jī)，手機(jī)是從機(jī)。

圖3終端節(jié)點STM32處理器軟件設(shè)計流程圖

程序采用最大任務(wù)數(shù)10個的任務(wù)堆棧結(jié)構(gòu)，每次增加一個任務(wù)，任務(wù)數(shù)增加1，記錄任務(wù)內(nèi)容，每次處理一個任務(wù)，進(jìn)行彈棧處理，任務(wù)數(shù)自動減1。

網(wǎng)關(guān)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(jī)上，手機(jī)得到信息可回復(fù)信息，進(jìn)而控制終端節(jié)點的相關(guān)設(shè)備。

STM32與SIM900A構(gòu)成的網(wǎng)關(guān)，處理短信收發(fā)任務(wù)良好，運(yùn)行穩(wěn)定。圖4所示為網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計流程圖。

圖4網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計流程圖

3實驗結(jié)果分析

系統(tǒng)穩(wěn)定是用戶對本次產(chǎn)品設(shè)計是否滿意的一個重要因素。經(jīng)過疲勞測試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定；本次設(shè)計的終端節(jié)點以CC2430、STM32單片機(jī)和各類傳感器構(gòu)成，在各個檢測要素中以溫度為例。當(dāng)溫度超過軟件預(yù)定值時，STM32單片機(jī)會向CC2430發(fā)送低電平，當(dāng)溫度小于軟件預(yù)定值時，STM32單片機(jī)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(jié)果。當(dāng)1、2號溫度超標(biāo)，協(xié)調(diào)器通過串口發(fā)送如圖5所示的 “2040溫度超標(biāo)”。當(dāng)1號超標(biāo)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(biāo)40不超標(biāo)”。

圖52040溫度超標(biāo)圖 圖620超標(biāo)40不超標(biāo)圖

4結(jié)語

本設(shè)計根據(jù)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點，設(shè)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(luò)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，能夠精確監(jiān)測目標(biāo)土地的溫濕度、光照強(qiáng)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(luò)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(rèn)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。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]張琛馳. 對我國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的思考[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技， 2012（22）： 34，351.

[2]劉愛軍. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)現(xiàn)狀及應(yīng)用前景展望[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2012，2（1）：69-73.

[3]高守瑋，吳燦陽. ZigBee技術(shù)實踐教程-基于CC2430/31的無心傳感器網(wǎng)絡(luò)解決方案[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

[4]楊登強(qiáng)，王玉杰. 基于ZigBee技術(shù)的只能停車場系統(tǒng)研究[J]. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2012，2（8）：44-47.

[5] YU Ning ，WANG Jiangwen，WU Yinfeng.Localization Algorithm in Wireless Sensor Networks.Chinese Hournal of Sensors and Actuators[J].2007，20（1）：187-192.

作者簡介：呂文龍（1990—）， 男，內(nèi)蒙古包頭人，本科，學(xué)士學(xué)位。主要研究方向為無線傳感網(wǎng)絡(luò)；

孫炎輝（1982—），男，回族，河南洛陽人，碩士研究生。主要研究方向為無線傳感網(wǎng)絡(luò)。

————————————————

收稿日期：2014-04-08

摘 要：詳細(xì)闡明了基于ZigBee技術(shù)設(shè)計的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)的工作原理及整體結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)通過Z-Stack協(xié)議棧組建無線網(wǎng)絡(luò)，以STM32作為處理器來處理各傳感器所采集的溫濕度、光照等作物生長要素數(shù)據(jù)，并將信息借助移動網(wǎng)絡(luò)通過手機(jī)短信的方式發(fā)往相應(yīng)設(shè)備，該方法提高了智能性，降低了操控難度，節(jié)約了成本，并具有安全、方便、可靠、易于維護(hù)等優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：ZigBee；農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；嵌入式；無線傳感網(wǎng)；STM32處理器；短信

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：2095-1302（2014）07-0078-02

0引言

隨著經(jīng)濟(jì)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[1]，網(wǎng)絡(luò)信息技術(shù)正滲透農(nóng)業(yè)領(lǐng)域并得到廣泛應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)被稱為繼計算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)信息產(chǎn)業(yè)后的第三次革命性創(chuàng)新[2]。ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)通過部署無線傳感器節(jié)點，組建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，從而進(jìn)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(qiáng)度、一氧化碳量等要素，并借助GPRS移動網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至終端節(jié)點，從而操控終端設(shè)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(shè)計了一套基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)管理系統(tǒng)。

1硬件系統(tǒng)設(shè)計

當(dāng)農(nóng)作物生長環(huán)境中的空氣溫濕度、光照強(qiáng)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(jìn)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(luò)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(luò)，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(gòu)成的網(wǎng)關(guān)。最終手機(jī)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(shè)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(jī)、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(luò)，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(guān)及移動收發(fā)設(shè)備，它由STM32模塊、SIM900A-GPRS模塊和手機(jī)移動設(shè)備組成。其系統(tǒng)硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1硬件系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)

ZigBee技術(shù)是一種應(yīng)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(shù)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(shù)的顯著特點。在本設(shè)計中系統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)使整體功耗最低[3]。同時，系統(tǒng)采用中斷喚醒休眠模式，當(dāng)傳感器數(shù)據(jù)沒有變化時，CC2430進(jìn)入休眠模式[4]，從而降低成本。

整個系統(tǒng)借助ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行數(shù)據(jù)通信，構(gòu)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(guān)將數(shù)據(jù)發(fā)送至移動網(wǎng)絡(luò)。

本設(shè)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(gòu)成。終端節(jié)點的硬件設(shè)計示意圖如圖2所示。

當(dāng)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(qiáng)度和一氧化氮含量等要素，對各個數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并顯示在TFTLCD顯示屏上，如果超出軟件預(yù)設(shè)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(luò)將信息傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器，STM32與SIM900A構(gòu)成的網(wǎng)關(guān)與協(xié)調(diào)器通過串行通信的方式傳輸信息，最終手機(jī)通過查看短信來獲取來自終端節(jié)點的變化。手機(jī)可發(fā)送指令控制終端節(jié)點的控制設(shè)備如繼電器。

圖2終端節(jié)點硬件設(shè)計框圖

網(wǎng)關(guān)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5～24 V的超寬工作范圍。

2軟件系統(tǒng)設(shè)計

本設(shè)計組建無線傳感網(wǎng)絡(luò)方案采用ZigBee2006 Z-Stack協(xié)議棧，主要由標(biāo)準(zhǔn)物理層（PHY）、媒體訪問控制層（MAC）、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層、和安全服務(wù)規(guī)范[5]。 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(jìn)行軟件設(shè)計。

2.1協(xié)調(diào)器的設(shè)計

一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立是由協(xié)調(diào)器所承擔(dān)的并且是唯一的，主要負(fù)責(zé)啟動網(wǎng)絡(luò)，并且會協(xié)調(diào)組建網(wǎng)絡(luò)中的安全層及其應(yīng)用層的綁定，整個網(wǎng)絡(luò)配置完成后，其退化成路由器[6]。在組建網(wǎng)絡(luò)過程中，協(xié)調(diào)器通過節(jié)點成員的加入、網(wǎng)絡(luò)地址的分配、網(wǎng)絡(luò)鏈表的更新、信息的收集與轉(zhuǎn)發(fā)等來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的組建。

2.2終端節(jié)點的設(shè)計

終端節(jié)點主要負(fù)責(zé)采集發(fā)送各個傳感器信息，本次設(shè)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(luò)發(fā)送到協(xié)調(diào)器；第二是實時準(zhǔn)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(yīng)的控制如打開水閥開關(guān)等。圖3所示為終端節(jié)點STM32處理器軟件設(shè)計流程圖。

2.3GSM網(wǎng)關(guān)設(shè)計

以STM32與SIM900A構(gòu)成的網(wǎng)關(guān)與手機(jī)為主的手持終端構(gòu)成移動網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)關(guān)與手機(jī)之間，網(wǎng)關(guān)是主機(jī)，手機(jī)是從機(jī)。

圖3終端節(jié)點STM32處理器軟件設(shè)計流程圖

程序采用最大任務(wù)數(shù)10個的任務(wù)堆棧結(jié)構(gòu)，每次增加一個任務(wù)，任務(wù)數(shù)增加1，記錄任務(wù)內(nèi)容，每次處理一個任務(wù)，進(jìn)行彈棧處理，任務(wù)數(shù)自動減1。

網(wǎng)關(guān)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(jī)上，手機(jī)得到信息可回復(fù)信息，進(jìn)而控制終端節(jié)點的相關(guān)設(shè)備。

STM32與SIM900A構(gòu)成的網(wǎng)關(guān)，處理短信收發(fā)任務(wù)良好，運(yùn)行穩(wěn)定。圖4所示為網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計流程圖。

圖4網(wǎng)關(guān)軟件設(shè)計流程圖

3實驗結(jié)果分析

系統(tǒng)穩(wěn)定是用戶對本次產(chǎn)品設(shè)計是否滿意的一個重要因素。經(jīng)過疲勞測試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定；本次設(shè)計的終端節(jié)點以CC2430、STM32單片機(jī)和各類傳感器構(gòu)成，在各個檢測要素中以溫度為例。當(dāng)溫度超過軟件預(yù)定值時，STM32單片機(jī)會向CC2430發(fā)送低電平，當(dāng)溫度小于軟件預(yù)定值時，STM32單片機(jī)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(jié)果。當(dāng)1、2號溫度超標(biāo)，協(xié)調(diào)器通過串口發(fā)送如圖5所示的 “2040溫度超標(biāo)”。當(dāng)1號超標(biāo)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(biāo)40不超標(biāo)”。

圖52040溫度超標(biāo)圖 圖620超標(biāo)40不超標(biāo)圖

4結(jié)語

本設(shè)計根據(jù)ZigBee網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點，設(shè)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(luò)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，能夠精確監(jiān)測目標(biāo)土地的溫濕度、光照強(qiáng)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(luò)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(rèn)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。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]張琛馳. 對我國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的思考[J]. 現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技， 2012（22）： 34，351.

[2]劉愛軍. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)現(xiàn)狀及應(yīng)用前景展望[J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2012，2（1）：69-73.

[3]高守瑋，吳燦陽. ZigBee技術(shù)實踐教程-基于CC2430/31的無心傳感器網(wǎng)絡(luò)解決方案[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009.

[4]楊登強(qiáng)，王玉杰. 基于ZigBee技術(shù)的只能停車場系統(tǒng)研究[J]. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2012，2（8）：44-47.

[5] YU Ning ，WANG Jiangwen，WU Yinfeng.Localization Algorithm in Wireless Sensor Networks.Chinese Hournal of Sensors and Actuators[J].2007，20（1）：187-192.

作者簡介：呂文龍（1990—）， 男，內(nèi)蒙古包頭人，本科，學(xué)士學(xué)位。主要研究方向為無線傳感網(wǎng)絡(luò)；

孫炎輝（1982—），男，回族，河南洛陽人，碩士研究生。主要研究方向為無線傳感網(wǎng)絡(luò)。

————————————————

收稿日期：2014-04-08