基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

高云++褚夫帥++劉杰

摘要：該文立足農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)特點，運用zigbee技術(shù)研究一種基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，可以實現(xiàn)多地點的空氣溫度、濕度、光照強度等多參數(shù)實時在線監(jiān)控。主要研究感知層的 ZigBee 感知節(jié)點，能實現(xiàn)多參數(shù)綜合采集。

關(guān)鍵詞：農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；環(huán)境監(jiān)測；Zigbee

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）17-0192-02

基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)具備的基本特征有：

1）要穩(wěn)定可靠地實現(xiàn)多位置、多數(shù)據(jù)的監(jiān)控。多位置指的是在需要監(jiān)控的多處區(qū)域安裝多個感知終端節(jié)點；多數(shù)據(jù)指的是感知節(jié)點要獲取到多個重要的監(jiān)測參數(shù)，來全面衡量農(nóng)業(yè)環(huán)境。

2）有效控制成本、提高工作效率、系統(tǒng)性能穩(wěn)定是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的重要特征。成本是農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)能夠推行的重要因素；高效可靠的數(shù)據(jù)采集和處理能力是系統(tǒng)廣泛推廣的前提條件。

3）在可操作性上，考慮到我國從業(yè)農(nóng)民主體上文化程度不高，應(yīng)當盡量降低用戶使用“門檻”。從系統(tǒng)在農(nóng)業(yè)田間安裝、管理和維護，到用戶使用，每個環(huán)節(jié)都應(yīng)簡單易用，以提高農(nóng)民使用的積極性。

Zigbee無線通信技術(shù)是新一代低功耗無線網(wǎng)絡(luò)通信方式，由于其本身具有51內(nèi)核，所以在處理上可以實現(xiàn)引腳擴展操作。本系統(tǒng)采用TI（德州儀器）開發(fā)的Zstack協(xié)議棧架構(gòu)為基礎(chǔ)，主要在APP層接入傳感器的數(shù)據(jù)采集模塊，把采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為所需要的數(shù)字量，之后由終端節(jié)點傳送至協(xié)調(diào)器節(jié)點，即借助其無線功能實現(xiàn)多點無線通信。

基于 ZigBee 技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)組建是構(gòu)建系統(tǒng)感知層的重要工作。將基于ZigBee芯片的無線網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊嵌入到底板中，組成基于ZigBee技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。Zigbee網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的是系統(tǒng)自動組網(wǎng)，協(xié)調(diào)器會自動的分配給終端節(jié)點一個網(wǎng)絡(luò)地址。為了實現(xiàn)多點的同步操作，在指令發(fā)送時采用廣播模式，所有終端均可接收來自協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)指令并進行處理，外接繼電器實現(xiàn)對外圍電路的驅(qū)動。

1 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計

無線傳感器數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)的功能是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的組建和感知數(shù)據(jù)的采集，由傳感器節(jié)點在硬件的基礎(chǔ)上基于ZigBee無線通信協(xié)議組建Mesh網(wǎng)絡(luò)。傳感器節(jié)點又分為終端節(jié)點、路由器節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點。終端節(jié)點實時采集溫度、濕度、光照強度、二氧化碳濃度等環(huán)境參數(shù)，經(jīng)由路由節(jié)點，數(shù)據(jù)以多跳中繼的方式傳達至協(xié)調(diào)器節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點再通過串口，將數(shù)據(jù)傳至上位機。

CC2530部分是傳感器節(jié)點的處理器模塊，也可以稱作是數(shù)據(jù)控制處理模塊，是傳感器節(jié)點的核心模塊。JTAG接口輔助完成對芯片的測試和板控程序的下載。LED模塊實現(xiàn)對節(jié)點的操作控制以及工作狀態(tài)顯示的功能。無線收發(fā)模塊負責完成各種控制指令的交互和感知數(shù)據(jù)的傳輸。串口通信模塊，直接通過串口線連接計算機，完成數(shù)據(jù)由傳感器節(jié)點向上位機的傳遞。電源供應(yīng)模塊負責為整個節(jié)點提供能量。

路由器及終端節(jié)點主要由電源模塊、LCD顯示模塊、CC2530芯片、終端設(shè)備控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集模塊主要是各類外部傳感器模塊，實現(xiàn)了對農(nóng)作物生長環(huán)境參數(shù)的感知。

2 環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件開發(fā)環(huán)境是IAR Embedded Workbench ，它是一種用于開發(fā)應(yīng)用各種不同的目標處理器的靈活的集成環(huán)境，提供一個方便的窗口界面用于迅速開發(fā)和調(diào)試。使用程序編寫調(diào)試一般需要經(jīng)過創(chuàng)建工作站、創(chuàng)建并保存工程、創(chuàng)建或加載源文件、保存工作站、設(shè)置工作環(huán)境（目標芯片、調(diào)試方式、仿真器接口類型）、工程編譯連接和調(diào)試七個步驟。

2.1 協(xié)調(diào)器的軟件設(shè)計

協(xié)調(diào)器是整個網(wǎng)絡(luò)的核心，協(xié)調(diào)器負責創(chuàng)建和維護整個網(wǎng)絡(luò)，為每個加入該網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備分配一個網(wǎng)絡(luò)地址，在協(xié)調(diào)器啟動時其網(wǎng)絡(luò)地址將自動設(shè)置為0x0000，在所有的網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)地址均為0x0000，所以路由和設(shè)備要想跟協(xié)調(diào)器通信，則設(shè)置目標地址為0x0000即可。

在軟件設(shè)置設(shè)備為協(xié)調(diào)器啟動時，z-stack中必須編譯文件f8wCoord，cfg文件，該文件在Coordinator Settings下設(shè)置了兩個功能第一為-DZDO_COORDINATOR即協(xié)調(diào)器功能，第二-DRTR_NWK即為路由器功能，也就是說協(xié)調(diào)器啟動后有兩種功能，第一就是作為協(xié)調(diào)器啟動建立維護網(wǎng)絡(luò)，一旦建立網(wǎng)絡(luò)成功后，那么此協(xié)調(diào)器將作為一個普通的路由器使用。

2.2 路由器的軟件設(shè)計

路由器的設(shè)計相對協(xié)調(diào)器和終端設(shè)備要簡單些，設(shè)置其啟動類型后他就負責轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)調(diào)器與終端節(jié)點的數(shù)據(jù)，只起到一個中繼器的作用，當然路由器的PANID和選擇的通信道必須和協(xié)調(diào)器保持一致，這樣路由才能加入網(wǎng)絡(luò)，并且能實現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的功能，此時也把路由的PANID設(shè)置為0X1234，通信道選擇11。路由正常情況下也能作為終端節(jié)點使用，也能實現(xiàn)與協(xié)調(diào)器中斷節(jié)點的綁定，為了備用，我們也在路由上也初始化一個端點，并初始化其端點描述符。

在z-stack中編譯文件f8wRouter.cfg就能把設(shè)備初始化為一個路由設(shè)備，在該文件中在Router Settings里只定義了-DRTR_NWK這比協(xié)調(diào)器少了一個-DZDO_COORDINATOR，所以設(shè)備只能實現(xiàn)路由的功能了。

2.3 終端的軟件設(shè)計

終端節(jié)點負責采集各類數(shù)據(jù)，發(fā)送給協(xié)調(diào)器。因此終端節(jié)點的軟件設(shè)計包括其本身終端節(jié)點的功能外，還要設(shè)計數(shù)據(jù)采集部分。終端節(jié)點本身的啟動跟協(xié)調(diào)器、路由器時相同的，當選擇其啟動身份后，它將以終端的身份啟動，終端節(jié)點要想與協(xié)調(diào)器通信，也必須建立一個端點，在端點描述符上有些信息必須與協(xié)調(diào)器保持一致，這樣才能與協(xié)調(diào)器綁定成功，否則將無法完成綁定進行相互通信。

z-stack中編譯了f8wEndev.cfg文件，與協(xié)調(diào)器和路由器所編譯的文件不同的地方是，該文件沒有定義功能，在協(xié)調(diào)器和路由器編譯的文件中協(xié)調(diào)器引入了協(xié)調(diào)器和路由的功能，路由只引入了路由功能，然而在終端節(jié)點編譯的文件中沒有定義任何功能，此時終端節(jié)點只能作為一個終端節(jié)點的功能使用。zigbee的一大優(yōu)勢就是低功耗，在IAR編譯軟件中我們設(shè)置了預(yù)編譯選項PowerSaving，即把低功耗模式打開，也就是說如果終端設(shè)備在沒有任務(wù)要執(zhí)行時將自動進入低功耗模式，這也體現(xiàn)了zigbee的真正特色，而在路由和協(xié)調(diào)器中沒有定義此選項，因為路由和協(xié)調(diào)器要實時的檢測通道信息，隨時準備接收終端發(fā)送過來的溫度數(shù)據(jù)，所以是不允許路由和協(xié)調(diào)器進入低功耗模式。

3 結(jié)束語

本系統(tǒng)立足農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的低成本、低功耗、大區(qū)域、多參數(shù)、多地點、高接入速率等要求，研究一種基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，可以實現(xiàn)多地點的空氣溫度、濕度、光照強度等農(nóng)作物生長形態(tài)的多參數(shù)實時在線監(jiān)控，具有良好和廣闊的市場。本系統(tǒng)設(shè)計感知層的 ZigBee 感知節(jié)點，能實現(xiàn)多參數(shù)綜合采集，并上傳到上位機。

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