基于ZigBee技術(shù)的農(nóng)業(yè)智能感知系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

谷龍龍，王 權(quán)，陶 偉，孟 浩

(1．安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與計(jì)算機(jī)學(xué)院，安徽合肥 230036;2．安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)教務(wù)處，安徽合肥 230036)

田間環(huán)境直接影響著農(nóng)作物的生長(zhǎng)狀況，而農(nóng)作物的生長(zhǎng)又會(huì)反作用于田間環(huán)境，因此，對(duì)田間環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，及時(shí)調(diào)整相關(guān)環(huán)境因子參數(shù)，能夠有效促進(jìn)農(nóng)作物增產(chǎn)增收。田間環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)可以根據(jù)不同的監(jiān)控對(duì)象和場(chǎng)合，利用多種先進(jìn)的傳感器和信息技術(shù)手段采集、存儲(chǔ)、分析、利用田間環(huán)境信息，科學(xué)決策農(nóng)業(yè)生產(chǎn)［1－2］。

感知環(huán)境的變化并根據(jù)變化做出相應(yīng)的決策是改善作物生長(zhǎng)環(huán)境的核心環(huán)節(jié)，影響作物生長(zhǎng)的環(huán)境因子包括溫濕度、光照強(qiáng)度、土壤營(yíng)養(yǎng)成分以及酸堿度等。筆者設(shè)計(jì)了一種農(nóng)業(yè)感知系統(tǒng)，將作物生長(zhǎng)環(huán)境的信息采集后，通過(guò)Zig-Bee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到控制中心，控制中心根據(jù)環(huán)境因子的變化自動(dòng)或者手動(dòng)遠(yuǎn)程控制相應(yīng)的電氣設(shè)備，從而達(dá)到對(duì)環(huán)境的智能感知和調(diào)節(jié)。此外，該系統(tǒng)還通過(guò)傳感器監(jiān)測(cè)溫室大棚的安全情況，具有消防、安防預(yù)警功能［3］。基于ZigBee技術(shù)的農(nóng)業(yè)智能感知系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，不僅能給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)科學(xué)管理和高效益，也為農(nóng)業(yè)信息化提供了可靠的硬件基礎(chǔ)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

ZigBee標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了在一個(gè)單一的網(wǎng)絡(luò)中，最多容納3類(lèi)的節(jié)點(diǎn):ZigBee匯聚節(jié)點(diǎn)，ZigBee路由節(jié)點(diǎn)和ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)相互通信，可以組成不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。通常在一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，需要有一個(gè)并且只能有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，即ZigBee匯聚節(jié)點(diǎn)，ZigBee匯聚節(jié)點(diǎn)需要提供路由信息、安全管理和其他服務(wù)等［4］。

系統(tǒng)通過(guò)溫濕度傳感器、光照傳感器、二氧化碳傳感器、煙霧傳感器和人體紅外傳感器采集數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)格式轉(zhuǎn)換后由ZigBee終端節(jié)點(diǎn)經(jīng)由ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到ZigBee協(xié)調(diào)器上，并上傳至于ZigBee協(xié)調(diào)器相連的上位機(jī)(PC端)，進(jìn)而由上位機(jī)的監(jiān)控軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析和繪制;同時(shí)可以通過(guò)與上位機(jī)相連的GSM模塊，經(jīng)由電信網(wǎng)將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至用戶(hù)手機(jī)等移動(dòng)終端，實(shí)現(xiàn)對(duì)作物生長(zhǎng)環(huán)境的智能感知。根據(jù)終端節(jié)點(diǎn)采集的信息，用戶(hù)可以在PC端和移動(dòng)終端實(shí)現(xiàn)手動(dòng)或者自動(dòng)對(duì)各種電氣設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室大棚環(huán)境的智能調(diào)節(jié)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

2．1 ZigBee收發(fā)模塊設(shè)計(jì) 該模塊使用CC2530F256芯片作為控制器和收發(fā)器。CC2530不但具有代碼預(yù)取功能的高性能、低功耗的8051微控制器內(nèi)核，而且具有RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，結(jié)合TI公司的Z-Stack協(xié)議棧，可以實(shí)現(xiàn)智能控制和自動(dòng)組網(wǎng)。

CC2530芯片內(nèi)置了32 MHz、32 768 kHz的晶體振蕩器和32 KHz、16 MHz的RC振蕩器，可以通過(guò)設(shè)置不同的工作模式而使之適應(yīng)超低功耗的要求，并且模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間短，進(jìn)一步確保了低能源消耗。此外，CC2530還內(nèi)置了豐富的通信接口資源，除了21個(gè)通用I/O口外，還有具有8路輸入和可配置分辨率的12位ADC以及2個(gè)支持多種串行通信協(xié)議的USART接口，可以滿(mǎn)足與不同傳感器接口通信和易擴(kuò)展性的需要。CC2530節(jié)點(diǎn)如圖2所示。

2．2 溫濕度傳感器 系統(tǒng)選用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器。DHT11是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，測(cè)量范圍為0～50℃，20% ～90%RH，溫濕度精度分別為±2℃和±5%，具有響應(yīng)快、抗干擾能力強(qiáng)、性?xún)r(jià)比高等特點(diǎn)。傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，可以同時(shí)輸出環(huán)境溫度和濕度信息，一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40 bit，高位先出。

輸出格式為:8 bit濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 bit校驗(yàn)和。

溫溫度傳感器可以通過(guò)單總線(xiàn)外接一個(gè)5～10 K的上拉電阻與微控制器相連，原理如圖3所示。

2．3 光照傳感器 光照傳感器模塊采用光電二極管檢測(cè)電路實(shí)現(xiàn)。光電二極管在電路中處于反向偏置，在沒(méi)有光照時(shí)，反向電阻很大，反向電流很小;當(dāng)光照到PN結(jié)上時(shí)，使PN結(jié)附近產(chǎn)生光電子和光生空穴對(duì)，使少數(shù)載流子濃度大大增加，反向電流隨之增大，從而實(shí)現(xiàn)把。光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)［5］，經(jīng)LM393雙電壓比較器放大后輸出。

2．4 氣體傳感器 氣體傳感器選用MG811固體電解質(zhì)傳感器模塊、MQ2模塊氣體傳感器。

MG811可測(cè)量CO2濃度范圍為0～10 000 ppm。MG811為電化學(xué)原理工作，探頭穩(wěn)定工作需要6 V直流電源供電，使用前需要預(yù)熱2～5 min，不可帶電熱插拔，探測(cè)方向不可隨意改變。MQ2氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫(SnO2)。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大［6－7］。通過(guò)電路可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)。

2．5 紅外熱釋電模塊 系統(tǒng)采用以L(fǎng)HI778為感應(yīng)探頭的人體紅外熱釋電模塊HR-SR501，具有靈敏度高，可靠性強(qiáng)，超低電壓工作模式等特點(diǎn)。當(dāng)人或者動(dòng)物進(jìn)入其感應(yīng)范圍時(shí)則輸出高電平，同時(shí)將預(yù)警信息發(fā)送到PC端或者移動(dòng)終端，并產(chǎn)生警報(bào)信息以避免非法闖入;人離開(kāi)感應(yīng)范圍則自動(dòng)延時(shí)關(guān)閉高電平，輸出低電平。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)分為下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)和上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)2部分。下位機(jī)實(shí)現(xiàn)各傳感器節(jié)點(diǎn)對(duì)溫室大棚環(huán)境信息的采集、安全監(jiān)測(cè)，與上位機(jī)實(shí)時(shí)通信的功能;上位機(jī)實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)、移動(dòng)終端進(jìn)行通信，并將下位機(jī)采集的溫濕度、二氧化碳濃度和光照強(qiáng)度信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析和圖形繪制，以及預(yù)警提示等功能。

下位機(jī)軟件流程如圖4、5所示。首先要進(jìn)行協(xié)調(diào)器器和傳感器節(jié)點(diǎn)初始化，然后ZigBee組網(wǎng)，掃描并設(shè)置信道，設(shè)置PAN ID和協(xié)調(diào)器地址;設(shè)置完成后進(jìn)行相關(guān)環(huán)境參數(shù)采集并上傳至上位機(jī)。

上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)如圖6所示，主控部分首先要進(jìn)行協(xié)調(diào)器的初始化和ZigBee自動(dòng)組網(wǎng)，上位機(jī)然后向下位機(jī)發(fā)送輪詢(xún)指令或控制指令，并將協(xié)調(diào)器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取、分析、顯示、存儲(chǔ)，并能發(fā)送指令給協(xié)調(diào)器從而對(duì)控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行決策控制，同時(shí)還可以將數(shù)據(jù)信息發(fā)送至移動(dòng)終端。

上位機(jī)界面功能結(jié)構(gòu)如圖7所示。用戶(hù)管理界面用于用戶(hù)登錄、登錄管理，用戶(hù)按權(quán)限分為管理員(Admin)和普通用戶(hù)。Admin具有最高權(quán)限，可以管理其他用戶(hù)及其權(quán)限，在登錄界面可以實(shí)現(xiàn)用戶(hù)登錄、管理已注冊(cè)用戶(hù)、刪除已注冊(cè)用戶(hù)、修改用戶(hù)密碼等操作。

主菜單有6個(gè)圖標(biāo)，通過(guò)單擊不同圖標(biāo)切換到不同的界面。

主菜單操作界面主要有以下功能:

(1)參數(shù)配置。用于配置串口通信參數(shù)與數(shù)據(jù)刷新間隔、自動(dòng)控制的配置、登錄和退出系統(tǒng)。

(2)數(shù)據(jù)顯示。顯示當(dāng)前時(shí)刻各傳感器采集的環(huán)境參數(shù)，并實(shí)時(shí)繪制溫濕度變化情況。

(3)節(jié)點(diǎn)控制。設(shè)置節(jié)點(diǎn)傳感器以及電氣設(shè)備的工作狀態(tài)，自動(dòng)/手動(dòng)切換，設(shè)置開(kāi)啟電氣設(shè)備的方式。

(4)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)。顯示當(dāng)前ZigBee網(wǎng)絡(luò)中除協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)外所有節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)是否正常。

(5)數(shù)據(jù)分析。對(duì)一天或一周數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

(6)GSM配置。檢驗(yàn)GSM模塊是否工作正常，設(shè)置短信白名單功能，即只有在該系統(tǒng)注冊(cè)的手機(jī)號(hào)碼才能與系統(tǒng)通信。

4 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議設(shè)計(jì)

4．1 下位機(jī)與上位機(jī)通信 Z-STACK協(xié)議棧具有通信沖突檢測(cè)和數(shù)據(jù)CRC校驗(yàn)功能，即使多個(gè)節(jié)點(diǎn)同時(shí)通信，也不會(huì)引發(fā)數(shù)據(jù)沖突，從而保證了通信的可靠性［8］。協(xié)調(diào)器與上位機(jī)通信時(shí)，一幀完整的數(shù)據(jù)包含7 bit，分別由幀頭(1 bit)、數(shù)據(jù)(5 bit)、幀尾(1 bit)組成。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)將不同終端節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)封裝成幀，然后將一幀數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)，上位機(jī)收到一幀完整的數(shù)據(jù)后，通過(guò)識(shí)別幀頭來(lái)判斷什么類(lèi)型節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

幀頭:用來(lái)識(shí)別一幀數(shù)據(jù)的開(kāi)始，不同類(lèi)型的節(jié)點(diǎn)或傳感器的數(shù)據(jù)用不同的幀頭標(biāo)識(shí)。

數(shù)據(jù):數(shù)據(jù)格式長(zhǎng)度為5 bit，不足5 bit補(bǔ)“0”至定長(zhǎng)。

幀尾:用于識(shí)別一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束。當(dāng)上位機(jī)收到協(xié)調(diào)器發(fā)來(lái)的一幀數(shù)據(jù)時(shí)，識(shí)別到數(shù)據(jù)的第7個(gè)字節(jié)是字母‘D’時(shí)，一幀數(shù)據(jù)結(jié)束。系統(tǒng)通信協(xié)議格式如表1所示。

表1 系統(tǒng)通信協(xié)議格式

4．2 移動(dòng)終端通信指令 移動(dòng)終端可以接收或者手動(dòng)索取PC端接收的各傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息，然后按照表2和表3的指令格式遠(yuǎn)程控制電氣設(shè)備的開(kāi)關(guān)或者索取即時(shí)環(huán)境參數(shù)。

5 系統(tǒng)測(cè)試與數(shù)據(jù)分析

系統(tǒng)對(duì)溫室內(nèi)的溫濕度、光照強(qiáng)度和二氧化碳濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)作物的生長(zhǎng)規(guī)律，系統(tǒng)每隔20 min采集一次數(shù)據(jù)［9］。如表4所示為部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果，上位機(jī)顯示結(jié)果如圖8所示，圖9為全天溫度值分析情況。

表2 自動(dòng)接收信息

表3 手動(dòng)索取信息或發(fā)送控制信息

表4 部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果

測(cè)試結(jié)果顯示，該系統(tǒng)運(yùn)行方便、穩(wěn)定，實(shí)用性強(qiáng)。

6 總結(jié)

基于ZigBee技術(shù)的農(nóng)業(yè)智能感知系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，使溫室大棚時(shí)刻處于多傳感器智能感知的網(wǎng)絡(luò)中，管理人員通過(guò)上位機(jī)軟件和移動(dòng)終端可以即時(shí)了解農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境，并可以對(duì)溫室大棚內(nèi)電氣設(shè)備實(shí)時(shí)控制，從而提高資源利用率和生產(chǎn)水平，給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)科學(xué)管理和高效益。根據(jù)節(jié)點(diǎn)耗能的特點(diǎn)將節(jié)點(diǎn)分為低耗節(jié)點(diǎn)和高耗節(jié)點(diǎn)，給高耗節(jié)點(diǎn)輔以太陽(yáng)能供電，以滿(mǎn)足節(jié)能環(huán)保的要求。考慮到大面積、遠(yuǎn)距離監(jiān)控的要求，后續(xù)工作考慮實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)直接接入電信網(wǎng)以及實(shí)現(xiàn)GPS定位功能。

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