基于ZigBee網(wǎng)絡的水稻田實時監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

劉杰　戈軍　沈微微

摘 要：為了準確、高效地獲取水稻生長環(huán)境參數(shù)變化情況，提出了一套基于ZigBee無線網(wǎng)絡技術(shù)和3G/4G通信技術(shù)的水稻田實時監(jiān)控方案，并給出了硬件設(shè)計和軟件設(shè)計的基本原理。移動終端Android應用的開發(fā)與使用，滿足了管理人員隨時隨地掌握水稻生長狀態(tài)相關(guān)信息的需求。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)監(jiān)測結(jié)果準確、高效，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的遠程傳輸、存儲等功能，移動終端上實時數(shù)據(jù)查看、歷史數(shù)據(jù)查詢和報警查詢功能也達到了設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：ZigBee網(wǎng)絡； 3G/4G； 水稻田； 實時監(jiān)控

DOIDOI：10.11907/rjdk.161972

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號文章編號：16727800（2016）011015605

0 引言

在水稻生產(chǎn)過程中，對于影響水稻生長各項因素的觀測尤為重要。稻田灌溉水位、土壤pH值、環(huán)境溫度、病蟲害等都是影響水稻正常生長的關(guān)鍵因素[1]。如果不能及時發(fā)現(xiàn)水稻生長狀態(tài)或環(huán)境的突變，將可能導致水稻減產(chǎn)，并造成巨大的經(jīng)濟損失。

ZigBee無線網(wǎng)絡是一種低功耗的無線傳感器網(wǎng)絡，已廣泛應用于油田監(jiān)測、工業(yè)過程監(jiān)控、礦井安全監(jiān)控等領(lǐng)域，但在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程監(jiān)控中應用較少。在傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，種植人員需要定期查看作物的生長狀況和農(nóng)田的各項環(huán)境因素。由于作物種植區(qū)域面積較大，即使是多人同時巡查，也不可能對每片稻田完成實時查看。為了提高水稻作物生長狀況的監(jiān)測效率，本文提出了一套利用ZigBee無線網(wǎng)絡來監(jiān)測水稻田，并使用支持3G/4G技術(shù)的移動互聯(lián)網(wǎng)終端來實時查看監(jiān)測信息的設(shè)計方案[24]。

在本文設(shè)計方案中，傳感器節(jié)點將采集到的水稻生長狀態(tài)信息發(fā)送至網(wǎng)絡控制中心節(jié)點，控制中心節(jié)點本身帶有3G/4G模塊，能夠利用無線通信的方式訪問后臺服務器，將接收到的信息融合處理并發(fā)送至服務器端存儲。另一方面，在手機、平板等移動終端上安裝獨立開發(fā)的移動應用，監(jiān)測人員不可以使用移動終端應用訪問服務器后臺，查看水稻生長的實時或歷史數(shù)據(jù)信息，從而高效監(jiān)控水稻的生長狀態(tài)。一旦發(fā)現(xiàn)異常信息，則能夠及時判斷并處理出現(xiàn)的問題。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)

如圖1所示，水稻田遠程監(jiān)測系統(tǒng)的整體架構(gòu)包括感知層、網(wǎng)絡層和應用層。感知層主要是傳感器節(jié)點組成的ZigBee無線網(wǎng)絡，負責采集水稻田現(xiàn)場的數(shù)據(jù)信息，并將信息通過網(wǎng)關(guān)傳輸至本地基站。網(wǎng)絡層主要負責匯聚信息的傳輸，基站利用3G/4G模塊與因特網(wǎng)互聯(lián)。應用層主要包括監(jiān)控中心服務器和智能移動終端，監(jiān)控中心服務器中存有大量水稻田的監(jiān)測信息，而監(jiān)測人員使用智能移動終端通過互聯(lián)網(wǎng)訪問監(jiān)控中心服務器，便可以遠程監(jiān)控水稻田的各類數(shù)據(jù)信息及時了解水稻生長狀況[5]。

1.2 硬件設(shè)計

水稻田遠程監(jiān)測系統(tǒng)硬件配置如圖2所示，本文將對主要的硬件配置進行闡述。

本系統(tǒng)使用S3C6410嵌入式開發(fā)板作為水稻田監(jiān)測現(xiàn)場網(wǎng)絡的控制中心，其特性如下：①16/32位RISC微處理器，基于CPU的子系統(tǒng)的ARM1176JZF-S具有Java加速引以及16KB/16KB I/D緩存和16KB/16KB I/D TCM；②存儲器系統(tǒng)具有雙重外部存儲器端口、SRAM和FLASH/ROM/DRAM端口；③IIS和IIC接口支持；④端口USB2.0 OTG支持高速；⑤端口USB1.1主設(shè)備支持全速；⑥有實時時鐘、鎖相環(huán)，具有PWM的定時器和看門狗定時器；⑦32通道DMA控制器；⑧可擴展的ZigBee模塊和3G/4G模塊。

1.2.1 ZigBee模塊

本文傳感器節(jié)點的ZigBee模塊選用CC2530芯片，該芯片將8051內(nèi)核與存儲器進行整合，具有較高的接收靈敏度和抗干擾能力。該芯片帶有32/64/128KB可編程內(nèi)存、看門狗定時器、2個支持多種串口通信協(xié)議的USART、21個可編程I/O引腳、SMA天線接口以及18個中斷源。CC2530在休眠模式下的最低功耗為0.4μA，發(fā)射和接收信號時的最大功耗分別為24mA和29mA，而從休眠模式切換至工作模式的時延僅需4μs，能耗只有0.2mA[6]。CC2530芯片適用于需要低功耗的水稻田監(jiān)測系統(tǒng)。

1.2.2 傳感器節(jié)點

傳感器節(jié)點采用一體化設(shè)計，囊括了處理器模塊、多種傳感器模塊以及ZigBee模塊。而各模塊都是獨立的，可以根據(jù)具體需求選擇相應的傳感器模塊，靈活性和擴展性較好。供電電源可以是外部電源供電，也可以使用電池組供電。傳感器感知到的數(shù)據(jù)先送至數(shù)據(jù)處理器進行相關(guān)處理，處理后的數(shù)據(jù)通過節(jié)點的ZigBee模塊在無線網(wǎng)絡中傳輸。

1.2.3 溫度傳感器

溫度傳感器采用LM35系列，該系列屬于精密集成溫度傳感器，其輸出電壓與攝氏溫度成正比關(guān)系[7]。與使用開爾文刻度標準的溫度傳感器相比，使用LM35系列的用戶無需根據(jù)比例減去一個大的恒定電壓來獲得攝氏溫度。LM35無需任何修正或外部校準就能提供-55℃～+150℃溫度范圍的測量，精度為±0.25℃。晶片級的校準和微調(diào)保證了設(shè)備的低成本。LM35的線性輸出，較低的輸出阻抗以及精確的固有校準使得接口讀數(shù)或電路控制很容易。LM35系列溫度傳感器采用單電源供電或正負電池組供電。它只需電源提供的60uA電流就可正常工作，且自發(fā)熱程度很低，在靜止的空氣中小于0.1℃。

1.2.4 濕度傳感器

大氣中含水量的等級稱為濕度?？諝庵兴魵獾暮靠梢杂绊懭梭w的舒適程度，也會影響許多工業(yè)制造過程。因此，濕度的監(jiān)測和控制在許多工業(yè)和家庭應用中相當重要。濕度傳感器的設(shè)計是對供電和通信都使用單一雙絞線的氣象監(jiān)控站的改造。本系統(tǒng)采用的HIH-3610系列濕度傳感器是專門為高容量OEM（Original Equipment Manufacturer）的用戶而設(shè)計的。它的線性輸出電壓可以直接輸入控制器使用。HIH-3610系列的額定電流只有190mA，屬于低耗電系統(tǒng)，因此其比較適合于使用電池供電。緊縮型傳感器的交換能力降低了OEM產(chǎn)品的校準成本，單個傳感器的標定數(shù)據(jù)也是可用的。HIH-3610系列內(nèi)含一個低成本的相對濕度傳感器，該傳感器是由激光熱集合高分子電容式傳感元件與芯片上的集成信號調(diào)節(jié)器構(gòu)成的。傳感元件的多層結(jié)構(gòu)提供了對諸如水淹、污垢、灰塵、油脂等惡劣環(huán)境因素的應變能力。

1.2.5 pH傳感器

pH是很多實際應用中必須測控的關(guān)鍵參數(shù)之一。任何溶液都有其pH值，用氫離子濃度指數(shù)來表示溶液的酸堿程度。酸性溶液有較低的pH值（如1、2、3），溶液中有較多的氫離子。而堿性溶液有較高的pH值（如10、11、12），溶液中只有少量的氫離子。對于水這一類中性液體，其pH值近似等于7，也即pH值大于7的溶液為堿性溶液，pH值小于7的溶液為酸性溶液。

pH值測量回路由3個部分組成：pH傳感器，其中包括一個負極參考虛擬終端（-VE），一個正極測量終端（+VE）以及一個溫度傳感器；前置放大器；分析器或發(fā)射機。pH測量本質(zhì)上可以看作是一個在+VE終端測量電極和-VE參考電極之間的電池。測量電極對氫離子的敏感程度使溶液中的氫離子濃度與潛在的電壓值直接相關(guān)。參考電極提供了一個測量電極可以用于比較穩(wěn)定的電位。

本系統(tǒng)采用型號為pH-BTA的pH傳感器，在傳感器內(nèi)部的pH放大器是一個能通過數(shù)據(jù)采集器監(jiān)測的有標準pH電極的電路。傳感器連接線的末端是一個BTA插頭或一個5-pin DIN插頭來與數(shù)據(jù)采集器連接。在pH7的緩沖溶液中，它將產(chǎn)生一個1.75 V的電壓。pH值每增加1，電壓增加0.25 V。pH值每減少1，電壓降低0.25 V。這個凍膠填充的pH值傳感器的設(shè)計測量范圍為0～14。凍膠填充的參考半電化池是密封的，因此無需重新填充。

1.3 ZigBee組網(wǎng)

ZigBee技術(shù)標準的基礎(chǔ)標準為IEEE802.15.4，開發(fā)人員在制定標準時采用了IEEE標準的物理層和MAC層協(xié)議。此外，開發(fā)人員還在IEEE802.15.4標準的基礎(chǔ)上對ZigBee標準的網(wǎng)絡層和應用層協(xié)議進行了標準化[8]。ZigBee協(xié)議棧如圖3所示。

一般而言，兼容ZigBee的設(shè)備都必須遵循IEEE802.15.4協(xié)議。因此，采用完整的ZigBee協(xié)議保證了網(wǎng)絡中不同生產(chǎn)廠家的無線設(shè)備能夠正常協(xié)同運作，同時也提升了ZigBee網(wǎng)狀網(wǎng)絡的可靠性。

本文設(shè)計的系統(tǒng)中，ZigBee組網(wǎng)結(jié)構(gòu)采用星形網(wǎng)絡。如圖4所示，4個傳感器節(jié)點都直接與協(xié)調(diào)器相連，協(xié)調(diào)器負責各傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)信息的融合處理并與服務器主機通信。星形網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)簡單，搭建成本較低，在網(wǎng)絡節(jié)點較少的情況下易于采用。如果網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)量較多，并且需要保證網(wǎng)絡的靈活性與可靠性，則可以采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[911]。

1.4 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件主要包括傳感器節(jié)點、控制中心節(jié)點的軟件、服務器主機管理軟件以及移動終端上使用的客戶端軟件。傳感器節(jié)點和控制中心節(jié)點使用TinyOS系統(tǒng)，由NesC語言和一定數(shù)量的C語言進行編程，生成的代碼質(zhì)量高、執(zhí)行效率高，能夠滿足硬件調(diào)用和控制功能等需求。服務器主機管理軟件主要由Sql Server數(shù)據(jù)庫和PHP程序組建的Web監(jiān)測系統(tǒng)組成?？蛻舳塑浖腔贏ndroid平臺開發(fā)的系統(tǒng)應用，主要功能是水稻田信息的移動查看以及異常狀態(tài)報警提示。圖5為系統(tǒng)運作流程圖，其給出了系統(tǒng)從網(wǎng)絡建立到數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸與處理的主要工作流程[12]。

1.4.1 節(jié)點軟件設(shè)計

考慮節(jié)省網(wǎng)絡能耗的問題，傳感器節(jié)點采用兩組對角節(jié)點分別休眠的運行機制，即每一時刻只有對角的兩個節(jié)點處于工作狀態(tài)，另一組對角節(jié)點則處于休眠狀態(tài)。節(jié)點內(nèi)部程序的間斷采集指令指引節(jié)點每隔一段時間對稻田環(huán)境參數(shù)進行檢測，采集到的溫度、濕度和pH值數(shù)據(jù)放在同一數(shù)據(jù)包中，之后由已設(shè)定的發(fā)送指令將該數(shù)據(jù)包發(fā)送至控制中心節(jié)點（協(xié)調(diào)器）。控制中心節(jié)點時刻保持工作狀態(tài)，一旦收到兩個對角節(jié)點送達的數(shù)據(jù)包，立即對兩個數(shù)據(jù)包進行融合處理（對應參數(shù)求平均值），生成新的數(shù)據(jù)包。新生成的數(shù)據(jù)包中還應存有當前的系統(tǒng)時間，以提供確切的時間信息。最后，帶有時間戳的融合數(shù)據(jù)包經(jīng)過數(shù)據(jù)完整性驗證后發(fā)往服務器。

1.4.2 服務器端軟件設(shè)計

服務器端由Apache服務器，數(shù)據(jù)庫和Web監(jiān)測系統(tǒng)組成。本系統(tǒng)采用Apache服務器，后臺數(shù)據(jù)庫為Sql Server數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫中為每個測量參數(shù)建立了相應的數(shù)據(jù)表，用于存儲監(jiān)測數(shù)據(jù)。監(jiān)測系統(tǒng)Web頁面用PHP語言開發(fā)，以系統(tǒng)化界面向用戶提供實時監(jiān)測數(shù)據(jù)和歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢、報警查詢等功能。

1.4.3 客戶端軟件設(shè)計

客戶端軟件是基于Android平臺開發(fā)的監(jiān)測系統(tǒng)應用，對Web監(jiān)測系統(tǒng)進行了軟件封裝，采用Web訪問的方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)在移動終端上進行展示，并提供異常信息報警功能。移動終端通過自身配備的3G/4G模塊，以無線通信方式與系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)庫進行通信。水稻田監(jiān)控系統(tǒng)客戶端頁面如圖6所示。

2 系統(tǒng)測試與結(jié)果分析

2.1 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試選擇在一塊水稻田中進行，圖7給出了系統(tǒng)測試示意圖。

該實驗用4個傳感器節(jié)點和一個控制中心節(jié)點組成ZigBee無線網(wǎng)絡，不同傳感器性能參數(shù)如表1所示。4個傳感器節(jié)點分別放置于水稻田的4個頂角處，控制中心節(jié)點則放置于水稻田的中心位置，這樣可以保證各傳感器節(jié)點與控制中心節(jié)點的通信距離相同[13]。系統(tǒng)采用兩組對角節(jié)點輪流休眠的工作機制，節(jié)點休眠時間和工作時間均為30分鐘。傳感器節(jié)點在工作狀態(tài)下，每30s采集一次數(shù)據(jù)。測試選在天氣狀況較好的白天進行，時間跨度為8：00am～6：00pm。通過系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)參數(shù)，考察水稻田監(jiān)測系統(tǒng)的運行情況。

2.2 測試結(jié)果與分析

圖8、圖9和圖10分別是溫度、濕度和酸堿度的歷史數(shù)據(jù)記錄，數(shù)據(jù)記錄有一定程度波動的原因在于水稻田開放環(huán)境帶來的實時變化。測試結(jié)果表明，本文設(shè)計的實時監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)λ旧L環(huán)境進行較好的監(jiān)測，數(shù)據(jù)記錄也較為準確地反映了水稻田的實時狀況。

3 結(jié)語

本文將ZigBee技術(shù)與移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合，并通過分析系統(tǒng)硬件和軟件，設(shè)計了一套水稻田實時監(jiān)測系統(tǒng)。從設(shè)計思路和測試結(jié)果可以看出，ZigBee無線網(wǎng)絡在水稻田監(jiān)控中的應用是可行的，實現(xiàn)了對水稻生長環(huán)境主要參數(shù)的實時監(jiān)控。用戶只需隨身攜帶移動終端設(shè)備，即可隨時隨地查看水稻田的監(jiān)測情況。而目前存在的問題是，由于水稻田環(huán)境的開放特性，傳感器、協(xié)調(diào)器等硬件設(shè)備需要裝備防潮、防雷等保護設(shè)備。對于大面積水稻田，所需安置的傳感器節(jié)點數(shù)量也會成倍增長，設(shè)計合理的節(jié)點部署方案、工作模式以及路由機制也是需要著重考慮的問題。

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（責任編輯：孫 娟）