基于ZigBee物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)大棚的研究

田野 龔瑞昆

【摘 ?要】為了使用戶能實(shí)時(shí)獲取大棚內(nèi)農(nóng)作物生長(zhǎng)的準(zhǔn)確信息，本文采用ZigBee物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)搭建了智慧農(nóng)業(yè)大棚智能系統(tǒng)。利用分布在農(nóng)田中的各類(lèi)傳感器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)與各設(shè)備之間的連接將數(shù)據(jù)傳遞給用戶端，同時(shí)還將農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境等信息傳遞給智能農(nóng)業(yè)大棚應(yīng)用服務(wù)平臺(tái)，平臺(tái)通過(guò)對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)科學(xué)的處理后報(bào)告給客戶端分析、預(yù)測(cè)，來(lái)達(dá)到預(yù)防病蟲(chóng)害的發(fā)生目的，讓農(nóng)作物與互聯(lián)網(wǎng)的對(duì)接成為了可能。

【關(guān)鍵詞】物聯(lián)網(wǎng);ZigBee技術(shù);智能化;智慧大棚

中圖分類(lèi)號(hào)：S220.2;文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? 文章編號(hào)：

0引言

本文利用ZigBee數(shù)據(jù)傳輸通信網(wǎng)絡(luò)、監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理服務(wù)終端等模塊作為基礎(chǔ)搭建物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，設(shè)計(jì)了一套完整的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)[1]。大棚中的傳感器節(jié)點(diǎn)把農(nóng)作物的生長(zhǎng)信息以及環(huán)境信息等數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳遞給大棚應(yīng)用服務(wù)端，能夠保證用戶實(shí)時(shí)獲取大棚內(nèi)生長(zhǎng)作物的生長(zhǎng)信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚的智能化管理。

1 ZigBee技術(shù)介紹

ZigBee技術(shù)是一種低能耗、低成本的無(wú)線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)體系的協(xié)議結(jié)構(gòu)是在IEEE 802.15.4規(guī)定的基礎(chǔ)上，將其擴(kuò)展到整個(gè)通信協(xié)議至網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層，能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)業(yè)大棚區(qū)間的短距離無(wú)線通信[2]。

2 智慧大棚系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 整體結(jié)構(gòu)

ZigBee智慧大棚通信系統(tǒng)由感知、網(wǎng)絡(luò)傳輸、應(yīng)用服務(wù)三部分搭建。其中感知部分由分布在大棚內(nèi)的各類(lèi)傳感器負(fù)責(zé)采集大棚內(nèi)土壤、空氣溫濕度溫濕度、pH值、光輻射強(qiáng)度、CO2濃度等植物生長(zhǎng)環(huán)境信息，再將實(shí)時(shí)獲取感知的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絑igBee網(wǎng)關(guān);網(wǎng)絡(luò)傳輸部分通過(guò)ZigBee協(xié)調(diào)器創(chuàng)建新的網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)協(xié)調(diào)器也具有路由器功能，將上層信息和監(jiān)控模塊的數(shù)據(jù)信息通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中等待處理;應(yīng)用服務(wù)部分主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的處理再進(jìn)行展示與服務(wù)應(yīng)用，提供給用戶端，用戶通過(guò)Android設(shè)備或者電腦等進(jìn)行控制[3]。

2.2 模塊構(gòu)成

大棚通信系統(tǒng)的三個(gè)主要部分主要由五個(gè)模塊構(gòu)成[4]，如圖1所示。

（1）數(shù)據(jù)采集模塊，大棚內(nèi)農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境參數(shù)和土壤參數(shù)等信息通過(guò)各類(lèi)傳感器獲取，主要通過(guò)這一模塊的功能實(shí)現(xiàn)。

（2）自動(dòng)預(yù)警模塊，協(xié)調(diào)器端將傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)并保存到網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)中。通過(guò)采集到的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)中農(nóng)作物正常生長(zhǎng)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行對(duì)比了解農(nóng)作物生長(zhǎng)是否正常。

（3）現(xiàn)場(chǎng)控制模塊，由工作人員在Android手機(jī)或電腦終端完成對(duì)大棚卷簾遮光門(mén)、通風(fēng)換氣、噴水機(jī)等繼電設(shè)備的控制。

（4）施肥、灌溉模塊，使農(nóng)作物對(duì)生長(zhǎng)所需養(yǎng)分的需求不再受天氣條件的制約。該模塊主要由灌溉、施肥類(lèi)繼電設(shè)備控制實(shí)現(xiàn)。

（5）視頻監(jiān)控處理模塊，主要由嵌入式網(wǎng)關(guān)與視頻攝像頭成對(duì)大棚內(nèi)農(nóng)作物生長(zhǎng)情況的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

下位機(jī)硬件部分主要是終端節(jié)點(diǎn)跟協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的功能實(shí)現(xiàn)。

終端節(jié)點(diǎn)部分由各類(lèi)傳感器負(fù)責(zé)采集棚內(nèi)農(nóng)作物數(shù)據(jù)信息。主要由CC2530[5]中央處理器、通信、傳感器和電源控制四個(gè)模塊構(gòu)成。當(dāng)傳感器模塊讀取信號(hào)后經(jīng)過(guò)一系列數(shù)據(jù)分析和轉(zhuǎn)化后，便獲得各類(lèi)參數(shù)信息。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)主要?jiǎng)?chuàng)建網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)和滿足多個(gè)同區(qū)域終端通信功能。同時(shí)，還可以充當(dāng)路由器。

上位機(jī)的硬件設(shè)計(jì)是用戶端在Android智能手機(jī)、PC上可以直接安裝的APP應(yīng)用軟件，在登錄APP后可實(shí)現(xiàn)主對(duì)大棚實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)在線檢測(cè)、遠(yuǎn)程控制以及數(shù)據(jù)管理三大模塊的操作。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)的軟件設(shè)計(jì)主要為系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)，運(yùn)用支持C++語(yǔ)言編程的IAR Embedded Workbench 開(kāi)發(fā)平臺(tái)[6]。

上位機(jī)的軟件部分主要采用Visual Studio集成開(kāi)發(fā)軟件用Java語(yǔ)言來(lái)對(duì)Web主頁(yè)進(jìn)行軟件編程與開(kāi)發(fā)。用戶登錄Web后進(jìn)入客戶端能夠快速獲取農(nóng)作物的生長(zhǎng)信息，同時(shí)可以查詢歷史數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控調(diào)取、調(diào)節(jié)傳感器等。

3 結(jié)語(yǔ)

基于ZigBee物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式相比，作為一種新型的農(nóng)業(yè)發(fā)展模式正在快速興起。棚內(nèi)的智能調(diào)節(jié)作用使得農(nóng)作物不再自然天氣條件的制約，可使得系統(tǒng)用戶準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地了解溫室大棚的信息，更好地促進(jìn)農(nóng)作物生長(zhǎng)，極大提高了農(nóng)作物的生產(chǎn)率，讓農(nóng)業(yè)向著更加智慧、精準(zhǔn)的方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫忠祥.基于設(shè)備云平臺(tái)的智能農(nóng)業(yè)溫室大棚遠(yuǎn)程監(jiān)控統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱理工大學(xué)，2017.

[2]季永權(quán).基于ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的溫室智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用[D].浙江農(nóng)林大學(xué)，2018.

[3]Liu L，Zhang Y.“Design of greenhouse environme nt monitoringsystem based on Wireless Sensor Network”，3rd International Conference on Control，Aujomation and Robotics.IEEE，pp.463-466，Apr.2017.

[4]基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的溫室環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].張宏偉，解應(yīng)博，楊紅濤.軟件導(dǎo)刊.2017（07）.

[5]基于CC2530和ZigBee技術(shù)的智慧大棚系統(tǒng)的研究[J].薛文龍，李存永，楊世鳳.黑龍江科技信息2016（15）.

[6]基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)[D].孫玉文.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)2013.

基金項(xiàng)目：

國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：61803154）。

作者簡(jiǎn)介：

龔瑞昆（1962-），男，河北唐山人，博士，教授。主要從事檢測(cè)技術(shù)及智能裝置方面的研究。

田野，（1994—）男，河北保定人，碩士研究生。主要從事物聯(lián)網(wǎng)智慧農(nóng)業(yè)與智能控制方面的研究。

（作者單位：（華北理工大學(xué)）