基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的智慧農(nóng)業(yè)園監(jiān)控系統(tǒng)

吳永亮 顧麗霞

[摘 要]為了全面提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效能，節(jié)約農(nóng)業(yè)生產(chǎn)成本，構(gòu)建起現(xiàn)代高效的農(nóng)業(yè)發(fā)展模式，我國以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為支撐，積極推動智慧農(nóng)業(yè)園設(shè)計與建設(shè)活動。文章以智慧農(nóng)業(yè)園作為研究核心，借助于ZigBee網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建，形成環(huán)境溫度、濕度數(shù)據(jù)信息的獲取以及傳輸，強(qiáng)化智慧農(nóng)業(yè)園的安全防護(hù)能力，構(gòu)建農(nóng)業(yè)生產(chǎn)遠(yuǎn)程管理機(jī)制，提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量，降低勞動強(qiáng)度，為農(nóng)業(yè)發(fā)展注入新的活力。

[關(guān)鍵詞]智慧農(nóng)業(yè);ZigBee網(wǎng)絡(luò);監(jiān)控系統(tǒng);構(gòu)建

[中圖分類號]S126 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼]A

ZigBee網(wǎng)絡(luò)作為一種雙向無線通信技術(shù)模式，與其他通信技術(shù)相比，具有實用性強(qiáng)、功耗低、投入少、延時小等諸多優(yōu)勢，現(xiàn)階段主要是短距離、低傳輸速率的電子設(shè)備之間的信息數(shù)據(jù)傳輸交互。ZigBee網(wǎng)絡(luò)在智慧農(nóng)業(yè)園監(jiān)控系統(tǒng)之中的優(yōu)勢，有效滿足了現(xiàn)階段智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程之中，對于園區(qū)溫度、土壤濕度的快速獲取，用戶可以通過手機(jī)或者計算機(jī)，遠(yuǎn)程訪問智慧農(nóng)業(yè)園各項參數(shù)，對農(nóng)作物的生長情況進(jìn)行實時監(jiān)控。以此為基礎(chǔ)，采取遠(yuǎn)程監(jiān)控的方式，對室內(nèi)風(fēng)扇、加濕器等設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，為農(nóng)作物生長營造一個良好的環(huán)境，進(jìn)而大大提升生產(chǎn)效率，節(jié)約成本投入，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式的升級。

1 智慧農(nóng)業(yè)園監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計理念

對智慧農(nóng)業(yè)園監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計理念的梳理，有助于技術(shù)人員在思維層面形成一個系統(tǒng)、全面的認(rèn)知，逐步明確監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計的主要環(huán)節(jié)與核心訴求，為后續(xù)技術(shù)應(yīng)用提供了方向性引導(dǎo)，降低了智慧農(nóng)業(yè)園監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計工作開展難度，為后續(xù)各項技術(shù)應(yīng)用工作的開展準(zhǔn)備了條件。

現(xiàn)階段智慧農(nóng)業(yè)園在長期的發(fā)展過程之中，運(yùn)行模式逐步完善，技術(shù)方案日益成熟，形成了無線傳感網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)關(guān)以及主控中心三大組成結(jié)構(gòu)。為了保證監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量，網(wǎng)關(guān)在設(shè)計過程中，普遍使用嵌入式結(jié)構(gòu)，將ARM A8處理器作為主要控制節(jié)點，實現(xiàn)對智慧農(nóng)業(yè)園運(yùn)行過程中各類信息的準(zhǔn)確獲取以及高效交互，從實際運(yùn)行情況來看，這種結(jié)構(gòu)雖然整體上滿足了現(xiàn)階段智慧農(nóng)業(yè)園監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行要求，但受制于技術(shù)方面的局限，監(jiān)控系統(tǒng)中無線傳感器、網(wǎng)關(guān)以及主控中心之間的聯(lián)系性不強(qiáng)，信息數(shù)據(jù)交互延時性較大，無形之中導(dǎo)致監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行質(zhì)量的下降。為了有效彌補(bǔ)這種技術(shù)缺陷，在系統(tǒng)總體設(shè)計的過程中，將ZigBee網(wǎng)絡(luò)引入其中，在網(wǎng)關(guān)設(shè)計環(huán)節(jié)過程之中，可以在網(wǎng)關(guān)串口標(biāo)準(zhǔn)方面做出調(diào)整，使其與ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器能夠順利連接起來。通過這種設(shè)計模式，使得ZigBee網(wǎng)絡(luò)能夠在短時間內(nèi)將無線網(wǎng)絡(luò)傳感器之中存儲的數(shù)據(jù)及時、準(zhǔn)確地進(jìn)行傳輸以及分析，同時通過SOCKET結(jié)構(gòu)傳輸?shù)娇刂浦行?，用戶借助于客戶端獲取相關(guān)信息，達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。

2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)下智慧農(nóng)業(yè)園監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

ZigBee網(wǎng)絡(luò)下智慧農(nóng)業(yè)園監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計需要著眼于技術(shù)成熟度，綜合分析智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行訴求，將ZigBee網(wǎng)絡(luò)與無線傳感模塊、嵌入式網(wǎng)關(guān)等結(jié)構(gòu)結(jié)合起來，逐步形成系統(tǒng)、高效的智慧農(nóng)業(yè)園監(jiān)控系統(tǒng)。

2.1 無線傳感器模塊設(shè)計

智慧農(nóng)業(yè)園監(jiān)控系統(tǒng)在進(jìn)行無線傳感器模式設(shè)計的過程中，應(yīng)當(dāng)涵蓋傳感器模塊、控制器模塊以及ZigBee無線通信模塊三大組成部分，同時為了保證無線傳感器運(yùn)行的有效性，技術(shù)人員可以將傳感器模塊、控制器模塊搭載于ZigBee無線通信模塊之中。這種硬件處理方式，不僅可以節(jié)約無線傳感器內(nèi)部空間，也便于農(nóng)戶進(jìn)行元器件的更換，降低了操作難度，同時在硬件設(shè)計環(huán)節(jié)，應(yīng)對ZigBee無線通信模塊之中的信息采集節(jié)點、控制節(jié)點進(jìn)行梳理，確保其與傳感器模塊、控制器模塊的有效銜接，保證無線傳感器模塊運(yùn)行的高效性。

2.2 ZigBee無線通信模塊設(shè)計

ZigBee無線通信模塊硬件設(shè)計的過程之中，應(yīng)該對通信芯片進(jìn)行選擇，確保芯片信息處理能力，使得ZigBee無線通信模塊能夠有效驅(qū)動傳感器，匯總、收集智慧農(nóng)業(yè)園相關(guān)數(shù)據(jù)。例如現(xiàn)階段普遍使用CC2530芯片，為無線通信模塊提供了一個可行性的技術(shù)模塊，合理使用現(xiàn)有智慧農(nóng)業(yè)園監(jiān)控系統(tǒng)之中的Flash存儲器，控制整個監(jiān)控系統(tǒng)的能耗。以較低的成本投入逐步建立起完整的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，為后續(xù)嵌入式網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)置工作的開展創(chuàng)設(shè)了便利條件。

2.3 傳感器模塊設(shè)計

基于智慧農(nóng)業(yè)園監(jiān)控系統(tǒng)的功能需求，ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用的過程之中，有必要優(yōu)化傳感器模塊，實現(xiàn)對溫度傳感器、光照傳感器以及土壤濕度傳感器等合理設(shè)置，以保證農(nóng)作物成長環(huán)境信息的及時獲取。

2.3.1 溫度濕度傳感器的設(shè)置

在溫度濕度傳感器在設(shè)置過程中，需要對數(shù)據(jù)采集節(jié)點進(jìn)行優(yōu)化，在這一過程之中，要保證其工作電壓處于2.4-2.5V的范圍內(nèi)，確保傳感器的靈敏度。同時使用兩條串行線將溫度濕度傳感器與處理器結(jié)合起來，借助于ZigBee無線通信芯片形成數(shù)據(jù)通道，實現(xiàn)溫度濕度信息的快速獲取。

2.3.2 光照傳感器的設(shè)置

光照傳感器的主要作用在于對光照數(shù)據(jù)的采集，當(dāng)光照強(qiáng)度發(fā)生變化時，傳感器之中內(nèi)置的光敏電阻能夠?qū)嵤┯涗浌庹諗?shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絑igBee無線通信模塊之中，實現(xiàn)了對光照信息的快速傳輸。用戶可以根據(jù)直觀的光照數(shù)據(jù)信息及時調(diào)整相關(guān)生產(chǎn)形式，保證農(nóng)作物生長過程之中對于光照因素的需求，保證農(nóng)作物的產(chǎn)量與品質(zhì)。

3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)下智慧農(nóng)業(yè)園監(jiān)控系統(tǒng)軟件系統(tǒng)的構(gòu)建

為了提升智慧農(nóng)業(yè)園監(jiān)控系統(tǒng)自身數(shù)據(jù)處理能力，優(yōu)化遠(yuǎn)程控制功能，實現(xiàn)農(nóng)作物生產(chǎn)要素的合理控制，在進(jìn)行硬件系統(tǒng)升級的基礎(chǔ)上，有必要總結(jié)過往經(jīng)驗，結(jié)合用戶使用需求，優(yōu)化監(jiān)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)，形成更為友好的用戶界面，為后續(xù)智慧農(nóng)業(yè)園監(jiān)控系統(tǒng)的使用提供便利。

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)下智慧農(nóng)業(yè)園監(jiān)控系統(tǒng)軟件系統(tǒng)的構(gòu)建過程之中，技術(shù)人員可以使用嵌入式網(wǎng)關(guān)軟件結(jié)構(gòu)模式，逐步搭建軟件平臺，優(yōu)化用戶界面。其整體結(jié)構(gòu)如下圖所示：

將用戶終端、應(yīng)用層、傳輸層以及傳感執(zhí)行層聯(lián)系起來，在實際操作的過程之中，嵌入式網(wǎng)關(guān)軟件平臺搭建的過程之中，需要對網(wǎng)關(guān)串口進(jìn)行設(shè)置，保證其與ZigBee協(xié)調(diào)器的有效連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息從硬件之中快速導(dǎo)入。同時在這一過程中，將無線網(wǎng)卡與路由器連接起來，形成數(shù)據(jù)通道，并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，使得用戶可以通過客戶端，在讀取各類參數(shù)的同時，下達(dá)操作指令，對農(nóng)作物種植區(qū)域的濕度、溫度等進(jìn)行有效調(diào)整，實現(xiàn)了智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式的實現(xiàn)。以ZigBee網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)了服務(wù)器與監(jiān)控系統(tǒng)的有效連接，服務(wù)器中的溫室環(huán)境智能監(jiān)測系統(tǒng)可以顯示傳感器采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)和執(zhí)行設(shè)備的當(dāng)前運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)數(shù)據(jù)超過預(yù)設(shè)值時，可編程控制器對溫室執(zhí)行設(shè)備進(jìn)行控制，同時系統(tǒng)觸發(fā)報警功能。數(shù)據(jù)庫對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，以保證對歷史數(shù)據(jù)查詢的準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語

為了保證ZigBee網(wǎng)絡(luò)在智慧農(nóng)業(yè)園監(jiān)控系統(tǒng)中的實現(xiàn)，穩(wěn)步提升監(jiān)控效能，增強(qiáng)智慧農(nóng)業(yè)園管理能力，構(gòu)建起現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展模式。文章著眼于實際，全面梳理智慧農(nóng)業(yè)園監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計思路，明確ZigBee網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的重點環(huán)節(jié)，在此基礎(chǔ)上，對智慧農(nóng)業(yè)園監(jiān)控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)持續(xù)優(yōu)化，使得ZigBee網(wǎng)絡(luò)能夠切實滿足現(xiàn)階段智慧農(nóng)業(yè)園監(jiān)控系統(tǒng)的使用需求，借助于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)優(yōu)勢，推動整個遠(yuǎn)程監(jiān)控運(yùn)行效能的提升。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 鮑文燕，譚劍.基于ZigBee的農(nóng)業(yè)大棚監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2016（06）.