基于嵌入式開發(fā)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)

萬晨威

【摘? ?要】 中國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的狀態(tài)依然以傳統(tǒng)的模式為主，生產(chǎn)效率低下，對農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的采集以及控制能力不足。然而隨著時代的進(jìn)步，智慧農(nóng)業(yè)即將成為農(nóng)業(yè)發(fā)展的新潮流，其中基于ZigBee技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)技術(shù)在實時采集和遠(yuǎn)程控制方面擁有著重大的意義。為了實現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)，提出了使用Z-stack半開源協(xié)議棧進(jìn)行開發(fā)，實現(xiàn)溫度，濕度，光照等信息的采集傳輸。通過使用外部云端服務(wù)器實現(xiàn)遠(yuǎn)程通訊功能。該系統(tǒng)充分利用了ZigBee網(wǎng)絡(luò)的傳輸穩(wěn)定，傳輸距離遠(yuǎn)的特性，解決農(nóng)業(yè)在數(shù)據(jù)采集上的難題，并結(jié)合ARM開發(fā)板的數(shù)據(jù)處理能力，能滿足智慧農(nóng)業(yè)的需求。

【關(guān)鍵詞】 ZigBee ;CC2530;ARM;智慧農(nóng)業(yè)

Intelligent Agricultural system based on embedded Development

Wan Chenwei

[Abstract] The state of modern agriculture in China is still dominated by the traditional mode， with low production efficiency and inadequate ability to collect and control agricultural data. However， with the progress of the times， smart agriculture will become a new trend of agricultural development. The smart agriculture technology based on ZigBee technology has great significance in real-time acquisition and remote control.In order to realize intelligent agriculture， the Z-stack semi-open source protocol stack is proposed to develop and realize the collection and transmission of temperature， humidity， light and other information. The remote communication function is realized by using external cloud server. The system makes full use of the characteristics of ZigBee network， such as stable transmission and long transmission distance， and solves the difficult problem of agricultural data acquisition. Combining with the data processing ability of ARM development board， it can meet the needs of intelligent agriculture.

[Keywords] zigbee; cc2530; arm; intelligent agriculture

1? 研究背景

首先，我國是農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)是國家的民生大事，我國在現(xiàn)代化發(fā)展過程中取得了舉世矚目的成就，解決了13億人口的溫飽問題。但是我們也不能忽略我們在發(fā)展中存在的問題，農(nóng)村中投身農(nóng)業(yè)的青年越來越少，依靠人工進(jìn)行運作的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)在現(xiàn)代社會中難以繼續(xù)運轉(zhuǎn)下去，而機(jī)械化智能化農(nóng)業(yè)是農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是建立智能農(nóng)業(yè)的基石，智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的建立是以物聯(lián)網(wǎng)采集的數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的，智能化需要大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的訓(xùn)練。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中，人們主要是通過人工測量來獲取農(nóng)田信息的，這需要消耗大量的人力物力，實時性差，工作效率低下。經(jīng)過一定發(fā)展后，監(jiān)控系統(tǒng)是使用的RS-485和CAN總線等方式機(jī)型布線，這種方式的缺點很明顯，布線復(fù)雜，靈活性低下采集效率不高?，F(xiàn)代的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)使用的是無線傳輸技術(shù)，該技術(shù)極大的提高了采集的靈活程度，成為了現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基石。我們可以通過無線傳輸技術(shù)實時監(jiān)控采集農(nóng)業(yè)信息，并且信息可靠性強(qiáng)，有效節(jié)約人力物力，提高生產(chǎn)效率。在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)中，ZigBee網(wǎng)絡(luò)是十分受歡迎的一種技術(shù)。ZigBee技術(shù)擁有多個優(yōu)點，例如成本低，功耗低，時延短，安全可靠，工作頻率靈活。這些特點令ZigBee技術(shù)能適應(yīng)復(fù)雜的農(nóng)業(yè)環(huán)境，在智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域十分受歡迎。

2? 系統(tǒng)總體設(shè)計

2.1? 總體設(shè)計思路

該課題就是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能農(nóng)業(yè)中的作用，實現(xiàn)課題的思路：主要是由傳感器獲取農(nóng)業(yè)信息中溫度濕度，光照，以及人體信息，通過使用ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，通過串口在Arm上實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集以及控制。

該部分的設(shè)計可以使用三層設(shè)計模式進(jìn)行開發(fā)。

感知層：是屬于物聯(lián)網(wǎng)識別物體采集信息的基本單元，它利用各種傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，例如溫濕度傳感器DHT11，氣體傳感器MQ-2，光敏傳感器，紅外線傳感器進(jìn)行農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的采集。

網(wǎng)絡(luò)層：使用各種無線協(xié)議，串口協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊收集，將信息傳輸給應(yīng)用層。在該課題中我使用ZigBee作為網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，利用串口通訊對信息進(jìn)行傳輸給應(yīng)用層。

應(yīng)用層：作用作為智能系統(tǒng)和用戶的接口，方便用戶了解控制農(nóng)業(yè)信息，實現(xiàn)相應(yīng)的應(yīng)用控制。

2.2? 總體設(shè)計方案

該課題以Cortex-A9芯片作為Arm開發(fā)的核心，利用CC2530芯片作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建芯片，用各種傳感器獲取農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)使用ZigBee網(wǎng)絡(luò)集中所有的農(nóng)業(yè)信息，通過串口網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)Arm與ZigBee的通訊與控制。同時設(shè)置一個BOA服務(wù)器方便用戶隨時使用收集和電腦端進(jìn)行查看與控制。但是由于Arm上的服務(wù)器沒有公網(wǎng)地址，無法通過遠(yuǎn)程方式進(jìn)行控制，我們可以使用物聯(lián)網(wǎng)云平臺提供的接口進(jìn)行數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程查看以及控制功能。

根據(jù)以上內(nèi)容，本系統(tǒng)可以分為傳感信息采集模塊，控制模塊，協(xié)調(diào)器模塊，Arm監(jiān)控模塊，BOA服務(wù)器，云端服務(wù)器模塊這6大模塊。該課題的傳感信息采集模塊，控制模塊和協(xié)調(diào)器模塊都是關(guān)于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計模塊。

Arm監(jiān)控器模塊：該模塊主要是再Arm開發(fā)板上進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，對ZigBee協(xié)調(diào)器下達(dá)控制命令，并提供接口對BOA服務(wù)器和云端服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互。

BOA服務(wù)器：本模塊主要是提供接口給用戶使用瀏覽器進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問和控制，提供方便的模式。

云端服務(wù)器：該部分我的課題使用的是樂聯(lián)網(wǎng)云平臺對外開放的接口，將傳感器收集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡脚_，也是用他提供的控制接口進(jìn)行反向控制。該模塊實現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。

協(xié)調(diào)器模塊：ZigBee模塊中的中心模塊，該模塊使用串口網(wǎng)關(guān)和Arm監(jiān)控模塊進(jìn)行交互，Arm監(jiān)控器中的實時數(shù)據(jù)和實時監(jiān)控兩大功能都要通過該功能模塊進(jìn)行實現(xiàn)。

傳感信息采集模塊和控制模塊：這兩大模塊主要是屬于ZigBee網(wǎng)絡(luò)上的終端節(jié)點，分工明確，主管數(shù)據(jù)采集和控制兩大方向。采集模塊可以實時獲取溫度濕度，光照強(qiáng)度等信息，控制模塊可以調(diào)節(jié)光的亮度，溫度高低等等方面。是組成智慧農(nóng)業(yè)的基石。

3? 總結(jié)和展望

項目完成了，但是本人感覺該項目還有很多方面可以提升，例如在史密斯模糊PID算法進(jìn)行溫度控制算法，根據(jù)幾個基點值進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)測，并同時進(jìn)行溫度的調(diào)控，能降低溫度控制的延時。另外，智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的一些功能由于設(shè)備問題難以實現(xiàn)，比如溫度控制，本人沒有空調(diào)接口，所以并不能進(jìn)行實現(xiàn)。在未來本人希望能實現(xiàn)這些設(shè)想。

理想中智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)可以根據(jù)農(nóng)作物地長勢預(yù)測農(nóng)作物地發(fā)展趨勢，能自動化進(jìn)行澆水，施肥，調(diào)節(jié)光照等功能，以之達(dá)到農(nóng)作物最佳的生長環(huán)境，以及智能地通過相關(guān)市場預(yù)測，提醒用戶合理化種植農(nóng)作物。

本課題在未來社會發(fā)展中有著廣闊的前景，國家也投入了大量的人力物力在這個領(lǐng)域。智能化的農(nóng)業(yè)社會是目前社會的發(fā)展趨勢，是人們心中向往的社會，它能極大地提高社會生產(chǎn)力。

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