基于ZigBee的智慧農(nóng)田管理系統(tǒng)研究

葉琪琳，盧愛紅，馮蓉珍

（蘇州經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學院，蘇州215009）

0 引言

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的信息采集儀器和儀表需要專業(yè)技術(shù)人員操作，設(shè)備購置、安裝、使用、維護和管理成本高，信息處理數(shù)理統(tǒng)計方法復雜，效率低，自動控制措施匱乏或應用成本高?，F(xiàn)代農(nóng)業(yè)大力發(fā)展智慧農(nóng)業(yè)，以農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)為載體，依托部署在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場的各種傳感節(jié)點感知數(shù)據(jù)，利用無線通信網(wǎng)絡(luò)感知農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，在主控制器端根據(jù)采集的實時數(shù)據(jù)自動進行預警、分析和決策，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供精準化種植、可視化管理、智能化決策。智慧農(nóng)業(yè)的典型應用是智慧農(nóng)田管理系統(tǒng)，系統(tǒng)需要對動植物生命體本質(zhì)感知，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境（空氣、土壤、水質(zhì)等）在線監(jiān)測，對突發(fā)事件的自動處理能力，和對基于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境信息的農(nóng)業(yè)裝備的調(diào)度能力等。智慧農(nóng)田管理系統(tǒng)的傳感節(jié)點數(shù)量龐大，人工成本太大，可利用ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢，在系統(tǒng)前端采集數(shù)據(jù)，再通過ARM主控制器收集各個傳感節(jié)點的數(shù)據(jù)，并做出統(tǒng)計分析和處理。ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)因其自組網(wǎng)的穩(wěn)定性、功耗低、數(shù)據(jù)速率低等特點，適用于流量要求不高的傳感網(wǎng)絡(luò)，在智慧農(nóng)田管理系統(tǒng)的前端采集部分取得了較大的市場應用。ARM主控制器的CPU處理能力強，芯片接口豐富，能夠適應各種形式接口傳入的傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，并能夠進行復雜的存儲、分析、判斷、決策的功能。選用ARM主控制器和ZigBee網(wǎng)絡(luò)能夠搭建功能完善的智慧農(nóng)田管理系統(tǒng)。智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展，使得每個農(nóng)場都會像使用肥料和水一樣使用實時傳感數(shù)據(jù)來提高農(nóng)場的經(jīng)濟效益，保證農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。

1 系統(tǒng)要求與整體設(shè)計

智能農(nóng)田管理系統(tǒng)由ARM主控制器和ZigBee無線傳感網(wǎng)兩部分組成。ARM主控制器選用Cortex-M3芯片，從串口接收ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送過來的傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)傳輸依據(jù)自定義的ZigBee應用層數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，采集的數(shù)據(jù)在LCD顯示屏上實時顯示和更新。通過在Cortex-M3芯片上移植uCOS-II實時操作系統(tǒng)，實現(xiàn)多任務的調(diào)度管理和任務之間的通信管理，以實現(xiàn)復雜的分析、存儲、判斷和做出實時決策以及上報的多任務功能。ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的各個節(jié)點選用TI公司推出的CC2530芯片，CC2530芯片集成射頻收發(fā)模塊，能夠完成ZigBee無線電波的收發(fā)工作，CC2530芯片同時集成51單片機，能夠提供比較簡單的I/O和串口等外設(shè)接口，方便接入各種類型的傳感器。在CC2530芯片上加載Z-Stack協(xié)議棧，利用Zig-Bee協(xié)議棧的自組網(wǎng)的功能，實現(xiàn)穩(wěn)定的短距離無線通信傳感網(wǎng)絡(luò)。

系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1系統(tǒng)框圖

2 硬件設(shè)計

系統(tǒng)的硬件由兩部分組成，一部分是ARM主控制器的設(shè)計，另一部分是ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計。ARM主控制器選用基于Cortex-M3核的STM32F103芯片，芯片的UART0用于程序的下載和調(diào)試，UART5與Zig-Bee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器開發(fā)板的串口相連。LCD液晶顯示屏采用SPI接口與ARM芯片相連，LCD顯示屏是2.2寸的液晶模塊，分辨率為176×220，模塊可接收3.3V電源輸入。LCD液晶模塊的11pin的硬件連接方法是液晶模塊能夠正常驅(qū)動的關(guān)鍵，具體定義為：CLK是串行SPI時鐘信號，SDI是串行SPI數(shù)據(jù)輸入信號，RS是命令（RS=0）/參數(shù)（RS=1）選擇，RST 是液晶復位信號，CS是液晶片選信號。ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點的部署，可以根據(jù)實際的需求來調(diào)整，Zig-Bee網(wǎng)絡(luò)中協(xié)調(diào)器只有一個，且與ARM直接連接，Zig-Bee協(xié)調(diào)器節(jié)點作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心，能夠收集ZigBee網(wǎng)絡(luò)中各個路由器和終端節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)，并能夠?qū)RM開發(fā)板下達的控制指令發(fā)送到指定的節(jié)點。路由器和終端節(jié)點組網(wǎng)時的區(qū)別是由ZigBee協(xié)議棧的軟件配置的控制的。ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)各個節(jié)點的傳感器接入的設(shè)計，與智慧農(nóng)田的需求緊密相關(guān)。智慧農(nóng)田的系統(tǒng)接入農(nóng)田的四種監(jiān)測值傳感器：土壤墑情監(jiān)測包括土壤溫度、土壤濕度、光照度和土壤PH值；蟲情監(jiān)測包括田間蟲情和無公害誘捕殺蟲；孢子監(jiān)測包括病菌孢子連續(xù)動態(tài)監(jiān)測；氣象環(huán)境監(jiān)測包括空氣溫度、空氣濕度、紫外線強度、太陽總輻射、風速、風向、風力、降雨等。智慧農(nóng)田的聯(lián)動控制系統(tǒng)主要有灌溉、風機、卷簾、增溫和水閥等控制設(shè)備。智慧農(nóng)田系統(tǒng)基于精準的農(nóng)業(yè)傳感器進行實時監(jiān)測，利用ARM主控制器進行多層次分析，做出決策控制聯(lián)動系統(tǒng)，提升農(nóng)業(yè)化生產(chǎn)的智能化水平。

3 軟件設(shè)計

智能農(nóng)田系統(tǒng)的傳感器節(jié)點繁多，每個傳感節(jié)點都是基于Z-Stack協(xié)議棧的OSAL操作系統(tǒng)設(shè)計的，通過定義ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，來管理多個傳感器與ZigBee協(xié)調(diào)器和ARM開發(fā)板的通信方式。ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議管理了三種命令格式：①周期消息：每個傳感節(jié)點都會周期性的發(fā)送數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器對收到的周期性的信息加以處理，無需回復，只需要確認連接正常。②測量類消息：傳感器節(jié)點發(fā)送測量消息到協(xié)調(diào)器。③控制類消息：協(xié)調(diào)器發(fā)送控制類消息到傳感器節(jié)點，需要在指定時間內(nèi)收到相應節(jié)點的回復，超時沒有回復，協(xié)調(diào)器需要重發(fā)控制類消息。ZigBee應用層用戶自定義的通信協(xié)議的數(shù)據(jù)包格式，包括測量類消息和控制類消息，分別如表1、表2所示。

表1測量類消息數(shù)據(jù)包格式

表2控制類消息數(shù)據(jù)包格式

ARM開發(fā)板作為智慧農(nóng)田管理系統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)，在接收到協(xié)調(diào)器發(fā)送的周期性消息之后，網(wǎng)關(guān)通過接收的消息可以確定當前系統(tǒng)中有哪些傳感器節(jié)點，在LCD顯示屏上灰化顯示相應各個節(jié)點的圖標，以表明各個傳感器節(jié)點還未被激活。當網(wǎng)關(guān)進一步收到傳感器節(jié)點的周期消息或者測量消息之后，節(jié)點圖標會用彩色高亮顯示，表明“傳感器模塊開啟”。傳感器模塊啟動后，如果在周期時間內(nèi)沒有再進一步收到該節(jié)點的周期消息，網(wǎng)關(guān)上的相應圖標繼續(xù)變?yōu)榛疑?，表明傳感器模塊的心跳已停止，需要等待進一步的激活。

ARM開發(fā)板的軟件設(shè)計以uCOS-II實時操作系統(tǒng)的移植為基礎(chǔ)，uCOS-II實時操作系統(tǒng)是一個占先式的多任務操作系統(tǒng)。將uCOS-II的操作系統(tǒng)的核心代碼加入到系統(tǒng)工程之后，修改與體系架構(gòu)Cortex-M3相關(guān)的，以及與單板配置相關(guān)的源碼，再根據(jù)實際需求編寫應用層的多任務源碼。在完成uCOS-II內(nèi)核初始化、LCD初始化、BSP初始化、開啟系統(tǒng)時鐘的基礎(chǔ)上，開始創(chuàng)建多任務，任務設(shè)計完成后，啟動uCOS-II操作系統(tǒng)。操作系統(tǒng)開啟多任務工作模式，根據(jù)ZigBee自定義的應用層協(xié)議將傳感網(wǎng)絡(luò)各個節(jié)點的數(shù)據(jù)接收之后，在ARM開發(fā)板本地的SD卡保存下來，同時更新到LCD顯示屏上實時顯示。

4 實驗結(jié)果

選用8個ZigBee節(jié)點，8個傳感器，1個ZigBee節(jié)點作為協(xié)調(diào)器和1個ARM開發(fā)板作為本系統(tǒng)的實驗設(shè)備，ZigBee協(xié)調(diào)器與STM32開發(fā)板通過串口直接相連，ZigBee的路由器和終端節(jié)點分別燒錄不同的傳感器節(jié)點代碼。ARM開發(fā)板燒錄uCOS-II操作系統(tǒng)可執(zhí)行文件，操作系統(tǒng)的應用層設(shè)計了界面程序。

系統(tǒng)上電時，首先啟動ZigBee協(xié)調(diào)器，以便創(chuàng)建一個空的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，再啟動ZigBee路由器和終端節(jié)點，各個節(jié)點自動加入?yún)f(xié)調(diào)器創(chuàng)建的網(wǎng)絡(luò)號一致的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，形成樹狀結(jié)構(gòu)。對ARM開發(fā)板上電，uCOS-II操作系統(tǒng)和界面程序正常啟動，操作系統(tǒng)接收ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送過來的周期消息，解析出當前Zig-Bee網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點的拓撲結(jié)構(gòu)圖，在顯示屏上用圖標實時顯示出來。ARM開發(fā)板利用操作系統(tǒng)中的MySQL數(shù)據(jù)庫存儲傳感器的數(shù)據(jù)，方便操作系統(tǒng)的各個任務隨時讀取傳感器的最新數(shù)據(jù)。ARM開發(fā)板的界面程序中設(shè)置定時更新功能，定時獲取數(shù)據(jù)庫中各個節(jié)點的最新傳感器數(shù)據(jù)來實時顯示，ARM開發(fā)板的串口在后臺接收到協(xié)調(diào)器發(fā)送過來的消息之后，實時保存到MySQL數(shù)據(jù)庫。ARM開發(fā)板的應用程序可根據(jù)各節(jié)點的傳感器數(shù)據(jù)，進行統(tǒng)計分析，若發(fā)現(xiàn)不在正常工作范圍的傳感器節(jié)點，可以及時發(fā)出警告，并自動啟動聯(lián)動控制程序，通過控制類消息自動控制ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的聯(lián)動控制節(jié)點。

5 結(jié)語

為了適應現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的智能化、精細化管理的要求，本系統(tǒng)提供了智慧農(nóng)田管理系統(tǒng)的設(shè)計方案，選用近距離通信的ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)和STM32開發(fā)板組合設(shè)計了完整的系統(tǒng)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)的低速率和穩(wěn)定性能很好地適應農(nóng)業(yè)現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)的特點，ARM主控制器的數(shù)據(jù)處理能力足夠滿足當前系統(tǒng)的采集、統(tǒng)計和分析的需求，芯片豐富的接口也能為系統(tǒng)的嵌入式開發(fā)提供較大的靈活性。系統(tǒng)的軟件設(shè)計重點解決了Zig-Bee網(wǎng)絡(luò)應用層自定義的通信協(xié)議的設(shè)計，ARM開發(fā)板的uCOS-II操作系統(tǒng)多任務的設(shè)計，以及可視化界面程序的設(shè)計。系統(tǒng)調(diào)試的結(jié)果顯示，功能穩(wěn)定。本系統(tǒng)為智慧農(nóng)業(yè)的智能化發(fā)展的解決方案提供了參考。