基于ZigBee的智慧農(nóng)場監(jiān)控系統(tǒng)研究

周海珍

摘要：近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術，嵌入式技術、移動設備和無線網(wǎng)絡的發(fā)展，尤其是無線局域網(wǎng)技術在生產(chǎn)和生活中的使用日益成熟，在無線局域網(wǎng)環(huán)境下的無線控制成為一個熱門的研究和應用領域。本系統(tǒng)的研究，能夠?qū)崿F(xiàn)一種低成本、 易擴展，適用于農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和信息化的智慧農(nóng)場控制技術。該技術的實現(xiàn)分為上位機技術與下位機技術，上位機利用Android提供的資源建立智能控制終端軟件，下位機利用單片機建立控制網(wǎng)關。該系統(tǒng)實現(xiàn)了無線局域網(wǎng)覆蓋下的無線控制。相對于傳統(tǒng)的農(nóng)場，本系統(tǒng)采用的基于ZigBee的智慧農(nóng)場監(jiān)控系統(tǒng)具有使用低成本，高產(chǎn)量的，高效管理的特點。

關鍵詞：智慧農(nóng)場;監(jiān)控;ZigBee

中圖分類號：TP273.5 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2020）01-0122-02

隨著物聯(lián)網(wǎng)等高新技術的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術的產(chǎn)物滲透了我們?nèi)粘９ぷ骱蜕钪械拿恳粋€細節(jié)部分。我國傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)正在加快向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型，而智慧農(nóng)業(yè)將成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)未來發(fā)展的趨勢。智慧農(nóng)場就是要應用現(xiàn)代化信息技術成果去監(jiān)控農(nóng)作物生長信息，白天光照強度，溫度及濕度，土壤環(huán)境等信息使農(nóng)作物在最合適的環(huán)境下生長，提高農(nóng)作物產(chǎn)量，同時也便于農(nóng)場工作的有效管理和減少成本。

1 系統(tǒng)的總體設計

基于ZigBee的現(xiàn)代智慧農(nóng)場監(jiān)控系統(tǒng)總體分成兩個子系統(tǒng)。分別是上位機子系統(tǒng)和下位機子系統(tǒng)。上位機利用安卓提供的資源建立智能控制終端軟件。下位機利用單片機建立控制網(wǎng)關?？蛻舳说挠脩羰褂檬謾C或平板等移動設備登錄智慧農(nóng)場監(jiān)控系統(tǒng)，然后利用Wifi發(fā)送請求給服務器端，而服務器上事先通過WCF框架發(fā)布了Service，再根據(jù)用戶請求調(diào)用Service從而達到了請求與實現(xiàn)分離的，同時要與智能網(wǎng)關進行socket通信，根據(jù)用戶在手機上操作的請求發(fā)送相應的命令，如圖1所示。

遠程用戶則可使用智能終端通過Internet訪問智慧農(nóng)場監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)關，來實現(xiàn)對農(nóng)場系統(tǒng)的控制和遠程訪問。網(wǎng)關是整個智慧農(nóng)場監(jiān)控系統(tǒng)的核心，負責整個系統(tǒng)內(nèi)部的協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)交互等工作。網(wǎng)關的構(gòu)成主要有核心處理器STN32F103C8、電源及JLINK調(diào)試模塊、WIFI控制、以太網(wǎng)。系統(tǒng)的多種控制方式、多種訪問方式都需要該網(wǎng)關來提供，另外農(nóng)場的環(huán)境數(shù)據(jù)也需要該網(wǎng)關應用Zigbee技術來采集，將采集的數(shù)據(jù)進行處理來調(diào)節(jié)農(nóng)場環(huán)境溫度、濕度、光照等因素，并將結(jié)果顯示到客戶端。

2 系統(tǒng)硬件的設計

目前常用的無線傳輸標準主要有三種，分別是ZigBee、藍牙、以及IEEE802.11WLAN，這三種標準各有所長。

本文研究的智慧農(nóng)場監(jiān)控系統(tǒng)在進行無線數(shù)據(jù)傳輸標準選擇時，需要綜合考慮室外信號覆蓋范圍、數(shù)據(jù)傳輸速率、以及系統(tǒng)建設成本。在以上三種標準中，ZigBee的傳輸速率雖然最低，更重要的是，ZigBee標準的復雜度低，能夠提供更長的電池壽命，系統(tǒng)運行成本不大。因此，本系統(tǒng)選擇ZigBee標準作為無線網(wǎng)絡傳輸方式。在明確了無線通信標準后，本系統(tǒng)的硬件配置如下：

本系統(tǒng)采用CC2530 SoC芯片作為硬件設備，采用具有ZigBee路由功能嵌入式設備作為智能開關設備。采用CC2530-ZNP芯片作為物聯(lián)網(wǎng)協(xié)調(diào)器，并采用SPI接口，設計網(wǎng)關硬件和主機連接如圖2和圖3所示。網(wǎng)關和智能設備采用的芯片均為SoC，并都支持ZigBee協(xié)議棧。主機CPU采用的是ARM9，運行為嵌入式系統(tǒng)裁剪后的Linux系統(tǒng)，如圖2所示。

智慧農(nóng)場監(jiān)控系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)部分，網(wǎng)關需要處理ZigBee協(xié)議，我們采用了德州儀器公司（TI）的CC2530-ZNP作為核心處理部件。物聯(lián)網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)的連接也需要該芯片。要使ZigBee協(xié)議能夠正常運行就需要一個支持該協(xié)議運行的微處理器（MPU），它是一個既能夠運行簡單的任務輪詢又能夠自定義任務和中斷服務的操作系統(tǒng)，如圖3所示。

3 系統(tǒng)軟件的設計

本系統(tǒng)使用安卓開發(fā)設計智慧農(nóng)場監(jiān)控系統(tǒng)上位機軟件的實現(xiàn)。本系統(tǒng)軟件主要包括四個界面：

（1）智慧農(nóng)場監(jiān)控的主界面;

（2）智慧農(nóng)場環(huán)境實時數(shù)據(jù)監(jiān)控曲線界面;

（3）智慧農(nóng)場的環(huán)境歷史數(shù)據(jù)監(jiān)控曲線界面;

（4）智慧農(nóng)場環(huán)境歷史數(shù)據(jù)報表界面。

其中智慧農(nóng)場監(jiān)控主界面作用是顯示當前農(nóng)場的總體概況以及各個檢測點的運行狀況。智慧農(nóng)場環(huán)境實時數(shù)據(jù)監(jiān)控曲線界面可以顯示按時間段內(nèi)的農(nóng)場環(huán)境數(shù)據(jù)。智慧農(nóng)場環(huán)境歷史數(shù)據(jù)監(jiān)控曲線界面的作用記錄農(nóng)場環(huán)境歷史數(shù)據(jù)并以數(shù)據(jù)曲線形式直觀顯示。如果想要對農(nóng)場環(huán)境歷史數(shù)據(jù)進行保存或打印等操作，可以使用歷史報表控件來展示。

4 結(jié)語

智慧農(nóng)場是一個技術與需求日新月異的新型活躍科技領域，各種前沿的科學技術的融合與摻雜推動著智慧農(nóng)場行業(yè)快速向前發(fā)展。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)相比，本系統(tǒng)采用時下新興的ZigBee無限傳感網(wǎng)絡技術，實現(xiàn)了一個低成本，高產(chǎn)量與高效管理的“智慧農(nóng)場”。