基于ZigBee智慧農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)

龍祖連

（廣西水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530023）

0 引 言

隨著科技技術(shù)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域中得到越來越重要的應(yīng)用；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)從簡(jiǎn)單的藍(lán)牙技術(shù)、WiFi技術(shù)、2.4G無線技術(shù)，到現(xiàn)在的ZigBee無線組網(wǎng)技術(shù)、NBIoT技術(shù)、LoRa技術(shù)等，都是技術(shù)進(jìn)步的體現(xiàn)。目前，國(guó)外農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)根據(jù)的是國(guó)外的環(huán)境信息及需求設(shè)計(jì)的，無法適應(yīng)我國(guó)農(nóng)業(yè)的環(huán)境生長(zhǎng)，國(guó)內(nèi)的系統(tǒng)在功能和穩(wěn)定性也不那么理想，難以推廣應(yīng)用。因此，本文結(jié)合廣西農(nóng)業(yè)的特點(diǎn)及溫室種植的研究，采用ZigBee無線組網(wǎng)技術(shù)及4G網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)智慧農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)，不僅成本低、低功耗，同時(shí)，智能化程度高、穩(wěn)定性好等方面也滿足需求，便于推廣應(yīng)用。

1 系統(tǒng)總體框圖設(shè)計(jì)

智慧農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)以CC2530單片機(jī)為主，自帶無線組網(wǎng)功能，信號(hào)采集模塊類型豐富、功能齊全，方便采集節(jié)點(diǎn)的放置及增加，主要功能包括：溫濕度節(jié)點(diǎn)信息采集、光照度節(jié)點(diǎn)信息采集、土壤酸堿度節(jié)點(diǎn)信息采集等，終端節(jié)點(diǎn)信息的采集通過單片機(jī)自帶ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過對(duì)各終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚處理后，經(jīng)串口傳輸?shù)接|摸屏進(jìn)行數(shù)據(jù)交互與控制。同時(shí)協(xié)調(diào)器經(jīng)過4G模塊把終端節(jié)點(diǎn)采集的信息傳送到云平臺(tái)和手機(jī)APP。在云平臺(tái)可以對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，繪制成相應(yīng)的數(shù)據(jù)曲線保存在云端，方便對(duì)歷史數(shù)據(jù)的查看與分析，保證農(nóng)作物良好的生長(zhǎng)。智慧農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。

圖1 智慧農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)總體框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控處理器模塊

在本系統(tǒng)中主控處理器主要完成ZigBee網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)、傳感器數(shù)據(jù)采集與計(jì)算機(jī)通信等。根據(jù)需求選擇TI公司的CC2530F256作為主控系統(tǒng)芯片，該芯片是集成了增強(qiáng)型8051微控制器內(nèi)核與2.4 GHz的RF收發(fā)器，具有256 KB內(nèi)存，同時(shí)在該公司開發(fā)的ZigBee協(xié)議棧（Z-Stack）上做應(yīng)用開發(fā)，比較容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能。由于CC2530芯片的集成度高且是低功耗及多種工作模式，作為終端節(jié)點(diǎn)使用在設(shè)計(jì)的智慧農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)中，可以免除布線的煩惱，1節(jié)3.7 V的鋰電池就可以工作1年以上。CC2530主控模塊電路如圖2所示。

圖2 CC2530主控模塊電路

2.2 溫濕度數(shù)據(jù)采集及控制模塊

市場(chǎng)上的溫濕度傳感器很多，本文結(jié)合廣西的農(nóng)業(yè)環(huán)境的信息選擇了DHT11數(shù)字溫濕度傳感器和DS18B20溫度傳感器。DHT11傳感器包括一個(gè)電阻式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫元件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)連接，具有超小的體積、極低的功耗，信號(hào)傳輸距離可達(dá)20 m以上，接線簡(jiǎn)單，測(cè)量范圍為，濕度：20%RH～90%RH，溫度：0～50 ℃，適合在農(nóng)業(yè)溫室種植環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中使用。雖說廣西冬天的溫度不會(huì)很低，但是考慮到有極端天氣的出現(xiàn)，本文還采用了DS18B20溫度傳感器，用于外部農(nóng)作物溫度的檢測(cè)，溫度的檢測(cè)范圍為-55～125 ℃。這樣不管在溫室還是空曠的環(huán)境都能實(shí)時(shí)采集溫濕度，從而調(diào)節(jié)溫室內(nèi)的溫濕度，達(dá)到農(nóng)作物需要的適合生長(zhǎng)的溫濕度環(huán)境。

2.3 光照度數(shù)據(jù)采集及控制模塊

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中光照度傳感器采用BH1750FVI光照度傳感器，測(cè)量范圍0～65 535 lx。光照度傳感器安裝在大棚內(nèi)部，檢測(cè)大棚內(nèi)部的光照度，若是大棚內(nèi)部的光照度小于設(shè)定的閾值，則控制器發(fā)送控制信號(hào)至遮陽系統(tǒng)以開啟遮陽系統(tǒng)，讓光照進(jìn)大棚；若是大棚內(nèi)部的光照度高于設(shè)定的閾值，則控制器發(fā)送控制信號(hào)至遮陽系統(tǒng)以關(guān)閉遮陽系統(tǒng)。遮陽系統(tǒng)包括電機(jī)與遮陽棚，控制器發(fā)送控制信號(hào)至遮陽棚以控制遮陽棚的打開或關(guān)閉。

2.4 土壤酸堿度數(shù)據(jù)采集及控制模塊

土壤傳感器采用HSTL-102STR土壤傳感器，土壤傳感器可以同時(shí)檢測(cè)土壤的水分、電導(dǎo)率及鹽分?jǐn)?shù)據(jù)，通過檢測(cè)土壤的水分以便控制噴灌系統(tǒng)打開或者關(guān)閉。當(dāng)土壤的水分低于設(shè)定閾值時(shí)，開啟噴灌系統(tǒng)；當(dāng)土壤的水分達(dá)到或者高于設(shè)定閾值時(shí)，關(guān)閉噴灌系統(tǒng)。土壤傳感器檢測(cè)土壤的電導(dǎo)率、鹽分，以供用戶了解土壤的性質(zhì)，進(jìn)而采取相應(yīng)的執(zhí)行措施。

2.5 風(fēng)速數(shù)據(jù)采集及控制模塊

風(fēng)速傳感器采用YDBS-3001-FS，測(cè)量范圍為0～30 m/s，測(cè)量精度為±1 m/s。因廣西地處沿海地區(qū)，每年都會(huì)有臺(tái)風(fēng)的出現(xiàn)，風(fēng)速傳感器安裝在大棚外部，測(cè)量大棚外部的風(fēng)速情況，以供控制器判斷大棚是否有損壞的可能，即當(dāng)大棚外部風(fēng)速達(dá)到閾值時(shí)，大棚有可能被損壞。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)本系統(tǒng)選用的主控芯片CC2530，配套的軟件開發(fā)選用的是IAR開發(fā)環(huán)境，其最大優(yōu)勢(shì)是能夠直接使用TI公司提供的協(xié)議棧（Z-Stack）進(jìn)行開發(fā)，只需要調(diào)用API 接口函數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)建立、設(shè)備初始化、終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集等。同時(shí)對(duì)主控芯片選擇合理的工作模式，降低系統(tǒng)工作功耗。協(xié)調(diào)器通過串口通信將匯聚的數(shù)據(jù)信息與計(jì)算機(jī)通信，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室養(yǎng)殖環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在整個(gè)系統(tǒng)的軟件開發(fā)過程中，都是在協(xié)議棧（Z-Stack）進(jìn)行開發(fā)，首先要配置ZigBee無線組網(wǎng)的傳輸號(hào)，因?yàn)橄到y(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)數(shù)量大于一個(gè)，所以選擇廣播傳輸方式。

3.1 液晶顯示界面

采用7寸的串口觸摸屏方便數(shù)據(jù)查看及操作。觸摸顯示屏可以用來手動(dòng)輸入各個(gè)設(shè)定的閾值，例如溫度閾值、濕度閾值、光照度閾值、風(fēng)速閾值等，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制；也可用于手動(dòng)控制恒溫系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、噴灌系統(tǒng)、遮陽系統(tǒng)的開啟或關(guān)閉，同時(shí)顯示各傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)的相應(yīng)參數(shù)。

3.2 云平臺(tái)數(shù)據(jù)顯示

系統(tǒng)采用4G DTU模塊進(jìn)行云平臺(tái)數(shù)據(jù)查看，遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)端通過4G DTU模塊與ZigBee協(xié)調(diào)器連接，4G DTU模塊用于接收ZigBee協(xié)調(diào)器發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)端進(jìn)行監(jiān)測(cè)。遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)端包括手機(jī)、平板電腦，可隨時(shí)隨地對(duì)大棚進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.3 終端節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集

TI 公司提供的協(xié)議棧（Z-Stack）對(duì)本文系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)提供了很大的幫助，只需要在相應(yīng)的函數(shù)添加各個(gè)傳感器代碼，修改組網(wǎng)信息就可以。該協(xié)議棧提供三種通信方式：廣播、組播及點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，采用廣播方式來設(shè)計(jì)。

（1）終端節(jié)點(diǎn)采集傳感器數(shù)據(jù)信息廣播發(fā)送函數(shù)。

（2）協(xié)調(diào)器接收到數(shù)據(jù)并在液晶屏幕上顯示函數(shù)。

注意：在使用軟件下載程序時(shí)，區(qū)分好終端和協(xié)調(diào)器的下載方式。

4 結(jié) 語

本文基于ZigBee智慧農(nóng)業(yè)控制系統(tǒng)，從硬件與軟件兩個(gè)方面設(shè)計(jì)并提供了一個(gè)切實(shí)可行的系統(tǒng)框架和方案。該系統(tǒng)農(nóng)業(yè)種植檢測(cè)智能化、電路簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、人機(jī)互動(dòng)良好，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控農(nóng)業(yè)的生長(zhǎng)狀況，保證了農(nóng)作物的健康成長(zhǎng)，同時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、可靠，適用于很多溫室系列的數(shù)據(jù)采集環(huán)境。