基于ZigBee技術(shù)的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

史德林

（江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇　句容　212400）

基于ZigBee技術(shù)的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)

史德林

（江蘇農(nóng)林職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇句容212400）

農(nóng)業(yè)信息化是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的重要內(nèi)容。基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的農(nóng)業(yè)種植環(huán)境的監(jiān)控系統(tǒng)，可提升設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化以及智能化水平，從而提高農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；ZigBee；設(shè)施農(nóng)業(yè)

1　物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)信息化中的作用

農(nóng)業(yè)信息化是現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的重要內(nèi)容。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在農(nóng)業(yè)種植系統(tǒng)中安裝智能控制器進(jìn)行信息收集，獲取全面的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)叫畔⒐芾碇行模⒃诓僮鹘K端對(duì)采集到的信息進(jìn)行分析處理，根據(jù)分析結(jié)果智能控制農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的各種參數(shù)，如溫度、濕度、土壤酸堿度等，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境的自動(dòng)監(jiān)測(cè)，保證農(nóng)作物的生長(zhǎng)。

通過將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)同農(nóng)村信息化相結(jié)合，可以在日常生產(chǎn)生活中以更加精準(zhǔn)高效的方式來進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，促進(jìn)生產(chǎn)力的快速發(fā)展。作為我國(guó)重點(diǎn)發(fā)展的新興產(chǎn)業(yè)，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)新技術(shù)必將形成巨大的產(chǎn)業(yè)能力，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)將產(chǎn)生巨大的促進(jìn)作用。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為農(nóng)作物整個(gè)生產(chǎn)過程提供更加有效的信息支持，可以有效提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，從而提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力。因此，大力發(fā)展農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是農(nóng)村信息化的必由之路。采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品從生產(chǎn)到銷售整個(gè)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過電子標(biāo)識(shí)、條形碼等方法，對(duì)農(nóng)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)從農(nóng)田到餐桌的整體監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品安全問題的有效監(jiān)管。

2　ZigBee協(xié)議

作為一種新興的低成本國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)短距離無線通信協(xié)議，Zigbee協(xié)議具有價(jià)格低、使用方便、低功耗、時(shí)延短、工作可靠等特點(diǎn)，主要適用于距離較短、傳輸速率較低的數(shù)據(jù)傳輸和周期性、間性數(shù)據(jù)、低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)的傳輸。基于Zigbee技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可多達(dá)65000個(gè)，這些網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)組成了一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)距離為75m，并可以無限擴(kuò)展。節(jié)點(diǎn)不僅可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)，同時(shí)可以作為監(jiān)控對(duì)象自動(dòng)中轉(zhuǎn)其他節(jié)點(diǎn)傳輸過來的數(shù)據(jù)，并可以通過無線連接的方式，同其它不承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)信息中轉(zhuǎn)任務(wù)的子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接。由于節(jié)點(diǎn)可以與不同的傳感器進(jìn)行連接，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行自主選擇，且具有自組織網(wǎng)絡(luò)特性，因此具有很好的網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展性和靈活性。近年來，由于Zigbee技術(shù)價(jià)格低廉、使用方便的優(yōu)點(diǎn)，在諸多領(lǐng)域得到廣泛的使用和快速的發(fā)展。Zigbee技術(shù)主要適用于微小的嵌入設(shè)備中，比如可以應(yīng)用于安全定位、智能控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)和軍事偵察等。Zigbee網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備中，根據(jù)其通信能力的不同可以分為全功能設(shè)備和精簡(jiǎn)功能設(shè)備兩種物理設(shè)備。全功能設(shè)備是一種具有強(qiáng)大功能的設(shè)備，具有管理和控制網(wǎng)絡(luò)的功能，既可以在全功能設(shè)備之間進(jìn)行通信，也可以同精簡(jiǎn)功能設(shè)備進(jìn)行通信。全功能設(shè)備不僅可以處理數(shù)據(jù)，也可以實(shí)現(xiàn)路由器的功能。精簡(jiǎn)功能設(shè)備只能作為通訊終端，通常精簡(jiǎn)功能設(shè)備只能和一個(gè)某一個(gè)全功能設(shè)備進(jìn)行通信，且兩個(gè)精簡(jiǎn)功能設(shè)備之間不能相互通信。由于精簡(jiǎn)功能設(shè)備所能傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較少，因此，不會(huì)占用過多的傳輸和通訊資源。

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，有三種邏輯設(shè)備類型：協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)。其中協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)只有一個(gè)，是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的中心。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)采用樹形或網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，需要用到路由節(jié)點(diǎn)。一般情況下，終端節(jié)點(diǎn)處于休眠狀態(tài)，只能與上層節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。因此，只能采用全功能設(shè)備作用ZigBee技術(shù)中的協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)，而終端節(jié)點(diǎn)兩種設(shè)備都可以。

根據(jù)不同的需要，ZigBee網(wǎng)絡(luò)有星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是由以一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)為核心的一系類終端節(jié)點(diǎn)所組成的，是一種簡(jiǎn)單的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的每個(gè)終端節(jié)點(diǎn)只能和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，因此這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較適合在小范圍內(nèi)應(yīng)用。樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是通過對(duì)星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行拓展得到的，它由一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)為核心，若干路由節(jié)點(diǎn)和若干終端節(jié)點(diǎn)所構(gòu)成的，形成多級(jí)路由節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)之間通過跳級(jí)的方式進(jìn)行通信。但是由于樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的這種特點(diǎn)，當(dāng)一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障的時(shí)候，其下的一部分節(jié)點(diǎn)將不能繼續(xù)工作。網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一種較為復(fù)雜，也較為可靠的結(jié)構(gòu)，同樣由一個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)為核心，若干路由節(jié)點(diǎn)和若干終端節(jié)點(diǎn)所構(gòu)成，不同于樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的是，網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)各個(gè)節(jié)點(diǎn)是呈網(wǎng)狀分布的，這決定了它不同的信息傳輸方式。通常情況下，路由節(jié)點(diǎn)之間可以直接進(jìn)行通信，且一個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，還可以通過其它節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此較為靈活和可靠。

3　在農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

在設(shè)施農(nóng)業(yè)的大棚監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，選用stm32f0xx系列的單片機(jī)作為控制中心，供電模塊對(duì)系統(tǒng)提供電源。依靠溫度傳感器、濕度傳感器、圖像傳感器等控制模塊，對(duì)大棚內(nèi)種植環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并周期性采集相關(guān)數(shù)據(jù)。最后，利用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸，在PC終端顯示。通過和標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，各功能模塊通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，從而達(dá)到對(duì)于農(nóng)業(yè)種植環(huán)境信息的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

（1）溫度、濕度信息感知事件的處理機(jī)制。在系統(tǒng)啟動(dòng)開始，對(duì)于農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)部署在前端的感知節(jié)點(diǎn)迅速加入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，以便與協(xié)調(diào)器互動(dòng)并發(fā)送應(yīng)答，在此過程中，我們可以依據(jù)初始時(shí)刻指定的時(shí)間，周期性地采集溫度和濕度的相關(guān)數(shù)據(jù)，其采集的頻率上報(bào)方式由協(xié)調(diào)器發(fā)出指令控制。

（2）圖像傳感器感知事件處理機(jī)制。在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，部署在大棚中的圖像傳感器立刻加入到無線傳感網(wǎng)絡(luò)中，根據(jù)設(shè)定的觸發(fā)事件，事件發(fā)生時(shí)，圖像傳感器被觸發(fā)開始工作，開始拍照并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)器中，由于圖像傳輸需要較大的傳輸帶寬，因此可以等網(wǎng)絡(luò)適合時(shí)，將圖像進(jìn)行分片，并通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)輸送到終端。在此過程中，具體的觸發(fā)時(shí)間及時(shí)間間隔等參數(shù)根據(jù)協(xié)調(diào)器實(shí)時(shí)發(fā)送的命令來控制。此外，用戶還可以在遠(yuǎn)端直接請(qǐng)求當(dāng)前的圖像。

The Agricultural Environment Monitoring System Based on the ZigBee Technology

SHI De-lin
（Jiangsu Polytechnic College of Agriculture and Forestry，Jurong，Jiangsu 212400，China）

The agricultural informatization is an important part of the modern agriculture.Agricultural environment monitoring Systembasedonthe Zigbeewireless network technology can improve the automatic andintelligent levelof agricultural production andfacilitateproducingefficiencyofagriculturalproducts.

the Internet of things technology；ZigBee；facility agriculture

TP274

A

2095-980X（2015）11-0056-02

2015-10-16

史德林（1980-），男，江蘇響水人，碩士，講師，主要研究方向：農(nóng)業(yè)工程，物聯(lián)網(wǎng)。