基于ZigBee和3G技術的農田環境監測系統設計

張慧穎

摘要：針對目前農田環境監測中無線化、智能化的特點，設計一種無線監測系統。系統的主要構成部分是：傳感節點、嵌入式網關、3G模塊和上位機軟件。無線傳感節點由承載ZigBee技術的CC2530芯片配合傳感器設計，完成對農田環境信息的采集和傳輸；傳感器節點通過ZigBee構成的無線網絡將采集到的數據發送到協調器節點；利用ARM設計嵌入式網關，并采用3G模塊實現通過3G網絡將數據傳送到手持設備或者監測中心。上位機系統采用Labview2011平臺實現，做到監測界面簡潔化。測試結果表明，ZigBee技術下的農田監測系統具有更好的實時性和準確性，且功耗低，有更廣泛的應用前景。

關鍵詞：無線傳感節點；ZigBee；ARM；3G；Labview2011；農田環境監測

中圖分類號： TP274 文獻標志碼： A 文章編號：1002-1302（2015）10-0487-04

近年來，很多國家將電子信息技術和農業生產相結合，形成了以信息技術為支撐的新型農業，即“精準農業”。精準農業包含10個系統，其中農田信息采集系統是一個重要方面，它結合了現代化GPS、GIS、RS技術和農田間信息采集技術，面對廣闊農田覆蓋面積和環境多變等不確定因素，可以準確獲取農田信息，對農業生產有著重要的作用。在當前農田信息采集系統中，大多是采用有線通信方式進行信息傳輸，這種傳輸方式具有抗干擾能力差、不易布線、組網方式不靈活等缺點；采用傳統的無線傳輸模塊，存在延遲時間長且誤碼率高等缺點，不能完全滿足精準農業需求。為了解決上述系統的弊端，本研究提出基于ZigBee技術和3G技術相結合的新型無線網絡方案，在大范圍農田耕作區放置傳感器節點，采集農田的參數信息，利用ZigBee無線通信技術構建無線傳感網絡將采集的信息傳輸到協調器節點，通過3G網絡將數據信息傳輸到監測中心，便于管理人員對農田環境的實時監測，實現智慧農業生產。

1 系統整體結構

系統主要由傳感器節點、ZigBee無線通信網絡、嵌入式網關、3G網絡和監測中心等幾部分構成。傳感器節點主要完成農田信息的采集，以CC2530為核心的ZigBee無線通信網絡完成對環境數據的發送和傳輸。嵌入式網關集成3G模塊，將來自于協調器節點的數據通過3G網絡上傳至遠程監控中心或手持設備，實現ZigBee網絡與網絡間信息交互。監測中心或手持設備從ARM網關接收信息，完成數據的分析、處理、存儲和顯示及查詢等功能，并可實現通過上位機發送指令控制底層傳感器節點，完成遠程參數監測。系統框圖如圖1所示。

空氣溫濕度、光照度、土壤溫濕度、CO2 濃度以及土壤pH值傳感器結合CC2530構成采集節點，實現對農田環境信息的采集及傳輸；根據元胞蟻群算法對路由節點進行優化選取最優路徑，將采集數據通過ZigBee網絡向協調器節點傳送。ZigBee網絡選取樹狀拓撲結構。利用嵌入式網關將協調器匯聚來的數據通過3G網絡轉送至監測中心或手持設備。監測中心或手持設備接收信息，完成數據的分析、處理、存儲、顯示和查詢等功能，并且實現通過上位機發送命令控制底層采集節點等功能。上位機軟件設計采用Labview2011平臺實現，顯示界面簡潔、友好[1]。

2 硬件設計

系統硬件電路主要由CC2530配合傳感器構成的無線傳感節點、協調器節點、S3C2440構成的嵌入式網關和3G通信電路構成。農田信息的采集、處理和發送由無線傳感器節點完成；協調器節點又稱為匯聚節點，主要完成ZigBee網絡的組建和信息的匯集；系統遠程監控的實現是通過3G網絡將來自于協調器節點的數據傳送到上位機[2]。

2.1 傳感節點設計

無線傳感節點完成對農田環境如空氣溫濕度、光照度、土壤濕度、土壤pH值和CO2濃度等信息采集。傳感器模塊的選取直接影響到系統性能指標，因此，盡可能選取數字化傳感器，以降低系統能耗、提高測量精度和范圍。

系統中，空氣溫濕度采用數字化傳感器SHT15實現，SHT15自帶14位A/D，采用I2C總線接口傳輸數據，將CC2530的P0-0和P0-1與SHT15的DATA和SCK引腳相連完成溫濕度的采集。對SHT15外配封裝保護套，做到防水、防塵處理。光照度檢測采用內置16位模式轉換器的環境光傳感器BH1750，它能夠直接輸出數字信號，接口方式是I2C總線接口，測量量程和精度可達1～65 535 lx。將BH1750的SCL和SDA與CC2530的P0-2和P0-3連接實現光照度的檢測。土壤濕度傳感器采用簡易式SEN0114，其表面鍍金處理，加強了導電性和抗腐蝕性，SEN0114僅3個引腳，輸出的是模擬電壓信號，由于CC2530內部自帶12位AD，將SEN0114與CC2530的P0-4口相接，即可采集出土壤的濕度。采用紅外式二氧化碳傳感器C20完成農田CO2濃度的檢測。該傳感器功耗低，測量范圍寬，精度好，采用數字RS232方式進行通信。溫濕度檢測電路、光照采集電路如圖2所示。

2.2 ZigBee無線通信模塊

選取美國TI公司CC2530射頻芯片來完成ZigBee網絡組建。該芯片兼容2.4 GHz、IEEE802.15.4協議和ZigBee技

術的片上技術，CC2530具有多種不同運行模式，而且各種運行模式相互轉換的時間短，能夠滿足系統的低功耗要求。內部集成了12位AD，與控制器之間通信采用串口進行數據的傳輸；可將傳感器與2530構成的路由節點直接相連，進行數據的采集并完成數據的無線傳輸。協調器節點是用來建立和控制ZigBee無線網絡，并將采集到的數據通過網關上傳到監控中心分析與管理。在電路結構上，協調器節點和路由節點是一致的，但協調器節點無需外加傳感器模塊。由于農田范圍廣，設計時射頻前端增加CC2591進一步提高ZigBee網絡覆蓋范圍，將傳輸距離從傳統的75 m擴展到1 km以上，覆蓋范圍滿足現場需求[3]。電路如圖3所示。endprint

2.3 嵌入式網關設計

設計中，根據定義的通信協議格式將數據打包，嵌入式網關是通過3G網絡把處理好的數據傳輸到監測中心和手持設備。嵌入式網關主要由ZigBee協調器節點、ARM中央處理器、GPRS模塊和3G 模塊構成。中央處理器選用三星公司的S3C2440芯片，該芯片運行速度快可以更好地滿足系統實時控制的需求。內部集成3個串口，配有SD卡控制器，兩路全速USB主設備芯片，可以方便進行外圍設備擴展。GPRS模塊選用雙頻 GSM/GPRS 模塊SIM300，內嵌強大的TCP/IP協議棧，通過AT指令進行控制[4]。

2.4 3G模塊設計

3G模塊是系統的重要組成部分，主要完成農田信息的無線發送和通過互聯網與監測中心的信息交互。3G模塊選取華為公司的EM660，該模塊網絡類型是CDMA2000 EVDO（3G）；內置TCP/IP協議棧并支持標準AT指令集和標準華為擴展AT指令集；該模塊具有串口、SIM卡和配有USB2.0。EM660在串口數據傳輸形式上采用透明數據傳送形式，可將串口上的數據直接轉換成TCP/IP形式并發送，所以EM660與S3C2440通過串口相連實現數據傳輸，連接框圖如圖4所示[5-6]。

3 軟件設計

系統的軟件程序包括ZigBee無線數據收發、3G模塊子程序、下位機與上位機通信子程序以及上位機處理軟件程序。在ZigBee無線數據收發過程中，主要包括路由節點子程序、協調器節點子程序和檢測終端節點子程序構成。程序編寫在ARM平臺下完成，采用C語言進行編寫與調試，采用模塊化編程思想進行設計；無線數據收發程序采用CC2530兼容的協議棧Zstack2007的平臺下設計應用程序；上位機軟件采用圖形化語言Labview2011設計，實現人機交互界面簡潔及遠程控制。

3.1 路由節點算法設計

系統進行信息采集時，傳感器節點周期性地采集監測數據并且不斷地向Sink節點匯集，但是傳感器節點能量有限，因此要選擇能量消耗小的最優路徑進行數據傳輸。設計時，對原有算法進行優化，將網絡中的節點映射成元胞蟻群中的元胞，通過改進蟻群信息素更新模型，使路由節點在信息采集與休眠狀態間進行轉換。

CACO算法（元胞蟻群優化算法）將將傳感器的n個采集節點映射成n個元胞，每個元胞節點ni存有其所有相鄰節點的剩余能量值、禁忌表Tabu、節點距離和信息素等信息，將M只螞蟻放在n個元胞節點上，每只螞蟻通過計算選擇概率在臨近范圍內對下一個節點nj進行路徑選擇。選擇下一個節點的概率如公式（1）：

pkij=τaijηβij∑sTabukτaisηβis jTabuk

0 其他。

（1）

式中：Tabuk稱為禁忌表，表示螞蟻所走過的節點；ηij代表節點從ni轉移到nj的啟發信息，ηij=lijdij，lij表示鏈路強度；τij表示t時刻從ni轉移到nj的路徑上殘留的信息素，τij=Eλijdγij，λ、γ是權重因子，Eij表示節點nj在t時刻剩余能量，dij代表節點從ni轉移到nj的距離。當每只螞蟻走完1步或者完成1次搜索后，需要各條路線上的信息進行更新，找到最優的Sink節點。在t到t+Δt時刻，更新信息公式如下：

τij（t+Δt）=（1-ρ）τij（t）+∑mk=1Δτkij（t）+wi（t）。

（2）

式中：ρ是信息素揮發系數，與網絡拓撲變化的頻度有關，ρ∈[0，1）；表示元胞狀態系統，∈[0，1）；Δτij（t）表示Δt時間間隔上路徑l上的信息素濃度增量。元胞蟻群優化算法流程如圖5所示。

3.2 協調器節點流程設計

協調器節點的主要功能是建立、連接網絡，從路由節點接收數據，并根據要求發送控制命令，實現相鄰節點間的通信。當路由節點被協調器節點允許加入網絡后，可以將處理后的數據傳輸給協調器節點。在設計時，考慮到低功耗要求，在協調器節點和路由器節點間沒有信息交換時，傳感器節點進入睡眠模式，每隔幾秒對農田環境進行輪流采集，采用中斷方式喚醒休眠節點。圖6為軟件設計流程示意圖。

3.3 3G軟件程序設計

程序設計時，采用TCP協議棧，使用Socket編程思想實現3G網絡中的傳輸。調用Socket（）創建套接字，將服務端的IP地址和端口號填充到該Socket結構體，并且建立套接字的連接，服務器調用accept（）函數對客戶端的連接請求進行接收，數據傳輸完成后，關閉以上連接。部分程序代碼如下：

/*建立socket連接*/

int socket_connect（char*addr）{

int sock_fd；

Struct sockaddr _in their addr；

Memset（&their_addr，0，sizeof（struct sockaddr_in））；

if（sock _fd=socket（AF_INET，SOCK_STREAM，0）==-1）；

{perror（“socket”）；exit（1）；}

Their_addr.sin_familly=AF_INET；

Their_addr.sin_addr.s_addr=inet_addr（addr）；

If（connect（socket_fd，（struct sockaddr*）&their_addr，sizeof（struct sockaddr））==-1）{perror（“connect”）；exit（1）；}

Return sock_fd；}

3.4 監測界面設計

上位機軟件程序采用圖形化語言Labview2011進行開發，利用其強大的圖形化編程功能和豐富的庫，可將采集到的農田信息傳輸到監控中心，并對農田環境實時監控與管理。工作人員登錄監控界面可以查詢到歷史數據和實時顯示的監測數據，并可進行參數的設置并提示報警，還可以實現上位機發出指令控制下位機等功能，可以為用戶提供一個簡單的信息瀏覽和數據查詢平臺。endprint

4 系統測試結果

4.1 數據傳輸測試

當協調器完成組網，傳感器節點加入網絡后，每隔5 s向協調器發送1次數據，協調器通過串口發送給監測中心；當然，監控中心通過3G模塊下達指令到中央控制器，利用串口發送至協調器，協調器通過ZigBee網絡發送至傳感器終端節點；因此對數據的發送與傳輸的正確率要求是很高的，分別在1、5、12、24 h內對數據傳輸進行測試，測試結果表明，該系統接收數據正確率高達99.89%。

4.2 系統監測試驗

為了測試系統的穩定性和正確性，選取吉林市九站農田種植區對系統進行測試。在農田作業區每隔100 m放置1個傳感器節點，并分配固定的ID號，農田入口處放置1個協調器節點。ZigBee模塊供電電源為2節1.5 V干電池。在監測工作站內，PC機及手持設備通過3G網絡與下位機相連。圖7給出了在某一時段的實際測量結果。

由圖7可看出，該系統可直觀清晰地監測農田的環境信息，有利于工作人員及時作出判斷；同時，系統也可以方便地通過用戶界面向下位機發出控制指令。

5 結論

本研究從農田環境實際出發，從組網靈活、低功耗和可靠性等角度考慮，以S3C2440微處理器作為控制核心，將ZigBee技術與3G技術相結合構成農田無線傳感網絡，實現了農田信息的無線監控，以保證作物在最適合的環境下生長，有效地節省了人力和物力，有利于推進農業信息化的發展。將系統測試結果與傳統儀器測量值進行比較表明，該系統測量準確、操作簡單、實時性好、穩定性好、網絡覆蓋范圍大，做到了對農田環境的實時準確監控，推進了精準農業生產。

參考文獻：

[1]李麗麗，施 偉. 溫室大棚智能溫濕度控制系統的設計與實現[J]. 湖南農業科學，2011（21）：135-138.

[2]黃家露，楊 方，張衍林. 基于CC2430的溫室無線傳感器節點設計與應用[J]. 華中農業大學學報，2013，32（5）：119-123.

[3]許 崢. 基于ZigBee技術的田間信息采集研究[D]. 保定：河北農業大學，2013.

[4]劉媛媛，朱 路，黃德昌. 基于 GPRS 與無線傳感器網絡的農田環境監測系統設計[J]. 農機化研究，2013（7）：229-232.

[5]高 坤，汪 瀅. ZigBee和3G的遠程無線測光系統設計[J]. 單片機與嵌入式系統應用，2014，14（3）：66-69.

[6]姜舒文. 基于3G網絡的玉米生長環境監測系統的設計與實現[D]. 長春：吉林農業大學，2012.

[7]付立華，王 剛，張曉玫. 基于LabVIEW的溫度監測系統及軟件設計[J]. 河南工程學院學報：自然科學版，2014，26（1）：67-70.

[8]韓華峰. 農業環境信息遠程監控與管理系統設計[D]. 北京：中國農業科學院，2009.陰國富，朱創錄. 基于物聯網的精密溫室環境管控系統研究[J]. 江蘇農業科學，2015，43（10）：491-494.endprint