基于ZigBee的農業大棚物聯網檢測管理系統設計

張林　沈忱　張家生　崔鵬鵬　韓迎鴿

【摘 要】針對農業物聯網的運用，提出了一種基于ZigBee的農業大棚物聯網監測管理系統設計，該系統通過多個數據采集節點來采集大棚內農作物生長環境CO2含量、空氣溫濕度、光照強度等信息，引入卡爾曼濾波算法對采集信息進行數據融合，再經STM32處理后再由CDMA通信模塊發送至遠程終端。系統具有實時、穩定、精度較高等優點，有很強的現實意義。

【關鍵詞】傳感器；物聯網；ZigBee技術；卡爾曼濾波

0 引言

農業大棚可以為人們提供反時節的蔬菜與水果，有著良好的經濟效益，但是大棚的管理很復雜，農作物對環境的要求很高，需要人們投入很多的精力，無形中增加了大棚成本和風險。本文設計的基于ZigBee的農業大棚物聯網檢測管理系統具有以下特點：

1）高精度數據采集。本設計所用采集設備均屬于高精度感器。

2）低功耗。當收到數據采集指令時，才喚醒傳感器工作，采集完成時斷電，傳感器進入休眠狀態。

3）智能云服務中心。云服務中心能夠為用戶提供數據共享，歷史數據查詢等，便于用戶更快、更好作出控制指令。

1 系統設計的原理

系統具有多個采集節點，每個采集節點搭載各類傳感器：紅外二氧化碳傳感器MH-Z14A、DHT11數字式溫濕度傳感器、光照強度傳感器GM5516。采集農作物生長環境CO2濃度、空氣溫濕度、光照強度等數據，數據匯總發送至STM32處理器進行數據分析處理，為了提高測量的可信性，對采集數據引入卡爾曼濾波算法進行數據融合，CDMA模塊將數據傳輸到遠程終端。系統整體框圖如圖1所示。

2 硬件設計電路介紹

2.1 ZigBee通信模塊CC2530

系統設計中的終端節點、路由器、協調器均采用CC253模塊，CC2530應用功能豐富，本身帶有射頻功能，并且適用于低功耗的設計。CC2530最小系統主要包含時鐘電路、復位電路、JTAG電路和無線收發電路模塊。

2.2 傳感器介紹

2.2.1 DHT11數字溫濕度傳感器

DHT11數字溫濕度傳感器是一款含已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，包括一個電阻式感濕元件和一個NTC測溫元件，并與一個高性能8位單片機相連。因此該產品具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比高等優點。

DHT11供電范圍是3-5.5V電壓，為了電路穩定，需要濾波，因此可以在電源和地線之間加一個104瓷片電容，數據引腳連接MCU，用于MCU與DHT11之間進行通訊，采用單總線數據格式。

2.2.2 MH-Z14A二氧化碳傳感器

MH-Z14A二氧化碳氣體傳感器是一種通用智能小型傳感器，利用非色散紅外（NDIR）原理對空氣中存在的CO2進行探測，具有良好的選擇性和無氧氣依賴性，壽命長。本文采用MH-Z14A串口輸出（UART），分別將傳感器的Vin-GND-RXD-TXD接至用戶的5V-GND-TXD-RXD。

2.2.3 光敏傳感器

本系統選擇了采用開發板載光敏電阻GM5516作為光照強度測量傳感器。GM5516與R31構成分壓電路，R31為上拉電阻，當光照度不同時，GM5516上PS端的電壓就不同，通過檢測PS端的端電壓即可檢測到光照度。

2.3 STM32最小系統的設計

STM32微控制器采用3.3V電壓供電，其最小系統STM32最小系統包括晶振電路、復位電路、JTAG下載電路、USB接口電路等部分。STM32 晶振電路是由25MHz的外部晶振Y1，兩個10pf的電容C4與和R19構成，兩個電容起頻率微調和穩頻的作用，電阻用來防止產生振鈴；32.768kHz的外部晶振Y2作為芯片內部RTC時鐘源；外接3V電池VBAT作為失電備用電源，確保時間的準確性；為了防止復位引腳懸空引起干擾，提高系統的穩定性，系統要設計外部復位電路，復位電路中電容C3的作用是減少電源波動；通過JTAG接口可實現程序的在線編程和調試，提高了程序開發效率，縮短了軟件開發周期。

2.4 系統供電管理

農業大棚多位于城郊偏僻地帶，為了節約電能采用太陽能和市電混合供電較為合理。太陽能電池板的作用是將太陽能轉化為電能，送至蓄電池儲存，通過轉換芯片變換電壓輸出等級，從而推動負載工作。12V主電壓通過兩路LT8610電源芯片轉化為3.7V和5V，再通過LT1962芯片和LM2941轉換為3.3V和5.3V，分別為處理器和傳感器供電。

3 軟件設計部分

該系統軟件工作主要有傳感器采集程序與指令控制程序。傳感器采集程序流程：初始化處理器和通信模塊，構建網絡，進入到低功耗狀態。當收到檢測采集信號時，進入到工作狀態，傳感器檢測作物生長要素，經過卡爾曼濾波算法處理后發送數據。指令控制程序流程：初始化后進入低功耗模式狀態，正常工作時有兩種方式，發送數據至云服務中心和接受用戶的控制指令。

4 卡爾曼濾波實驗

現對溫度參數進行實驗，假設大棚的溫度恒定是22℃，預測的值是21.5℃，誤差是1℃，傳感器測量的誤差也是1℃。引入一組數量是100個的測量值，測試過程中噪聲Q=2e-4，協方差R=0.1，初始值設置S（1）=21.5，P（1）=10，Matlab仿真圖2如下。

綠色波形是傳感器測量數據，紅色是經過卡爾曼濾波算法處理的數據。從圖中可以看出，經過卡爾曼濾波后的最優估計值與實際溫度更吻合，效果明顯。

5 結束語

本文構建的基于ZigBee的農業大棚物聯網監測管理系統設計應用了傳感器技術、智能控制等技術，可提高農業生產的自動化水平及提高農業生產的效率與質量，實現農業的持續發展。目前的農業物聯網運用主要難點是高靈敏度傳感器的研發和大范圍普及節能問題，隨著研究的深入，未來物聯網在農業方面的應用能真正做到全智能化、無人化。

【參考文獻】

[1]楊春勇，牛磊.基于ZigBee的設施農業環境監測系統的技術與實現[J].中南名族大學學報（自然科學版），2012，31（1）：88-92.

[2]張猛，房俊龍，韓雨.基于ZigBee和Internet的溫室群環境遠程監控系統設計[J].農業工程學報，2013（S1）.

[3]高立艾，唐娟，于華麗.基于太陽能的無線溫室環境監測系統的設計[J].江蘇農業科學，2013（1）.

[4]高百惠.基于ZigBee技術的食用菌栽培環境監控系統的研究[D].東北農業大學，2014.

[5]于合龍，劉杰，馬麗.基于Web的設施農業物聯網遠程智能控制系統的設計與實[J].中國農機化學報，2014（2）.

[6]劉洋，張鋼，韓璐.基于物聯網與云計算服務的農業溫室智能化平臺研究與應用[J].計算機應用研究，2013（11）.

[7]Aqeel-ur-Rehman，Abu Zafar Abbasi，Noman Islam.A review of wireless sensors and networks applications in agriculture[J].Computer Standards&Interfaces，2014，36：263-370

[8]Petr Kubicek，Jiri Kozel，Radim Stampach，Vojtech Lukas.Prototyping the visualization of geographic and sensor data for agriculture[J].Computers and Electronics in Agriculture，2013，97：83-91.

[責任編輯：田吉捷]