基于ZigBee網絡農業環境信息監測系統設計

方和平 朱家沅

摘 要：針對傳統農業信息監測系統面臨的布線復雜、成本高、供電不便等問題，文中提出一種基于ZigBee技術無線環境數據采集并加以環境調節的農作物監測系統。系統以CC2530構建的節點為核心，通過節點之間自組網的方式實現對采集數據的傳輸，再由嵌入式終端對傳輸數據加以分析和處理，從而根據數據控制調控環境設備并把數據上傳到計算機端，完成對農業環境監測和調控的目標。系統運行結果表明，該系統能夠有效地節省人力，提高農業生產效率。

關鍵詞：ZigBee；Z-Stack；信息監測；環境調節

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2018）09-00-03

0 引 言

我國人口占世界總人口的22%，而耕地面積只占世界耕地面積的7%，這就意味著發展現代化農業的必要性[1]。傳統農業生產中，農作物環境信息數據主要通過人工采集或者大量布線從傳感器獲取，然后將數據傳送至計算機。此種方式不僅浪費大量人力資源，而且花費成本較大。針對上述問題，本文提出一種基于ZigBee技術的農作物監測系統，實時獲取農作物的生長狀況，根據獲取的數據控制調控設備，維持作物最佳的生長環境。

1 系統方案設計

1.1 系統框架設計

農業環境信息監測系統結構如圖1所示。在該系統中，各個監測區域的傳感器將采集到的數據通過自組網傳送至路由節點，再由路由節點傳送至協調器節點。ZigBee網絡通過串口通信的方式將數據信息傳送至嵌入式監控終端以及計算機，監控終端可通過采集到的環境信息做出決策，控制相應的環境調控設備。

1.2 系統ZigBee網絡組網方案設計

整個ZigBee網絡采用樹形拓撲結構，其中協調器作為父節點，而終端傳感器節點作為葉子節點，路由器作為網絡中繼。當監測區域需擴大時，可采用增加路由以擴充網絡覆蓋

范圍的方法。

該結構包含數據采集層、數據傳輸層和管理層[2]。其中，數據采集層由眾多搭載不同傳感器的終端節點組成；數據傳輸層采用ZigBee自組網絡通信的方式將數據采集層所采集到的數據在網絡中傳輸；管理層則對采集到的數據進行分析。系統各部分功能規劃見表1所列。

2 系統硬件設計

2.1 ZigBee芯片

系統采用的ZigBee射頻收發芯片是TI公司設計生產的CC2530。在CC2530的基礎上構建協調器節點、路由器節點、終端節點。CC2530具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統[3]。此外，TI公司還提供免費的ZigBee協議棧Z-Stack，可為用戶制定快速的ZigBee應用解決方案。

2.2 節點硬件設計

節點的硬件主要由電源電路、串口轉換電路、TFT接口電路、按鍵電路、調試接口電路、射頻收發電路組成。節點的硬件結構如圖2所示。

2.2.1 電源電路設計

電路接入外部5 V直流電源供電，通過電壓轉換芯片AMS1117將輸入的5 V電壓轉換為3.3 V系統工作電壓。電源部分原理圖如圖3所示。

2.2.2 串口通信轉換電路設計

本文系統選擇使用USART0作為串行通信接口。為了使串行接口同電腦交換數據，設計以PL2303為核心的數據交換電路。轉換電路原理圖如圖4所示。

2.2.3 調試接口電路

調試接口分別使用I/O引腳P2.1和P2.2作為調試模式中的調試數據和調試時鐘。調試接口原理圖如圖5所示。

2.2.4 TFT接口電路

TFT屏接口電路用于驅動TFT屏顯示采集到的環境數據信息以及ZigBee網絡中的網絡連接信息。各接口對應的芯片引腳見表2所列。

2.3 傳感器選擇

農業環境信息監測系統主要檢測的環境對象為空氣溫濕度、土壤濕度、氣體濃度、光照強度等。通過將傳感器搭載到各節點上，然后將節點布置于環境監測區域中，就能夠通過ZigBee自組網特性完成對區域環境的監測。傳感器的選型和對應的通信方式見表3所列。

2.4 嵌入式監控終端電路設計

系統采用STM32F103RCT6最小系統作為終端監測調控平臺。其作用是對采集的數據進行分析和處理，并實現與PC端的信息交互，把PC端下達的決策命令傳送到控制終端監測調控平臺，再通過終端監測調控平臺控制環境調控設備。

STM32的設計包括最小系統設計和外圍電路設計兩部分。該嵌入式監控終端電路包括晶振電路、復位電路、USB接口電路等，外圍電路包括中斷按鍵、TFT接口電路等。

3 系統軟件設計

本文系統軟件設計包含ZigBee協議應用程序設計、嵌入式監控終端控制程序設計、計算機上位機 程序設計三部分。

ZigBee協議應用程序設計主要是對終端傳感器節點、路由器節點和協調器節點三者之間如何組網進行數據傳輸的程序設計。

嵌入式監控終端控制程序設計主要接收協調器節點傳輸的數據，并對傳輸的數據進行分析和處理，控制調控環境參數設備以及將分析后的數據傳送到電腦端。

計算機上位機程序設計主要將傳輸的數據實時顯示到電腦端，也可通過電腦端給嵌入式監測終端發送指令，從而控制調控設備的運行。

3.1 ZigBee組網結構程序設計

ZigBee網絡拓撲結構主要有星狀、樹狀、網狀三種[4]。三種網絡拓撲結構如圖6所示。

本文系統采用樹狀網絡拓撲結構方式構建ZigBee網絡。在Z-Stack中，網絡拓撲結構定義如下：

#define NWK_MODE_TREE

3.2 ZigBee協議應用程序設計

Z-Stack協議棧是協議和用戶的一個接口。IEEE 802.15.4定義了物理層和介質訪問層技術規范；ZigBee聯盟定義了網絡層、應用程序支持子層、應用層技術規范[5]。將各層定義的協議集合在一起，以函數的形式實現，并給用戶提供應用層，從而直接調用函數，實現無線數據收發。

在Z-Stack協議棧中，ZigBee的應用都可基于任務事件的形式完成。系統任務和應用任務中的事件依時間片進行輪轉。節點針對不同的事件調用不同的事件處理函數，從而完成在網絡中傳輸數據的任務。節點運行流程如圖7所示。

3.3 嵌入式監控終端程序設計

嵌入式監控終端通過串口通信的方式對從協調器接收的數據進行分析和處理。嵌入式監控終端程序運行框圖如圖8所示。

3.4 計算機上位機程序設計

計算機上位機程序在Visual Studio 2012的環境下開發，采用的開發語言是C#。通過調用組件，編寫相應的通信協議和數據分析處理等步驟實現嵌入式終端節點同PC端經行數據交互的功能。運行操作界面如圖9所示。

4 系統運行結果

系統實物運行如圖10所示。系統運行結果表明，搭載不同的傳感器節點可實時采集環境數據并匯聚到協調器節點，數據無丟失，傳輸距離能夠有效覆蓋監測區域。

5 結 語

本文系統主要用于監測農業環境中的溫濕度、光照強度、氣體濃度、土壤濕度信息，通過ZigBee組建無線區域網實現數據的傳輸以及對各個節點的管理。對采集的數據進行分析和處理后，可通過控制相應的調控設備從而調節對應的作物生長環境。該系統既節省了大量的人力，同時也提高了作物的產量，具有良好的應用價值。

參考文獻

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