基于嵌入式開發的智慧農業系統

萬晨威

【摘? ?要】 中國現代農業的狀態依然以傳統的模式為主，生產效率低下，對農業數據的采集以及控制能力不足。然而隨著時代的進步，智慧農業即將成為農業發展的新潮流，其中基于ZigBee技術的智慧農業技術在實時采集和遠程控制方面擁有著重大的意義。為了實現智慧農業，提出了使用Z-stack半開源協議棧進行開發，實現溫度，濕度，光照等信息的采集傳輸。通過使用外部云端服務器實現遠程通訊功能。該系統充分利用了ZigBee網絡的傳輸穩定，傳輸距離遠的特性，解決農業在數據采集上的難題，并結合ARM開發板的數據處理能力，能滿足智慧農業的需求。

【關鍵詞】 ZigBee ;CC2530;ARM;智慧農業

Intelligent Agricultural system based on embedded Development

Wan Chenwei

[Abstract] The state of modern agriculture in China is still dominated by the traditional mode， with low production efficiency and inadequate ability to collect and control agricultural data. However， with the progress of the times， smart agriculture will become a new trend of agricultural development. The smart agriculture technology based on ZigBee technology has great significance in real-time acquisition and remote control.In order to realize intelligent agriculture， the Z-stack semi-open source protocol stack is proposed to develop and realize the collection and transmission of temperature， humidity， light and other information. The remote communication function is realized by using external cloud server. The system makes full use of the characteristics of ZigBee network， such as stable transmission and long transmission distance， and solves the difficult problem of agricultural data acquisition. Combining with the data processing ability of ARM development board， it can meet the needs of intelligent agriculture.

[Keywords] zigbee; cc2530; arm; intelligent agriculture

1? 研究背景

首先，我國是農業大國，農業是國家的民生大事，我國在現代化發展過程中取得了舉世矚目的成就，解決了13億人口的溫飽問題。但是我們也不能忽略我們在發展中存在的問題，農村中投身農業的青年越來越少，依靠人工進行運作的傳統農業在現代社會中難以繼續運轉下去，而機械化智能化農業是農業的發展趨勢。

物聯網技術是建立智能農業的基石，智能農業系統的建立是以物聯網采集的數據為基礎的，智能化需要大量的數據進行相應的訓練。傳統農業中，人們主要是通過人工測量來獲取農田信息的，這需要消耗大量的人力物力，實時性差，工作效率低下。經過一定發展后，監控系統是使用的RS-485和CAN總線等方式機型布線，這種方式的缺點很明顯，布線復雜，靈活性低下采集效率不高。現代的農業數據采集系統使用的是無線傳輸技術，該技術極大的提高了采集的靈活程度，成為了現代物聯網技術的基石。我們可以通過無線傳輸技術實時監控采集農業信息，并且信息可靠性強，有效節約人力物力，提高生產效率。在物聯網技術中，ZigBee網絡是十分受歡迎的一種技術。ZigBee技術擁有多個優點，例如成本低，功耗低，時延短，安全可靠，工作頻率靈活。這些特點令ZigBee技術能適應復雜的農業環境，在智慧農業領域十分受歡迎。

2? 系統總體設計

2.1? 總體設計思路

該課題就是實現物聯網技術在智能農業中的作用，實現課題的思路：主要是由傳感器獲取農業信息中溫度濕度，光照，以及人體信息，通過使用ZigBee網絡進行數據的傳輸，通過串口在Arm上實現數據的采集以及控制。

該部分的設計可以使用三層設計模式進行開發。

感知層：是屬于物聯網識別物體采集信息的基本單元，它利用各種傳感器進行數據采集，例如溫濕度傳感器DHT11，氣體傳感器MQ-2，光敏傳感器，紅外線傳感器進行農業數據的采集。

網絡層：使用各種無線協議，串口協議進行數據通訊收集，將信息傳輸給應用層。在該課題中我使用ZigBee作為網絡層進行數據的傳輸，利用串口通訊對信息進行傳輸給應用層。

應用層：作用作為智能系統和用戶的接口，方便用戶了解控制農業信息，實現相應的應用控制。

2.2? 總體設計方案

該課題以Cortex-A9芯片作為Arm開發的核心，利用CC2530芯片作為ZigBee網絡的構建芯片，用各種傳感器獲取農業數據。系統使用ZigBee網絡集中所有的農業信息，通過串口網關實現Arm與ZigBee的通訊與控制。同時設置一個BOA服務器方便用戶隨時使用收集和電腦端進行查看與控制。但是由于Arm上的服務器沒有公網地址，無法通過遠程方式進行控制，我們可以使用物聯網云平臺提供的接口進行數據遠程查看以及控制功能。

根據以上內容，本系統可以分為傳感信息采集模塊，控制模塊，協調器模塊，Arm監控模塊，BOA服務器，云端服務器模塊這6大模塊。該課題的傳感信息采集模塊，控制模塊和協調器模塊都是關于ZigBee網絡的設計模塊。

Arm監控器模塊：該模塊主要是再Arm開發板上進行數據的采集，對ZigBee協調器下達控制命令，并提供接口對BOA服務器和云端服務器進行數據的交互。

BOA服務器：本模塊主要是提供接口給用戶使用瀏覽器進行數據訪問和控制，提供方便的模式。

云端服務器：該部分我的課題使用的是樂聯網云平臺對外開放的接口，將傳感器收集到的數據傳輸到平臺，也是用他提供的控制接口進行反向控制。該模塊實現了遠程監控的功能。

協調器模塊：ZigBee模塊中的中心模塊，該模塊使用串口網關和Arm監控模塊進行交互，Arm監控器中的實時數據和實時監控兩大功能都要通過該功能模塊進行實現。

傳感信息采集模塊和控制模塊：這兩大模塊主要是屬于ZigBee網絡上的終端節點，分工明確，主管數據采集和控制兩大方向。采集模塊可以實時獲取溫度濕度，光照強度等信息，控制模塊可以調節光的亮度，溫度高低等等方面。是組成智慧農業的基石。

3? 總結和展望

項目完成了，但是本人感覺該項目還有很多方面可以提升，例如在史密斯模糊PID算法進行溫度控制算法，根據幾個基點值進行數據的預測，并同時進行溫度的調控，能降低溫度控制的延時。另外，智慧農業系統的一些功能由于設備問題難以實現，比如溫度控制，本人沒有空調接口，所以并不能進行實現。在未來本人希望能實現這些設想。

理想中智慧農業系統可以根據農作物地長勢預測農作物地發展趨勢，能自動化進行澆水，施肥，調節光照等功能，以之達到農作物最佳的生長環境，以及智能地通過相關市場預測，提醒用戶合理化種植農作物。

本課題在未來社會發展中有著廣闊的前景，國家也投入了大量的人力物力在這個領域。智能化的農業社會是目前社會的發展趨勢，是人們心中向往的社會，它能極大地提高社會生產力。

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