基于Zigbee的設施農業環境監測系統

李雅君

（北京華云尚通科技有限公司，天津，300000）

0 引言

農業是國民經濟的基礎。設施農業是利用一定的設施和物聯網技術，通過調節和控制作物的生長環境，以創造和改善適合作物生長的環境條件，從而獲得優質高產高效的一種現代化農業生產方式[1]。其中，精準、及時的環境要素觀測是設施農業的基礎[2]。近年來，隨著信息技術的發展，農業信息化和智能化的程度越來越高[3]。研究者們將農業物聯網應用于農業大棚[4-6]、設施園藝[7]、畜禽養殖[8]等場景，探索智慧農業生產方式。采用有線方式連接的農業環境監測系統，由于布線復雜，安裝維護困難、人力成本高，對于不同的觀測環境布線的走向也要有不同的規劃，大大限制了其推廣應用范圍[9]。因此本系統選用Zigbee無線通訊方式，具有組網簡單、傳輸成本低、功耗小等優點。

另一方面，考慮到生長作物的種類以及所需監測環境的特點，不同應用場景中需要監測的環境要素往往不同，這限制了設施農業技術的推廣應用。本文設計的基于Zigbee的設施農業環境監測系統可依據作物及環境需求選擇環境要素進行監控，實現多種應用場景下的環境要素實時監測，具有安裝簡單、使用方便、應用范圍廣等優勢。可選的環境要素包括空氣溫度、空氣相對濕度、土壤溫度、土壤濕度、光照、二氧化碳、PH值、液位、氣壓、風速、風向、雨量。

1 系統功能

1.1 系統整體結構

設施農業環境監測系統整體結構如圖1所示。以農業大棚應用場景為例，對大棚中各環境要素，如空氣土壤溫濕度、光照強度、雨量等，采用對應傳感器進行環境要素數據采集。各傳感器將數據匯總到采集器上，由STM32嵌入式CPU控制進行數據存儲，并由Zigbee模塊，通過無線通訊網絡上傳服務器。在服務器處可查看大棚環境要素實時數據與歷史記錄，從而更好地控制大棚中植物生長環境。

圖1 系統整體結構圖

1.2 環境監測采集器

基于Zigbee的設施農業環境監測采集器由各要素傳感器、STM32F103系列控制器、Zigbee通訊模塊、參數存儲模塊、電源模塊以及時鐘模塊組成，如圖2所示。本采集器可實時采集空氣溫度、空氣相對濕度、土壤溫度、土壤濕度、光照、二氧化碳、PH值、液位、氣壓、風速、風向、雨量等環境要素值。在嵌入式核心CPU中對采集數據進行預處理，依據環境要素的變化速率以及干擾因素，適配不同的采樣頻率，選擇合適的數據預處理算法，如算數平均算法、滑動平均算法、累加算法等。通過CPU運算最終輸出每分鐘數據值，并在EEPROM中進行短期保存。最終通過已經組網匹配的Zigbee無線網絡，將分鐘數據上報到監控中心服務器。

圖2 系統整體結構

1.3 Zigbee無線通信網絡

Zigbee通訊網絡技術遵循IEEE802.15.4標準，工作在2.4GHz頻段，是一種低功耗、近距離、自組織、安全性高、傳輸成本低、自愈性強的無線通訊技術[3]。Zigbee無線通訊網絡的組網包括三種Zigbee的節點類型，即協調器、路由器和終端設備。協調器負責啟動和配置網絡，是整個網絡的中心，具有建立網絡的作用，一個Zigbee網絡只允許有一個協調器的存在。路由器能夠把消息轉發至其他設備，具有維持網絡的作用，除了不能建立網絡以外，其他功能與協調器相同，一個Zigbee網絡可以支持多個路由器接入。終端設備是整個網絡的末端，一個Zigbee網絡可以有多個終端設備[4]。

基于Zigbee的設施農業環境監測系統，在靠近數據中繼器端設置Zigbee協調器，利用協調器的功能實現自組網通訊，且不會產生額外的通訊費用。再利用路由器的維持網絡和轉發功能，在各個農業大棚中分置采集器，在實現數據采集的同時，還可以擴展Zigbee網絡的覆蓋范圍，增大通訊距離。

2 硬件設計

2.1 傳感器模塊

采用不同的傳感器模塊，可分別支持空氣溫度、空氣相對濕度、土壤溫度、土壤濕度、光照、二氧化碳、PH值、液位、氣壓、風速、風向、雨量等要素的采集。其中空氣溫濕度傳感器、光照傳感器和氣壓傳感器是數字信號，與處理器模塊通過I2C總線進行協議交互，如圖3(a)所示；土壤溫濕度傳感器、PH傳感器、液位傳感器和風向傳感器是模擬量信號，通過處理器自帶的模/數（A/D）轉換器進行采集，如圖3(b)所示；風速傳感器是頻率信號，雨量傳感器是開關信號，兩者均是使用處理器的外部中斷功能，通過在采樣周期內進行計數完成采集，但是兩個傳感器的采樣原理不同，如圖3(c)所示；CO2傳感器通過RS232與處理器進行協議交互，如圖3(d)所示。

圖3 傳感器接口電路設計

2.2 處理器模塊

處理器模塊采用STM公司的以Cortex-M3為內核的STM32F103系列芯片。處理器模塊負責控制其他所有模塊工作狀態，如按定時程序啟動各個傳感器的采樣，收集各要素的采集值，根據各環境要素適配的預處理算法邏輯進行計算，生成分鐘數據，將分鐘數據按照指定的數據發送間隔通過無線通訊模塊發送至監控中心。

2.3 無線通訊模塊

Zigbee模塊通過RS232與處理器模塊連接，接口電路如圖4所示。將處理器定時發送來的數據發送至監控中心，將監控中心發送來的命令轉發至處理器模塊。

圖4 Zigbee接口電路設計

2.4 參數存儲模塊

該系統支持的采集要素多樣，但是并不是所有的環境監測都需要上述所有要素。可以根據不同監控環境的要求，選擇上述要素中的幾種接入，即軟硬件支持采樣要素可配置。這些配置好的參數存儲在外置的參數存儲模塊中，保證參數在設備掉電的時候不丟失。

2.5 電源模塊

系統中有3.3V和5V兩種供電，為了保障信號傳輸的可靠性，設計了電平轉換與穩壓電路，如圖5所示。

圖5 3.3V穩壓電路

系統給所有的傳感器的電源都增加了控制電源功能，在采樣的空閑期，關閉傳感器電源，以控制系統的功耗。

3 軟件設計

3.1 采集器程序設計

基于Zigbee的設施農業監測系統是在IAR Embedded Workbench開發環境下開發，利用C語言進行編程。圖6為采集器軟件流程圖。系統上電后進行初始化，完成各種傳感器初始參數配置、采樣周期配置、Zigbee網絡配置等。設定各傳感器的采樣周期不同，則采集器處設置定時器，采樣時間未到時采集器進入低功耗模式，傳感器斷電、CPU休眠。當定時器產生中斷，即采樣周期到，喚醒CPU，給傳感器供電，采集環境要素數據并緩沖入存儲設備后，繼續休眠。當1min定時到，進入分鐘任務，對1min內采集的環境要素數據進行預處理，將處理結果通過Zigbee無線通訊網絡上傳服務器。

圖6 采集器軟件流程圖

3.2 Zigbee通訊流程軟件設計

Zigbee模塊上電后，STM32處理器通過RS232與其交互，對其設置相關通訊參數，并獲取模塊的相關信息，例如MAC地址等，完成對Zigbee模塊的初始化。對于協調器，現在就可以直接建立網絡了；對于路由器和終端設備，此時可以根據設置的網絡參數加入網絡，并獲取到協調器或者路由器分配下來的短地址，短地址可以作為一個Zigbee網絡通訊中的目標地址。Zigbee通訊流程如圖7所示。為了保障網絡的安全性，在Zigbee網絡層之上封裝了協議層，并且網絡啟動之后要通過握手機制，否則不能交互。

圖7 Zigbee通訊流程

4 現場試驗與數據分析

在農業大棚現場安裝Zigbee的設施農業監測系統，進行現場實驗，實時記錄農業大棚環境要素數據。考慮到短期內農業大棚環境要素變化主要受晝夜影響，以天為周期，因此選取了某檢測站點中的若干主要環境要素24h的采集量進行數據分析，如圖8所示，包括空氣溫度、空氣相對濕度、光照強度和CO2濃度。

圖8 農業大棚24h要素采集結果

當其他條件不會突變的情況下，空氣溫度和空氣相對濕度具有一定的關聯關系：當空氣溫度升高時，空氣相對濕度降低；當空氣溫度降低時，空氣相對濕度升高，當溫度降到一定程度且沒有光照的情況下，空氣相對濕度可能達到100%，甚至會析出露珠。光照強度日落后為0，越接近中午光照強度越高。二氧化碳濃度在日落后逐漸升高，日出后逐漸降低。由圖8可見，觀測數據符合自然規律。經過實際驗證，該系統數據采集準確、穩定。

5 結論

本文設計了一種基于Zigbee的設施農業環境監測系統，該系統采集接口豐富，采集要素多元化，可以采集空氣溫度、空氣相對濕度、土壤溫度、土壤濕度、光照、二氧化碳、PH值、液位、氣壓、風速、風向、雨量等觀測要素，并且可以根據實際的需求選擇其中的幾種要素進行監測。該系統采用Zigbee這種無線通訊技術，省去了布線的麻煩，并且該技術功耗低，可以自組網，不需要額外的傳輸成本，應用簡單。根據實際應用可以看出：該系統采集數據準確，系統運行穩定，數據傳輸可靠性高，在實現農業觀測自動化、推動設施農業發展方面具有一定的意義。