余 兵

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基于Zigbee的水果移植智能決策系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

余 兵

（漳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 計算機(jī)工程系，福建 漳州 363000）

為提高農(nóng)業(yè)管理的智能化水平，借助Zigbee、傳感器、繼電器、攝像頭、PDA等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與技術(shù)，設(shè)計出了智能農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的決策管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了水果移植過程中智能化管理，以及根據(jù)用戶評價信息為農(nóng)戶改進(jìn)種植環(huán)境提供了科學(xué)的決策依據(jù)，具有實際應(yīng)用價值。

zigbee；無線傳感網(wǎng)絡(luò)；智能決策

1 引言

由于獨特的氣溫、土壤條件及耕種模式，臺灣水果不僅品種極其豐富，而且營養(yǎng)充沛、口感細(xì)膩。但價格昂貴，普通人很難品嘗到臺灣水果的美味，如果能把臺灣水果移植到大陸，就能吃到更便宜的臺灣水果。漳州與臺灣一水之隔，在經(jīng)濟(jì)、文化、教育等多方面緊密合作。得益于與臺灣中南部相似的氣候，漳州為兩岸農(nóng)業(yè)合作提供了良好的自然條件，因此漳州與臺灣的農(nóng)業(yè)交流與合作更是風(fēng)生水起。作為大陸臺灣農(nóng)民創(chuàng)業(yè)園的首例，創(chuàng)建于2005年的漳浦臺灣農(nóng)民創(chuàng)業(yè)園在兩岸頗負(fù)盛名。2010年2月12日，胡錦濤總書記曾到此看望在這里創(chuàng)業(yè)的臺商。目前，臺農(nóng)創(chuàng)園六個產(chǎn)業(yè)區(qū)已引進(jìn)臺資農(nóng)業(yè)企業(yè)247家，實際利用臺資3億多美元。有如此得天獨厚的環(huán)境，為臺灣水果的移植提供了天然的保障。

雖然目前浙江、廣東等地已經(jīng)引進(jìn)臺灣水果進(jìn)行種植，但移植后水果品質(zhì)與臺灣原產(chǎn)水果有一定的差距，我們的項目定位為對臺灣水果移植后的品質(zhì)進(jìn)行改良，尋找一種最優(yōu)的移植方案，并進(jìn)行推廣。該系統(tǒng)在實施過程中，借助Zigbee、傳感器、攝像頭、PDA等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與技術(shù)，在種植生產(chǎn)過程中，嚴(yán)格控制其生長環(huán)境，讓它盡可能接近臺灣的真實種植環(huán)境。在加工銷售環(huán)節(jié)，利用RFID、二維碼、條碼和溯源稱等設(shè)備，一方面可以讓消費者放心購買；一方面可以讓種植戶通過消費者的反饋信息，很方便地獲取該批次最受歡迎的產(chǎn)品出自哪個大棚，以及其整個生長周期中的環(huán)境參數(shù)，為水果移植后品質(zhì)改良提供了科學(xué)依據(jù)。[1]

2 系統(tǒng)需求分析

2.1 系統(tǒng)功能需求分析

本系統(tǒng)建設(shè)的目標(biāo)是將能夠為優(yōu)質(zhì)農(nóng)產(chǎn)品提供一個可移植的最佳解決方案。因此，我們對系統(tǒng)提出如下幾個功能需求：

1.具有登錄權(quán)限管理功能。在作物的整個移植過程需要經(jīng)過不同的培育環(huán)節(jié)，不同的環(huán)節(jié)需要不同的操作員來執(zhí)行相應(yīng)的工作。

2.大棚田間管理功能。通過手持終端設(shè)備登記對大棚的各種操作，如：剪枝、噴灑農(nóng)藥、采收等，作為今后確定農(nóng)產(chǎn)品移植方案的重要決策依據(jù)。

3.具有監(jiān)控和報警功能。通過傳感器采集大棚內(nèi)部的光照、溫度、濕度和土壤含水量等數(shù)據(jù)，并定時發(fā)送這些數(shù)據(jù)到服務(wù)器中。

4.歷史數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)查詢功能。能夠查詢某個監(jiān)測點或特定時間段內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)，并且能夠曲線化顯示數(shù)據(jù)，使用戶能更快速、直觀的了解各測量參數(shù)的動態(tài)變化情況。

2.2 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)分析

該系統(tǒng)需要用到Zigbee、傳感器、繼電器、平板電腦、PC機(jī)、PDA、服務(wù)器等多種設(shè)備，各種設(shè)備運行平臺各不一樣，它們相互之間需要數(shù)據(jù)交換。為了實現(xiàn)跨平臺訪問，數(shù)據(jù)庫所有操作都通過訪問后臺服務(wù)器中的WebService來實現(xiàn)，安全可靠移植性好。

系統(tǒng)可以讓用戶遠(yuǎn)程通過PC客戶端或者手機(jī)客戶端實時控制現(xiàn)場設(shè)備，需要自定義通信協(xié)議，平板電腦在整個架構(gòu)中起到一個通信網(wǎng)關(guān)的作用，一方面把現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)通過3G模塊或者Wifi模塊發(fā)送到后臺數(shù)據(jù)庫；一方面接受PC客戶端或手機(jī)客戶端發(fā)送過來的控制命令，并根據(jù)通信協(xié)議進(jìn)行解析，實現(xiàn)不同的操作。[2]

系統(tǒng)中設(shè)備處于一個局域網(wǎng)中，用戶想使用公網(wǎng)在遠(yuǎn)程控制現(xiàn)場種植環(huán)境，必須使用端口映射。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計流程

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計流程圖

該系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程由如圖1所示，具體由以下幾個環(huán)節(jié)組成：

操作登記：根據(jù)專家提供的作物生長的科學(xué)依據(jù)，制定噴施農(nóng)藥時間、種類、計量的周期表，每次在實施過程中，使用PDA把操作內(nèi)容存儲在數(shù)據(jù)庫中，供以后追溯和決策。

現(xiàn)場監(jiān)控：基于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)程控制溫室設(shè)施、風(fēng)機(jī)等設(shè)施。用戶可以基于警報系統(tǒng)，對某些設(shè)備進(jìn)行聯(lián)動控制。

進(jìn)場登記：水果采摘后，進(jìn)入加工環(huán)節(jié)，通過Rfid讀寫器讀取水果包裝上二維碼，把該水果的生長信息存入到數(shù)據(jù)庫中。

出場登記：系統(tǒng)對出場的產(chǎn)品進(jìn)行登記，并生成一個唯一的追溯碼，供消費者追溯查詢。

種植管理：建立作物科學(xué)智能管理模塊，實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、集約化、精準(zhǔn)管理。

3.2 系統(tǒng)總體流程架構(gòu)設(shè)計

該系統(tǒng)由各類傳感器、繼電器、平板電腦、RFID讀寫器、攝像頭、服務(wù)器、PC終端和手機(jī)終端組成。每個監(jiān)測點經(jīng)由Zigbee和傳感器模塊完成數(shù)據(jù)的采集和傳輸。依據(jù)傳輸距離不同的需求，采集到的數(shù)據(jù)可以通過Wifi模塊或3G模塊兩種方式傳輸，通過調(diào)用遠(yuǎn)程服務(wù)器上運行的WebService服務(wù)，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到后臺數(shù)據(jù)庫。PC端的監(jiān)控軟件會實時對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和繪制，可以設(shè)置自動控制和手工控制兩種方式來控制現(xiàn)場設(shè)備，以滿足種植戶基于數(shù)據(jù)做出各種措施決策。另外，為了用戶更方便地監(jiān)控現(xiàn)場，可以使用手機(jī)客戶端或者通過訪問Web站點的方式來操作現(xiàn)場設(shè)備，實現(xiàn)智能化管理。[3]

圖2為系統(tǒng)總體邏輯架構(gòu)示意圖。

圖2 系統(tǒng)總體邏輯架構(gòu)示意圖

3.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

根據(jù)對決策管理系統(tǒng)的需求分析，本著能真實、充分的反應(yīng)農(nóng)作物移植過程需要處理的信息的要求進(jìn)行數(shù)據(jù)庫設(shè)計，包括各個實體之間的聯(lián)系，能滿足用戶對數(shù)據(jù)處理的要求；系統(tǒng)易于適應(yīng)不用的環(huán)境和應(yīng)用要求的改變，本文設(shè)計了如表1所示的數(shù)據(jù)庫表。

表1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫表

3.4 通信協(xié)議設(shè)計

為了使上位機(jī)與種植環(huán)節(jié)中所用到的zigbee節(jié)點正常通信，必須采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸格式，要設(shè)計出用于雙方通信的通信協(xié)議[4]，具體的通信協(xié)議如表2和表3所示。

表2 數(shù)據(jù)接收格式

例如：發(fā)送數(shù)據(jù)的內(nèi)容為FA FB 06 01 00 00 00 00 00則是打開繼電器1，發(fā)送數(shù)據(jù)的內(nèi)容為FA FB 06 02 00 00 00 00 00則是關(guān)閉繼電器1，發(fā)送數(shù)據(jù)的內(nèi)容為FA FB 08 01 00 00 00 00 00則是打開繼電器3，發(fā)送數(shù)據(jù)的內(nèi)容為FA FB 08 02 00 00 00 00 00則是關(guān)閉繼電器3。

表3 數(shù)據(jù)發(fā)送格式

例如發(fā)送的數(shù)據(jù)內(nèi)容為：FF FD 00 04 30 30 00 00 hh hh hh（byte1 – byte11），其中：byte1 byte2：傳感器端數(shù)據(jù)發(fā)送的固定頭，固定為 FF FD；byte3：數(shù)據(jù)類型的標(biāo)識，00 為光電感測器的數(shù)據(jù)，01 為溫濕度感測器的數(shù)據(jù)，03 為火焰感測器的數(shù)據(jù)，04 為酒精感測器的數(shù)據(jù)，05 為可燃感測器的數(shù)據(jù)，06 為人體感測器的數(shù)據(jù)；byte4：為傳感數(shù)據(jù)長度（統(tǒng)一為04）；byte4~ byte7：為傳感器數(shù)據(jù)； Byte9~ byte10：保留； byte11： byte1 – byte10 校驗值（相加取低8位）。

3.5 zigbee節(jié)點軟件設(shè)計

從開發(fā)速度和提高性能的方面考慮，在終端節(jié)點軟件設(shè)計時，選用Ti公司提供的開源協(xié)議棧Basic RF。Basic RF 由TI 公司提供，它包含了IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)包的收發(fā)，實現(xiàn)簡單無線點對點數(shù)據(jù)傳輸。這個協(xié)議可用來演示無線設(shè)備是如何進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)模话暾δ艿膮f(xié)議。

終端節(jié)點包括兩種類型：繼電器和傳感器。傳感器節(jié)點用于采集種植現(xiàn)場的各種數(shù)據(jù)參數(shù)，并發(fā)送給平板電腦上的主節(jié)點，繼電器幾點接收主節(jié)點發(fā)送過來的控制信息，用于控制現(xiàn)場的各種設(shè)備。

傳感器節(jié)點中的程序首先調(diào)用創(chuàng)建一個basicRfCfg_t 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并初始化其中的成員調(diào)用basicRfInit()函數(shù)進(jìn)行協(xié)議的初始化。初始化成功后進(jìn)入死循環(huán)，以一定頻率采集數(shù)據(jù)，并按照3.4中所設(shè)計的通信協(xié)議構(gòu)建需要發(fā)送的數(shù)據(jù)，最后調(diào)用basicRfSendPacket(...)把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

繼電器節(jié)點中的程序首先也是調(diào)用創(chuàng)建一個basicRfCfg_t 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并初始化其中的成員調(diào)用basicRfInit()函數(shù)進(jìn)行協(xié)議的初始化。初始化成功后進(jìn)入死循環(huán)，調(diào)用basicRfReceive（）函數(shù)接收平板電腦上的主節(jié)點發(fā)送過來的控制信息，根據(jù)3.4定義好的通信協(xié)議來控制現(xiàn)場設(shè)備。

4 系統(tǒng)特色及關(guān)鍵技術(shù)

4.1 本項目的特色與創(chuàng)新性

1.使用端口映射功能

用戶可以通過PC終端或手機(jī)終端在任意地點任意時間上網(wǎng)登錄系統(tǒng)，查看、處理數(shù)據(jù)，臺灣方面的專家通過遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控可以實時指導(dǎo)用戶進(jìn)行生產(chǎn)。

2.自動化監(jiān)控系統(tǒng)

科學(xué)有效提出處理方法，實現(xiàn)作物生長、采摘、物流等環(huán)節(jié)的現(xiàn)代化。整個系統(tǒng)模塊化設(shè)計，進(jìn)行現(xiàn)場環(huán)境無線監(jiān)測，采集設(shè)備出來的數(shù)據(jù)以無線組網(wǎng)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬菜園與現(xiàn)實大棚的動態(tài)及時管理。

3.處理方法創(chuàng)新

不僅實現(xiàn)了作物生長關(guān)鍵數(shù)據(jù)的采集，還進(jìn)行了基于農(nóng)業(yè)專家系統(tǒng)的數(shù)據(jù)挖掘，為之后的深入研究與專家系統(tǒng)的豐富提供參考和案例，實現(xiàn)農(nóng)作物生長數(shù)字化研究。

針對不同監(jiān)測指標(biāo)，以及基于監(jiān)測指標(biāo)計算的二級指標(biāo)，進(jìn)行條件設(shè)置，當(dāng)一個或多個條件達(dá)到時，系統(tǒng)發(fā)出報警，警報可以以短信方式通知設(shè)定好的人群，可以及時采取預(yù)防應(yīng)對措施。

4.2 本項目解決的關(guān)鍵技術(shù)

1.可以通過PC客戶端或智能手機(jī)反向控制種植現(xiàn)場的設(shè)備

在平板電腦上啟動一個監(jiān)控程序，利用平板電腦上的3G模塊或Wifi模塊接收PC客戶端或智能手機(jī)發(fā)送過來的控制命令，平板電腦上的Zigbee主控模塊通過無線控制繼電器的開關(guān)，達(dá)到控制現(xiàn)場設(shè)備的目的。

2.采用WebService方式操作數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫是系統(tǒng)的核心，數(shù)據(jù)庫的安全至關(guān)重要。本項目在開發(fā)時，所有訪問數(shù)據(jù)庫的操作都是通過訪問WebService的方式，安全又方便。

3.對用戶的評價信息和現(xiàn)場種植環(huán)境采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能化處理，從海量數(shù)據(jù)中提取有價值的信息，找出最佳種植方案，并進(jìn)行推廣。

[1] 何麗芳，馮秀蘭，張寶鑫.大樹移植智能決策支持系統(tǒng)初探[J].山東林業(yè)科技,2005(1):43-45.

[2] 呂振.基于Zigbee的大棚農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].貴州農(nóng)業(yè)科學(xué),2012，40（4）：227-230.

[3] 李百明. Zigbee無線傳感器在礦山環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用研究[R].江西：江西理工大學(xué)，2009.

[4] 李勁松，楊明，劉曉平.基于CC2430和zigbee2006協(xié)議棧的通信模塊設(shè)計[J]. 單片機(jī)及嵌入式應(yīng)用，2010（2）:26-28.

Design and Implementation of Fruit Transplanting Intelligence Descison System Based on Zigbee Technology

YU Bing

(Computer Department of Zhangzhou Technical Institute, Fujian Zhangzhou 363000, China)

In order to improve the intelligent level of agricultural management, with the help of Zigbee, sensor, relay, camera, PDA networking equipment and technology, the paper design a system of intelligence dscison system. With the system, the user can manage intelligence during fruit transplanting. According to the user information for farmers, the system can improve cultivation environment provides scientific decision-making basis. The system has practical application value.

zigbee; wireless sensor network; intelligence decision

N949

A

1673-1417（2012）03-0034-05

2012－07－21

余兵（1982－），男，江西豐城人，助教，碩士。

（責(zé)任編輯：季平）