基于ZigBee和3G技術(shù)的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張慧穎

摘要：針對(duì)目前農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測中無線化、智能化的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種無線監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)的主要構(gòu)成部分是：傳感節(jié)點(diǎn)、嵌入式網(wǎng)關(guān)、3G模塊和上位機(jī)軟件。無線傳感節(jié)點(diǎn)由承載ZigBee技術(shù)的CC2530芯片配合傳感器設(shè)計(jì)，完成對(duì)農(nóng)田環(huán)境信息的采集和傳輸；傳感器節(jié)點(diǎn)通過ZigBee構(gòu)成的無線網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)；利用ARM設(shè)計(jì)嵌入式網(wǎng)關(guān)，并采用3G模塊實(shí)現(xiàn)通過3G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到手持設(shè)備或者監(jiān)測中心。上位機(jī)系統(tǒng)采用Labview2011平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，做到監(jiān)測界面簡潔化。測試結(jié)果表明，ZigBee技術(shù)下的農(nóng)田監(jiān)測系統(tǒng)具有更好的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性，且功耗低，有更廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：無線傳感節(jié)點(diǎn)；ZigBee；ARM；3G；Labview2011；農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測

中圖分類號(hào)： TP274 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A 文章編號(hào)：1002-1302（2015）10-0487-04

近年來，很多國家將電子信息技術(shù)和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合，形成了以信息技術(shù)為支撐的新型農(nóng)業(yè)，即“精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)”。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)包含10個(gè)系統(tǒng)，其中農(nóng)田信息采集系統(tǒng)是一個(gè)重要方面，它結(jié)合了現(xiàn)代化GPS、GIS、RS技術(shù)和農(nóng)田間信息采集技術(shù)，面對(duì)廣闊農(nóng)田覆蓋面積和環(huán)境多變等不確定因素，可以準(zhǔn)確獲取農(nóng)田信息，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)有著重要的作用。在當(dāng)前農(nóng)田信息采集系統(tǒng)中，大多是采用有線通信方式進(jìn)行信息傳輸，這種傳輸方式具有抗干擾能力差、不易布線、組網(wǎng)方式不靈活等缺點(diǎn)；采用傳統(tǒng)的無線傳輸模塊，存在延遲時(shí)間長且誤碼率高等缺點(diǎn)，不能完全滿足精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)需求。為了解決上述系統(tǒng)的弊端，本研究提出基于ZigBee技術(shù)和3G技術(shù)相結(jié)合的新型無線網(wǎng)絡(luò)方案，在大范圍農(nóng)田耕作區(qū)放置傳感器節(jié)點(diǎn)，采集農(nóng)田的參數(shù)信息，利用ZigBee無線通信技術(shù)構(gòu)建無線傳感網(wǎng)絡(luò)將采集的信息傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，通過3G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)奖O(jiān)測中心，便于管理人員對(duì)農(nóng)田環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由傳感器節(jié)點(diǎn)、ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)、嵌入式網(wǎng)關(guān)、3G網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)測中心等幾部分構(gòu)成。傳感器節(jié)點(diǎn)主要完成農(nóng)田信息的采集，以CC2530為核心的ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)完成對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)的發(fā)送和傳輸。嵌入式網(wǎng)關(guān)集成3G模塊，將來自于協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過3G網(wǎng)絡(luò)上傳至遠(yuǎn)程監(jiān)控中心或手持設(shè)備，實(shí)現(xiàn)ZigBee網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)間信息交互。監(jiān)測中心或手持設(shè)備從ARM網(wǎng)關(guān)接收信息，完成數(shù)據(jù)的分析、處理、存儲(chǔ)和顯示及查詢等功能，并可實(shí)現(xiàn)通過上位機(jī)發(fā)送指令控制底層傳感器節(jié)點(diǎn)，完成遠(yuǎn)程參數(shù)監(jiān)測。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

空氣溫濕度、光照度、土壤溫濕度、CO2 濃度以及土壤pH值傳感器結(jié)合CC2530構(gòu)成采集節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)田環(huán)境信息的采集及傳輸；根據(jù)元胞蟻群算法對(duì)路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化選取最優(yōu)路徑，將采集數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)向協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)傳送。ZigBee網(wǎng)絡(luò)選取樹狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。利用嵌入式網(wǎng)關(guān)將協(xié)調(diào)器匯聚來的數(shù)據(jù)通過3G網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)送至監(jiān)測中心或手持設(shè)備。監(jiān)測中心或手持設(shè)備接收信息，完成數(shù)據(jù)的分析、處理、存儲(chǔ)、顯示和查詢等功能，并且實(shí)現(xiàn)通過上位機(jī)發(fā)送命令控制底層采集節(jié)點(diǎn)等功能。上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)采用Labview2011平臺(tái)實(shí)現(xiàn)，顯示界面簡潔、友好[1]。

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件電路主要由CC2530配合傳感器構(gòu)成的無線傳感節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、S3C2440構(gòu)成的嵌入式網(wǎng)關(guān)和3G通信電路構(gòu)成。農(nóng)田信息的采集、處理和發(fā)送由無線傳感器節(jié)點(diǎn)完成；協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)又稱為匯聚節(jié)點(diǎn)，主要完成ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組建和信息的匯集；系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)是通過3G網(wǎng)絡(luò)將來自于協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)[2]。

2.1 傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

無線傳感節(jié)點(diǎn)完成對(duì)農(nóng)田環(huán)境如空氣溫濕度、光照度、土壤濕度、土壤pH值和CO2濃度等信息采集。傳感器模塊的選取直接影響到系統(tǒng)性能指標(biāo)，因此，盡可能選取數(shù)字化傳感器，以降低系統(tǒng)能耗、提高測量精度和范圍。

系統(tǒng)中，空氣溫濕度采用數(shù)字化傳感器SHT15實(shí)現(xiàn)，SHT15自帶14位A/D，采用I2C總線接口傳輸數(shù)據(jù)，將CC2530的P0-0和P0-1與SHT15的DATA和SCK引腳相連完成溫濕度的采集。對(duì)SHT15外配封裝保護(hù)套，做到防水、防塵處理。光照度檢測采用內(nèi)置16位模式轉(zhuǎn)換器的環(huán)境光傳感器BH1750，它能夠直接輸出數(shù)字信號(hào)，接口方式是I2C總線接口，測量量程和精度可達(dá)1～65 535 lx。將BH1750的SCL和SDA與CC2530的P0-2和P0-3連接實(shí)現(xiàn)光照度的檢測。土壤濕度傳感器采用簡易式SEN0114，其表面鍍金處理，加強(qiáng)了導(dǎo)電性和抗腐蝕性，SEN0114僅3個(gè)引腳，輸出的是模擬電壓信號(hào)，由于CC2530內(nèi)部自帶12位AD，將SEN0114與CC2530的P0-4口相接，即可采集出土壤的濕度。采用紅外式二氧化碳傳感器C20完成農(nóng)田CO2濃度的檢測。該傳感器功耗低，測量范圍寬，精度好，采用數(shù)字RS232方式進(jìn)行通信。溫濕度檢測電路、光照采集電路如圖2所示。

2.2 ZigBee無線通信模塊

選取美國TI公司CC2530射頻芯片來完成ZigBee網(wǎng)絡(luò)組建。該芯片兼容2.4 GHz、IEEE802.15.4協(xié)議和ZigBee技

術(shù)的片上技術(shù)，CC2530具有多種不同運(yùn)行模式，而且各種運(yùn)行模式相互轉(zhuǎn)換的時(shí)間短，能夠滿足系統(tǒng)的低功耗要求。內(nèi)部集成了12位AD，與控制器之間通信采用串口進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸；可將傳感器與2530構(gòu)成的路由節(jié)點(diǎn)直接相連，進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集并完成數(shù)據(jù)的無線傳輸。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是用來建立和控制ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)，并將采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)關(guān)上傳到監(jiān)控中心分析與管理。在電路結(jié)構(gòu)上，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)是一致的，但協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)無需外加傳感器模塊。由于農(nóng)田范圍廣，設(shè)計(jì)時(shí)射頻前端增加CC2591進(jìn)一步提高ZigBee網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，將傳輸距離從傳統(tǒng)的75 m擴(kuò)展到1 km以上，覆蓋范圍滿足現(xiàn)場需求[3]。電路如圖3所示。endprint

2.3 嵌入式網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)中，根據(jù)定義的通信協(xié)議格式將數(shù)據(jù)打包，嵌入式網(wǎng)關(guān)是通過3G網(wǎng)絡(luò)把處理好的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)測中心和手持設(shè)備。嵌入式網(wǎng)關(guān)主要由ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、ARM中央處理器、GPRS模塊和3G 模塊構(gòu)成。中央處理器選用三星公司的S3C2440芯片，該芯片運(yùn)行速度快可以更好地滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制的需求。內(nèi)部集成3個(gè)串口，配有SD卡控制器，兩路全速USB主設(shè)備芯片，可以方便進(jìn)行外圍設(shè)備擴(kuò)展。GPRS模塊選用雙頻 GSM/GPRS 模塊SIM300，內(nèi)嵌強(qiáng)大的TCP/IP協(xié)議棧，通過AT指令進(jìn)行控制[4]。

2.4 3G模塊設(shè)計(jì)

3G模塊是系統(tǒng)的重要組成部分，主要完成農(nóng)田信息的無線發(fā)送和通過互聯(lián)網(wǎng)與監(jiān)測中心的信息交互。3G模塊選取華為公司的EM660，該模塊網(wǎng)絡(luò)類型是CDMA2000 EVDO（3G）；內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧并支持標(biāo)準(zhǔn)AT指令集和標(biāo)準(zhǔn)華為擴(kuò)展AT指令集；該模塊具有串口、SIM卡和配有USB2.0。EM660在串口數(shù)據(jù)傳輸形式上采用透明數(shù)據(jù)傳送形式，可將串口上的數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)換成TCP/IP形式并發(fā)送，所以EM660與S3C2440通過串口相連實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，連接框圖如圖4所示[5-6]。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件程序包括ZigBee無線數(shù)據(jù)收發(fā)、3G模塊子程序、下位機(jī)與上位機(jī)通信子程序以及上位機(jī)處理軟件程序。在ZigBee無線數(shù)據(jù)收發(fā)過程中，主要包括路由節(jié)點(diǎn)子程序、協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)子程序和檢測終端節(jié)點(diǎn)子程序構(gòu)成。程序編寫在ARM平臺(tái)下完成，采用C語言進(jìn)行編寫與調(diào)試，采用模塊化編程思想進(jìn)行設(shè)計(jì)；無線數(shù)據(jù)收發(fā)程序采用CC2530兼容的協(xié)議棧Zstack2007的平臺(tái)下設(shè)計(jì)應(yīng)用程序；上位機(jī)軟件采用圖形化語言Labview2011設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面簡潔及遠(yuǎn)程控制。

3.1 路由節(jié)點(diǎn)算法設(shè)計(jì)

系統(tǒng)進(jìn)行信息采集時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)周期性地采集監(jiān)測數(shù)據(jù)并且不斷地向Sink節(jié)點(diǎn)匯集，但是傳感器節(jié)點(diǎn)能量有限，因此要選擇能量消耗小的最優(yōu)路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)原有算法進(jìn)行優(yōu)化，將網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)映射成元胞蟻群中的元胞，通過改進(jìn)蟻群信息素更新模型，使路由節(jié)點(diǎn)在信息采集與休眠狀態(tài)間進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

CACO算法（元胞蟻群優(yōu)化算法）將將傳感器的n個(gè)采集節(jié)點(diǎn)映射成n個(gè)元胞，每個(gè)元胞節(jié)點(diǎn)ni存有其所有相鄰節(jié)點(diǎn)的剩余能量值、禁忌表Tabu、節(jié)點(diǎn)距離和信息素等信息，將M只螞蟻放在n個(gè)元胞節(jié)點(diǎn)上，每只螞蟻通過計(jì)算選擇概率在臨近范圍內(nèi)對(duì)下一個(gè)節(jié)點(diǎn)nj進(jìn)行路徑選擇。選擇下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的概率如公式（1）：

pkij=τaijηβij∑sTabukτaisηβis jTabuk

0 其他。

（1）

式中：Tabuk稱為禁忌表，表示螞蟻所走過的節(jié)點(diǎn)；ηij代表節(jié)點(diǎn)從ni轉(zhuǎn)移到nj的啟發(fā)信息，ηij=lijdij，lij表示鏈路強(qiáng)度；τij表示t時(shí)刻從ni轉(zhuǎn)移到nj的路徑上殘留的信息素，τij=Eλijdγij，λ、γ是權(quán)重因子，Eij表示節(jié)點(diǎn)nj在t時(shí)刻剩余能量，dij代表節(jié)點(diǎn)從ni轉(zhuǎn)移到nj的距離。當(dāng)每只螞蟻?zhàn)咄?步或者完成1次搜索后，需要各條路線上的信息進(jìn)行更新，找到最優(yōu)的Sink節(jié)點(diǎn)。在t到t+Δt時(shí)刻，更新信息公式如下：

τij（t+Δt）=（1-ρ）τij（t）+∑mk=1Δτkij（t）+wi（t）。

（2）

式中：ρ是信息素?fù)]發(fā)系數(shù)，與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥兓念l度有關(guān)，ρ∈[0，1）；表示元胞狀態(tài)系統(tǒng)，∈[0，1）；Δτij（t）表示Δt時(shí)間間隔上路徑l上的信息素濃度增量。元胞蟻群優(yōu)化算法流程如圖5所示。

3.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)流程設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的主要功能是建立、連接網(wǎng)絡(luò)，從路由節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)，并根據(jù)要求發(fā)送控制命令，實(shí)現(xiàn)相鄰節(jié)點(diǎn)間的通信。當(dāng)路由節(jié)點(diǎn)被協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)允許加入網(wǎng)絡(luò)后，可以將處理后的數(shù)據(jù)傳輸給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。在設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到低功耗要求，在協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和路由器節(jié)點(diǎn)間沒有信息交換時(shí)，傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)入睡眠模式，每隔幾秒對(duì)農(nóng)田環(huán)境進(jìn)行輪流采集，采用中斷方式喚醒休眠節(jié)點(diǎn)。圖6為軟件設(shè)計(jì)流程示意圖。

3.3 3G軟件程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)時(shí)，采用TCP協(xié)議棧，使用Socket編程思想實(shí)現(xiàn)3G網(wǎng)絡(luò)中的傳輸。調(diào)用Socket（）創(chuàng)建套接字，將服務(wù)端的IP地址和端口號(hào)填充到該Socket結(jié)構(gòu)體，并且建立套接字的連接，服務(wù)器調(diào)用accept（）函數(shù)對(duì)客戶端的連接請(qǐng)求進(jìn)行接收，數(shù)據(jù)傳輸完成后，關(guān)閉以上連接。部分程序代碼如下：

/*建立socket連接*/

int socket_connect（char*addr）{

int sock_fd；

Struct sockaddr _in their addr；

Memset（&their_addr，0，sizeof（struct sockaddr_in））；

if（sock _fd=socket（AF_INET，SOCK_STREAM，0）==-1）；

{perror（“socket”）；exit（1）；}

Their_addr.sin_familly=AF_INET；

Their_addr.sin_addr.s_addr=inet_addr（addr）；

If（connect（socket_fd，（struct sockaddr*）&their_addr，sizeof（struct sockaddr））==-1）{perror（“connect”）；exit（1）；}

Return sock_fd；}

3.4 監(jiān)測界面設(shè)計(jì)

上位機(jī)軟件程序采用圖形化語言Labview2011進(jìn)行開發(fā)，利用其強(qiáng)大的圖形化編程功能和豐富的庫，可將采集到的農(nóng)田信息傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，并對(duì)農(nóng)田環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)控與管理。工作人員登錄監(jiān)控界面可以查詢到歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)顯示的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并可進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置并提示報(bào)警，還可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)發(fā)出指令控制下位機(jī)等功能，可以為用戶提供一個(gè)簡單的信息瀏覽和數(shù)據(jù)查詢平臺(tái)。endprint

4 系統(tǒng)測試結(jié)果

4.1 數(shù)據(jù)傳輸測試

當(dāng)協(xié)調(diào)器完成組網(wǎng)，傳感器節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)后，每隔5 s向協(xié)調(diào)器發(fā)送1次數(shù)據(jù)，協(xié)調(diào)器通過串口發(fā)送給監(jiān)測中心；當(dāng)然，監(jiān)控中心通過3G模塊下達(dá)指令到中央控制器，利用串口發(fā)送至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至傳感器終端節(jié)點(diǎn)；因此對(duì)數(shù)據(jù)的發(fā)送與傳輸?shù)恼_率要求是很高的，分別在1、5、12、24 h內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行測試，測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)正確率高達(dá)99.89%。

4.2 系統(tǒng)監(jiān)測試驗(yàn)

為了測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性和正確性，選取吉林市九站農(nóng)田種植區(qū)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測試。在農(nóng)田作業(yè)區(qū)每隔100 m放置1個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)，并分配固定的ID號(hào)，農(nóng)田入口處放置1個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。ZigBee模塊供電電源為2節(jié)1.5 V干電池。在監(jiān)測工作站內(nèi)，PC機(jī)及手持設(shè)備通過3G網(wǎng)絡(luò)與下位機(jī)相連。圖7給出了在某一時(shí)段的實(shí)際測量結(jié)果。

由圖7可看出，該系統(tǒng)可直觀清晰地監(jiān)測農(nóng)田的環(huán)境信息，有利于工作人員及時(shí)作出判斷；同時(shí)，系統(tǒng)也可以方便地通過用戶界面向下位機(jī)發(fā)出控制指令。

5 結(jié)論

本研究從農(nóng)田環(huán)境實(shí)際出發(fā)，從組網(wǎng)靈活、低功耗和可靠性等角度考慮，以S3C2440微處理器作為控制核心，將ZigBee技術(shù)與3G技術(shù)相結(jié)合構(gòu)成農(nóng)田無線傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)田信息的無線監(jiān)控，以保證作物在最適合的環(huán)境下生長，有效地節(jié)省了人力和物力，有利于推進(jìn)農(nóng)業(yè)信息化的發(fā)展。將系統(tǒng)測試結(jié)果與傳統(tǒng)儀器測量值進(jìn)行比較表明，該系統(tǒng)測量準(zhǔn)確、操作簡單、實(shí)時(shí)性好、穩(wěn)定性好、網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍大，做到了對(duì)農(nóng)田環(huán)境的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)控，推進(jìn)了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

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