基于ZigBee技術(shù)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周正貴，李海燕

(安徽商貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系，安徽蕪湖 241002)

基于ZigBee技術(shù)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周正貴，李海燕

(安徽商貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系，安徽蕪湖 241002)

本文利用ZigBee技術(shù)研究一種精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)分為上位機(jī)、主控器、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、子節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，主控器由基于STM32F103系列微型控制器設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器及各子節(jié)點(diǎn)由基于集成51單片機(jī)內(nèi)核的CC2530芯片設(shè)計(jì)。子節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)連接多種傳感器采集空氣質(zhì)量、水質(zhì)、土壤信息參數(shù)，經(jīng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，最終主控器接收處理數(shù)據(jù)并發(fā)送至上位機(jī)服務(wù)器存儲(chǔ)，用戶可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)訪問上位機(jī)傳感器數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)智能化科學(xué)管理。

ZigBee；網(wǎng)絡(luò)；監(jiān)測(cè)；節(jié)點(diǎn)

我國是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，科技的發(fā)展推動(dòng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式不斷更新，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)逐步邁向信息化、精準(zhǔn)化。種植人員運(yùn)用科技能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確地掌握農(nóng)作物生長環(huán)境綜合數(shù)據(jù)，進(jìn)而調(diào)節(jié)改善農(nóng)作物生長綜合環(huán)境。本文設(shè)計(jì)了一種基于ZigBee技術(shù)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物生長區(qū)域的大氣、水質(zhì)、土壤墑情綜合監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物的科學(xué)有效的智能化管理。系統(tǒng)可對(duì)農(nóng)作物生長區(qū)域的溫度、濕度、光照強(qiáng)度、水質(zhì)的pH值、水質(zhì)的濁度、土壤的pH值、土壤的水分等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過短距離無線網(wǎng)絡(luò)ZigBee上傳數(shù)據(jù)至監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)集中顯示，為決策提供依據(jù)。

ZigBee是一種近距離、低功耗、價(jià)格低廉、組網(wǎng)便捷、源碼開放的通信技術(shù)，廣泛應(yīng)用在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、交通等行業(yè)底層原始數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制等領(lǐng)域。ZigBee協(xié)議分為物理層、媒體鏈路層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層等，ZigBee組網(wǎng)方式靈活，一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中可容納6000多個(gè)節(jié)點(diǎn)，根據(jù)協(xié)議程序可組建成星型、網(wǎng)狀型、簇狀型網(wǎng)絡(luò)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并改善農(nóng)作物生長環(huán)境參數(shù)，需要對(duì)農(nóng)作物所屬區(qū)域的大氣、水質(zhì)、土壤墑情等因素進(jìn)行測(cè)量，這樣在調(diào)控農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的過程中就能夠參考這些數(shù)據(jù)來改善農(nóng)作物生長環(huán)境。系統(tǒng)采用無線短距離通信技術(shù)ZigBee構(gòu)建系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，終端網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采集農(nóng)作物區(qū)域的空氣、水質(zhì)、土壤等信息，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至上位機(jī)，遠(yuǎn)程可以實(shí)時(shí)在線查詢數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)智能化功能。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)采用CC2530芯片設(shè)計(jì)，該芯片內(nèi)部嵌入了8位單片機(jī)CPU，資源豐富，含有RF無線射頻、串口、DMA、定時(shí)器等，并為使用者提供了一個(gè)強(qiáng)大的ZigBee解決方案。CC2530芯片廣泛應(yīng)用在ZigBee系統(tǒng)、樓宇自動(dòng)化、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)控制、低功耗無線網(wǎng)絡(luò)等領(lǐng)域。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主機(jī)電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)分為主機(jī)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、子節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)。主機(jī)由基于STM32F103系列微型控制器設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器及各子節(jié)點(diǎn)采用基于集成了51單片機(jī)內(nèi)核的CC2530芯片設(shè)計(jì)。主機(jī)部分液晶顯示原理圖如圖2所示，采用5寸液晶片作為上位機(jī)顯示界面，LCD芯片數(shù)據(jù)線、控制線按照如圖2所示進(jìn)行連接。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

圖2 主機(jī)液晶顯示電路原理圖

2.2 串口電路設(shè)計(jì)

主機(jī)STM32F103微處理器是32位ARM微控制器。為了能將終端傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器，主機(jī)外部采用SP3232芯片設(shè)計(jì)串口接口電路，如圖3所示。SP3232是一種標(biāo)準(zhǔn)的RS232轉(zhuǎn)換芯片，能完成TTL電平與232電平的相互轉(zhuǎn)化，包含驅(qū)動(dòng)器、收發(fā)器等電路模塊。

圖3 主機(jī)串口電路原理圖

2.3 傳感器節(jié)點(diǎn)電路設(shè)計(jì)

子節(jié)點(diǎn)傳感器及ZigBee接口原理圖如圖4所示。AM2301傳感器原理圖、光照強(qiáng)度模塊原理圖、酸堿度檢測(cè)、土壤水分、濁度傳感器的設(shè)計(jì)依據(jù)相同設(shè)計(jì)原理，傳感器采集到數(shù)據(jù)后經(jīng)濾波、放大等處理后送至CC2350芯片IO端口。

圖4 子節(jié)點(diǎn)傳感器及ZigBee接口原理圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)

軟件用C語言編寫，基于ST公司官方庫函數(shù)實(shí)現(xiàn)各模塊的功能實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)軟件算法流程圖如圖5所示，系統(tǒng)上電后，主機(jī)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)先通電，其他終端節(jié)點(diǎn)依次上電，設(shè)置所有節(jié)點(diǎn)均為相同的頻段號(hào)、網(wǎng)絡(luò)ID號(hào)，即可成功組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，各傳感器節(jié)點(diǎn)會(huì)上傳采集的數(shù)據(jù)至網(wǎng)關(guān)，最后發(fā)送至上位機(jī)服務(wù)器，由于傳感器采集的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳，將始終保持農(nóng)作物區(qū)域感知數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新。

圖5 系統(tǒng)軟件算法流程圖

圖6 傳感器數(shù)據(jù)采集流程圖

3.2 傳感器算法設(shè)計(jì)

圖7 手機(jī)查詢顯示界面

系統(tǒng)使用了7種傳感器，其中AM2301濕敏電容數(shù)字溫濕度模塊是含有己校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。系統(tǒng)中7種傳感器轉(zhuǎn)換算法相似，首先上電后，傳感器進(jìn)行初始化、復(fù)位操作；然后由CC2530處理器發(fā)出讀取指令，當(dāng)傳感器響應(yīng)后，按照時(shí)序圖讀取字節(jié)數(shù)；最后依據(jù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換格式計(jì)算傳感器數(shù)據(jù)。傳感器數(shù)據(jù)采集流程圖如圖6所示。

3.3 遠(yuǎn)程訪問服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)

當(dāng)上位機(jī)接收到傳感器數(shù)據(jù)后，上位機(jī)服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中將存儲(chǔ)相應(yīng)的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)利用Android設(shè)計(jì)了訪問服務(wù)器應(yīng)用軟件，當(dāng)用戶打開軟件后，系統(tǒng)會(huì)鏈接到上位機(jī)服務(wù)器，并在顯示界面顯示各傳感器數(shù)據(jù)，如圖7所示。

4 結(jié)語

本文給出一種基于ZigBee技術(shù)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)綜合監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，詳細(xì)設(shè)計(jì)了主機(jī)及節(jié)點(diǎn)硬件電路、軟件算法，結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)業(yè)種植區(qū)域數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程采集，種植人員可根據(jù)所采集的數(shù)據(jù)及時(shí)改善種植物生長環(huán)境，提高農(nóng)作物產(chǎn)量、品質(zhì)。

[1]趙迎春.環(huán)保監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].長春師范大學(xué)學(xué)報(bào),2016(8):42-44.

[2]牛濤,王一涯,陳曙光,等.基于ZigBee的多環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技,2017(1):169-170.

[3]洪東輝,陳敬洋,袁小雪,等.基于ZigBee無線傳輸?shù)乃|(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].輕工科技,2017(1):62-64.

[4]丁永賢,謝鵬.基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)場(chǎng)智能監(jiān)控系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2017(2):137-140.

[5]王二偉,丑修建,劉立,等.基于ZigBee的可自充電式無線溫度傳感監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2017(4):99-102.

[6]郭家.基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田信息采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].鄭州:河南農(nóng)業(yè)大學(xué),2013.

[7]陶玉貴,洪金寶.基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法[J].長春師范大學(xué)學(xué)報(bào),2016(2):36-39.

[8]廖建尚.基于物聯(lián)網(wǎng)的溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2016(11):233-243.

[9]朱麗.基于ZigBee技術(shù)的農(nóng)用環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都:電子科技大學(xué),2011.

Design of Precision Agriculture Comprehensive Monitoring System Based on ZigBee Technology

ZHOU Zheng-gui, LI Hai-yan

(Department of Electronic Information Engineering,Anhui Business College,Wuhu Anhui 241002,China)

A precision agriculture comprehensive monitoring system was developed based on ZigBee technology. The system consists of upper computer, main control device, network coordinator and subnode network. The main controller was designed based on STM32F103 microcontroller, and network coordinator and subnodes were designed based on CC2530 chip of 51 microcontroller core. The subnodes and network nodes connected a variety of sensors to collect air quality, water quality and soil parameters. ZigBee network was adopted to send data to network coordinator. Finally the main controller

data and sent data to the upper computer for storage, thus users could remotely get access to sensor data of the upper computer in real time and realize intelligentized scientific management.

ZigBee; network; monitoring; node

2017-03-31

安徽省教育廳自然科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目“基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)研究”(KJ2016A254)；安徽省教育廳質(zhì)量工程項(xiàng)目“物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)綜合改革試點(diǎn)”(2015zy118)；安徽商貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院自然科學(xué)研究項(xiàng)目“基于RFID技術(shù)的食品追溯系統(tǒng)研究”(2014KYZ04)。

周正貴(1984- )，男，講師，碩士，從事物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)、電子信息技術(shù)研究。

TP274

A

2095-7602(2017)08-0051-05