基于ZigBee與GPRS的農業(yè)大棚環(huán)境監測系統的設計和實(shí)現

近年來(lái)隨著(zhù)大棚農業(yè)的蓬勃發(fā)展，對農業(yè)生產(chǎn)的信息化管理成為了一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。大棚溫室內的土壤濕度、環(huán)境溫濕度、葉面濕度等環(huán)境因素對農作物的質(zhì)量以及穩產(chǎn)、高產(chǎn)有很大的影響。如何實(shí)時(shí)、有效地獲取內部各種環(huán)境參數，為種植過(guò)程的科學(xué)灌溉提供數據支持，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量，增加經(jīng)濟收益，具有重大的意義。

針對上述問(wèn)題，目前常用的方法是人工巡查和有線(xiàn)數據采集兩種。人工巡查方式消耗人力、工作量大，且難以保證數據的實(shí)時(shí)性與有效性。另一種是采用有線(xiàn)通訊的數據采集方式監測系統，其布線(xiàn)復雜，且受物理線(xiàn)路和環(huán)境因素影響大，成本高，不適于擴展。隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)通訊的發(fā)展，以往的有線(xiàn)系統漸漸被無(wú)線(xiàn)監測系統取代，尤其是近些年我國GPRS/CDMA無(wú)線(xiàn)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的發(fā)展以及ZigBee技術(shù)在我國的應用，使得開(kāi)發(fā)一個(gè)廉價(jià)而低耗的無(wú)線(xiàn)系統成為易事。作為一種近距離、低成本、低功耗、低數據速率的雙向無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)，被廣泛用于環(huán)境監測、交通管理、災難預防等領(lǐng)域，也成為近年來(lái)數字農業(yè)研究中的熱點(diǎn)之一。針對農業(yè)大棚環(huán)境監測的實(shí)際需求，研制具有多測點(diǎn)、多參數、可移動(dòng)、使用便捷的環(huán)境監測系統具有十分重要的意義。

1 系統結構

大棚溫室監測系統設計成三層網(wǎng)絡(luò )結構：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，GPRS網(wǎng)絡(luò )和遠程管理平臺，系統結構如圖1所示。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )負責各種環(huán)境參數的檢測和數據的無(wú)線(xiàn)傳輸;

GPRS網(wǎng)絡(luò )用于數據的轉發(fā)以及與。Internet無(wú)縫連接，遠程管理平臺可實(shí)現對數據的處理、分析、管理。

為了減低成本，此處網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)功能主要是實(shí)現ZigBee的協(xié)調器與gprs模塊間的通訊。使得協(xié)調器收到的數據能夠通過(guò)GPRS模塊傳輸到互聯(lián)網(wǎng)上，以此實(shí)現遠程監控。

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )由若干終端節點(diǎn)，路由節點(diǎn)和協(xié)調器節點(diǎn)構成。帶有的大量傳感器的ZigBee終端節點(diǎn)和路由節點(diǎn)分別放置在大棚的不同地方，各個(gè)節點(diǎn)負責對數據的感知與采集，數據以最短路徑原則沿著(zhù)其他路由節點(diǎn)逐跳地進(jìn)行傳輸。每個(gè)傳感器節點(diǎn)的覆蓋范圍必須包含另外兩個(gè)節點(diǎn)，以防傳輸線(xiàn)路中有節點(diǎn)出現故障時(shí)，數據的傳輸中斷。在傳輸過(guò)程中，監測數據可能被多個(gè)節點(diǎn)處理，多跳到每個(gè)簇的匯聚節點(diǎn)，然后傳到網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)。網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)與遠程的服務(wù)器采用經(jīng)典的C/S模式實(shí)現通訊，使用者也可根據需要使用智能手機作為客戶(hù)端，實(shí)現隨時(shí)隨地實(shí)時(shí)的收集大棚中的環(huán)境參數，并對數據進(jìn)行分析處理，做出判斷與決測。

2 網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)設計

2.1 終端節點(diǎn)的硬件設計

農業(yè)大棚中環(huán)境溫濕度，二氧化碳含量等環(huán)境參數數據對于節點(diǎn)處理器的處理能力不需要很高的要求，且發(fā)送的數據量小。為了降低成本，本系統采用單片CC2530作為處理器，用于數據的采集和數據的無(wú)線(xiàn)通訊。電源模塊則對整個(gè)節點(diǎn)的運行提供能源，以滿(mǎn)足系統中不同模塊對電源的需求，保證正常運行。節點(diǎn)硬件主要結構如圖2所示。

2.1.1 傳感器模塊

傳感器模塊主要由環(huán)境溫濕度、二氧化碳等傳感器等部分組成。土壤濕度傳感器用于監測種植區域的土壤水分，環(huán)境溫濕度傳感器用于監測生長(cháng)環(huán)境中的溫度和濕度，二氧化碳傳感器用于監測溫室中的二氧化碳含量，保證植物能在合適環(huán)境中生長(cháng)。溫濕度傳感器采用SHT11傳感器，它是由工廠(chǎng)校準，輸出溫度的分辨率為0.01℃，輸出相對濕度的分辨率為0.03%。它提供全量程標定的數字輸出。具有極高的可靠性與卓越的長(cháng)期穩定性。傳感器包括一個(gè)電容性聚合體濕度敏感元件和一個(gè)用能隙材料制成的溫度敏感元件，這兩個(gè)敏感元件與一個(gè)14位的A/D轉換器以及一個(gè)串行接口電路設計在同一個(gè)芯片上面。該傳感器響應超快、抗干擾能力強、極高的性?xún)r(jià)比。它與單片機的接口也非常簡(jiǎn)單與IIC協(xié)議類(lèi)似。本系統中對CO2含量監測有較高的要求，且傳感器應受溫濕度的變化小。這里采用：MG811型的二氧化碳傳感器，它主要實(shí)用與空氣質(zhì)量控制系統和溫室二氧化碳濃度檢測。二氧化碳傳感器經(jīng)過(guò)高輸入阻抗放大器放大后接入單片機，利用CC2530內部自帶的AD轉換器進(jìn)行模數轉換。

2.1.2 電源模塊

網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)中處理器CC2530需要3.3 V供電，而傳感器模塊和放大器等需要5 V供電。為了滿(mǎn)足不同模塊對電源的需求，以及節點(diǎn)的便捷性。我們采用多節1.5 V干電池供電，

通過(guò)LM1117輸出所需的3.3 V和5 V電壓。LM1117是一個(gè)低壓差電壓調節器系列。其壓差在1.2 V輸出，負載電流為800 mA時(shí)為1.2 V。它有5個(gè)固定電壓輸出(1.8 V，2.5 V，2.85 V，3.3 V和5 V)的型號，此外它還提供電流限制和熱保護。輸出電壓精度在1%以?xún)?。設計時(shí)輸出端需要一個(gè)至少10 uF的鉭電容來(lái)改善瞬時(shí)響應和穩定性。

2.1.3 無(wú)線(xiàn)通訊模塊

無(wú)線(xiàn)通訊模塊主要采用CC2530芯片和低功耗射頻前端CC2591，它主要用于功率放大，大大簡(jiǎn)化了射頻電路的設計。TI公司的CC2591是高性?xún)r(jià)比和高性能的2.4 GHz RF前端，適合低功耗低電壓2.4 GHz無(wú)線(xiàn)應用，CC2591的輸出功率高達22 dBm,集成了開(kāi)關(guān)，匹配網(wǎng)絡(luò )和平衡/不平衡電路，電感，功率放大器(PA)以及低噪音放大器(LNA)，可以用在所有的2.4GHz ISM系統，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，無(wú)線(xiàn)工業(yè)系統，IEEE802.15.4和ZigBee系統，無(wú)線(xiàn)消費類(lèi)電子系統和無(wú)線(xiàn)音頻系統。CC2530與CC2591主要部分硬件連接如圖3所示。

當HGM為高電平，表示CC2591接收數據時(shí)，LNA是高增益模式;當HGM為低電平，表示CC2591接收數據時(shí)，LNA是低增益模式。而EN引腳和PA_EN引腳在CC2591正常工作時(shí)候置為高電平，當其進(jìn)入低功耗模式時(shí)候，將其置為低電平，這樣可以降低功耗。CC2530的I/O端口P1_1，P1_4，P0_7連接CC2591的HGM、EN、PA_EN引腳實(shí)現由單片機來(lái)控制CC2591。

2.2 終端節點(diǎn)的軟件設計

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的數據傳輸采用基于802.15.4標準的ZigBee無(wú)線(xiàn)傳輸協(xié)議，使用API操作模式。API操作模式通常應用于較復雜的網(wǎng)絡(luò )傳輸，通過(guò)改變目標地址來(lái)實(shí)現點(diǎn)對多點(diǎn)的數據傳輸任務(wù)，傳輸結束后返回確認信息(或已發(fā)送成功，或發(fā)送失敗)。接收數據時(shí)可以額外接收到發(fā)送端模塊的發(fā)送信息，對節點(diǎn)進(jìn)行遠程參數配置后，實(shí)現整個(gè)網(wǎng)絡(luò )信息系統的在線(xiàn)參數配置，分配系統資源。

當協(xié)調器運行后，協(xié)調器便建立了ZigBee網(wǎng)絡(luò )。周?chē)墓濣c(diǎn)紛紛加入到網(wǎng)絡(luò )中，當節點(diǎn)加入到網(wǎng)絡(luò )中時(shí)。這里設置一些發(fā)送事件(如發(fā)送溫度，濕度等數據)，在該事件中我們可以調用傳感器的采集程序，處理完數據后便把數據發(fā)送出去。網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的工作過(guò)程大體如圖4所示。

其中sendTheMessage()函數中調用傳感器采集程序并對數據進(jìn)行處理，然后調用AF_DataRequest()進(jìn)行數據的發(fā)送。此外在sendTheMessage()函數中我們還對數據進(jìn)行簡(jiǎn)單的判斷，如果出現異常(如溫度過(guò)高等)，設置osal_start_timerEx (GeneicApp_TaskID，SEND_DATA_EVENT，1 000);即1 s發(fā)送一次數據;而正常情況下為15 min發(fā)送一次數據。這種設計方法既能實(shí)現低功耗，減輕網(wǎng)絡(luò )的通訊壓力，不至于引發(fā)局部網(wǎng)絡(luò )癱瘓的現象，還可以較好地保證實(shí)時(shí)性，提高信息可靠性。

3 網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)設計

網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)的主要任務(wù)是轉發(fā)采集的數據。它一方面通過(guò)ZigBee協(xié)調器與傳感器網(wǎng)絡(luò )相連接，另一方面通過(guò)GPRS通信模塊與Internet外部網(wǎng)絡(luò )連接。實(shí)現兩種協(xié)議直接的轉換，發(fā)布遠程數據中心的監測任務(wù)，也要把收集到的數據發(fā)送到與Internet網(wǎng)絡(luò )相連的遠程數據中心。GPRS與Internet網(wǎng)絡(luò )的無(wú)縫連接，可以達到數據連續傳輸的目的。網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)主要由CC2530芯片模塊、GPRS通信模塊以及電源模塊組成，其結構如圖5所示。CPRS通信采用華為公司的GTM900 GPRS模塊，它是當今市場(chǎng)上尺寸最小的三頻GPRS模塊之一，完美地支持語(yǔ)音通信和短消息方式通信的功能，可以用于實(shí)現實(shí)時(shí)通信與手機信息交互的功能，以便及時(shí)地處理情況。GTM900內嵌的TCP/IP協(xié)議與Internet網(wǎng)絡(luò )的協(xié)議相同，易與Internet網(wǎng)絡(luò )相連，此外它支持AT命令操作，利用指令AT%IPOPEN=“TCP”，“219.136.10.247”，60000便可建立與Internet連接，便捷了開(kāi)發(fā)與使用。

4 管理軟件設計

本系統的管理平臺軟件是基于.NET平臺下開(kāi)發(fā)，使用SOCKET套接字實(shí)現TCP/IP協(xié)議;運用C/S模式實(shí)現多點(diǎn)控制。首先是服務(wù)端設計，主要是用于數據的轉發(fā)。當服務(wù)端收到來(lái)自于網(wǎng)關(guān)的數據時(shí)便轉發(fā)給其他的客戶(hù)端包括電腦客戶(hù)端或者智能手機客戶(hù)端。

5 實(shí)驗結果

為了試驗所搭建的系統的性能，本文選用蘇州市太倉現代農業(yè)基地作為試點(diǎn)。選用5個(gè)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)，一個(gè)網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)和筆記本電腦形成監測平臺。實(shí)驗數據通過(guò)網(wǎng)關(guān)傳到上位機，在上位機上可以實(shí)時(shí)看到數據，實(shí)驗顯示，在樹(shù)林里傳輸距離能夠達到50 m，可以滿(mǎn)足溫室大棚環(huán)境監測的需要。其中服務(wù)端數據圖6所示。

6 結論

本文針對溫室大棚提高產(chǎn)量及質(zhì)量的需求，設計了基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的環(huán)境監測系統，用于溫室環(huán)境參數的實(shí)時(shí)監測。著(zhù)重介紹了，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的體系結構、節點(diǎn)的軟硬件設計以及通過(guò)GPRS技術(shù)遠程傳輸。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )利用節點(diǎn)功耗低、工作時(shí)間長(cháng)、成本低等特點(diǎn)，實(shí)現在線(xiàn)監測，為科學(xué)的種植提供科學(xué)依據。