基于ZigBee网络农业环境信息监测系统设计

　　摘要：针对传统农业信息监测系统面临的布线复杂、成本高、供电不便等问题，文中提出一种基于ZigBee技术无线环境数据采集并加以环境调节的农作物监测系统。系统以CC2530构建的节点为核心，通过节点之间自组网的方式实现对采集数据的传输，再由嵌入式终端对传输数据加以分析和处理，从而根据数据控制调控环境设备并把数据上传到计算机端，完成对农业环境监测和调控的目标。系统运行结果表明，该系统能够有效地节省人力，提高农业生产效率。

　　关键词：ZigBee；Z-Stack；信息监测；环境调节

　　中图分类号：TP277文献标识码：A文章编号：2095-1302（2018）09-00-03

　　0引言

　　我国人口占世界总人口的22%，而耕地面积只占世界耕地面积的7%，这就意味着发展现代化农业的必要性[1]。传统农业生产中，农作物环境信息数据主要通过人工采集或者大量布线从传感器获取，然后将数据传送至计算机。此种方式不仅浪费大量人力资源，而且花费成本较大。针对上述问题，本文提出一种基于ZigBee技术的农作物监测系统，实时获取农作物的生长状况，根据获取的数据控制调控设备，维持作物最佳的生长环境。

　　1系统方案设计

　　1.1系统框架设计

　　农业环境信息监测系统结构如图1所示。在该系统中，各个监测区域的传感器将采集到的数据通过自组网传送至路由节点，再由路由节点传送至协调器节点。ZigBee网络通过串口通信的方式将数据信息传送至嵌入式监控终端以及计算机，监控终端可通过采集到的环境信息做出决策，控制相应的环境调控设备。

　　1.2系统ZigBee网络组网方案设计

　　整个ZigBee网络采用树形拓扑结构，其中协调器作为父节点，而终端传感器节点作为叶子节点，路由器作为网络中继。当监测区域需扩大时，可采用增加路由以扩充网络覆盖

　　范围的方法。

　　该结构包含数据采集层、数据传输层和管理层[2]。其中，数据采集层由众多搭载不同传感器的终端节点组成；数据传输层采用ZigBee自组网络通信的方式将数据采集层所采集到的数据在网络中传输；管理层则对采集到的数据进行分析。系统各部分功能规划见表1所列。

　　2系统硬件设计

　　2.1ZigBee芯片

　　系统采用的ZigBee射频收发芯片是TI公司设计生产的CC2530。在CC2530的基础上构建协调器节点、路由器节点、终端节点。CC2530具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统[3]。此外，TI公司还提供免费的ZigBee协议栈Z-Stack，可为用户制定快速的ZigBee应用解决方案。

　　2.2节点硬件设计

　　节点的硬件主要由电源电路、串口转换电路、TFT接口电路、按键电路、调试接口电路、射频收发电路组成。节点的硬件结构如图2所示。

　　2.2.1电源电路设计

　　电路接入外部5V直流电源供电，通过电压转换芯片AMS1117将输入的5V电压转换为3.3V系统工作电压。电源部分原理图如图3所示。

　　2.2.2串口通信转换电路设计

　　本文系统选择使用USART0作为串行通信接口。为了使串行接口同电脑交换数据，设计以PL2303为核心的数据交换电路。转换电路原理图如图4所示。

　　2.2.3调试接口电路

　　调试接口分别使用I/O引脚P2.1和P2.2作为调试模式中的调试数据和调试时钟。调试接口原理图如图5所示。

　　2.2.4TFT接口电路

　　TFT屏接口电路用于驱动TFT屏显示采集到的环境数据信息以及ZigBee网络中的网络连接信息。各接口对应的芯片引脚见表2所列。

　　2.3传感器选择

　　农业环境信息监测系统主要检测的环境对象为空气温湿度、土壤湿度、气体浓度、光照强度等。通过将传感器搭载到各节点上，然后将节点布置于环境监测区域中，就能够通过ZigBee自组网特性完成对区域环境的监测。传感器的选型和对应的通信方式见表3所列。

　　2.4嵌入式监控终端电路设计

　　系统采用STM32F103RCT6最小系统作为终端监测调控平台。其作用是对采集的数据进行分析和处理，并实现与PC端的信息交互，把PC端下达的决策命令传送到控制终端监测调控平台，再通过终端监测调控平台控制环境调控设备。

　　STM32的设计包括最小系统设计和外围电路设计两部分。该嵌入式监控终端电路包括晶振电路、复位电路、USB接口电路等，外围电路包括中断按键、TFT接口电路等。

　　3系统软件设计

　　本文系统软件设计包含ZigBee协议应用程序设计、嵌入式监控终端控制程序设计、计算机上位机程序设计三部分。

　　ZigBee协议应用程序设计主要是对终端传感器节点、路由器节点和协调器节点三者之间如何组网进行数据传输的程序设计。

　　嵌入式监控终端控制程序设计主要接收协调器节点传输的数据，并对传输的数据进行分析和处理，控制调控环境参数设备以及将分析后的数据传送到电脑端。

　　计算机上位机程序设计主要将传输的数据实时显示到电脑端，也可通过电脑端给嵌入式监测终端发送指令，从而控制调控设备的运行。

　　3.1ZigBee组网结构程序设计

　　ZigBee网络拓扑结构主要有星状、树状、网状三种[4]。三种网络拓扑结构如图6所示。

　　本文系统采用树状网络拓扑结构方式构建ZigBee网络。在Z-Stack中，网络拓扑结构定义如下：

　　#defineNWK_MODE_TREE

　　3.2ZigBee�f议应用程序设计Z-Stack协议栈是协议和用户的一个接口。IEEE802.15.4定义了物理层和介质访问层技术规范；ZigBee联盟定义了网络层、应用程序支持子层、应用层技术规范[5]。将各层定义的协议集合在一起，以函数的形式实现，并给用户提供应用层，从而直接调用函数，实现无线数据收发。

　　在Z-Stack协议栈中，ZigBee的应用都可基于任务事件的形式完成。系统任务和应用任务中的事件依时间片进行轮转。节点针对不同的事件�{用不同的事件处理函数，从而完成在网络中传输数据的任务。节点运行流程如图7所示。

　　3.3嵌入式监控终端程序设计

　　嵌入式监控终端通过串口通信的方式对从协调器接收的数据进行分析和处理。嵌入式监控终端程序运行框图如图8所示。

　　3.4计算机上位机程序设计

　　计算机上位机程序在VisualStudio2012的环境下开发，采用的开发语言是C#。通过调用组件，编写相应的通信协议和数据分析处理等步骤实现嵌入式终端节点同PC端经行数据交互的功能。运行操作界面如图9所示。

　　4系统运行结果

　　系统实物运行如图10所示。系统运行结果表明，搭载不同的传感器节点可实时采集环境数据并汇聚到协调器节点，数据无丢失，传输距离能够有效覆盖监测区域。

　　5结语

　　本文系统主要用于监测农业环境中的温湿度、光照强度、气体浓度、土壤湿度信息，通过ZigBee组建无线区域网实现数据的传输以及对各个节点的管理。对采集的数据进行分析和处理后，可通过控制相应的调控设备从而调节对应的作物生长环境。该系统既节省了大量的人力，同时也提高了作物的产量，具有良好的应用价值。本文来自《农业网络信息》杂志