基于ZigBee的智慧农业监测系统

我国是农业大国， 传统农业在国际市场上的优势主要依赖于丰富的自然资源和低廉的劳动力成本。随着物联网等高新技术的发展，我国传统农业正在加快向现代农业转型，而智慧农业将成为现代农业未来发展的趋势。所谓“智慧农业”就是充分应用现代信息技术成果，集成应用计算机与网络技术、物联网技术、音视频技术、3S 技术、ZigBee无线模块通信技术及专家智慧与知识，实现农业可视化远程诊断、远程控制、灾变预警等智能管理。它主要通过各种无线传感器实时地对农业生产现场的温湿度、光照、CO2浓度等参数进行ZigBee数据采集，利用视频监控设备获取农作物的生长状况等信息，远程监控农业生产环境，同时将采集的参数和获取的信息进行数字化转换和汇总后， 经传输网络实时上传到相关农业智能管理系统中；系统按照农作物生长的各项指标要求，精确地遥控农业设施自动开启或者关闭，实现智能化的农业生产，有效减少成本，提高农作物产量。

1 系统总体设计

基于ZigBee无线模块传感网络的智慧农业监测系统总体结构如图1 所示，系统主要有ZigBee 传感器端节点、中心节点、GPRS无线模块和监控中心组成。ZigBee模块传感网络主要由分布在监测区域的各种传感器节点和中心节点构成，传感器节点由各种传感器和ZigBee数传模块组成， ZigBee数传模块以星型拓扑结构组网。中心节点节点负责汇集各传感器节点采集到的数据，并将其通过GPRS传输至监控中心。监控中心计算机采用VB工具开发人机交换界面，可接收、处理和显示各监测区域的各种数据。此外还可直接通过GPRS网络直接实现手机和中心节点的通信，让用户随时随地获取农作物信息。若监测区域扩大时，可通过增加路由器节点来增强网络的稳定性，如图1所示。

图1 系统总体结构设计图

2 系统硬件设计

无线传感网络由多个传感器节点和一个中心节点构成，传感器节点也称设备，可实现农作物环境的ZigBee数据采集。中心节点又称协调器，系统总体硬件设计图如图2 所示。

图2 系统总体硬件设计图

本系统中的传感器节点用TI 公司的CC2530 芯片，它是一种低功耗、低成本的无线微控制器，适用于IEEE 802.15.4协议和ZigBee 软件应用。CC2530 是一个真正的片上系统(SoC) 解决方案，它能够以非常低的材料成本建立强大的网络节点，它结合了领先的RF 收发器的优良性能、业界标准的增强型8051CPU、系统内可编程闪存、8KB RAM、A/D 转换器以及许多其他强大的功能，并且其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。围绕着CC2530 芯片，系统大致可分为三大模块：CPU 和内存相关的模块，外设、时钟和电源管理相关的模块以及无线电相关的模块。

    主控MCU 选择意法半导体公司STM32F103RBT6 芯片，它是基于ARM 推出的V7 平台的Cortex-M3 内核的32 位处理器。该处理器芯片有64 个引脚、51 个I/O 口、128KB Flash、20KB SRAM、3 个串口、2 个SPI 接口、1 个CAN 总线和1 个USB 接口。芯片的数据处理能力为1.25dMi/s MHZ，在72MHZ的工作频率下，工作电流为36mA，待机时下降到2 mA，是目前32 位处理器市场上功耗最低的产品。其售价接近51 单片机的售价，但它的数据处理能力达到了DSP 的水平，具有较高的性价比和应用前景。

    GPRS 无线传输选用西门子公司的MC35i GPRS 模块，主要通过主控制器的串口发送AT 命令实现对模块的控制，它主要完成与STM32 之间的数据交换。该模块内嵌TCP/IP协议栈， 能通过移动公司GPRS 网络与Internet 的PC 机以及用户手机进行数据交换；SMS 支持PDU 以及Text 模式短信息的发送与接收；内置5K Buffer，使得传输数据的最大数据包长度可达1.5K，完全满足各路传感器的信息传输需要；提供两个全双工串口，可实现两个TCP 通道的同时传输。

3 系统软件设计

3.1 系统通信原理

本系统采用星型网络拓扑结构， 有一个成为网络协调器的中心控制器和若干从设备。协调器负责建立和维护网络，它是全功能设备（FFD），有稳定的电能供给，无需考虑功耗。从设备是采用电池供电的RFD，它只能直接与网络协调器进行数据通信，从设备之间的通信只能通过协调器转发。当协调器上电开始工作时， 它就会检测周围环境， 选择合适信道。

IEEE 802.15.4 规范定义了27 个物理信道， 信道编号从0 至26， 每个具体的信道对应着一个中心频率， 在我国使用的是2.4GHz 频段，它定义了16 个信道（11~26 号信道）。信道确定后，再选择一个PAN 标识符，然后建立起自己的网络。PAN 标识符用来唯一确定本网络，以和其他的PAN 区分。当有数据要传送时，设备便从休眠状态中被唤醒，经过信道扫描，获得了周围协调器的有关信息，选择一个合适的PAN，并开始建立连接，连接通过服务原语传输数据服务，使用的原语有请求原语、确认原语、指示原语、响应原语。如果连接建立成功，设备就会获得一个16 位的短地址码， 范围在0X0000~0XFFFD之间。至此，ZigBee 网络就已构建成功，设备和协调器之间便可进行通信了，设备的ZigBee数据采集数据就可上传。

3.2 软件设计

流程在本系统中使用的开发环境是IAR7.6，采用的协议栈为TI 的TI-MAC-1.3.1，软件流程图如图3 所示。

图3 系统软件流程图

4 结语

在“十二五”规划中明确指出，物联网是我国新一代信息技术自主创新突破的重点方向，而ZigBee模块传感网络是物联网发展的中坚力量。本系统中采用时下新兴的ZigBee数传模块传感网络组网，对农农作物的生长环境进行ZigBee数据采集，具有“成本低、功耗低、组网便捷、移动性强、性能稳定、安装方便等特色与创新之处。与传统农业相比，本系统更好地实现了“精准农业、智慧农业”，从根本上节省人力、物力、财力，大大加快了建设小康社会的步伐，具有广阔的应用前景。

   

基于ZigBee的智慧农业监测系统