林之博 陳耿新 林潔紋 謝福紅 陳苗潔

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基于ZigBee的智能農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)研發(fā)*

林之博 陳耿新 林潔紋 謝福紅 陳苗潔

（揭陽(yáng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

針對(duì)智能農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的需求及特點(diǎn)，設(shè)計(jì)基于ZigBee的智能農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)模型，研究該系統(tǒng)ZigBee智能終端節(jié)點(diǎn)、ZigBee協(xié)調(diào)器、網(wǎng)關(guān)和智能農(nóng)業(yè)管理軟件等關(guān)鍵技術(shù)，搭建基于ZigBee的智能農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)并應(yīng)用于蝴蝶蘭種植大棚。遠(yuǎn)近程數(shù)據(jù)檢測(cè)與設(shè)備控制性能測(cè)試結(jié)果表明：該系統(tǒng)監(jiān)控性能穩(wěn)定，實(shí)用性、可操作性強(qiáng)，易于安裝、維護(hù)和擴(kuò)展。

ZigBee；智能農(nóng)業(yè)；物聯(lián)網(wǎng)；網(wǎng)關(guān)

0　引言

物聯(lián)網(wǎng)是國(guó)家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，智能農(nóng)業(yè)是國(guó)家“十二五”物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃中重點(diǎn)發(fā)展并扶持的九大領(lǐng)域之一[1]。智能農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)利用大量智能終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，通過終端節(jié)點(diǎn)的各種傳感器實(shí)時(shí)采集影響農(nóng)作物生長(zhǎng)、食品安全的環(huán)境參數(shù)，同時(shí)利用智能控制器和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行智能控制，確保農(nóng)作物在最佳生長(zhǎng)環(huán)境中快速生長(zhǎng)，達(dá)到提高產(chǎn)量、改善品質(zhì)、調(diào)節(jié)生長(zhǎng)周期和保證食品安全的目的[2]。智能農(nóng)業(yè)作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外學(xué)者、工程師均對(duì)其做了大量研究[2-7]。Miao Chaodong、王冬、初洪龍?jiān)O(shè)計(jì)的智能農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以ZigBee芯片為核心設(shè)計(jì)傳感節(jié)點(diǎn)，搭建傳感網(wǎng)絡(luò)，并分別開發(fā)基于B/S架構(gòu)和基于GPRS的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)軟件，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多種參數(shù)的采集，但未應(yīng)用3G等先進(jìn)通信技術(shù)[2-4]。李繼彬研發(fā)了基于ZigBee的智能溫室傳感網(wǎng)絡(luò)，并通過RS485接口與上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)查詢、調(diào)節(jié)溫室各項(xiàng)參數(shù)，但未實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控[5]。Kassim等研究基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)決策支持系統(tǒng)，重點(diǎn)研究利用網(wǎng)絡(luò)和軟件智能、精確控制灌溉系統(tǒng)，使農(nóng)作物收益率最大化，但未介紹傳感節(jié)點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)技術(shù)[7]。

本文根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)模型構(gòu)建智能農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)，分析其3層模型的原理及功能，研究系統(tǒng)ZigBee智能終端節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器、網(wǎng)關(guān)和智能農(nóng)業(yè)管理軟件等關(guān)鍵技術(shù)，搭建基于ZigBee的智能農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)并應(yīng)用于蝴蝶蘭種植大棚。

1　系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)模型分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層[8]，基于ZigBee的智能農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，各層相對(duì)獨(dú)立、功能明確、協(xié)調(diào)工作。

圖1　基于ZigBee的智能農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)

智能農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的最底層為感知層，它負(fù)責(zé)農(nóng)場(chǎng)關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)檢測(cè)和環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備控制、無線傳感網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)與協(xié)同信息處理[8]。本系統(tǒng)采用ZigBee無線通信技術(shù)?，F(xiàn)場(chǎng)各智能終端節(jié)點(diǎn)（ZigBee節(jié)點(diǎn)或路由器）連接溫度、濕度、氣體等傳感器和水泵、補(bǔ)光燈、排風(fēng)機(jī)等執(zhí)行器。智能終端具有路由功能，負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和命令的轉(zhuǎn)發(fā)。各智能終端節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)（或接收的命令）和路由器轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)（或命令）均最終傳輸至協(xié)調(diào)器（由協(xié)調(diào)器發(fā)出），協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)建立、管理ZigBee網(wǎng)絡(luò)，并與外部網(wǎng)絡(luò)通信。本系統(tǒng)的ZigBee協(xié)調(diào)器可通過藍(lán)牙與智能手機(jī)等直接通信，也可通過串口與網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)關(guān)通信。

網(wǎng)絡(luò)層由互聯(lián)網(wǎng)、無線通信網(wǎng)絡(luò)（GPRS/3G）、局域網(wǎng)、網(wǎng)關(guān)及Bluetooth個(gè)域網(wǎng)等通信網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)器組成，負(fù)責(zé)處理、傳遞感知層獲取的信息和執(zhí)行器控制的命令。其中，網(wǎng)關(guān)是ZigBee網(wǎng)絡(luò)與外網(wǎng)信息交換的橋梁，實(shí)現(xiàn)信息模型轉(zhuǎn)換、安全隔離；服務(wù)器提供智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)。

應(yīng)用層處于智能農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的最高層，直接面向終端用戶，實(shí)現(xiàn)用戶與農(nóng)場(chǎng)信息交互，包括PC、平板電腦、智能手機(jī)等管理控制設(shè)備及相應(yīng)的智能農(nóng)業(yè)管理軟件系統(tǒng)。用戶利用管理控制設(shè)備，通過網(wǎng)絡(luò)層分別接收、顯示和控制感知層的傳感器數(shù)據(jù)及環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備。

2　系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

基于ZigBee的智能農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)及部件包括ZigBee智能終端節(jié)點(diǎn)、ZigBee協(xié)調(diào)器、網(wǎng)關(guān)和智能農(nóng)業(yè)管理軟件。

2.1ZigBee智能終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器

ZigBee智能終端節(jié)點(diǎn)利用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)和其連接的傳感器、執(zhí)行器實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收發(fā)和信息采集、環(huán)境參數(shù)控制。圖2是ZigBee智能終端節(jié)點(diǎn)框圖及實(shí)物圖，其包括ZigBee模塊（主要包括芯片CC2530、天線和外圍電路）、各種傳感器（包括溫度、濕度、氣體、光強(qiáng)、人體紅外等傳感器）和繼電器。溫度傳感器DS18B20和濕度傳感器DHT11的總線接口分別與CC2530的P1.1、P1.2口連接；人體紅外傳感器與CC2530的P0.5口連接；氣體模擬傳感器和光敏電阻均利用CC2530內(nèi)部14位模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，繼電器與CC2530的P1.4口連接。

(a)　框圖 (b)　實(shí)物圖

ZigBee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)匯聚節(jié)點(diǎn)和路由的所有檢測(cè)數(shù)據(jù)，同時(shí)負(fù)責(zé)接收管理控制設(shè)備發(fā)送的控制命令并轉(zhuǎn)發(fā)至目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，所以協(xié)調(diào)器需具備較強(qiáng)的軟硬件性能。圖3是ZigBee協(xié)調(diào)器框圖及實(shí)物圖，主要包括ZigBee模塊、藍(lán)牙模塊，本系統(tǒng)協(xié)調(diào)器同樣采用芯片CC2530，但其運(yùn)行的程序不同于節(jié)點(diǎn)和路由器，其程序處理能力也遠(yuǎn)勝于這兩者。

圖3(a)框圖

(b)實(shí)物圖

圖3ZigBee協(xié)調(diào)器

ZigBee智能終端節(jié)點(diǎn)上傳感器采集的環(huán)境參數(shù)，經(jīng)I/O口傳輸至ZigBee模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，通過天線和ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至協(xié)調(diào)器匯聚、處理，再由協(xié)調(diào)器發(fā)送至網(wǎng)關(guān)和通信網(wǎng)絡(luò)，在智能管理設(shè)備上顯示。相反，智能管理設(shè)備發(fā)出的控制命令經(jīng)通信網(wǎng)絡(luò)傳送至協(xié)調(diào)器處理、轉(zhuǎn)換，再通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送至目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)上ZigBee模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，發(fā)出控制指令控制現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備。

2.2網(wǎng)關(guān)和智能農(nóng)業(yè)管理軟件

網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)ZigBee傳感網(wǎng)絡(luò)與外網(wǎng)數(shù)據(jù)模型轉(zhuǎn)換、安全隔離。本系統(tǒng)采用PC作為網(wǎng)關(guān)，其核心為網(wǎng)關(guān)管理軟件。網(wǎng)關(guān)與ZigBee協(xié)調(diào)器通過串口通信，采用主從式，由主機(jī)網(wǎng)關(guān)發(fā)起，從機(jī)協(xié)調(diào)器應(yīng)答。圖4是兩者通信協(xié)議幀格式，其中，幀由幀頭、命令、數(shù)據(jù)高位、數(shù)據(jù)低位、校驗(yàn)和（數(shù)據(jù)高位、數(shù)據(jù)低位之和）和幀尾組成，各組成部分長(zhǎng)度均為1Byte，且?guī)^、幀尾分別為十六進(jìn)制EF、FE，如上傳溫度命令為：EF C1 00 00 C1 FE。

(a)　網(wǎng)關(guān)發(fā)送至協(xié)調(diào)器命令幀 (b)　協(xié)調(diào)器發(fā)送至網(wǎng)關(guān)應(yīng)答幀

運(yùn)行于PC機(jī)的網(wǎng)關(guān)軟件系統(tǒng)如圖5所示，其利用圖4所示幀格式與ZigBee協(xié)調(diào)器通信和數(shù)據(jù)處理，同時(shí)發(fā)送傳感數(shù)據(jù)至智能管理設(shè)備或接收智能管理設(shè)備發(fā)出的控制命令并實(shí)現(xiàn)格式轉(zhuǎn)換。該軟件還包括智能監(jiān)控功能模塊，實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)檢測(cè)參數(shù)數(shù)值實(shí)時(shí)顯示、曲線實(shí)時(shí)顯示和環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備控制。單擊界面中“啟動(dòng)服務(wù)器”按鈕可啟動(dòng)網(wǎng)關(guān)服務(wù)器功能；單擊“智能控制”按鈕可智能控制環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備，無需人員參與便可根據(jù)環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)合適的農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境。

圖5　網(wǎng)關(guān)軟件系統(tǒng)

基于Android的智能農(nóng)業(yè)管理軟件如圖6所示，移動(dòng)設(shè)備利用該軟件通過Wi-Fi或藍(lán)牙進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制，或通過GPRS/3G進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控；它能以參數(shù)類型和節(jié)點(diǎn)方式（如圖6(b)）顯示參數(shù)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)人體紅外監(jiān)測(cè)、顯示和對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備的控制。

(a)　主界面(b)　節(jié)點(diǎn)1監(jiān)測(cè)界面

3　系統(tǒng)搭建與測(cè)試

搭建基于ZigBee的智能農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)并應(yīng)用于蝴蝶蘭種植大棚，測(cè)試系統(tǒng)的檢測(cè)與控制性能。蝴蝶蘭在自然條件下生長(zhǎng)周期長(zhǎng)，人工栽培可大大縮短其生長(zhǎng)周期。促花時(shí)期要求白天溫度20℃~24℃、夜間溫度17℃~20℃、濕度70%RH~80%RH。系統(tǒng)中各ZigBee節(jié)點(diǎn)連接溫度、濕度、氣體、光強(qiáng)、人體紅外傳感器和繼電器（繼電器分別連接熱風(fēng)機(jī)、補(bǔ)光燈、水泵、排風(fēng)機(jī)）。各節(jié)點(diǎn)布置在大棚各關(guān)鍵位置，如圖7所示。

圖7　應(yīng)用于蝴蝶蘭種植大棚的智能農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)

應(yīng)用于上述蝴蝶蘭種植大棚的基于ZigBee的智能農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果如表1所示，該系統(tǒng)各通信方式的檢測(cè)數(shù)據(jù)丟包率由高至低依次為GPRS、Bluetooth、3G、Wi-Fi；控制失敗率由高至低依次為GPRS、3G、Bluetooth、Wi-Fi。采用Wi-Fi性能最優(yōu)，且現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控性能優(yōu)于遠(yuǎn)程監(jiān)控。

4　結(jié)語

1) 基于ZigBee的智能農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)由下至上分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，感知層由ZigBee構(gòu)成自組網(wǎng)絡(luò)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和環(huán)境調(diào)節(jié)設(shè)備控制。

表1　基于ZigBee的智能農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

2) 該系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)包括ZigBee節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器、網(wǎng)關(guān)和智能農(nóng)業(yè)管理軟件，網(wǎng)關(guān)與協(xié)調(diào)器通過串口和特定幀格式通信，通信由網(wǎng)關(guān)發(fā)起，協(xié)調(diào)器應(yīng)答。

3) 基于ZigBee的智能農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)農(nóng)場(chǎng)多種環(huán)境參數(shù)采集和遠(yuǎn)近程控制、智能控制，性能穩(wěn)定、實(shí)用性及可操作性強(qiáng)，易于安裝、維護(hù)及擴(kuò)展。

參考文獻(xiàn)

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Research on Intelligent Agriculture System Based on ZigBee

Lin Zhibo Chen Gengxin Lin Jiewen Xie Fuhong Chen Miaojie

(Jieyang Vocational & Technical College)

This paper designs and builds the framework model of intelligent agriculture system based on ZigBee. The key technology and parts including ZigBee end device and coordinator, gateway and intelligent agriculture management software are researched and developed, and the whole intelligent agriculture system based on ZigBee for butterfly orchid planting greenhouses is constructed. The data detection and equipment control through remote and local communications are tested. The test results show that system detection and control performance through remote and local communications is stable. The system has strong practicability and operability. It is liable to install, maintain and enlarge.

ZigBee; Intelligent Agriculture; Internet of Things; Gateway

林之博，男，1993年生，主要研究方向：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)等。E-mail: 952220736@qq.com

陳耿新（通信作者），男，1984年生，講師，工程師。主要研究方向：智能傳感技術(shù)及應(yīng)用、物聯(lián)網(wǎng)等。E-mail: jycchengx@163.com

2015年廣東大學(xué)生科技創(chuàng)新培育專項(xiàng)資金