田鵬　李廣

摘 要：隨著科技的不斷進(jìn)步，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)逐漸被應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程、儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程、品質(zhì)鑒定過(guò)程、病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。本文設(shè)計(jì)了一款麥田數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)以ZigBee為基礎(chǔ)搭建無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)及上位機(jī)管理軟件，能實(shí)時(shí)更新后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)預(yù)定目標(biāo)，可為進(jìn)一步構(gòu)建智能在線(xiàn)病害識(shí)別系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：ZigBee；數(shù)據(jù)采集；無(wú)線(xiàn)傳輸；上位機(jī)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP274.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）04-0007-03

ZigBee - based Wheat Field Data Acquisition and Transmission System

TIAN Peng LI Guang

（College of Agricult， Gansu Agricultural University， Lanzhou Gansu 730070）

Abstract： With the progress of science and technology， Internet of things technology has been gradually applied to agricultural production process， storage and transportation process， quality identification process， pest and disease monitoring and other fields. This paper introduced the design of a field data acquisition and transmission system. The system is based on ZigBee to build a wireless network transmission platform and PC management software， real-time update the background database， to achieve the target， for the further construction of disease recognition intelligent online system.

Keywords： ZigBee；data acquisition；wireless transmission；host computer

近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被逐漸應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程、儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程、品質(zhì)鑒定過(guò)程和病蟲(chóng)害監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，且得到了快速發(fā)展。當(dāng)前，對(duì)能隨時(shí)隨地提供信息服務(wù)的無(wú)線(xiàn)通信的需求越來(lái)越迫切，傳感器技術(shù)、低功耗的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的進(jìn)步，使得生產(chǎn)具備感應(yīng)、無(wú)線(xiàn)通信及信息處理能力的微型無(wú)線(xiàn)傳感器已成為可能，這些廉價(jià)的、低功耗的傳感器節(jié)點(diǎn)共同組成無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有較為廣闊的應(yīng)用前景[1]?；诖?，本文主要探討基于ZigBee的麥田數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)。

1 無(wú)線(xiàn)檢測(cè)通信協(xié)議

目前，市場(chǎng)上流行的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)較多，工業(yè)和民用領(lǐng)域已經(jīng)廣泛使用的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議有Wi-Fi、超寬帶無(wú)線(xiàn)通信、藍(lán)牙（Bluetooth）、電力載波技術(shù)、Wireless USB、紅外線(xiàn)數(shù)據(jù)通信IrDA和ZigBee技術(shù)等[2]。

麥田數(shù)據(jù)采集與傳輸系統(tǒng)選擇以ZigBee技術(shù)為基礎(chǔ)的無(wú)線(xiàn)通信模塊，這主要是因?yàn)閆igBee技術(shù)具有近距離、低功耗、低速率和低成本的特點(diǎn)[3]。作為通信模塊，ZigBee技術(shù)專(zhuān)注于10Kbps至250Kbps的低速率傳輸應(yīng)用，主要適合于自動(dòng)控制和遠(yuǎn)程控制領(lǐng)域。大田作物病蟲(chóng)害檢測(cè)對(duì)實(shí)時(shí)速度要求并不高，且成本要求低，綜合多種因素，認(rèn)為ZigBee這種無(wú)線(xiàn)通信方式很適合本次檢測(cè)。

2 網(wǎng)路拓?fù)?/p>

無(wú)線(xiàn)通信的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多種多樣，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇得好將會(huì)給后期開(kāi)發(fā)、后期應(yīng)用提供一個(gè)良好的基礎(chǔ)支撐。ZigBee網(wǎng)絡(luò)有三種邏輯設(shè)備類(lèi)型：終端設(shè)備（End-Device）、協(xié)調(diào)器（Coordinator）和路由器（Router）。其中，協(xié)調(diào)器（Coordinator）主要負(fù)責(zé)組建無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行維護(hù)；路由器（Router）主要負(fù)責(zé)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的路由；終端設(shè)備（End-Device）主要負(fù)責(zé)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集。一般情況下，ZigBee網(wǎng)絡(luò)大多由一個(gè)協(xié)調(diào)器及多個(gè)路由器和多個(gè)終端設(shè)備組合而成。實(shí)際使用時(shí)，根據(jù)具體實(shí)現(xiàn)功能不同，確定不同的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及相互之間的連接方式[4]。

ZigBee常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有三種。第一，星型網(wǎng)絡(luò)是最簡(jiǎn)單的一種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其通常包含一個(gè)協(xié)調(diào)器和一個(gè)以上的路由器或終端節(jié)點(diǎn)。在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器外的任意兩個(gè)設(shè)備之間的通信必須經(jīng)過(guò)協(xié)調(diào)器進(jìn)行信息轉(zhuǎn)發(fā)。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)傳輸路徑單一。第二，樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)包含一個(gè)協(xié)調(diào)器和多個(gè)路由器或終端節(jié)點(diǎn)。其和星型網(wǎng)絡(luò)不同的是：網(wǎng)絡(luò)中的路由器可以與路由器和無(wú)線(xiàn)終端連接，可以擴(kuò)展距離，且這樣的結(jié)構(gòu)可以重復(fù)多個(gè)層次。第三，網(wǎng)狀拓?fù)浒粋€(gè)協(xié)調(diào)器和一系列的路由器及終端設(shè)備。與樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湎啾?，其具有更靈活的信息傳輸路由規(guī)則。在多個(gè)路由的情況下，如果某一路由發(fā)生問(wèn)題，不能正常工作，那么原本與該路由通信的節(jié)點(diǎn)可以轉(zhuǎn)而選擇其他的路由來(lái)傳遞信息，這樣可以大大提高通信效率。

筆者綜合所采集的數(shù)據(jù)量及傳輸距離，選用耗電最小的星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 總體結(jié)構(gòu)

在星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，多個(gè)終端傳感器測(cè)量到數(shù)據(jù)后傳送給ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳送到協(xié)調(diào)器上，協(xié)調(diào)器再通過(guò)串口傳到上位機(jī)顯示出來(lái)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.2 主控芯片

系統(tǒng)選用集成芯片CC2530作為射頻電路的無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片，該芯片兼具微控制器及射頻無(wú)線(xiàn)收發(fā)的功能。CC2530有四種不同的版本：CC2530-F32/64/128/256。集成芯片CC2530主要有以下幾方面特點(diǎn)：分別帶有32/64/128/256KB的閃存空間；內(nèi)部有256KB的閃存和20KB的擦除區(qū)域，可以支持無(wú)限更新和適合大型應(yīng)用程序；8KBRAM方便用于更為復(fù)雜的應(yīng)用和ZigBee應(yīng)用；可編程輸出功率達(dá)+4dBm；在掉電模式下，只有睡眠定時(shí)器運(yùn)行時(shí)，僅有不到1μA的電流損耗；具有強(qiáng)大的地址識(shí)別和數(shù)據(jù)包處理引擎；接收數(shù)據(jù)靈敏度較高；使用電池就能持續(xù)為其供電[5]。

3.3 其他模塊

系統(tǒng)中終端采集主要涉及光照度、溫度、濕度、作物顏色信息、重點(diǎn)圖像采集等?？紤]實(shí)際使用時(shí)的成本問(wèn)題，選型時(shí)終端傳感器盡量選擇集成度較高、壽命長(zhǎng)、性能穩(wěn)定且適用于戶(hù)外惡劣條件的傳感器；安裝地點(diǎn)的選擇要結(jié)合生產(chǎn)需求進(jìn)行實(shí)地考察；供電方式盡量采用太陽(yáng)能供電；減小人工架線(xiàn)和后期更換及維修等成本。

3.3.1 光照模塊。光照采集采用低成本的光敏電阻作為感光元件。由于CC2530芯片上集成的有A/D轉(zhuǎn)換模塊，省去了外圍連接A/D轉(zhuǎn)換芯片，使電路更簡(jiǎn)單、可靠。光敏電阻對(duì)光的敏感性較好，其電阻的大小和光線(xiàn)的強(qiáng)弱有一定的關(guān)系。光強(qiáng)與電阻成反比關(guān)系，實(shí)際測(cè)試時(shí)有一定的非線(xiàn)性。為了在不增加硬件成本的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高其檢測(cè)精度，在軟件中增加了非線(xiàn)性參數(shù)修正算法改善其非線(xiàn)性。

3.3.2 電源模塊?？紤]到設(shè)備中所有ZigBee終端節(jié)點(diǎn)的工作環(huán)境在室外，條件比較惡劣，常規(guī)供電方式走線(xiàn)或更換電池等均不合適，因此，采用太陽(yáng)能直流電源供電，并附帶干電池供電，以供設(shè)備安裝調(diào)試或移動(dòng)時(shí)備電使用。在直流電源供電方式中采用電源適配器轉(zhuǎn)換后輸出直流5V電壓。在使用時(shí)，可通過(guò)跳線(xiàn)設(shè)置開(kāi)關(guān)選擇所需要的供電方式。通過(guò)開(kāi)關(guān)選擇能夠控制整個(gè)節(jié)點(diǎn)模塊電源的開(kāi)啟與關(guān)閉，能更大限度地減少能耗。由于系統(tǒng)多個(gè)模塊需要3.3V直流電壓信號(hào)，5V電壓通過(guò)低功耗低壓穩(wěn)定模塊換成3.3V的工作電壓供給整個(gè)系統(tǒng)，穩(wěn)壓模塊選用的是SE1117，快速的瞬態(tài)響應(yīng)、噪聲抑制和內(nèi)置熱關(guān)斷是選用原因。電池供電電路中選擇穩(wěn)壓3.3V低紋波充電泵TPS60211。

3.3.3 下載接口。下載接口實(shí)現(xiàn)CC2530系列節(jié)點(diǎn)片上系統(tǒng)的在線(xiàn)調(diào)試和程序下載功能，執(zhí)行單步調(diào)試設(shè)置斷點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)，觀(guān)察變量的變化并記錄，還可以使用軟件來(lái)分析數(shù)據(jù)及寄存器。下載接口有供電電源線(xiàn)、按鍵復(fù)位線(xiàn)、時(shí)鐘線(xiàn)、數(shù)據(jù)線(xiàn)和接地線(xiàn)。

4 終端采集與協(xié)調(diào)器模塊軟件設(shè)計(jì)

4.1 協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)采集模塊的軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器模塊軟件設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖2。

ZigBee協(xié)調(diào)器上電后，自動(dòng)進(jìn)行信道搜索，選擇軟件設(shè)定的信道，然后初始化，設(shè)定好一些網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，使協(xié)調(diào)器達(dá)到工作狀態(tài)。如果終端向協(xié)調(diào)器發(fā)送的信息正確，協(xié)調(diào)器數(shù)據(jù)采集模塊確認(rèn)將允許終端加入其網(wǎng)絡(luò)，并分配給節(jié)點(diǎn)一個(gè)16位的短地址和相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，作為設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的標(biāo)識(shí)。

4.2 終端數(shù)據(jù)采集模塊的軟件設(shè)計(jì)

終端采集模塊軟件程序流程圖如圖3所示。上位機(jī)協(xié)議的指令一共由6個(gè)字節(jié)組成，上位機(jī)發(fā)送給協(xié)調(diào)器的協(xié)議格式為：固定值0×02+ID號(hào)+所測(cè)量的傳感器的編號(hào)和相應(yīng)的測(cè)量類(lèi)型+0+0+前5個(gè)字節(jié)的校驗(yàn)。

5 上位機(jī)界面的開(kāi)發(fā)

該系統(tǒng)上位機(jī)界面主要包括菜單、按鈕、文字、報(bào)警、曲線(xiàn)圖和后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)的設(shè)計(jì)等。其中，菜單設(shè)置有常規(guī)功能；按鈕設(shè)置有打開(kāi)串口、關(guān)閉、退出、刷新等功能；文字主要是對(duì)相關(guān)功能進(jìn)行功能說(shuō)明；曲線(xiàn)圖通過(guò)調(diào)用專(zhuān)用函數(shù)，動(dòng)態(tài)顯示所得到的數(shù)據(jù)。

6 小結(jié)

本文基于ZigBee無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了麥田信息采集與傳輸系統(tǒng)，對(duì)麥田終端的相關(guān)參數(shù)（溫濕度、圖像、病蟲(chóng)害信息等）進(jìn)行檢測(cè)、傳輸，使信息的獲取及管理更加及時(shí)，為下一步構(gòu)建智能農(nóng)業(yè)奠定基礎(chǔ)。系統(tǒng)完成了采集終端硬件及軟件的設(shè)計(jì)；采用星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行組網(wǎng)；由于網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)處理工作，所以采用持續(xù)供電方式；傳感器終端節(jié)點(diǎn)采用的是太陽(yáng)能電池加備用充電蓄電池供電方式。各個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)終端節(jié)點(diǎn)間可以通信，節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器也可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸通信。

本文設(shè)計(jì)了上位機(jī)管理軟件及手機(jī)終端應(yīng)用軟件，完成系統(tǒng)的總體功能設(shè)計(jì)。編寫(xiě)的上位機(jī)管理軟件可以實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程管理，后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新。結(jié)合相關(guān)課題組研究成果，利用本課題構(gòu)建的無(wú)線(xiàn)傳輸系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析可知，該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)更新后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)預(yù)期目標(biāo)，數(shù)據(jù)采集與傳輸穩(wěn)定，可為下一步構(gòu)建智能在線(xiàn)病害識(shí)別系統(tǒng)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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