閆宇　丁一　楊蓉芳　孫文匯

摘要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，基于zigbee技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。解決耕地單位面積產(chǎn)量，增加農(nóng)作物產(chǎn)量刻不容緩。本設(shè)計(jì)以CC2530和WiFi esp8266模塊問核心，通過串口連接構(gòu)建s-個(gè)zigbee終端節(jié)點(diǎn)的1 6位短地址和RSSI值發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過串口將接收數(shù)據(jù)發(fā)送給WiFi模塊，通過WIFI信號(hào)發(fā)送給wifi路由器接入核心網(wǎng)絡(luò)，將所有數(shù)據(jù)傳送至云端服務(wù)器，通過服務(wù)器整理后再將數(shù)據(jù)可觀地發(fā)送至移動(dòng)端顯示。該系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)了通過移動(dòng)設(shè)備通過無線網(wǎng)絡(luò)對(duì)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行訪問，實(shí)時(shí)接收查看zigbee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的數(shù)據(jù)，為更為詳細(xì)的田間管理檢測(cè)提供了保證。

關(guān)鍵詞：zigbee 即時(shí) 智慧農(nóng)業(yè)

引言

目前中國(guó)已成為世界農(nóng)作物生產(chǎn)第一大國(guó)和農(nóng)作物進(jìn)口第一大國(guó)提高單位面積的產(chǎn)量是提高中國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵之一。中國(guó)作為世界第一人口大國(guó)，耕地面積居世界第四，而人均耕地面積排在126位以后。所以如何用少量的耕地養(yǎng)活大量的人口的問題已經(jīng)越來越明顯。僅依靠大量的進(jìn)口糧食不是解決問題的長(zhǎng)久之計(jì)。隨著現(xiàn)代化的進(jìn)展，工業(yè)4.O的藍(lán)圖已經(jīng)遍布我們生活的點(diǎn)點(diǎn)滴滴，新興的通信技術(shù)不斷拉近人們的距離。唯獨(dú)農(nóng)業(yè)種植還停留在“面朝黃土背朝天”的時(shí)代，唯一能與現(xiàn)代通信掛鉤的也只有天氣預(yù)報(bào)了。但隨著市場(chǎng)的干變?nèi)f化，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的滲透，生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程的監(jiān)測(cè)，調(diào)控技術(shù)的需求日益增加。

1核心技術(shù)簡(jiǎn)介

Zigbee作為一種較為新興的近距離傳輸技術(shù)，用于傳感控制應(yīng)用（Sensor and Control）。由IEEE 802.15工作組中提出，并由其TG4工作組制定規(guī)范。該技術(shù)的節(jié)點(diǎn)能耗低，傳輸距離遠(yuǎn)，組網(wǎng)規(guī)模大，建設(shè)難度低，網(wǎng)絡(luò)容量大，且無需人工干預(yù)，維護(hù)費(fèi)用低。該技術(shù)可以很好的應(yīng)用于大面積田間管理，溫室中作物生長(zhǎng)監(jiān)測(cè)，減少人為因素的影響，降低人工成本。由終端采集的所有數(shù)據(jù)經(jīng)協(xié)調(diào)器接入核心網(wǎng)上傳至云端服務(wù)器，再由服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總后下發(fā)至用戶移動(dòng)端，農(nóng)戶足不出戶即可了解田間情況，所見即所得。

2系統(tǒng)工作原理及體系架構(gòu)

位于田間的終端攜帶有各種傳感器，由電池供電以完成各項(xiàng)數(shù)據(jù)的采集所有采集以成數(shù)據(jù)報(bào)的形式經(jīng)zigbee組網(wǎng)發(fā)送至協(xié)調(diào)器處，協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)無線傳輸于有線傳輸?shù)母鲄f(xié)議轉(zhuǎn)換將數(shù)據(jù)通過wifi芯片上傳至核心網(wǎng)，通過核心網(wǎng)連接到服務(wù)器，由服務(wù)器完成各項(xiàng)數(shù)據(jù)的整理匯總儲(chǔ)存，將更直觀的數(shù)據(jù)組下發(fā)至用戶移動(dòng)端。

2.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

實(shí)現(xiàn)流程是由終端節(jié)點(diǎn)上的通過串口連接的傳感器采集數(shù)據(jù)，通過zigbee的自組網(wǎng)將采集的信息發(fā)送到協(xié)調(diào)器。本實(shí)驗(yàn)使用IOCC2530開發(fā)板，作為協(xié)器的開發(fā)板直接與WiFi模塊通過串口相連接傳輸信息，最后將信息通過wifi模塊將信息發(fā)送到服務(wù)器。

2.2 Zigbee結(jié)構(gòu)分析

zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞譃槿N：星型，樹型和網(wǎng)狀樸拓。本項(xiàng)目是使用星型樸拓，在星型樸拓中含有一個(gè)協(xié)調(diào)器和眾多終端節(jié)點(diǎn)。ZigBee協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點(diǎn)信息的匯聚點(diǎn)，是網(wǎng)絡(luò)的核心節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)組建、維護(hù)和管理網(wǎng)絡(luò)。Zigloee網(wǎng)絡(luò)的建立是由網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器發(fā)起的，任何一個(gè)zigbee節(jié)點(diǎn)要組建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)必須要滿足以下兩點(diǎn)要求：

（1）節(jié)點(diǎn)是FFD節(jié)點(diǎn)（Full Function Device全功能節(jié)點(diǎn)），具備zigbee協(xié)調(diào)器的能力。

（2）節(jié)點(diǎn)還沒有與其他網(wǎng)絡(luò)連接，當(dāng)節(jié)點(diǎn)已經(jīng)與其他網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)，此節(jié)點(diǎn)只能作為該網(wǎng)絡(luò)的子節(jié)點(diǎn)，因?yàn)橐粋€(gè)zigloee網(wǎng)絡(luò)中有且只有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。

Zigbee能夠成功組網(wǎng)有一個(gè)東西是不可或缺的，那就是Zigbee無線傳感網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧.ZigBee協(xié)議?？梢苑譃樗膶樱何锢韺樱≒HY）、媒體訪問控制層（MAC）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）及應(yīng)用層（APL）。協(xié)議?？此茝?fù)雜，ZigBee協(xié)議棧的物理層及MAC層都是IEEE802.5.14標(biāo)準(zhǔn)中定義的。ZigBee協(xié)議棧在802.15.4協(xié)議基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層的主要作用是是保障設(shè)備之間的組網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)傳輸。

3服務(wù)器及系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

運(yùn)用node.js來編寫一個(gè)小型的服務(wù)器用來接受ZigBee通過WIFI發(fā)過來的數(shù)據(jù)，其傳輸是基于UDP協(xié)議的。通過http協(xié)議向app端發(fā)送數(shù)據(jù)和信息。之所以選擇node.js的原因是因?yàn)閚ode.js是一個(gè)輕量級(jí)的服務(wù)器編寫框架，他主要運(yùn)用JavaScript語言來編寫，簡(jiǎn)單方便，易上手，人機(jī)界面友好。

3.1 App端設(shè)計(jì)

采用C ordova框架來編寫Cordova提供了一組設(shè)備相關(guān)的API，通過這組API，移動(dòng)應(yīng)用能夠以JavaScript訪問原生的設(shè)備功能，如攝像頭、麥克風(fēng)等。C ordova還提供了一組統(tǒng)一的JavaScript類庫，以及為這些類庫所用的設(shè)備相關(guān)的原生后臺(tái)代碼。采集得到的數(shù)據(jù)由MySql來存儲(chǔ)用戶信息。

3.2網(wǎng)關(guān)硬件端口設(shè)計(jì)

將zigloee模塊的RXD接口和wifi的TXD接口;zigloee模塊的TXD接口和wifi模塊的RXD接口相連，將程序通過燒錄器分別下載到zigbee模塊的終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器中，配置好wifi模塊和路由器，使用個(gè)人筆記本電腦加入已配置好的路由器設(shè)備網(wǎng)絡(luò)，然后通過移動(dòng)電源對(duì)系統(tǒng)上電，等待指示燈亮起即可。

4數(shù)據(jù)分析

整個(gè)測(cè)試在校圖書館5樓實(shí)驗(yàn)室實(shí)地測(cè)試。實(shí)驗(yàn)條件及軟件設(shè)定如下：圖書館5樓實(shí)驗(yàn)室規(guī)模為30mx 40m，室內(nèi)無大型障礙物，整體較為空曠為驗(yàn)證終端距離與丟包率的關(guān)系，采用4個(gè)節(jié)點(diǎn)在5m。lOm，20rn，30m經(jīng)行數(shù)據(jù)半雙工傳輸。CC2530芯片的發(fā)送功率為2dB，單次測(cè)試數(shù)據(jù)報(bào)字節(jié)為512個(gè)，數(shù)據(jù)報(bào)發(fā)送間隔為5s/次，終端為4個(gè)，傳感器兩種。經(jīng)測(cè)試終端抓包程序，協(xié)調(diào)器抓包程序都能抓取到數(shù)據(jù)報(bào)，且能還原出傳感器采集到的數(shù)據(jù)。故丟包率在可接收范圍內(nèi)。

5結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于zigbee的監(jiān)控系統(tǒng)，可對(duì)土壤中氧氣和水分的濃度做出記錄，給植物提供一個(gè)身份證。實(shí)現(xiàn)從育種期開始的全方位數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與記錄，將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)帶人信息相對(duì)較為封閉的田間。室內(nèi)節(jié)點(diǎn)通信實(shí)驗(yàn)說明在沒有大型障礙物的前提下距離在30m以內(nèi)，丟包率滿足工程設(shè)計(jì)需求，可正常工作，節(jié)點(diǎn)最大可承載20跳的組網(wǎng)。由于移動(dòng)端程序優(yōu)化了儲(chǔ)存方式，所有數(shù)據(jù)在云端記錄，故需在網(wǎng)絡(luò)條件較好的地方訪問服務(wù)器數(shù)據(jù)。

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