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        基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)與嵌入式3S技術(shù)的農(nóng)田信息監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計

        2022-03-17 02:15:10夏至波蔡紹碩
        農(nóng)村實用技術(shù) 2022年2期
        關(guān)鍵詞:關(guān)節(jié)點環(huán)境參數(shù)溫濕度

        潘 壇 徐 歡 夏至波 蔡紹碩

        (1.中南民族大學(xué)計算機(jī)科學(xué)學(xué)院,湖北 武漢 430074;2.武漢市春曉曲農(nóng)業(yè)科技有限公司,湖北 武漢 430211;3.上海株山農(nóng)業(yè)科技有限公司,上海 201699;4.武漢建春科技有限公司,湖北 武漢 430056;5.青島海紋智慧農(nóng)業(yè)科技有限公司,山東 青島 266001)

        為了解決傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不能基于農(nóng)田信息高效采集監(jiān)測來有效調(diào)節(jié)農(nóng)作物生長環(huán)境導(dǎo)致生產(chǎn)效率的問題,為了發(fā)展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)來可控管理作物的生長和產(chǎn)量。文章設(shè)計了一款新型農(nóng)田信息監(jiān)測系統(tǒng),既可利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)和傳感器實現(xiàn)大規(guī)模環(huán)境參數(shù)的采集,又可以利用3S(地理信息系統(tǒng)、遙感技術(shù)、全球定位系統(tǒng))技術(shù)實現(xiàn)信息化高效管理。

        1 農(nóng)田信息監(jiān)測系統(tǒng)的技術(shù)構(gòu)成

        在新型農(nóng)田信息監(jiān)測系統(tǒng)中,首先需要利用各類傳感器來進(jìn)行農(nóng)田的空氣溫濕度數(shù)值、土壤溫濕度數(shù)值環(huán)境、土壤的PH值等參數(shù)采集,再通過GPS定位模塊實現(xiàn)精準(zhǔn)的定位后將傳感器搭載在采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的增強型8051 CPU的CC2530單片機(jī)上,由于該單片機(jī)適應(yīng)2.4-GHz IEEE 802.15.4 的RF 收發(fā)器,使得采集節(jié)點與網(wǎng)關(guān)節(jié)點之間可采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信,在使用Z-stack通信協(xié)議棧中,ZigBee網(wǎng)絡(luò)共有16位地網(wǎng)絡(luò)短地址,可在最大值0xFFF(65536)下滿足65536個設(shè)備地對多節(jié)點采集的要求。

        接著ZigBee網(wǎng)關(guān)節(jié)點再通過GPRS DTU無線傳輸模塊,內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧,利用GSM 移動通信網(wǎng)絡(luò)的短信息和GPRS業(yè)務(wù)為用戶搭建了一個超遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸平臺,將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器上;最后遠(yuǎn)程服務(wù)器利用Internet訪問Web GIS站點中的空間數(shù)據(jù)。由于Web GIS是一種瀏覽器/服務(wù)器(B/S)結(jié)構(gòu),也是Internet技術(shù)應(yīng)用于GIS開發(fā)的產(chǎn)物,因此GIS通過Web功能得以擴(kuò)展,能夠真正成為一種大眾使用的工具,應(yīng)用于農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測中地成本較低,且使用便捷性和易操作性均可大眾化、平民化。

        2 農(nóng)田信息監(jiān)測系統(tǒng)的功能設(shè)計

        整個系統(tǒng)的,如圖1所示,具備以下功能:

        圖1 農(nóng)田信息監(jiān)測系統(tǒng)

        (1)環(huán)境參數(shù)采集:根據(jù)農(nóng)業(yè)需求,需要采集的農(nóng)田環(huán)境參數(shù)有空氣溫濕度、土壤溫濕度以及土壤PH值,終端定時采集環(huán)境參數(shù),并通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到ZigBee網(wǎng)關(guān)節(jié)點。

        (2)GPS定位:為了實現(xiàn)精準(zhǔn)的農(nóng)田信息監(jiān)測,在采集到環(huán)境參數(shù)的同時需要采集到相應(yīng)的地理位置信息,通過GPS定位模塊,獲取地理位置信息,并將地理信息通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點。

        (3)GPRS遠(yuǎn)程通信:在ZigBee網(wǎng)關(guān)節(jié)點獲得終端采集的環(huán)境參數(shù)之后,需要利用GPRS/GSM網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信,將網(wǎng)關(guān)節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送到終端服務(wù)器。

        (4)GIS地理信息獲?。涸诜?wù)器獲得終端節(jié)點的環(huán)境參數(shù)之后,利用Internet訪問Web GIS,獲得對應(yīng)地理位置的地理信息。

        3 系統(tǒng)的基本架構(gòu)與功能實現(xiàn)

        底層采集節(jié)點硬件設(shè)計采用CC2530單片機(jī)作為終端的核心。如圖2所示,CC2530單片機(jī)的工作電壓在2V–3.6V之間,可以通過干電池或者是紐扣電池實現(xiàn)電源的供給,摒棄傳統(tǒng)的電源布線,讓整個系統(tǒng)更加簡潔。然后通過CC2530單片機(jī)的IO實現(xiàn)設(shè)備的接入,接入空氣溫濕度傳感器,土壤溫濕度傳感器以及土壤PH值,用來監(jiān)測農(nóng)田的環(huán)境參數(shù),再利用GPS定位模塊獲取定位信息,將定位到的地理位置信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換,轉(zhuǎn)換成經(jīng)緯度數(shù)據(jù)。獲取到地理位置信息和環(huán)境參數(shù)之后,采集節(jié)點將參數(shù)信息進(jìn)行打包,利用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)從終端節(jié)點發(fā)送到ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點。

        圖2 底層采集節(jié)點硬件

        中層通信網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)的短距離無線傳輸以及GPRS網(wǎng)絡(luò)的長距離傳輸。如圖3所示,系統(tǒng)采用CC2530單片機(jī)與GPRS DTU之間采用串口進(jìn)行通信,檢測節(jié)點與網(wǎng)關(guān)節(jié)點之間采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信,ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信采用Zstack協(xié)議棧,由于Zstack協(xié)議棧網(wǎng)絡(luò)具有能夠自組網(wǎng)的特點,且協(xié)議棧規(guī)定了ZigBee網(wǎng)絡(luò)至少包括一個終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點,因此ZigBee協(xié)調(diào)器可創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò),使得各采集終端節(jié)點通過加入網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)無線通信。本系統(tǒng)采用ZigBee廣播方式通信,多個ZigBee終端節(jié)點將獲取到的地理位置信息和環(huán)境參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)幀的打包,通過廣播的方式發(fā)送到ZigBee協(xié)調(diào)器,一個ZigBee協(xié)調(diào)器廣播接收接收多個終端數(shù)據(jù),實現(xiàn)一對多通信。ZigBee協(xié)調(diào)器模塊的CC2530單片機(jī)網(wǎng)關(guān)通過串口和GPRS DTU收發(fā)器CH-D3G2Q2連接,將ZigBee協(xié)調(diào)器獲取到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到GPRS DTU通信模塊,網(wǎng)關(guān)節(jié)點利用GPRS發(fā)送模塊,將地理位置信息和環(huán)境參數(shù)發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器,服務(wù)器節(jié)點利用GPRS接收模塊,進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收,將GPRS接收模塊接收到的數(shù)據(jù)通過上位機(jī)傳輸?shù)絇C端。

        圖3 中層通信網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計

        而上層服務(wù)器系統(tǒng)的設(shè)計則涵括訪問Web GIS系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫設(shè)計以及上位機(jī)設(shè)計。在上位機(jī)的設(shè)計中,上位機(jī)與GPRS接收模塊相連,通過上位機(jī)串口接收來自終端的環(huán)境參數(shù)以及地理位置信息,將接收到的信息存入數(shù)據(jù)庫中,然后通過上位機(jī)界面實施監(jiān)測農(nóng)田的環(huán)境參數(shù)。Web GIS客戶端通過融合Internet技術(shù)與GIS技術(shù)形成的一種空間信息管理和發(fā)布系統(tǒng),與向客戶端提供信息和服務(wù)的瀏覽器/服務(wù)器(B/S)結(jié)構(gòu)互為組合,從而形成獲得各種空間信息和應(yīng)用的功能。另外根據(jù)終端采集節(jié)點發(fā)送的地理位置參數(shù),通過上位機(jī)軟件對數(shù)據(jù)的解析獲得具體的地理位置信息,在Web GIS端獲取對應(yīng)的地理空間信息,實現(xiàn)農(nóng)田信息的監(jiān)測。

        4 結(jié)語

        實現(xiàn)穩(wěn)定可靠持續(xù)地農(nóng)田信息監(jiān)測是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展地關(guān)鍵一步,文章利用ZIgBee網(wǎng)絡(luò)及嵌入式3S技術(shù)實現(xiàn)了一種農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測的新方法、新思路,通過局部實驗證明了系統(tǒng)的設(shè)計合理,除了常規(guī)的溫濕度、PH值、氣候參數(shù)和農(nóng)作物生長狀況等數(shù)據(jù)的可以有效獲取,還能在大規(guī)模的運用中,對獲取的地理數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)可視化綜合管理與分析,為農(nóng)業(yè)管理及決策部門提供有效的依據(jù)。另外,本系統(tǒng)的涵蓋性高,亦可以廣泛運用于其他環(huán)境的場景監(jiān)測中。

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