李雅君

（北京華云尚通科技有限公司，天津，300000）

0 引言

農(nóng)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)。設(shè)施農(nóng)業(yè)是利用一定的設(shè)施和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)調(diào)節(jié)和控制作物的生長(zhǎng)環(huán)境，以創(chuàng)造和改善適合作物生長(zhǎng)的環(huán)境條件，從而獲得優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)高效的一種現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式[1]。其中，精準(zhǔn)、及時(shí)的環(huán)境要素觀測(cè)是設(shè)施農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)[2]。近年來(lái)，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)信息化和智能化的程度越來(lái)越高[3]。研究者們將農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)大棚[4-6]、設(shè)施園藝[7]、畜禽養(yǎng)殖[8]等場(chǎng)景，探索智慧農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。采用有線方式連接的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，由于布線復(fù)雜，安裝維護(hù)困難、人力成本高，對(duì)于不同的觀測(cè)環(huán)境布線的走向也要有不同的規(guī)劃，大大限制了其推廣應(yīng)用范圍[9]。因此本系統(tǒng)選用Zigbee無(wú)線通訊方式，具有組網(wǎng)簡(jiǎn)單、傳輸成本低、功耗小等優(yōu)點(diǎn)。

另一方面，考慮到生長(zhǎng)作物的種類以及所需監(jiān)測(cè)環(huán)境的特點(diǎn)，不同應(yīng)用場(chǎng)景中需要監(jiān)測(cè)的環(huán)境要素往往不同，這限制了設(shè)施農(nóng)業(yè)技術(shù)的推廣應(yīng)用。本文設(shè)計(jì)的基于Zigbee的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可依據(jù)作物及環(huán)境需求選擇環(huán)境要素進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)多種應(yīng)用場(chǎng)景下的環(huán)境要素實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，具有安裝簡(jiǎn)單、使用方便、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)勢(shì)?？蛇x的環(huán)境要素包括空氣溫度、空氣相對(duì)濕度、土壤溫度、土壤濕度、光照、二氧化碳、PH值、液位、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向、雨量。

1 系統(tǒng)功能

1.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。以農(nóng)業(yè)大棚應(yīng)用場(chǎng)景為例，對(duì)大棚中各環(huán)境要素，如空氣土壤溫濕度、光照強(qiáng)度、雨量等，采用對(duì)應(yīng)傳感器進(jìn)行環(huán)境要素?cái)?shù)據(jù)采集。各傳感器將數(shù)據(jù)匯總到采集器上，由STM32嵌入式CPU控制進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，并由Zigbee模塊，通過(guò)無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)上傳服務(wù)器。在服務(wù)器處可查看大棚環(huán)境要素實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與歷史記錄，從而更好地控制大棚中植物生長(zhǎng)環(huán)境。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

1.2 環(huán)境監(jiān)測(cè)采集器

基于Zigbee的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)采集器由各要素傳感器、STM32F103系列控制器、Zigbee通訊模塊、參數(shù)存儲(chǔ)模塊、電源模塊以及時(shí)鐘模塊組成，如圖2所示。本采集器可實(shí)時(shí)采集空氣溫度、空氣相對(duì)濕度、土壤溫度、土壤濕度、光照、二氧化碳、PH值、液位、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向、雨量等環(huán)境要素值。在嵌入式核心CPU中對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，依據(jù)環(huán)境要素的變化速率以及干擾因素，適配不同的采樣頻率，選擇合適的數(shù)據(jù)預(yù)處理算法，如算數(shù)平均算法、滑動(dòng)平均算法、累加算法等。通過(guò)CPU運(yùn)算最終輸出每分鐘數(shù)據(jù)值，并在EEPROM中進(jìn)行短期保存。最終通過(guò)已經(jīng)組網(wǎng)匹配的Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，將分鐘數(shù)據(jù)上報(bào)到監(jiān)控中心服務(wù)器。

圖2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

1.3 Zigbee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)

Zigbee通訊網(wǎng)絡(luò)技術(shù)遵循IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，工作在2.4GHz頻段，是一種低功耗、近距離、自組織、安全性高、傳輸成本低、自愈性強(qiáng)的無(wú)線通訊技術(shù)[3]。Zigbee無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)包括三種Zigbee的節(jié)點(diǎn)類型，即協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)啟動(dòng)和配置網(wǎng)絡(luò)，是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的中心，具有建立網(wǎng)絡(luò)的作用，一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)只允許有一個(gè)協(xié)調(diào)器的存在。路由器能夠把消息轉(zhuǎn)發(fā)至其他設(shè)備，具有維持網(wǎng)絡(luò)的作用，除了不能建立網(wǎng)絡(luò)以外，其他功能與協(xié)調(diào)器相同，一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)可以支持多個(gè)路由器接入。終端設(shè)備是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的末端，一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)可以有多個(gè)終端設(shè)備[4]。

基于Zigbee的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在靠近數(shù)據(jù)中繼器端設(shè)置Zigbee協(xié)調(diào)器，利用協(xié)調(diào)器的功能實(shí)現(xiàn)自組網(wǎng)通訊，且不會(huì)產(chǎn)生額外的通訊費(fèi)用。再利用路由器的維持網(wǎng)絡(luò)和轉(zhuǎn)發(fā)功能，在各個(gè)農(nóng)業(yè)大棚中分置采集器，在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集的同時(shí)，還可以擴(kuò)展Zigbee網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，增大通訊距離。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器模塊

采用不同的傳感器模塊，可分別支持空氣溫度、空氣相對(duì)濕度、土壤溫度、土壤濕度、光照、二氧化碳、PH值、液位、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向、雨量等要素的采集。其中空氣溫濕度傳感器、光照傳感器和氣壓傳感器是數(shù)字信號(hào)，與處理器模塊通過(guò)I2C總線進(jìn)行協(xié)議交互，如圖3(a)所示；土壤溫濕度傳感器、PH傳感器、液位傳感器和風(fēng)向傳感器是模擬量信號(hào)，通過(guò)處理器自帶的模/數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采集，如圖3(b)所示；風(fēng)速傳感器是頻率信號(hào)，雨量傳感器是開關(guān)信號(hào)，兩者均是使用處理器的外部中斷功能，通過(guò)在采樣周期內(nèi)進(jìn)行計(jì)數(shù)完成采集，但是兩個(gè)傳感器的采樣原理不同，如圖3(c)所示；CO2傳感器通過(guò)RS232與處理器進(jìn)行協(xié)議交互，如圖3(d)所示。

圖3 傳感器接口電路設(shè)計(jì)

2.2 處理器模塊

處理器模塊采用STM公司的以Cortex-M3為內(nèi)核的STM32F103系列芯片。處理器模塊負(fù)責(zé)控制其他所有模塊工作狀態(tài)，如按定時(shí)程序啟動(dòng)各個(gè)傳感器的采樣，收集各要素的采集值，根據(jù)各環(huán)境要素適配的預(yù)處理算法邏輯進(jìn)行計(jì)算，生成分鐘數(shù)據(jù)，將分鐘數(shù)據(jù)按照指定的數(shù)據(jù)發(fā)送間隔通過(guò)無(wú)線通訊模塊發(fā)送至監(jiān)控中心。

2.3 無(wú)線通訊模塊

Zigbee模塊通過(guò)RS232與處理器模塊連接，接口電路如圖4所示。將處理器定時(shí)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控中心，將監(jiān)控中心發(fā)送來(lái)的命令轉(zhuǎn)發(fā)至處理器模塊。

圖4 Zigbee接口電路設(shè)計(jì)

2.4 參數(shù)存儲(chǔ)模塊

該系統(tǒng)支持的采集要素多樣，但是并不是所有的環(huán)境監(jiān)測(cè)都需要上述所有要素?？梢愿鶕?jù)不同監(jiān)控環(huán)境的要求，選擇上述要素中的幾種接入，即軟硬件支持采樣要素可配置。這些配置好的參數(shù)存儲(chǔ)在外置的參數(shù)存儲(chǔ)模塊中，保證參數(shù)在設(shè)備掉電的時(shí)候不丟失。

2.5 電源模塊

系統(tǒng)中有3.3V和5V兩種供電，為了保障信號(hào)傳輸?shù)目煽啃裕O(shè)計(jì)了電平轉(zhuǎn)換與穩(wěn)壓電路，如圖5所示。

圖5 3.3V穩(wěn)壓電路

系統(tǒng)給所有的傳感器的電源都增加了控制電源功能，在采樣的空閑期，關(guān)閉傳感器電源，以控制系統(tǒng)的功耗。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 采集器程序設(shè)計(jì)

基于Zigbee的設(shè)施農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是在IAR Embedded Workbench開發(fā)環(huán)境下開發(fā)，利用C語(yǔ)言進(jìn)行編程。圖6為采集器軟件流程圖。系統(tǒng)上電后進(jìn)行初始化，完成各種傳感器初始參數(shù)配置、采樣周期配置、Zigbee網(wǎng)絡(luò)配置等。設(shè)定各傳感器的采樣周期不同，則采集器處設(shè)置定時(shí)器，采樣時(shí)間未到時(shí)采集器進(jìn)入低功耗模式，傳感器斷電、CPU休眠。當(dāng)定時(shí)器產(chǎn)生中斷，即采樣周期到，喚醒CPU，給傳感器供電，采集環(huán)境要素?cái)?shù)據(jù)并緩沖入存儲(chǔ)設(shè)備后，繼續(xù)休眠。當(dāng)1min定時(shí)到，進(jìn)入分鐘任務(wù)，對(duì)1min內(nèi)采集的環(huán)境要素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，將處理結(jié)果通過(guò)Zigbee無(wú)線通訊網(wǎng)絡(luò)上傳服務(wù)器。

圖6 采集器軟件流程圖

3.2 Zigbee通訊流程軟件設(shè)計(jì)

Zigbee模塊上電后，STM32處理器通過(guò)RS232與其交互，對(duì)其設(shè)置相關(guān)通訊參數(shù)，并獲取模塊的相關(guān)信息，例如MAC地址等，完成對(duì)Zigbee模塊的初始化。對(duì)于協(xié)調(diào)器，現(xiàn)在就可以直接建立網(wǎng)絡(luò)了；對(duì)于路由器和終端設(shè)備，此時(shí)可以根據(jù)設(shè)置的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)加入網(wǎng)絡(luò)，并獲取到協(xié)調(diào)器或者路由器分配下來(lái)的短地址，短地址可以作為一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)通訊中的目標(biāo)地址。Zigbee通訊流程如圖7所示。為了保障網(wǎng)絡(luò)的安全性，在Zigbee網(wǎng)絡(luò)層之上封裝了協(xié)議層，并且網(wǎng)絡(luò)啟動(dòng)之后要通過(guò)握手機(jī)制，否則不能交互。

圖7 Zigbee通訊流程

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

在農(nóng)業(yè)大棚現(xiàn)場(chǎng)安裝Zigbee的設(shè)施農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，實(shí)時(shí)記錄農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境要素?cái)?shù)據(jù)?？紤]到短期內(nèi)農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境要素變化主要受晝夜影響，以天為周期，因此選取了某檢測(cè)站點(diǎn)中的若干主要環(huán)境要素24h的采集量進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，如圖8所示，包括空氣溫度、空氣相對(duì)濕度、光照強(qiáng)度和CO2濃度。

圖8 農(nóng)業(yè)大棚24h要素采集結(jié)果

當(dāng)其他條件不會(huì)突變的情況下，空氣溫度和空氣相對(duì)濕度具有一定的關(guān)聯(lián)關(guān)系：當(dāng)空氣溫度升高時(shí)，空氣相對(duì)濕度降低；當(dāng)空氣溫度降低時(shí)，空氣相對(duì)濕度升高，當(dāng)溫度降到一定程度且沒有光照的情況下，空氣相對(duì)濕度可能達(dá)到100%，甚至?xí)龀雎吨?。光照?qiáng)度日落后為0，越接近中午光照強(qiáng)度越高。二氧化碳濃度在日落后逐漸升高，日出后逐漸降低。由圖8可見，觀測(cè)數(shù)據(jù)符合自然規(guī)律。經(jīng)過(guò)實(shí)際驗(yàn)證，該系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確、穩(wěn)定。

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種基于Zigbee的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采集接口豐富，采集要素多元化，可以采集空氣溫度、空氣相對(duì)濕度、土壤溫度、土壤濕度、光照、二氧化碳、PH值、液位、氣壓、風(fēng)速、風(fēng)向、雨量等觀測(cè)要素，并且可以根據(jù)實(shí)際的需求選擇其中的幾種要素進(jìn)行監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)采用Zigbee這種無(wú)線通訊技術(shù)，省去了布線的麻煩，并且該技術(shù)功耗低，可以自組網(wǎng)，不需要額外的傳輸成本，應(yīng)用簡(jiǎn)單。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用可以看出：該系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸可靠性高，在實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)觀測(cè)自動(dòng)化、推動(dòng)設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展方面具有一定的意義。