基于ZigBee的设施农业环境监测系统的设计与实现

杨春勇，牛 磊

(中南民族大学 电子信息工程学院，武汉 430074)

精细化设施农业要求精确测量温度湿度等环境因子、及时监测生产管理各个环节，因此设施农业环境的监测实现手段是现代农业的研究热点之一[1].文献[1-4]指出，现有的农业环境监测系统大都工作在大棚、玻璃房等封闭空间，受电源限制较大，在户外如农田、牧场、林场等场合布置困难；在采集仪器的设计方面，只能监测环境状态，难以获取农作物的生长形态信息；单个仪表终端采集参数偏少，导致单位面积内终端节点重复配置；在网络覆盖方面，不能实现省级以至全国范围内的农业信息共享；在系统设计方面，采用现场总线结合采集模块，存在布线复杂、移动困难的问题，即使采用集群通信系统、GSM短消息、GPRS等移动公网结合传感器网络，投入和维护的成本仍较高，不利于大规模推广.

基于ZigBee无线通信协议的传感器网络在克服上述不足方面有其独到之处，特别适合应用在环境监测领域[4,5].据此，本文设计实现了基于ZigBee无线传感器网络的设施农业环境监测系统，可以综合采集与作物生长密切相关的温度、空气湿度、光照强度、CO2浓度、土壤湿度、水环境pH值等6种环境参数，此外，还具有作物生长形态拍照功能；针对多种应用场合，设计实现了基于蓄电池、市电和太阳能FILO(First Input，Last Output)队列的智能电源；系统将ZigBee无线传感器网络与因特网、3G网络融合，可在全国范围内实施集约式的农业环境监测[6,7].

1 系统工作原理

系统结构如图1所示，主要由智能传感终端、协调器网关和农业环境监控中心3部分组成.将ZigBee无线传感器网络布设在设施农业生产基地，其内部包含两种设备：智能传感终端和协调器，协调器内嵌在协调器网关中.由于Mesh型网络和树形网络中节点需要保存路由信息，能耗较大，不适于无人值守情况下的长期监测，所以本文将ZigBee网络设置为星型结构[5].智能传感终端负责数据采集，是RFD设备；协调器网关负责传感器网络组建、路由维护和数据汇集，负责ZigBee协议与TCP/IP协议、ZigBee协议与3G协议之间的转换，并提供Ethernet和3G接口，是FFD设备.农业环境监控中心由SQL数据库和WEB服务器应用程序组成，用户可通过PC或智能手机的网络浏览器远程查询、下载相关设施农业生产基地的环境信息.

图1 系统结构

2 硬件设计

系统硬件设计主要涉及两个部分：智能传感终端和协调器网关.

2.1 智能传感终端

智能传感终端的硬件结构如图2所示.本文采用多种传感器构成传感器阵列，通过多种接口与微控制器平台通信，可实现温度、空气湿度、光照强度、CO2浓度、土壤湿度、水环境pH值和现场图像信息共7种环境参数的综合采集；选用C8051F350单片机作为微控制器平台；采用美国DIGI公司的XBEE模块作为无线收发模块，与微控制器平台通过串口连接；设计优先级为太阳能、市电和可充电蓄电池的三级智能电源，其结构如图3所示，太阳能和市电可以根据不同应用场合配置接入，并为蓄电池充电.蓄电池是最后一道电源保障，因此设计了蓄电池剩余电量监测功能，以提示技术人员及时更换蓄电池.

图2 智能传感终端硬件结构

图3 智能电源结构图

2.2 协调器网关

协调器网关硬件结构如图4所示，它负责ZigBee传感器网络管理和因特网接入.主要由微控制器平台、ZigBee协调器模块、以太网模块和3G模块组成.

图4 协调器网关硬件结构

考虑到协调器网关数据量较大，本文选用基于ARM9TDMI内核的S3C2440作为微处理器平台，它具有内存管理单元MMU，可实现多任务管理功能；ZigBee协调器模块选用XBEE，通过串口与S3C2440相连；以太网模块选用DM9000，它集成10/100M自适应收发器，支持IEEE 802.3x全双工流量控制，通过SPI总线与S3C2440相连；3G模块选用华为公司的EC189无线上网卡，采用USB接口，下行速率3.1 Mbit/s，上行1.8Mbit/s.

3 软件设计

系统软件分布在智能传感终端、协调器网关和农业环境监控中心3个单元，其总体架构如图5所示.用户通过网络浏览器远程访问WEB服务器，发送设置、查询、下载数据指令，WEB服务器对SQL数据库进行读写操作，并可触发收发处理程序与网关协调器应用程序通信，下发指令到智能传感终端，或者接收智能传感终端上传的数据.

图5 系统软件架构

3.1 智能传感终端

智能传感终端软件体系设计为3层结构，最底层的系统初始化程序是智能传感终端上电后最先执行的程序代码，初始化C8051F350的系统时钟、通用I/O引脚、定时器、看门狗、模数转换器以及通信接口.第2层由摄像头控制程序、数字型传感器控制程序、模拟型传感器控制程序、电池电量监测程序和TDM节能切换方案组成.TDM节能切换方案可使智能传感终端节能40%～50%，其原理为：按照传感器的功耗和不同的功能特性，将传感器阵列工作时间划分成不等的时间单元，在不同的时间单元内使能相应传感器，而其他传感器处于休眠状态，在传感器阵列工作一轮后，进入10s间歇期，然后开启下一个循环.第3层是无线数据收发程序，负责与协调器网关通信.

3.2 协调器网关

协调器网关软件包括驱动程序、LINUX操作系统和应用程序三部分.驱动程序是内核运行引导代码，用于初始化硬件设备、建立内存空间映射，为操作系统运行设置好环境.操作系统选用LINUX，它功能齐全，内置TCP/IP协议，有大量的开源代码可以使用.应用程序包括ZigBee收发程序、以太网收发程序和3G收发程序，用于实现协议转换.

本文以ZigBee协议与TCP/IP协议转换流程为例说明应用程序的工作原理，如图6所示.

转换程序采用多线程设计，包括基于ZigBee协议的串口收发线程和基于TCP/IP协议的TCP收发线程.当协调器网关收到数据时，根据状态字的变化触发相应线程，串口接收线程和TCP发送线程构成数据上行通道，TCP接收线程和串口发送线程构成指令下行通道.当串口接收线程收到数据时，数据存入缓冲区，然后调用TCP发送线程，将传感数据直接发送给农业环境监控中心，由于ZigBee传输速率较低，图片包比较大，需分包发送；TCP接收线程在接收到农业环境监控中心指令后，存入缓冲区，然后调用串口发送线程传送给智能传感终端.

3.3 农业环境监控中心

农业环境监控中心基于C/S模型，使用Flex+Java+ MySQL工具设计，其架构如图7所示，负责系统管理和数据存储，为用户提供数据、图片查询和下载服务，因此设置了用户管理、大棚管理、数据管理和协调器网关管理等功能.收发处理程序基于Visual C++采用面向连接的流套接字设计，农业环境监控中心作为服务端，协调器网关作为客户端.

图6 ZigBee协议与TCP/IP协议转换

图7 农业环境监控中心软件架构

4 系统实物

基于前文的设计思路，本文实现的设施农业环境监测系统智能传感终端如图8所示， 将其布置在设施农业基地，所采集到的环境参数信息以无线方式通过网关发送给农业环境监控中心，以数据或图形报表的形式呈现.如图9所示的截图展现了1号大棚在一段时间内的空气温度和湿度变化态势曲线.

图8 智能传感终端实物

图9 农业环境监控中心

5 结束语

本文研制了一种可满足无人值守情况下的设施农业环境监测系统.系统实现采集的环境参数指标包括：① 温度：-40～123.8 ℃，误差±0.4 ℃；② 空气湿度：0～100% RH，误差±3.0%RH；③ 光照强度：0.045～188,000 Lux，最大偏差15%；④ CO2浓度：0～3000×10-6，误差±60×10-6；⑤ 土壤湿度：0～100%，误差±2%；⑥ 水环境pH值：0.1～13 pH，误差<0.2 pH；⑦ 现场图像：最大分辨率可达1280×960.将系统安置在大棚中，采用智能电源供电，其能耗如表1所示，经过一个月的测试，电源供应正常，系统可以准确、实时反映大棚中环境变化，对以上环境因子进行综合采集、永久存储、网络发布，具有较为广阔的应用前景.

表1 系统功耗

[1]孙宝利, 仝乘风, 杨正礼. 农业环境监测协作共用网的构建设想[J]. 中国农业科技导报, 2007,9(6): 47-51.

[2]Hwang Jeonghwan, Shin Changsun, Yoe Hyun. Study on an agricultural environment monitoring server system using wireless sensor networks [J]. Sensors, 2010,10(12): 11189-11211.

[3]Park Dae-Heon,Park Jang-Woo.Wireless sensor network-based greenhouse environment monitoring and automatic control system for dew condensation prevention [J]. Sensors, 2011,11(4):3640-3651.

[4]Xiao Lei, Guo Lejiang. The realization of precision agriculture monitoring system based on wireless sensor network [J]. 2010 International Conference on Computer and Communication Technologies in Agriculture Engineering, 2010(3):89-92.

[5]周 宇, 景 博, 张 劫. 基于ZigBee无线传感器网络的嵌入式远程监测系统 [J]. 仪表技术与传感器,2008(2):47-49.

[6]劳凤丹, 余礼根, 滕光辉,等. 设施农业3G+VPN远程监控系统的设计与实现 [J]. 中国农业大学学报, 2011,16(2): 155-159.

[7]He Dongxian, Bai Youlu, Yang Po. Agricultural remote monitoring systems based on web-server-embeded technology and CDMA service [J]. New Zealand Journal of Agricultural Research, 2007(50): 1393-1397.

[8]Liu Bing, Lu Xiushan, Chen Tao. The comprehensive service system of disaster prevention in facility agriculture based on GIS and sensor networks [J]. Proceedings of 2011 International Symposium-Geospatial Information Technology & Disaster Prevention and Reduction, 2011(5):195-199.