基于农业物联网的环境监测系统

高云++褚夫帅++刘杰

摘要：该文立足农业环境监控网络特点，运用zigbee技术研究一种基于农业物联网架构的环境监控系统，可以实现多地点的空气温度、湿度、光照强度等多参数实时在线监控。主要研究感知层的 ZigBee 感知节点，能实现多参数综合采集。

关键词：农业物联网；环境监测；Zigbee

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）17-0192-02

基于农业物联网的环境监测系统具备的基本特征有：

1）要稳定可靠地实现多位置、多数据的监控。多位置指的是在需要监控的多处区域安装多个感知终端节点；多数据指的是感知节点要获取到多个重要的监测参数，来全面衡量农业环境。

2）有效控制成本、提高工作效率、系统性能稳定是农业物联网系统的重要特征。成本是农业物联网系统能够推行的重要因素；高效可靠的数据采集和处理能力是系统广泛推广的前提条件。

3）在可操作性上，考虑到我国从业农民主体上文化程度不高，应当尽量降低用户使用“门槛”。从系统在农业田间安装、管理和维护，到用户使用，每个环节都应简单易用，以提高农民使用的积极性。

Zigbee无线通信技术是新一代低功耗无线网络通信方式，由于其本身具有51内核，所以在处理上可以实现引脚扩展操作。本系统采用TI（德州仪器）开发的Zstack协议栈架构为基础，主要在APP层接入传感器的数据采集模块，把采集到的数据转化为所需要的数字量，之后由终端节点传送至协调器节点，即借助其无线功能实现多点无线通信。

基于 ZigBee 技术的环境监测系统网络组建是构建系统感知层的重要工作。将基于ZigBee芯片的无线网络收发模块嵌入到底板中，组成基于ZigBee技术的环境监测网络。Zigbee网络实现的是系统自动组网，协调器会自动的分配给终端节点一个网络地址。为了实现多点的同步操作，在指令发送时采用广播模式，所有终端均可接收来自协调器的网络指令并进行处理，外接继电器实现对外围电路的驱动。

1 环境监测系统硬件设计

无线传感器数据采集网络的功能是实现网络的组建和感知数据的采集，由传感器节点在硬件的基础上基于ZigBee无线通信协议组建Mesh网络。传感器节点又分为终端节点、路由器节点和协调器节点。终端节点实时采集温度、湿度、光照强度、二氧化碳浓度等环境参数，经由路由节点，数据以多跳中继的方式传达至协调器节点，协调器节点再通过串口，将数据传至上位机。

CC2530部分是传感器节点的处理器模块，也可以称作是数据控制处理模块，是传感器节点的核心模块。JTAG接口辅助完成对芯片的测试和板控程序的下载。LED模块实现对节点的操作控制以及工作状态显示的功能。无线收发模块负责完成各种控制指令的交互和感知数据的传输。串口通信模块，直接通过串口线连接计算机，完成数据由传感器节点向上位机的传递。电源供应模块负责为整个节点提供能量。

路由器及终端节点主要由电源模块、LCD显示模块、CC2530芯片、终端设备控制模块、数据采集模块构成。数据采集模块主要是各类外部传感器模块，实现了对农作物生长环境参数的感知。

2 环境监测系统软件设计

本系统软件开发环境是IAR Embedded Workbench ，它是一种用于开发应用各种不同的目标处理器的灵活的集成环境，提供一个方便的窗口界面用于迅速开发和调试。使用程序编写调试一般需要经过创建工作站、创建并保存工程、创建或加载源文件、保存工作站、设置工作环境（目标芯片、调试方式、仿真器接口类型）、工程编译连接和调试七个步骤。

2.1 协调器的软件设计

协调器是整个网络的核心，协调器负责创建和维护整个网络，为每个加入该网络的设备分配一个网络地址，在协调器启动时其网络地址将自动设置为0x0000，在所有的网络中，协调器的网络地址均为0x0000，所以路由和设备要想跟协调器通信，则设置目标地址为0x0000即可。

在软件设置设备为协调器启动时，z-stack中必须编译文件f8wCoord，cfg文件，该文件在Coordinator Settings下设置了两个功能第一为-DZDO_COORDINATOR即协调器功能，第二-DRTR_NWK即为路由器功能，也就是说协调器启动后有两种功能，第一就是作为协调器启动建立维护网络，一旦建立网络成功后，那么此协调器将作为一个普通的路由器使用。

2.2 路由器的软件设计

路由器的设计相对协调器和终端设备要简单些，设置其启动类型后他就负责转发协调器与终端节点的数据，只起到一个中继器的作用，当然路由器的PANID和选择的通信道必须和协调器保持一致，这样路由才能加入网络，并且能实现转发数据的功能，此时也把路由的PANID设置为0X1234，通信道选择11。路由正常情况下也能作为终端节点使用，也能实现与协调器中断节点的绑定，为了备用，我们也在路由上也初始化一个端点，并初始化其端点描述符。

在z-stack中编译文件f8wRouter.cfg就能把设备初始化为一个路由设备，在该文件中在Router Settings里只定义了-DRTR_NWK这比协调器少了一个-DZDO_COORDINATOR，所以设备只能实现路由的功能了。

2.3 终端的软件设计

终端节点负责采集各类数据，发送给协调器。因此终端节点的软件设计包括其本身终端节点的功能外，还要设计数据采集部分。终端节点本身的启动跟协调器、路由器时相同的，当选择其启动身份后，它将以终端的身份启动，终端节点要想与协调器通信，也必须建立一个端点，在端点描述符上有些信息必须与协调器保持一致，这样才能与协调器绑定成功，否则将无法完成绑定进行相互通信。

z-stack中编译了f8wEndev.cfg文件，与协调器和路由器所编译的文件不同的地方是，该文件没有定义功能，在协调器和路由器编译的文件中协调器引入了协调器和路由的功能，路由只引入了路由功能，然而在终端节点编译的文件中没有定义任何功能，此时终端节点只能作为一个终端节点的功能使用。zigbee的一大优势就是低功耗，在IAR编译软件中我们设置了预编译选项PowerSaving，即把低功耗模式打开，也就是说如果终端设备在没有任务要执行时将自动进入低功耗模式，这也体现了zigbee的真正特色，而在路由和协调器中没有定义此选项，因为路由和协调器要实时的检测通道信息，随时准备接收终端发送过来的温度数据，所以是不允许路由和协调器进入低功耗模式。

3 结束语

本系统立足农业环境监控网络的低成本、低功耗、大区域、多参数、多地点、高接入速率等要求，研究一种基于农业物联网架构的环境监控系统，可以实现多地点的空气温度、湿度、光照强度等农作物生长形态的多参数实时在线监控，具有良好和广阔的市场。本系统设计感知层的 ZigBee 感知节点，能实现多参数综合采集，并上传到上位机。

参考文献：

[1] 高守玮，吴灿阳.zigbee技术实践教程[M].北京航空航天大学出版社，2009.

[2] 李文仲，段朝玉.zigbee2007/PRO协议栈实验与实践[M].北京航空航天大学出版社，2009.

[3] 李文仲，段朝玉.zigbee网络技术与入门实战[M].北京航空航天大学出版社，2007.

[4] 李文仲.zigbee2006无线网络与定位实战[M].北京航空航天大学出版社，2008.

[5] 吕治安.zigbee网络原理与应用开发[M].北京航空航天大学出版社， 2008.