基于ZigBee和ARM的农业环境远程监控系统的设计

谢利民

（江苏联合职业技术学院 无锡机电分院，江苏 无锡 214028）

信息技术在世界农业领域中的应用始于20世纪70年代末期。虽然起步较晚，但发展速度很快。利用信息技术在生物生长、发育、繁衍等过程中进行环境的检测和调控使提供适宜环境，实现高产优质的可持续生产，是现代农业的一个重要发展趋势。基于ZigBee和ARM平台农业环境监控系统，可监测农业现场环境中的空气温湿度、土壤含水量、光照强度、二氧化碳浓度等，并进行统计分析，通过专家系统和无线传感器网络、计算机网络，实现对温室灌溉、光照控制、二氧化碳发生器控制、通风换气等过程的决策和远程调控。本系统集数据测量、存储、远程调控和系统故障自诊断功能为一体，它使农业专家和现代农民在办公室里就能通过网络看到农作物生长状况和进行远程监控。

1 系统硬件设计

1.1 系统硬件功能模块

本系统以ARM7LPC2214处理器作为节点的核心，CC2530核心板作为Zigbee无线传输模块，通过太阳能和蓄电池供电。每个采集节点通过光照度传感器采集日光照射强度信息、通过二氧化碳传感器采集空气中二氧化碳浓度信息、通过土壤湿度传感器采集土壤湿度信息、通过温湿度传感器采集空气温湿度信息。传感器把被测区域的温度、湿度、光照度转换成电压信号，输送到采集节点。采集节点通过处理器将电平信号转化为数字信号，发送至CC2530核心板，通过Zigbee无线网络发送给就近的采集节点，其他采集节点根据算法计算出最优路径，建立相应的路由列表，经层层转发将数据信息发送至网关节点。网关节点的Zigebee模块收到数据后，本节点的处理器将数据发送到网口芯片或者RS232接口，经过协议转换后传送给控制中心计算机。节点和网关硬件功能模块如图1所示。

图1 节点和网关硬件功能模块图

系统硬件设计以ARM嵌入式芯片LPC2214微控制器和ZigBee无线网络芯片CC2530为核心，分终端路由节点和网关节点两个部分，由电源管理和分配模块、USB/RS232通信模块、传感器接口模块、LCD液晶显示模块、I/O接口模块、网关电路模块、JTAG接口调试模块、EPPROM存储模块、人机交互模块等组成。

嵌入式微控制器主要实现数据采集处理和以太网通信功能，芯片选用LPC2214微控制器，LPC2214具备丰富的通信接口，支持大量的外围设备，支持实时仿真和嵌入式跟踪的16/32位ARM7TDMI－S CPU，并带有256kB的嵌入的高速Flash存储器。本系统中处理器运行uc/OS－2操作系统。CC2530无线网络芯片主要实现自组织网络和数据通信的功能，CC2530基于IEEE 802.15.4的无线通信协议，它具有成本低、功耗低、复杂度低、可靠性高、双向传输、组网灵活方便的低速率无线通信的特点，本系统采用Zstark协议栈。

1.2 系统硬件主要功能模块设计

1.2.1 以太网通信模块设计

为了增加通信方式和软件的可扩展性，本系统还提供了以太网接口连接上位计算机和网关节点。网关节点的网络接口采用了常规的以太网芯片RTL8019AS，是由Realtek公司出的一款高集成度的全双工即插即用的以太网控制芯片，具有8/16位总线模式，集成了IEEE802.3协议标准的介质访问控制子层（MAC）和物理层的性能。使用该芯片，上位机电脑可通过互联网与网关节点交互数据，如图2所示。

1.2.2 控制接口模块设计

系统中当自动控制模块收到控制开闭的指令后，操作相应的阀门或水泵完成浇灌、二氧化碳发生、光照等操作；由于各种环境发生装置型号多样，本系统统一使用继电器通过控制水泵或阀门电流来实现外围设备开关。

如图3所示，HJR 1－2CL－05V 是一个小型继电器，CK1为继电器常开端，CB1为常闭端。当三极管基极电压RELAY＿ACT为5V时，三极管导通，XQ1与XQ2导通形成一个回路，COM1口与常开端CK1接通，被控输出电路导通，实现被控阀门打开；若RELAY＿ACT为0V，三极管不导通，XQ1与XQ2不导通形成回路，继电器不能吸合，输出电路不导通，被控阀门关闭。电路中增加了二极管10BQ100防止继电器吸合时产生反向电动势串扰其他芯片工作。

2 系统软件设计

2.1 采集节点程序设计

由于本系统采集节点和网关节点的硬件实现上相同，每个采集节点使用前先需经过配置，确定其为采样节点并分配给节点序列号。经过软硬件初始化后，Zigbee模块请求加入网络，加入网络成功后开始工作流程。程序流程如图4所示。

采集节点进入接收数据状态，其ZigBee模块收到广播发来的指令时，发送给处理器，处理器通过指令通信协议中的序列号判断是否为发给本节点的指令。如果序列号匹配就响应进入下一步骤，不相同则直接丢弃。

图2 以太网接口电路

图3 继电器工作电路

图4 采集节点工作流程

网络中所有节点都需要首先进行节点配置才能使用，节点配置需电脑用RS232接口逐个连接节点完成。采集节点需要配置设备序列号。设置设备序列号命令格式如表1所示。

表1 设置设备序列号

其中，type为设备类型，需要用大写字母C、R表示，C代表网关节点设备，R代表采集节点设备。sn1～sn6为6位设备序列号，序列号采用全数字，无英文符号。例如：set［空格］sn［空格］C926150［回车］命令意为设置该节点为网关节点，编号为序列号为926150。

2.2 网关程序设计

在系统运行前，首先需要通过计算机用RS232串口对网关节点进行配置，设置好IP地址、网关、通信端口等参数才可以使用以太网口与计算机进行数据通信。网络中只有唯一的一个网关节点，本系统使用网状网结构。网关节点按如图5所示执行工作流程。网关节点收到采集节点发来的数据后，通过协议转换将数据转换为UDP格式送到计算机。同时网关节点的处理器也保持接收中断指令，一旦从网络接口或者RS232接口收到的计算机发来的查询或设置指令，通过Zigbee广播方式将指令传送到各个采集节点。所有的采集节点都能收到指令，但是只有节点序列号与指令中序列号相匹配的采集节点才会响应处理指令。

图5 网关节点程序流程图

计算机管理软件一般使用以太网与网关节点通信，将指令送给网关节点后，由网关节点广播下去，符合指令中序列号组的终端节点做出回应发回应答信息，网关节点收到后通过以太网发送给计算机。不符合指令中序列组号的终端节点直接丢弃数据包不作回应。以太网信息的发送和应答格式如下：

（1）信息发送，格式如表2所示。

表2 信息发送格式

（2）应答信息，格式如表3所示。

表3 应答信息格式

3 结束语

本系统实现了智能化农业环境的监控，摆脱了过去依靠人工监测作物生长，人工农业、培育的旧局面，采用智能农业系统以后，不仅大大节约了人力和设备投入，还提高了农业可控性、精确性、实时性和高效性，提高了农业现代化的水平。本系统为校企合作项目，系统已顺利通过了验收，并由省农林厅进行了应用推广，系统稳定效果良好。随着我国物联网技术和移动互联网的发展，我们将在本系统的基础上进一步研发智能移动客户端设备，使用户更方便地监控农业现场环境，更好地为农业现代化服务。

［1］ 刘涛，赵计生.ZigBee技术的农田自动节水灌溉系统［J］.测控技术，2008，27（2）：61－62.

［2］ 高雪梅.中国农业节水农业现状、发展趋势及存在问题［J］.天津科学技术，2012，18（1）：54－56.

［3］ 李锡文，杨明金，杨仁全.现代温室环境智能控制的发展现状及展望［J］.农机化研究，2008（4）：9－13.

［4］ 周立功，ARM嵌入式系统基础教程［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2008：37－39.