基于ZigBee技术的精准农业综合监测系统设计

周正贵，李海燕

(安徽商贸职业技术学院电子信息工程系，安徽芜湖 241002)

基于ZigBee技术的精准农业综合监测系统设计

周正贵，李海燕

(安徽商贸职业技术学院电子信息工程系，安徽芜湖 241002)

本文利用ZigBee技术研究一种精准农业综合监测系统。系统分为上位机、主控器、网络协调器、子节点网络，主控器由基于STM32F103系列微型控制器设计，网络协调器及各子节点由基于集成51单片机内核的CC2530芯片设计。子节点网络节点连接多种传感器采集空气质量、水质、土壤信息参数，经ZigBee网络把数据发送至网络协调器，最终主控器接收处理数据并发送至上位机服务器存储，用户可远程实时访问上位机传感器数据，实现智能化科学管理。

ZigBee；网络；监测；节点

我国是一个农业大国，科技的发展推动农业生产方式不断更新，现代农业逐步迈向信息化、精准化。种植人员运用科技能够实时、准确地掌握农作物生长环境综合数据，进而调节改善农作物生长综合环境。本文设计了一种基于ZigBee技术的精准农业综合监测系统，实现农作物生长区域的大气、水质、土壤墒情综合监测，实现对农作物的科学有效的智能化管理。系统可对农作物生长区域的温度、湿度、光照强度、水质的pH值、水质的浊度、土壤的pH值、土壤的水分等进行实时监测，通过短距离无线网络ZigBee上传数据至监控中心，实现集中显示，为决策提供依据。

ZigBee是一种近距离、低功耗、价格低廉、组网便捷、源码开放的通信技术，广泛应用在农业、工业、交通等行业底层原始数据采集、设备控制等领域。ZigBee协议分为物理层、媒体链路层、传输层、网络层、应用层等，ZigBee组网方式灵活，一个网络系统中可容纳6000多个节点，根据协议程序可组建成星型、网状型、簇状型网络。

1 系统方案设计

为了实时监测并改善农作物生长环境参数，需要对农作物所属区域的大气、水质、土壤墒情等因素进行测量，这样在调控农业生产的过程中就能够参考这些数据来改善农作物生长环境。系统采用无线短距离通信技术ZigBee构建系统网络，终端网络节点采集农作物区域的空气、水质、土壤等信息，通过ZigBee网络发送至上位机，远程可以实时在线查询数据，实现智能化功能。系统总体设计框图如图1所示。

传感器节点、网关节点采用CC2530芯片设计，该芯片内部嵌入了8位单片机CPU，资源丰富，含有RF无线射频、串口、DMA、定时器等，并为使用者提供了一个强大的ZigBee解决方案。CC2530芯片广泛应用在ZigBee系统、楼宇自动化、工业现场控制、低功耗无线网络等领域。

2 系统硬件电路设计

2.1 主机电路设计

系统分为主机、网络协调器、子节点网络。主机由基于STM32F103系列微型控制器设计，网络协调器及各子节点采用基于集成了51单片机内核的CC2530芯片设计。主机部分液晶显示原理图如图2所示，采用5寸液晶片作为上位机显示界面，LCD芯片数据线、控制线按照如图2所示进行连接。

图1 系统总体设计框图

图2 主机液晶显示电路原理图

2.2 串口电路设计

主机STM32F103微处理器是32位ARM微控制器。为了能将终端传感器数据发送至服务器，主机外部采用SP3232芯片设计串口接口电路，如图3所示。SP3232是一种标准的RS232转换芯片，能完成TTL电平与232电平的相互转化，包含驱动器、收发器等电路模块。

图3 主机串口电路原理图

2.3 传感器节点电路设计

子节点传感器及ZigBee接口原理图如图4所示。AM2301传感器原理图、光照强度模块原理图、酸碱度检测、土壤水分、浊度传感器的设计依据相同设计原理，传感器采集到数据后经滤波、放大等处理后送至CC2350芯片IO端口。

图4 子节点传感器及ZigBee接口原理图

3 系统软件设计

3.1 系统软件总体设计

软件用C语言编写，基于ST公司官方库函数实现各模块的功能实现。系统软件算法流程图如图5所示，系统上电后，主机、网关节点先通电，其他终端节点依次上电，设置所有节点均为相同的频段号、网络ID号，即可成功组建ZigBee网络，各传感器节点会上传采集的数据至网关，最后发送至上位机服务器，由于传感器采集的数据实时上传，将始终保持农作物区域感知数据实时更新。

图5 系统软件算法流程图

图6 传感器数据采集流程图

3.2 传感器算法设计

图7 手机查询显示界面

系统使用了7种传感器，其中AM2301湿敏电容数字温湿度模块是含有己校准数字信号输出的温湿度复合传感器。系统中7种传感器转换算法相似，首先上电后，传感器进行初始化、复位操作；然后由CC2530处理器发出读取指令，当传感器响应后，按照时序图读取字节数；最后依据数据转换格式计算传感器数据。传感器数据采集流程图如图6所示。

3.3 远程访问服务器软件设计

当上位机接收到传感器数据后，上位机服务器数据库中将存储相应的数据。系统利用Android设计了访问服务器应用软件，当用户打开软件后，系统会链接到上位机服务器，并在显示界面显示各传感器数据，如图7所示。

4 结语

本文给出一种基于ZigBee技术的精准农业综合监测系统，详细设计了主机及节点硬件电路、软件算法，结合无线传感器网络技术实现了对农业种植区域数据的实时远程采集，种植人员可根据所采集的数据及时改善种植物生长环境，提高农作物产量、品质。

[1]赵迎春.环保监控系统的设计与实现[J].长春师范大学学报,2016(8):42-44.

[2]牛涛,王一涯,陈曙光,等.基于ZigBee的多环境参数监测系统设计[J].现代农业科技,2017(1):169-170.

[3]洪东辉,陈敬洋,袁小雪,等.基于ZigBee无线传输的水质监测系统设计[J].轻工科技,2017(1):62-64.

[4]丁永贤,谢鹏.基于ZigBee无线传感网络的农场智能监控系统[J].现代电子技术,2017(2):137-140.

[5]王二伟,丑修建,刘立,等.基于ZigBee的可自充电式无线温度传感监测系统[J].现代电子技术,2017(4):99-102.

[6]郭家.基于ZigBee网络的农田信息采集系统的设计[D].郑州:河南农业大学,2013.

[7]陶玉贵,洪金宝.基于物联网的温室大棚环境监控系统设计方法[J].长春师范大学学报,2016(2):36-39.

[8]廖建尚.基于物联网的温室大棚环境监控系统设计方法[J].农业工程学报,2016(11):233-243.

[9]朱丽.基于ZigBee技术的农用环境监测系统的设计与实现[D].成都:电子科技大学,2011.

Design of Precision Agriculture Comprehensive Monitoring System Based on ZigBee Technology

ZHOU Zheng-gui, LI Hai-yan

(Department of Electronic Information Engineering,Anhui Business College,Wuhu Anhui 241002,China)

A precision agriculture comprehensive monitoring system was developed based on ZigBee technology. The system consists of upper computer, main control device, network coordinator and subnode network. The main controller was designed based on STM32F103 microcontroller, and network coordinator and subnodes were designed based on CC2530 chip of 51 microcontroller core. The subnodes and network nodes connected a variety of sensors to collect air quality, water quality and soil parameters. ZigBee network was adopted to send data to network coordinator. Finally the main controller

data and sent data to the upper computer for storage, thus users could remotely get access to sensor data of the upper computer in real time and realize intelligentized scientific management.

ZigBee; network; monitoring; node

2017-03-31

安徽省教育厅自然科学研究重点项目“基于物联网技术的智慧农业系统研究”(KJ2016A254)；安徽省教育厅质量工程项目“物联网应用技术专业综合改革试点”(2015zy118)；安徽商贸职业技术学院自然科学研究项目“基于RFID技术的食品追溯系统研究”(2014KYZ04)。

周正贵(1984- )，男，讲师，硕士，从事物联网应用技术、电子信息技术研究。

TP274

A

2095-7602(2017)08-0051-05