基于ZigBee组网的温室大棚监测技术研究

蓝善根

（贵州省邮电规划设计院有限公司 贵州省贵阳市 550000）

随着我国对农村发展的重视程度逐渐提升，从种粮补贴到集约化的土地管理，出台了很多政策为农民增收，农业现代信息化建设因此也取得了飞跃式进展。智慧农业应运而生，由无线传感技术、人工智能、自动控制技术等多种现代化技术结合的物联网技术被广泛研究与应用。本文理论结合实际，将物联网应用于智慧农业，在对农业信息科学采集、监控与处理基础上保障农业的可持续发展。

1 物联网相关技术分析

1.1 物联网的架构和数据处理流程

物联网技术在近些年进入了高速发展的时代，其主要是指如传感器信息采集技术、红外感应器、定位系统、无线组网信息传输等各种相关设备及技术，采集并处理声音、光照、化学信息、物理信息以及生物信息，通过机器学习以及机器自主判断发出指令，控制机器组完成特定任务，实现智能化识别以及管理[2]。本文基于其技术特点，从数据输出流动的角度来分析物联网技术在实际应用中的数据处理方案。如图 1 所示。

1.2 M2M架构

M2M(Machine-to-Machine)即机器和机器之间建立连接，在目前物联网结构中占据中主要位置，同时其不只是简单的数据交换和和机械交换技术，即使没有人工干预，也能够自主采集信息，自主分析判断，并对被控制的机器发出正确的指令，即机器被赋予“思想”和“智慧”。

1.3 无线传感器网络分析

1.3.1 体系结构

在目前的无线传感器网络应用中，其主要是由一些分散且数量相对较多的无线传感器节点所组成，这些节点主要是用于感知其周围环境的各种信息，其与无线网络协议组成的网络能够得到有效应用，并且在每一个节点信息进行交换之后，利用无线传感器网关来进行数据传输，最终传输到监控主机系统中，实现数据的最终传输目标。

1.3.2 节点类型与ZigBee 协议

1.3.2.1 节点类型

图1：物联网数据处理流程

图2：温室大棚系统架构图

无线传感器节点(WSN)具有能耗低、尺寸小等特点，为物联网发展发挥了重要作用。节点分为传感节点、路由节点和汇聚节点三种形式。其中最为普通也是数量最多的节点就是传感节点，其可以对数据进行收集和整理，随后将这些数据传输到路由器的节点中，这种方式的优点在于，如果在数据传输期间发生某个节点故障，其也不会影响到整个网络环境功能。但是需要注意的是，路由节点并不关键，并且在一些较小规模的网络结构中可以不使用路由节点来实现数据存储与和传输，此时的数据会继续传给周围的一些传感节点来实现数据的传输和存储。汇聚节点是整个网络组成中最为重要的节点类型，所有节点所感知的数据都需要经过其进行传输，所以其与其他一些节点相比较而言，数据处理能力和电池续航能力相对较强，如果此时发生某个节点故障，这些所被感知的数据会在本处的汇聚节点进行存储，最后在任务管理器的作用下，用户可以对所感知的数据进行分析和处理，实施最终决策。在无线传感器中的节点协议模块有着一定的不同之处，其可以根据功能的不同来进行不同的加载。

1.3.2.2 ZigBee 协议

协议是保障网络构建的重要基础，并且在这种规则下，ZigBee协议能够实现无线传感器节点重要的通信功能，并且其具有简单、安全和功率消耗低等特点，在无线短距离数据传输中有着十分重要的作用和意义[3]。该协议的基础是IEEE 802.15.4，但是该协议在构建过程中将PHY 和MAC 两个层次进行考虑，所以需要扩展ZigBee 协议内容与空间，将其与更高层次的标准要求进行衔接，为后续各种网络的建设创造基础条件。

2 温室大棚信息采集终端设计

2.1 架构设计

温室大棚结合物联网技术，主要包含传感分析以及控制系统，包含温度、湿度、土壤、通风、光照等等环境检测与控制，如温度控制设备以及通风设备等，调节环境以满足作物生长。本文基于温室大棚的特点提出其具体的监控与数据采集系统架构，如图2 温室大棚系统架构图所示。

在结构上讲，该监测系统包含数据采集终端、服务器和操作用户三部分组成。设计该系统要考虑：对温室大棚中各种农作物的实际情况进行分析，明确其室内温度、湿度、光照强度和二氧化碳浓度等各项数据参数，需要保障数据的准确，这样可以客观的反映出大棚的实际环境状态和特点。数据采集和传输具备极强的抗干扰能力；显示界面系统实时显示重要数据；一旦产生突发事件，提供预警以及应急处理机制。

2.2 采集终端

在实际设计的采集终端作业中，需要保障整个监测系统数据来源的准确性，这也是实现监测的基础条件。在数据采集终端中，对于芯片的考虑而言主要包含单片机和四种传感器类型芯片，在整个终端系统中，单片机是中心技术，并且每一个数据采集都需要在模数转换之后输送到单片机中，然后根据无线收发模块将数据传输到就近的节点。其运行的流程为：为系统加电，做好数据采取的前期初始化工作，需要明确的是，数据采集在一般情况下需要根据所申请的中断要求进行的，如果存在此种情况，会调用系统子程序，根据数模转化来采集数据。但是在实际的数据采集中，四个通道会对应着不同的环境参数，所以需要循环监测这四个通道的实际情况，只有这四个通道采集数据完毕之后，才可以进行数据的处理。

2.3 协调器设计

汇聚节点的设计在协调器设计中占据着重要位置，并且其可以在传感器网络建立过程中将系统节点存储的数据传输到远程控制器中，此汇聚结点对于数据的分析与处理能力上都要高出传感节点。在具体应用中，由于该结点具备一定的感知能力，所以其芯片设计与普通节点基本相同，只是在供电方面和协议方面有一定的差异。所以如果有着充足的条件，可以在结点中加装一组持续供电的电池，利用芯片来支持技术运行。

2.4 采集网络构建

2.4.1 网络协调器的确定

找到协调器结点，结合扫描来判定，设定扫描时限，如果在时限内部不能发现其网络中含有其他协调器，则可以判定其满足要求。

2.4.2 信道扫描

首先结合默认或者指定的信道来进行能量扫描，标注出可用信道，结合能量升序来进行信道排序。其次搜索能够在通信半径内信标帧，结合信标帧来发现最佳通道，满足最少的ZigBee 网络。

2.4.3 配置网络PAN ID

在合适信道发现之后，确定网络标识PAN ID 为将要组件的ZigBee 网络，这个网络标识一般为四位16 进制数，数值不超过0x3FFF。然后在ZigBee 中64 位扩展地址和16 位短地址共同形成网络地址，由IEEE 组织统一分配扩展地址，用作设备的唯一表示[8]。其中短地址必须保持唯一，为后来的结点提供入网标识，一般设定的短地址为0x0000。

2.4.4 网络运行

在网络PAN ID 配置之后MAC 层被原语通知启动运行，改变协调器的参数状态。等到网络初始化完成之后，其他结点可以申请加入网络，在实施数据监控、采集和传输以及分析处理等方面作出其应有的功能。

2.4.5 服务器端设计

通过结点入网和知识领域接入，用户可以在服务器端对物联网技术中的各项设施进行操作，进而实现服务器端的数据接收和处理，为后续各项农业生产决策打下基础。

3 结语

综上所述，本文以温室大棚环境中的物联网技术相关分析为基础，采用CRNN 算法，提出物联网技术在温室大棚环境中的重要应用，其中包含数据采集端设计、服务器端设计和采集数据功能和监测报警机制设计等，希望能够为相关农业生产提供一些有效的建议和技术基础，进而促进农业的建设与可持续发展。