基于ZigBee智慧农业控制系统的研究与设计

龙祖连

（广西水利电力职业技术学院，广西 南宁 530023）

0 引 言

随着科技技术的不断发展，物联网技术在各个领域中得到越来越重要的应用；物联网技术从简单的蓝牙技术、WiFi技术、2.4G无线技术，到现在的ZigBee无线组网技术、NBIoT技术、LoRa技术等，都是技术进步的体现。目前，国外农业控制系统根据的是国外的环境信息及需求设计的，无法适应我国农业的环境生长，国内的系统在功能和稳定性也不那么理想，难以推广应用。因此，本文结合广西农业的特点及温室种植的研究，采用ZigBee无线组网技术及4G网络设计智慧农业控制系统，不仅成本低、低功耗，同时，智能化程度高、稳定性好等方面也满足需求，便于推广应用。

1 系统总体框图设计

智慧农业控制系统以CC2530单片机为主，自带无线组网功能，信号采集模块类型丰富、功能齐全，方便采集节点的放置及增加，主要功能包括：温湿度节点信息采集、光照度节点信息采集、土壤酸碱度节点信息采集等，终端节点信息的采集通过单片机自带ZigBee网络传输到单片机协调器，协调器通过对各终端节点数据进行汇聚处理后，经串口传输到触摸屏进行数据交互与控制。同时协调器经过4G模块把终端节点采集的信息传送到云平台和手机APP。在云平台可以对采集到的数据进行分析，绘制成相应的数据曲线保存在云端，方便对历史数据的查看与分析，保证农作物良好的生长。智慧农业控制系统总体框图如图1所示。

图1 智慧农业控制系统总体框图

2 系统硬件设计

2.1 主控处理器模块

在本系统中主控处理器主要完成ZigBee网络组网、传感器数据采集与计算机通信等。根据需求选择TI公司的CC2530F256作为主控系统芯片，该芯片是集成了增强型8051微控制器内核与2.4 GHz的RF收发器，具有256 KB内存，同时在该公司开发的ZigBee协议栈（Z-Stack）上做应用开发，比较容易实现系统功能。由于CC2530芯片的集成度高且是低功耗及多种工作模式，作为终端节点使用在设计的智慧农业控制系统中，可以免除布线的烦恼，1节3.7 V的锂电池就可以工作1年以上。CC2530主控模块电路如图2所示。

图2 CC2530主控模块电路

2.2 温湿度数据采集及控制模块

市场上的温湿度传感器很多，本文结合广西的农业环境的信息选择了DHT11数字温湿度传感器和DS18B20温度传感器。DHT11传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与一个高性能8位单片机连接，具有超小的体积、极低的功耗，信号传输距离可达20 m以上，接线简单，测量范围为，湿度：20%RH～90%RH，温度：0～50 ℃，适合在农业温室种植环境监测系统中使用。虽说广西冬天的温度不会很低，但是考虑到有极端天气的出现，本文还采用了DS18B20温度传感器，用于外部农作物温度的检测，温度的检测范围为-55～125 ℃。这样不管在温室还是空旷的环境都能实时采集温湿度，从而调节温室内的温湿度，达到农作物需要的适合生长的温湿度环境。

2.3 光照度数据采集及控制模块

在系统设计中光照度传感器采用BH1750FVI光照度传感器，测量范围0～65 535 lx。光照度传感器安装在大棚内部，检测大棚内部的光照度，若是大棚内部的光照度小于设定的阈值，则控制器发送控制信号至遮阳系统以开启遮阳系统，让光照进大棚；若是大棚内部的光照度高于设定的阈值，则控制器发送控制信号至遮阳系统以关闭遮阳系统。遮阳系统包括电机与遮阳棚，控制器发送控制信号至遮阳棚以控制遮阳棚的打开或关闭。

2.4 土壤酸碱度数据采集及控制模块

土壤传感器采用HSTL-102STR土壤传感器，土壤传感器可以同时检测土壤的水分、电导率及盐分数据，通过检测土壤的水分以便控制喷灌系统打开或者关闭。当土壤的水分低于设定阈值时，开启喷灌系统；当土壤的水分达到或者高于设定阈值时，关闭喷灌系统。土壤传感器检测土壤的电导率、盐分，以供用户了解土壤的性质，进而采取相应的执行措施。

2.5 风速数据采集及控制模块

风速传感器采用YDBS-3001-FS，测量范围为0～30 m/s，测量精度为±1 m/s。因广西地处沿海地区，每年都会有台风的出现，风速传感器安装在大棚外部，测量大棚外部的风速情况，以供控制器判断大棚是否有损坏的可能，即当大棚外部风速达到阈值时，大棚有可能被损坏。

3 系统软件设计

根据本系统选用的主控芯片CC2530，配套的软件开发选用的是IAR开发环境，其最大优势是能够直接使用TI公司提供的协议栈（Z-Stack）进行开发，只需要调用API 接口函数就可以实现ZigBee网络建立、设备初始化、终端节点数据采集等。同时对主控芯片选择合理的工作模式，降低系统工作功耗。协调器通过串口通信将汇聚的数据信息与计算机通信，从而实现对温室养殖环境进行监测。在整个系统的软件开发过程中，都是在协议栈（Z-Stack）进行开发，首先要配置ZigBee无线组网的传输号，因为系统终端节点数量大于一个，所以选择广播传输方式。

3.1 液晶显示界面

采用7寸的串口触摸屏方便数据查看及操作。触摸显示屏可以用来手动输入各个设定的阈值，例如温度阈值、湿度阈值、光照度阈值、风速阈值等，实现自动控制；也可用于手动控制恒温系统、通风系统、喷灌系统、遮阳系统的开启或关闭，同时显示各传感器实时检测的相应参数。

3.2 云平台数据显示

系统采用4G DTU模块进行云平台数据查看，远程监测端通过4G DTU模块与ZigBee协调器连接，4G DTU模块用于接收ZigBee协调器发送来的数据，并将数据传输至远程监测端进行监测。远程监测端包括手机、平板电脑，可随时随地对大棚进行监测。

3.3 终端节点数据采集

TI 公司提供的协议栈（Z-Stack）对本文系统的软件设计提供了很大的帮助，只需要在相应的函数添加各个传感器代码，修改组网信息就可以。该协议栈提供三种通信方式：广播、组播及点对点通信，采用广播方式来设计。

（1）终端节点采集传感器数据信息广播发送函数。

（2）协调器接收到数据并在液晶屏幕上显示函数。

注意：在使用软件下载程序时，区分好终端和协调器的下载方式。

4 结 语

本文基于ZigBee智慧农业控制系统，从硬件与软件两个方面设计并提供了一个切实可行的系统框架和方案。该系统农业种植检测智能化、电路简单、稳定性好、人机互动良好，实现了远程监控农业的生长状况，保证了农作物的健康成长，同时系统运行稳定、可靠，适用于很多温室系列的数据采集环境。