论文部分内容阅读
摘要 针对当前农业技术信息化和智能化的发展要求，利用ZigBee技术将众多的传感器节点连接成一个智能感知的网络系统。通过ZigBee网络将温湿度传感器、二氧化碳传感器、光电传感器、红外热释电模块以及气体烟雾传感器采集的温室大棚的实时环境参数和状态信息发送至上位机及移动终端。管理人员根据上传的数据信息进行决策，远程控制电气设备的运行状态以调节环境因子，使其更加适宜农作物的生长，从而实现对环境的智能感知和调节。
关键词 ZigBee；智能感知；远程控制；环境因子
中图分类号 S126；TP368.1 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2015）13-342-04
Abstract According to the current development of agricultural technology informationization and intelligent requirements， the large number of sensor nodes are connected into a network system of intelligent perception by ZigBee technology.Through the ZigBee network， the temperature and humidity sensor， carbon dioxide sensor， photoelectric sensor， infrared pyroelectric smoke sensor module and gas acquisition of greenhouse environment parameters and the realtime state information is transmitted to the PC and mobile terminal.According to upload data information， managers make decisions to realize intelligent perception of the environment and regulation，via running state of the remote control of electrical equipment to regulate the environmental factor is more suitable for the growth of crops.
Key words ZigBee； Intelligent perception； Remote control； Environmental factors
田間环境直接影响着农作物的生长状况，而农作物的生长又会反作用于田间环境，因此，对田间环境进行实时监控，及时调整相关环境因子参数，能够有效促进农作物增产增收。田间环境监控系统可以根据不同的监控对象和场合，利用多种先进的传感器和信息技术手段采集、存储、分析、利用田间环境信息，科学决策农业生产[1-2]。
感知环境的变化并根据变化做出相应的决策是改善作物生长环境的核心环节，影响作物生长的环境因子包括温湿度、光照强度、土壤营养成分以及酸碱度等。笔者设计了一种农业感知系统，将作物生长环境的信息采集后，通过ZigBee无线网络将数据发送到控制中心，控制中心根据环境因子的变化自动或者手动远程控制相应的电气设备，从而达到对环境的智能感知和调节。此外，该系统还通过传感器监测温室大棚的安全情况，具有消防、安防预警功能[3]。基于ZigBee技术的农业智能感知系统的设计与实现，不仅能给农业生产带来科学管理和高效益，也为农业信息化提供了可靠的硬件基础。
1 系统总体设计
ZigBee标准规定了在一个单一的网络中，最多容纳3类的节点：ZigBee汇聚节点，ZigBee路由节点和ZigBee终端节点，这些节点相互通信，可以组成不同的网络拓扑结构。通常在一个ZigBee网络中，需要有一个并且只能有一个网络协调器，即ZigBee汇聚节点，ZigBee汇聚节点需要提供路由信息、安全管理和其他服务等[4]。
系统通过温湿度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器、烟雾传感器和人体红外传感器采集数据，采集的数据经过格式转换后由ZigBee终端节点经由ZigBee网络发送到ZigBee协调器上，并上传至于ZigBee协调器相连的上位机（PC端），进而由上位机的监控软件对数据进行动态分析和绘制；同时可以通过与上位机相连的GSM模块，经由电信网将采集的数据发送至用户手机等移动终端，实现对作物生长环境的智能感知。根据终端节点采集的信息，用户可以在PC端和移动终端实现手动或者自动对各种电气设备的远程控制，从而实现对温室大棚环境的智能调节。系统总体结构如图1所示。
2 系统功能设计
2.1 ZigBee收发模块设计
该模块使用CC2530F256芯片作为控制器和收发器。CC2530不但具有代码预取功能的高性能、低功耗的8051微控制器内核，而且具有RF收发器的优良性能，结合TI公司的ZStack 协议栈，可以实现智能控制和自动组网。
CC2530芯片内置了32 MHz、32 768 kHz的晶体振荡器和32 KHz、16 MHz的RC振荡器，可以通过设置不同的工作模式而使之适应超低功耗的要求，并且模式之间的转换时间短，进一步确保了低能源消耗。此外，CC2530还内置了丰富的通信接口资源，除了21个通用I/O口外，还有具有8路输入和可配置分辨率的12位ADC以及2个支持多种串行通信协议的USART接口，可以满足与不同传感器接口通信和易扩展性的需要。CC2530节点如图2所示。 2.2 温湿度传感器
系统选用DHT11数字温湿度传感器。DHT11是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，测量范围为0～50 ℃，20%～90%RH，温湿度精度分别为±2 ℃和±5%，具有响应快、抗干扰能力强、性价比高等特点。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，可以同时输出环境温度和湿度信息，一次完整的数据传输为40 bit，高位先出。
输出格式为：8 bit湿度整数数据+8 bit湿度小数数据+8 bit溫度整数数据+8 bit温度小数数据+8 bit校验和。
温温度传感器可以通过单总线外接一个5～10 K的上拉电阻与微控制器相连，原理如图3所示。
2.3 光照传感器
光照传感器模块采用光电二极管检测电路实现。光电二极管在电路中处于反向偏置，在没有光照时，反向电阻很大，反向电流很小；当光照到PN结上时，使PN结附近产生光电子和光生空穴对，使少数载流子浓度大大增加，反向电流随之增大，从而实现把。光信号转换为电信号[5]，经LM393双电压比较器放大后输出。
2.4 气体传感器 气体传感器选用MG811固体电解质传感器模块、MQ2模块气体传感器。
MG811可测量CO2浓度范围为0～10 000 ppm。MG811 为电化学原理工作，探头稳定工作需要6 V直流电源供电，使用前需要预热2～5 min，不可带电热插拔，探测方向不可随意改变。MQ2气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡（SnO2）。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大[6-7]。通过电路可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的电信号。
2.5 红外热释电模块
系统采用以LHI778为感应探头的人体红外热释电模块HRSR501，具有灵敏度高，可靠性强，超低电压工作模式等特点。当人或者动物进入其感应范围时则输出高电平，同时将预警信息发送到PC端或者移动终端，并产生警报信息以避免非法闯入；人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。
3 系统软件设计
系统分为下位机软件设计和上位机软件设计2部分。下位机实现各传感器节点对温室大棚环境信息的采集、安全监测，与上位机实时通信的功能；上位机实现与下位机各监测点、移动终端进行通信，并将下位机采集的温湿度、二氧化碳浓度和光照强度信息进行动态分析和图形绘制，以及预警提示等功能。
下位机软件流程如图4、5所示。首先要进行协调器器和传感器节点初始化，然后ZigBee组网，扫描并设置信道，设置PAN ID和协调器地址；设置完成后进行相关环境参数采集并上传至上位机。
上位机软件设计如图6所示，主控部分首先要进行协调器的初始化和ZigBee 自动组网，上位机然后向下位机发送轮询指令或控制指令，并将协调器采集到的数据进行读取、分析、显示、存储，并能发送指令给协调器从而对控制节点进行决策控制，同时还可以将数据信息发送至移动终端。
上位机界面功能结构如图7所示。用户管理界面用于用户登录、登录管理，用户按权限分为管理员（Admin）和普通用户。Admin具有最高权限，可以管理其他用户及其权限，在登录界面可以实现用户登录、管理已注册用户、删除已注册用户、修改用户密码等操作。
主菜单有6个图标，通过单击不同图标切换到不同的界面。
主菜单操作界面主要有以下功能：
（1）参数配置。用于配置串口通信参数与数据刷新间隔、自动控制的配置、登录和退出系统。
（2）数据显示。显示当前时刻各传感器采集的环境参数，并实时绘制温湿度变化情况。
（3）节点控制。设置节点传感器以及电气设备的工作状态，自动/手动切换，设置开启电气设备的方式。
（4）节点状态。显示当前ZigBee网络中除协调器节点外所有节点的工作状态是否正常。
（5）数据分析。对一天或一周数据进行分析。
（6）GSM配置。检验GSM模块是否工作正常，设置短信白名单功能，即只有在该系统注册的手机号码才能与系统通信。
4 数据传输协议设计
4.1 下位机与上位机通信
ZSTACK协议栈具有通信冲突检测和数据CRC校验功能，即使多个节点同时通信，也不会引发数据冲突，从而保证了通信的可靠性[8]。协调器与上位机通信时，一帧完整的数据包含7 bit，分别由帧头（1 bit）、数据（5 bit）、帧尾（1 bit）组成。协调器负责将不同终端节点上传的数据封装成帧，然后将一帧数据发送给上位机，上位机收到一帧完整的数据后，通过识别帧头来判断什么类型节点的数据。
帧头：用来识别一帧数据的开始，不同类型的节点或传感器的数据用不同的帧头标识。
数据：数据格式长度为5 bit，不足5 bit补“0”至定长。
帧尾：用于识别一帧数据的结束。当上位机收到协调器发来的一帧数据时，识别到数据的第7个字节是字母‘D’时，一帧数据结束。系统通信协议格式如表1所示。
4.2 移动终端通信指令
移动终端可以接收或者手动索取PC端接收的各传感器节点的数据信息，然后按照表2和表3的指令格式远程控制电气设备的开关或者索取即时环境参数。
5 系统测试与数据分析
系统对温室内的温湿度、光照强度和二氧化碳浓度进行实时监测，根据作物的生长规律，系统每隔20 min采集一次数据[9]。如表4所示为部分实验结果，上位机显示结果如图8所示，图9为全天温度值分析情况。
测试结果显示，该系统运行方便、稳定，实用性强。
6 总结 基于ZigBee技術的农业智能感知系统的设计与实现，使温室大棚时刻处于多传感器智能感知的网络中，管理人员通过上位机软件和移动终端可以即时了解农作物的生长环境，并可以对温室大棚内电气设备实时控制，从而提高资源利用率和生产水平，给农业生产带来科学管理和高效益。根据节点耗能的特点将节点分为低耗节点和高耗节点，给高耗节点辅以太阳能供电，以满足节能环保的要求。考虑到大面积、远距离监控的要求，后续工作考虑实现ZigBee网络直接接入电信网以及实现GPS定位功能。
参考文献
[1]XIAO L，GUO L J.The Realization of Precision Agriculture Monitoring System Based on Wireless Sensor Network[C]//2010 International Conference on Computer and Communication Technologies in Agriculture Engineering，2010：89-92.
[2] 孙忠富，杜克明，尹首一.物联网发展趋势和与农业应用展望[J].农业网络信息，2010（5）：5-8.
[3] 牛磊.基于农业物联网的田间环境监控系统的设计与实现[D].武汉：中南民族大学，2012.
[4] 张晓龙.基于ZigBee的农业温室大棚监控系统的设计与实现[D].北京：北京邮电大学，2011.
[5] 徐科军.传感器与检测技术[M].北京：电子工业出版社，2011：97-106.
[6] 陈迎春.基于物联网和NDIR的可燃气体探测技术研究[D].合肥：中国科学技术大学，2014.
[7] 姜斌.基于多传感器的火灾自动报警器的设计[D].哈尔滨：黑龙江东方学院，2014.
[8] AHMET R，HASAN A.Channel estimation by using short training sequences in CDMA systems [J].Wireless Personal Communications，2008，3（4）：359-371.
[9] YUAN Y，SU H G.The study of wireless network applications based on ZigBee technology[J].Computer Applications and Software，2004（6）：89-91.
关键词 ZigBee；智能感知；远程控制；环境因子
中图分类号 S126；TP368.1 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2015）13-342-04
Abstract According to the current development of agricultural technology informationization and intelligent requirements， the large number of sensor nodes are connected into a network system of intelligent perception by ZigBee technology.Through the ZigBee network， the temperature and humidity sensor， carbon dioxide sensor， photoelectric sensor， infrared pyroelectric smoke sensor module and gas acquisition of greenhouse environment parameters and the realtime state information is transmitted to the PC and mobile terminal.According to upload data information， managers make decisions to realize intelligent perception of the environment and regulation，via running state of the remote control of electrical equipment to regulate the environmental factor is more suitable for the growth of crops.
Key words ZigBee； Intelligent perception； Remote control； Environmental factors
田間环境直接影响着农作物的生长状况，而农作物的生长又会反作用于田间环境，因此，对田间环境进行实时监控，及时调整相关环境因子参数，能够有效促进农作物增产增收。田间环境监控系统可以根据不同的监控对象和场合，利用多种先进的传感器和信息技术手段采集、存储、分析、利用田间环境信息，科学决策农业生产[1-2]。
感知环境的变化并根据变化做出相应的决策是改善作物生长环境的核心环节，影响作物生长的环境因子包括温湿度、光照强度、土壤营养成分以及酸碱度等。笔者设计了一种农业感知系统，将作物生长环境的信息采集后，通过ZigBee无线网络将数据发送到控制中心，控制中心根据环境因子的变化自动或者手动远程控制相应的电气设备，从而达到对环境的智能感知和调节。此外，该系统还通过传感器监测温室大棚的安全情况，具有消防、安防预警功能[3]。基于ZigBee技术的农业智能感知系统的设计与实现，不仅能给农业生产带来科学管理和高效益，也为农业信息化提供了可靠的硬件基础。
1 系统总体设计
ZigBee标准规定了在一个单一的网络中，最多容纳3类的节点：ZigBee汇聚节点，ZigBee路由节点和ZigBee终端节点，这些节点相互通信，可以组成不同的网络拓扑结构。通常在一个ZigBee网络中，需要有一个并且只能有一个网络协调器，即ZigBee汇聚节点，ZigBee汇聚节点需要提供路由信息、安全管理和其他服务等[4]。
系统通过温湿度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器、烟雾传感器和人体红外传感器采集数据，采集的数据经过格式转换后由ZigBee终端节点经由ZigBee网络发送到ZigBee协调器上，并上传至于ZigBee协调器相连的上位机（PC端），进而由上位机的监控软件对数据进行动态分析和绘制；同时可以通过与上位机相连的GSM模块，经由电信网将采集的数据发送至用户手机等移动终端，实现对作物生长环境的智能感知。根据终端节点采集的信息，用户可以在PC端和移动终端实现手动或者自动对各种电气设备的远程控制，从而实现对温室大棚环境的智能调节。系统总体结构如图1所示。
2 系统功能设计
2.1 ZigBee收发模块设计
该模块使用CC2530F256芯片作为控制器和收发器。CC2530不但具有代码预取功能的高性能、低功耗的8051微控制器内核，而且具有RF收发器的优良性能，结合TI公司的ZStack 协议栈，可以实现智能控制和自动组网。
CC2530芯片内置了32 MHz、32 768 kHz的晶体振荡器和32 KHz、16 MHz的RC振荡器，可以通过设置不同的工作模式而使之适应超低功耗的要求，并且模式之间的转换时间短，进一步确保了低能源消耗。此外，CC2530还内置了丰富的通信接口资源，除了21个通用I/O口外，还有具有8路输入和可配置分辨率的12位ADC以及2个支持多种串行通信协议的USART接口，可以满足与不同传感器接口通信和易扩展性的需要。CC2530节点如图2所示。 2.2 温湿度传感器
系统选用DHT11数字温湿度传感器。DHT11是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，测量范围为0～50 ℃，20%～90%RH，温湿度精度分别为±2 ℃和±5%，具有响应快、抗干扰能力强、性价比高等特点。传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，可以同时输出环境温度和湿度信息，一次完整的数据传输为40 bit，高位先出。
输出格式为：8 bit湿度整数数据+8 bit湿度小数数据+8 bit溫度整数数据+8 bit温度小数数据+8 bit校验和。
温温度传感器可以通过单总线外接一个5～10 K的上拉电阻与微控制器相连，原理如图3所示。
2.3 光照传感器
光照传感器模块采用光电二极管检测电路实现。光电二极管在电路中处于反向偏置，在没有光照时，反向电阻很大，反向电流很小；当光照到PN结上时，使PN结附近产生光电子和光生空穴对，使少数载流子浓度大大增加，反向电流随之增大，从而实现把。光信号转换为电信号[5]，经LM393双电压比较器放大后输出。
2.4 气体传感器 气体传感器选用MG811固体电解质传感器模块、MQ2模块气体传感器。
MG811可测量CO2浓度范围为0～10 000 ppm。MG811 为电化学原理工作，探头稳定工作需要6 V直流电源供电，使用前需要预热2～5 min，不可带电热插拔，探测方向不可随意改变。MQ2气体传感器所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡（SnO2）。当传感器所处环境中存在可燃气体时，传感器的电导率随空气中可燃气体浓度的增加而增大[6-7]。通过电路可将电导率的变化转换为与该气体浓度相对应的电信号。
2.5 红外热释电模块
系统采用以LHI778为感应探头的人体红外热释电模块HRSR501，具有灵敏度高，可靠性强，超低电压工作模式等特点。当人或者动物进入其感应范围时则输出高电平，同时将预警信息发送到PC端或者移动终端，并产生警报信息以避免非法闯入；人离开感应范围则自动延时关闭高电平，输出低电平。
3 系统软件设计
系统分为下位机软件设计和上位机软件设计2部分。下位机实现各传感器节点对温室大棚环境信息的采集、安全监测，与上位机实时通信的功能；上位机实现与下位机各监测点、移动终端进行通信，并将下位机采集的温湿度、二氧化碳浓度和光照强度信息进行动态分析和图形绘制，以及预警提示等功能。
下位机软件流程如图4、5所示。首先要进行协调器器和传感器节点初始化，然后ZigBee组网，扫描并设置信道，设置PAN ID和协调器地址；设置完成后进行相关环境参数采集并上传至上位机。
上位机软件设计如图6所示，主控部分首先要进行协调器的初始化和ZigBee 自动组网，上位机然后向下位机发送轮询指令或控制指令，并将协调器采集到的数据进行读取、分析、显示、存储，并能发送指令给协调器从而对控制节点进行决策控制，同时还可以将数据信息发送至移动终端。
上位机界面功能结构如图7所示。用户管理界面用于用户登录、登录管理，用户按权限分为管理员（Admin）和普通用户。Admin具有最高权限，可以管理其他用户及其权限，在登录界面可以实现用户登录、管理已注册用户、删除已注册用户、修改用户密码等操作。
主菜单有6个图标，通过单击不同图标切换到不同的界面。
主菜单操作界面主要有以下功能：
（1）参数配置。用于配置串口通信参数与数据刷新间隔、自动控制的配置、登录和退出系统。
（2）数据显示。显示当前时刻各传感器采集的环境参数，并实时绘制温湿度变化情况。
（3）节点控制。设置节点传感器以及电气设备的工作状态，自动/手动切换，设置开启电气设备的方式。
（4）节点状态。显示当前ZigBee网络中除协调器节点外所有节点的工作状态是否正常。
（5）数据分析。对一天或一周数据进行分析。
（6）GSM配置。检验GSM模块是否工作正常，设置短信白名单功能，即只有在该系统注册的手机号码才能与系统通信。
4 数据传输协议设计
4.1 下位机与上位机通信
ZSTACK协议栈具有通信冲突检测和数据CRC校验功能，即使多个节点同时通信，也不会引发数据冲突，从而保证了通信的可靠性[8]。协调器与上位机通信时，一帧完整的数据包含7 bit，分别由帧头（1 bit）、数据（5 bit）、帧尾（1 bit）组成。协调器负责将不同终端节点上传的数据封装成帧，然后将一帧数据发送给上位机，上位机收到一帧完整的数据后，通过识别帧头来判断什么类型节点的数据。
帧头：用来识别一帧数据的开始，不同类型的节点或传感器的数据用不同的帧头标识。
数据：数据格式长度为5 bit，不足5 bit补“0”至定长。
帧尾：用于识别一帧数据的结束。当上位机收到协调器发来的一帧数据时，识别到数据的第7个字节是字母‘D’时，一帧数据结束。系统通信协议格式如表1所示。
4.2 移动终端通信指令
移动终端可以接收或者手动索取PC端接收的各传感器节点的数据信息，然后按照表2和表3的指令格式远程控制电气设备的开关或者索取即时环境参数。
5 系统测试与数据分析
系统对温室内的温湿度、光照强度和二氧化碳浓度进行实时监测，根据作物的生长规律，系统每隔20 min采集一次数据[9]。如表4所示为部分实验结果，上位机显示结果如图8所示，图9为全天温度值分析情况。
测试结果显示，该系统运行方便、稳定，实用性强。
6 总结 基于ZigBee技術的农业智能感知系统的设计与实现，使温室大棚时刻处于多传感器智能感知的网络中，管理人员通过上位机软件和移动终端可以即时了解农作物的生长环境，并可以对温室大棚内电气设备实时控制，从而提高资源利用率和生产水平，给农业生产带来科学管理和高效益。根据节点耗能的特点将节点分为低耗节点和高耗节点，给高耗节点辅以太阳能供电，以满足节能环保的要求。考虑到大面积、远距离监控的要求，后续工作考虑实现ZigBee网络直接接入电信网以及实现GPS定位功能。
参考文献
[1]XIAO L，GUO L J.The Realization of Precision Agriculture Monitoring System Based on Wireless Sensor Network[C]//2010 International Conference on Computer and Communication Technologies in Agriculture Engineering，2010：89-92.
[2] 孙忠富，杜克明，尹首一.物联网发展趋势和与农业应用展望[J].农业网络信息，2010（5）：5-8.
[3] 牛磊.基于农业物联网的田间环境监控系统的设计与实现[D].武汉：中南民族大学，2012.
[4] 张晓龙.基于ZigBee的农业温室大棚监控系统的设计与实现[D].北京：北京邮电大学，2011.
[5] 徐科军.传感器与检测技术[M].北京：电子工业出版社，2011：97-106.
[6] 陈迎春.基于物联网和NDIR的可燃气体探测技术研究[D].合肥：中国科学技术大学，2014.
[7] 姜斌.基于多传感器的火灾自动报警器的设计[D].哈尔滨：黑龙江东方学院，2014.
[8] AHMET R，HASAN A.Channel estimation by using short training sequences in CDMA systems [J].Wireless Personal Communications，2008，3（4）：359-371.
[9] YUAN Y，SU H G.The study of wireless network applications based on ZigBee technology[J].Computer Applications and Software，2004（6）：89-91.