廖建尚

摘 要：通過(guò)分析ZigBee協(xié)議，利用物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，完成了基于CC2530和ZigBee的智能農(nóng)業(yè)溫濕度采集系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)封裝設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)大棚的溫度、濕度環(huán)境信息的采集，達(dá)到了良好效果，從而為實(shí)現(xiàn)智能農(nóng)業(yè)溫室大棚的環(huán)境信息采集提供了一種科學(xué)方法。

關(guān)鍵詞：ZigBee；物聯(lián)網(wǎng)；智能農(nóng)業(yè)；溫濕度采集

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）08-00-05

0 引 言

我國(guó)目前農(nóng)村務(wù)農(nóng)人數(shù)正在不斷減少，原先的個(gè)體小規(guī)模種植模式也將會(huì)向大規(guī)模種植管理模式轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)由少數(shù)人完成農(nóng)業(yè)生產(chǎn)任務(wù)，這種發(fā)展趨勢(shì)必然要由科學(xué)技術(shù)來(lái)承載。因此提高效率，減少傳統(tǒng)的人員操作是對(duì)未來(lái)農(nóng)業(yè)發(fā)展的要求[1-3]。農(nóng)業(yè)的智能化、自動(dòng)化也是未來(lái)農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向。我國(guó)農(nóng)業(yè)主要呈現(xiàn)以下幾個(gè)方面的現(xiàn)狀[4]：

（1）農(nóng)業(yè)的信息化、智能化程度低。我國(guó)現(xiàn)在大部分地方依然是靠傳統(tǒng)的人力農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，科技在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用水平也較低。農(nóng)業(yè)的發(fā)展急需科技方面的資金、技術(shù)，因此需要科研人員在農(nóng)業(yè)的信息化、智能化方面進(jìn)行更多的科研投入。

（2）隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，務(wù)工人數(shù)增多，導(dǎo)致農(nóng)村務(wù)農(nóng)人數(shù)減少，出現(xiàn)土地荒廢的情況，這也決定了今后農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)必將由少數(shù)人來(lái)完成。

（3）我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，對(duì)農(nóng)作物產(chǎn)品的需求也是極其龐大的，而受季節(jié)影響，農(nóng)作物的生產(chǎn)只能按季種植。因此，農(nóng)業(yè)大棚的產(chǎn)生與應(yīng)用，促進(jìn)了農(nóng)作物的年產(chǎn)量，減小了季節(jié)對(duì)作物生長(zhǎng)的限制。農(nóng)業(yè)大棚的數(shù)量在大規(guī)模增加，農(nóng)業(yè)大棚目前信息化、智能化程度低，大部分管理工作仍需人工完成。

本文采用 ZigBee 無(wú)線傳輸技術(shù)構(gòu)建無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，研究應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)和云平臺(tái)技術(shù)實(shí)時(shí)收集農(nóng)業(yè)大棚的環(huán)境信息，如空氣溫度、空氣濕度等，并根據(jù)需要進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，農(nóng)業(yè)環(huán)境信息可以幫助專業(yè)機(jī)構(gòu)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、整理、融合，并對(duì)災(zāi)害進(jìn)行預(yù)測(cè)。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)上的應(yīng)用，可以促進(jìn)科學(xué)種植，提高產(chǎn)品綜合效益，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化和信息化。

1 ZigBee協(xié)議

基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee技術(shù)是一種近距離低復(fù)雜度低功耗低速率低成本的雙向無(wú)線通訊技術(shù)，目前廣泛應(yīng)用到了物聯(lián)網(wǎng)、家庭自動(dòng)化、家庭安防、工業(yè)與環(huán)境控制等領(lǐng)域[5]。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)中存在三種邏輯設(shè)備類型：協(xié)調(diào)器（Coordinator），路由器（Router）和終端設(shè)備（End-Device）。一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)協(xié)調(diào)器、多個(gè)路由器和多個(gè)終端設(shè)備組成。

1.1 ZigBee協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

1.1.1 協(xié)調(diào)器（Coordinator）

協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)啟動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，它也是網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)設(shè)備。協(xié)調(diào)器選擇一個(gè)信道和一個(gè)網(wǎng)絡(luò)ID（PAN ID，即Personal Area Network ID），隨后啟動(dòng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器的角色主要涉及啟動(dòng)和配置網(wǎng)絡(luò)，一旦這些工作都完成后，協(xié)調(diào)器就類似一個(gè)路由器。

1.1.2 路由器（Router）

路由器的功能主要是允許其他終端設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)之前，必須加入一個(gè)由協(xié)調(diào)器啟動(dòng)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，加入網(wǎng)絡(luò)后，允許路由和終端節(jié)點(diǎn)加入，可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行路由 ，必須常電供電，不能進(jìn)入睡眠模式，可以為睡眠的終端節(jié)點(diǎn)保留數(shù)據(jù)，至其喚醒后獲取。

1.1.3 終端設(shè)備（End-Device）

終端設(shè)備用于數(shù)據(jù)采集或者執(zhí)行控制任務(wù)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)之前，必須加入一個(gè)由協(xié)調(diào)器啟動(dòng)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)，不能允許其他設(shè)備加入，必須通過(guò)其父節(jié)點(diǎn)收發(fā)數(shù)據(jù)，不能對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行路由，可由電池供電，進(jìn)入睡眠模式。

1.2 ZigBee協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

ZigBee協(xié)議有物理層、MAC層、應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層組成，如圖2所示，物理層通過(guò)物理層數(shù)據(jù)服務(wù)接入點(diǎn)（PD-SAP）提供物理層數(shù)據(jù)服務(wù)；MAC層提供特定服務(wù)會(huì)聚子層和物理層之間的接口，通過(guò)MAC公共部分子層的數(shù)據(jù)SAP提供MAC數(shù)據(jù)服務(wù)；應(yīng)用層支持子層提供了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層之間的接口，功能是通過(guò)ZDO和定義的應(yīng)用對(duì)象都可以使用的一組服務(wù)來(lái)實(shí)現(xiàn)；網(wǎng)絡(luò)層提供的服務(wù)包括配置新設(shè)備、創(chuàng)建新網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備請(qǐng)求加入/離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)和ZigBee協(xié)調(diào)器或路由器請(qǐng)求設(shè)備離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)、尋址、近鄰發(fā)現(xiàn)、路由發(fā)現(xiàn)、接收控制等功能。

1.2.1 Z-Stack

Z-Stack[6，7]是TI公司開(kāi)發(fā)的開(kāi)源ZigBee協(xié)議棧，Stack協(xié)議棧中提供了一個(gè)名為操作系統(tǒng)抽象層OSAL的協(xié)議棧調(diào)度程序， Z-Stack協(xié)議棧操作的具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)都被封裝在庫(kù)代碼中，開(kāi)發(fā)者直接調(diào)用API，無(wú)需知道協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。Z-Stack采用分層的軟件結(jié)構(gòu)定義了通信硬件和軟件在每個(gè)分層里怎樣協(xié)調(diào)工作，協(xié)議棧的各層相對(duì)獨(dú)立，每一層都提供相應(yīng)的服務(wù)，設(shè)計(jì)者只關(guān)心與他的工作直接相關(guān)的那些層的協(xié)議，為設(shè)計(jì)帶來(lái)極大的方便，協(xié)議棧的每個(gè)工程都包含用戶應(yīng)用層、硬件抽樣層、物理層、網(wǎng)絡(luò)層、操作系統(tǒng)抽樣層和設(shè)備對(duì)象層等目錄文件。

任務(wù)的執(zhí)行通過(guò)系統(tǒng)消息進(jìn)行調(diào)用，在初始化函數(shù)osalInitTasks中對(duì)任務(wù)進(jìn)行初始化，為每一個(gè)任務(wù)分配一個(gè)ID號(hào)，任務(wù)保存在tasksArr[]數(shù)組，通過(guò)循環(huán)查詢獲取相應(yīng)的ID號(hào)進(jìn)入對(duì)應(yīng)的任務(wù)處理程序，本課題研究采用的是SampleApp_ProcessEvent這個(gè)任務(wù)。

1.2.2 Z-Stack協(xié)調(diào)器、終端和路由器的聯(lián)網(wǎng)過(guò)程

首先，ZigBee協(xié)調(diào)器上電以后，周期發(fā)送空的數(shù)據(jù)包，在允許通道內(nèi)搜索其他ZigBee協(xié)調(diào)器，并基于每個(gè)允許通道中所檢測(cè)到的通道能量及網(wǎng)絡(luò)號(hào)，選擇惟一的16位PAN ID，建立自己的網(wǎng)絡(luò)[4]。一旦一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)被建立，ZigBee路由器與終端設(shè)備就可以加入到網(wǎng)絡(luò)中了。而終端設(shè)備上電以后，重復(fù)發(fā)送信標(biāo)請(qǐng)求，要求加入到最近的網(wǎng)絡(luò)中。當(dāng)協(xié)調(diào)器發(fā)現(xiàn)終端設(shè)備發(fā)出的信標(biāo)請(qǐng)求，則響應(yīng)一個(gè)超幀結(jié)構(gòu)，用于設(shè)備間的同步，一旦同步成功，則實(shí)現(xiàn)圖5中的關(guān)聯(lián)過(guò)程，由終端設(shè)備向協(xié)調(diào)器發(fā)送關(guān)聯(lián)請(qǐng)求，協(xié)調(diào)器同意則回應(yīng)終端設(shè)備并自動(dòng)分配16位的短地址，至此，兩者組網(wǎng)成功[7]。

2 硬件設(shè)計(jì)

為了使用Z-Stack無(wú)線通信協(xié)議，本研究的硬件模塊用CC2530實(shí)現(xiàn)，TI公司已經(jīng)在CC2530集成了ZigBee系統(tǒng)，CC2530設(shè)備使用8051CPU內(nèi)核[8]。它有三個(gè)不同的存儲(chǔ)器訪問(wèn)總線（SFR、DATA和CODE/XDATA），以單周期訪問(wèn)SFR、DATA和主SRAM。它還包括一個(gè)調(diào)試接口和一個(gè)18輸入輸出的擴(kuò)展中斷單元，CC2530提供了一2.4 GHz的IEEE802.15.4兼容無(wú)線收發(fā)器。RF內(nèi)核控制模擬無(wú)線模塊。

DHT11數(shù)據(jù)通信是單總線協(xié)議，只要一根數(shù)據(jù)線就可以完成數(shù)據(jù)通信，接法簡(jiǎn)單，除去兩個(gè)電源接口后，將其數(shù)據(jù)接口接入CC2530的一個(gè)GPIO口，本設(shè)計(jì)將數(shù)據(jù)接口接入CC2530的P1_0。

3 軟件設(shè)計(jì)

結(jié)合ZigBee的協(xié)議，將軟件設(shè)計(jì)分成節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集模塊、節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)模塊、協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)通信模塊，數(shù)據(jù)采集模塊主要完成DHT11的溫濕度采集；節(jié)點(diǎn)監(jiān)測(cè)模塊負(fù)責(zé)將節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器；協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)計(jì)負(fù)責(zé)將收集的數(shù)據(jù)發(fā)送到云終端服務(wù)器。

3.1 節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

采集濕度和溫度DHT11與CC2530之間能采用簡(jiǎn)單的單總線進(jìn)行通信[8]，僅僅需要一個(gè)口數(shù)據(jù)格式采用單總線格式，即單個(gè)數(shù)據(jù)引腳端口完成輸入輸出雙向傳輸，其數(shù)據(jù)包由5個(gè)字節(jié)組成，數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分，一次完整的數(shù)據(jù)傳輸為40位，具體的數(shù)據(jù)格式為： 8位濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8位濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8位溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8位溫度小數(shù)數(shù)據(jù)+8位校驗(yàn)和，校驗(yàn)和數(shù)據(jù)等于“8 b濕度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 b濕度小數(shù)數(shù)據(jù)+8 b溫度整數(shù)數(shù)據(jù)+8 b溫度小數(shù)數(shù)據(jù)”等于結(jié)果的末8位。

根據(jù)0時(shí)序和1時(shí)序圖可知，其區(qū)別在于總線拉低50 μs后，自動(dòng)拉高，這時(shí)候延時(shí)大約30 μs，判斷是否高電平，如果總線拉低了，則表示為數(shù)字0；如果總線還是高電平，則表示數(shù)字1。圖4所示識(shí)別0和1信號(hào)的程序及代碼。

數(shù)據(jù)由5個(gè)字節(jié)組成，數(shù)據(jù)分小數(shù)部分和整數(shù)部分，根據(jù)0和1時(shí)序圖，每個(gè)字節(jié)有8位組成，即每次循環(huán)讀取8位，共讀5次，實(shí)現(xiàn)流程和代碼如圖5所示。

圖6是CC2530讀取DHT11數(shù)據(jù)的時(shí)序圖。根據(jù)圖6，設(shè)計(jì)的讀取數(shù)據(jù)流程如下：

（1）拉低總線，通過(guò)設(shè)計(jì)連接的IO口將其拉低；（2）延時(shí)18 ms，拉高總線；（3）延時(shí)40 us，等待總線拉低，如果總線拉低，說(shuō)明DHT11有響應(yīng)信號(hào)；（4）將總線拉高，開(kāi)始輸出數(shù)據(jù)；（5）讀取濕度整數(shù)部分；（6）讀取濕度小數(shù)部分；（7）讀取溫度整數(shù)部分；（8）讀取溫度小數(shù)部分；（9）讀取校驗(yàn)位；（10）數(shù)據(jù)讀取后，拉高總線。

DHT11的數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)后，通過(guò)調(diào)用DHT11_read接口，把溫度和濕度值讀取出來(lái)。

3.2 網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)計(jì)

3.2.1 終端監(jiān)測(cè)模塊的網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)計(jì)

ZigBee設(shè)備有兩種類型的地址。一種是64位IEEE地址，即MAC地址，稱為長(zhǎng)地址，可以利用NLME_GetExtAddr（）獲取，或者是直接從地址中讀取；另一種是16位網(wǎng)絡(luò)地址，稱為短地址，可以使用NLME_GetShortAddr（）獲得。64位地址是全球唯一的地址，由IEEE來(lái)維護(hù)和分配。16位網(wǎng)絡(luò)地址是當(dāng)設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)后分配的。它在網(wǎng)絡(luò)中是唯一的，用來(lái)在網(wǎng)絡(luò)中鑒別設(shè)備和發(fā)送數(shù)據(jù)。

終端和協(xié)調(diào)器聯(lián)網(wǎng)成功后，每片CC2530擁有唯一的MAC地址，在識(shí)別無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中，將MAC地址發(fā)送給協(xié)調(diào)器進(jìn)行注冊(cè)，終端設(shè)備主動(dòng)發(fā)送CC2530的MAC地址給協(xié)調(diào)器進(jìn)行登記，注冊(cè)后就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，設(shè)備終端的實(shí)現(xiàn)代碼如下：

3.2.2 協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器通過(guò)識(shí)別終端發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析，首先確認(rèn)MAC地址，第一次MAC地址保存，以后接收數(shù)據(jù)，只要是存在的MAC地址，則更新其短地址，更新后就可以接收數(shù)據(jù)。

3.3 數(shù)據(jù)封裝設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)封裝的目的是為了更好地完成終端和協(xié)調(diào)器的通信，采用合適的通信協(xié)議，可以簡(jiǎn)化軟件設(shè)。

設(shè)計(jì)發(fā)送數(shù)據(jù)包為可變長(zhǎng)的，0～7位為MAC地址，用來(lái)確認(rèn)是哪個(gè)模塊的數(shù)據(jù)，第8位數(shù)值為1是數(shù)據(jù)采集傳感器采集信息，如溫濕度傳感器，2是控制設(shè)備命令，如電機(jī)控制命令，第9位存儲(chǔ)溫度值，第10位存儲(chǔ)濕度值，第10位為數(shù)據(jù)包結(jié)束標(biāo)志。在協(xié)調(diào)器和節(jié)點(diǎn)終端都遵循同樣的通信協(xié)議分析與控制。

3.3.1 節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)封裝設(shè)計(jì)

根據(jù)通信協(xié)議，將獲取的溫度和濕度相應(yīng)封裝，通過(guò)函數(shù)AF_DataRequest（），將數(shù)據(jù)Send _Data發(fā)送給協(xié)調(diào)器。

3.3.2 協(xié)調(diào)器接收數(shù)據(jù)和轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)計(jì)

傳輸部分設(shè)計(jì)為每一個(gè)終端節(jié)點(diǎn)配置一個(gè)唯一的設(shè)備編號(hào)并且運(yùn)用設(shè)備編號(hào)為每一個(gè)終端配置一個(gè)唯一的協(xié)調(diào)器接收上位機(jī)的命令，包括兩種格式：一種不帶設(shè)備編號(hào)參數(shù)，即需要所有終端節(jié)點(diǎn)響應(yīng)處理；一種是帶設(shè)備編號(hào)參數(shù)，僅需該設(shè)備編號(hào)的終端節(jié)點(diǎn)響應(yīng)，協(xié)調(diào)器收到上位機(jī)或者服務(wù)器的命令時(shí)會(huì)做出相應(yīng)的判斷，在接收數(shù)據(jù)過(guò)程中獲取MY_CLUSTERID，進(jìn)行查詢。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文利用物聯(lián)網(wǎng)知識(shí)，采用一種基于CC2530和DHT11的實(shí)現(xiàn)方法，完成了溫濕度數(shù)據(jù)的采集，應(yīng)用于智能農(nóng)業(yè)大棚，取得了良好效果，為進(jìn)一步農(nóng)業(yè)自動(dòng)化提供了一個(gè)科學(xué)方法，為解決我國(guó)目前農(nóng)村務(wù)農(nóng)人數(shù)減少，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模種植管理模式轉(zhuǎn)變提供了一種實(shí)現(xiàn)方式。

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