湖北工業(yè)大學機械工程學院 涂文奇 朱鄖濤 劉嘉誠

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能農業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)

湖北工業(yè)大學機械工程學院 涂文奇 朱鄖濤 劉嘉誠

針對目前的人工成本日益高漲，而傳統(tǒng)的農業(yè)生產方式制約農業(yè)進一步發(fā)展空間，因此需要設計一種智能農作物監(jiān)控系統(tǒng)，使能夠遠程監(jiān)控農作物的生長情況，以便及時作出相應的處理，此系統(tǒng)采用CC2530作為ZigBee監(jiān)控網(wǎng)絡節(jié)點，采集農作物生長環(huán)境的各種數(shù)據(jù)，STM32F407作為網(wǎng)關負責對數(shù)據(jù)的接受、處理和轉發(fā)，通過Internet網(wǎng)絡使用電腦或手機對農作物的生長環(huán)境進行監(jiān)控，本系統(tǒng)有著操作簡單，自動化程度高，方便擴展和集中式監(jiān)控等特點，滿足農業(yè)對大規(guī)模的監(jiān)控的要求。

智能農業(yè);ZigBee;STM32F407；Internet

0 引言

隨著現(xiàn)代農業(yè)的發(fā)展，農業(yè)智能化生產廣泛的使用，一定程度地提高了農業(yè)的生產水平，但由于缺乏統(tǒng)一的管理，導致管理任務繁重，制約了智能農業(yè)的進一步發(fā)展，最近幾年物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，尤其是zigbee低功耗，低成本，高安全性的特性，被廣泛應用于傳感與控制領域。尤其是強大的組網(wǎng)能力，可對農業(yè)智能生產的統(tǒng)一管理，減輕管理人員的工作負擔，對農業(yè)生產水平的提高具有重要的意義。

1 系統(tǒng)總體結構

整個監(jiān)控系統(tǒng)由ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點、網(wǎng)關+zigbee協(xié)調器、電腦或手機監(jiān)控終端3部分組成。其中ZigBee網(wǎng)絡節(jié)點連接著空氣溫濕度傳感器、光照傳感器、二氧化碳傳感器、土壤溫濕度傳感器和電磁閥等，并通過zigbee網(wǎng)絡將各自的監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送給zigbee協(xié)調器統(tǒng)一轉發(fā)。STM32F407微處理器作為網(wǎng)關，負責一定區(qū)域的zigbee網(wǎng)絡節(jié)點的管理維護，主要是負責節(jié)點數(shù)據(jù)的分析，控制終端數(shù)據(jù)的處理和轉發(fā)，并按照TCP/IP協(xié)議編寫數(shù)據(jù)包轉發(fā)機制，使用網(wǎng)絡模塊將數(shù)據(jù)包發(fā)送至Internet網(wǎng)絡。監(jiān)控終端可由電腦的應用程序或手機的APP應用程序負責監(jiān)控。

2 硬件實現(xiàn)方案

2.1 網(wǎng)關結構設計

網(wǎng)關采用組合式設計，組裝簡單，便于后期升級維護。網(wǎng)關結構見圖2，網(wǎng)關主板與各部分連接，主板連接zigbee協(xié)調器和網(wǎng)絡模塊，電源部分采用5V1A直流供電。網(wǎng)關采用STM32103ZET6微處理器芯片，具有SPI、UART、USB、CAN等多種的類型的接口，可實現(xiàn)高效的系統(tǒng)管理功能；支持UC/OS-II、嵌入式Linux等操作系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)設計總體框圖

圖2 網(wǎng)關模塊結構圖

2.2 ZigBee節(jié)點方案設計

Zigbee是一種具有低功耗、低成本、短延時、高安全、自動組網(wǎng)能力強等特點的無線通信技術。遵循IEEE802.15.4標準和zigbee聯(lián)盟定義標準，完整的zigbee協(xié)議層由物理層、介質訪問控制層、網(wǎng)絡層、安全層和高層應用規(guī)范組成，支持樹形、網(wǎng)狀等多種拓撲結構。

cc2530是TI公司的zigbeesoc解決方案，它能夠以非常低的成本建立起強大的網(wǎng)絡節(jié)點，cc2530結合了領先的RF收發(fā)器的優(yōu)良性能，業(yè)界標準的增強型8051cpu，系統(tǒng)內可編程閃存，8-KBram和許多其他強大的功能。Cc2530具有不同的運行模式，使得它尤其適應超低功耗要求的系統(tǒng)。運行模式之間的轉換時間短進一步確保了低能耗消耗。

3 軟件設計方案

3.1 節(jié)點數(shù)據(jù)幀

Zigbee節(jié)點上電啟動后，開始自動組建網(wǎng)絡，組網(wǎng)成功后開始上傳組網(wǎng)信息數(shù)據(jù)包，并開始采集農作物的生長環(huán)境，定時上傳數(shù)據(jù)，節(jié)點如圖3所示，在zigbee數(shù)據(jù)協(xié)議幀格式的基礎上加入自定義的數(shù)據(jù)，包括傳感器類型占用4bit，判斷數(shù)據(jù)來自何種傳感器，傳感器編號占用8bit，用來區(qū)分節(jié)點，數(shù)據(jù)類型占用4bit，用來判斷是數(shù)據(jù)還是命令。采集時間占用6byte，方便分析對應時間點的數(shù)據(jù)，節(jié)點電量占用1byte，用于查詢節(jié)點電量，便于掌握節(jié)點工作情況，傳感器數(shù)據(jù)占用20byte，用于傳感器接受的命令指令或發(fā)送的傳感器采集數(shù)據(jù)，也便于以后的數(shù)據(jù)幀擴展等組成。

表1 節(jié)點數(shù)據(jù)幀格式

3.2 網(wǎng)關軟件設計

LWIP是瑞典計算機科學院(SICS)的AdamDunkels等開發(fā)的一個小型開源的TCP/IP協(xié)議棧，是TCP/IP的一種實現(xiàn)方式。，LWIP實現(xiàn)的重點是在保持TCP協(xié)議主要功能的基礎上減少對RAM的占用，它只需十幾KB的RAM和40K左右的ROM就可以運行，包括TCP、UDP、ICMP、DHCP、PPP和ARP等常見協(xié)議的所有或部分功能，而且提供了類似伯克利TCP/IP的API函數(shù)，使LWIP協(xié)議棧十分適合在低端的嵌入式系統(tǒng)中使用。

網(wǎng)關采用可靠的tcp傳輸協(xié)議，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

如下圖所示，數(shù)據(jù)發(fā)送的發(fā)起者是應用層。首先是應用層調用ip_write（）函數(shù)，接著就是再將控制權交給tcp_ enqueue（）函數(shù)，使數(shù)據(jù)分割成適當大小的TCP段，然后放到所屬連接的傳輸隊列中。然后通過tcp_output（）函數(shù)判斷接收器窗口是否有足夠大的空間，如果空間滿足，就使用ip_route（）及ip_output_if（）函數(shù)發(fā)送數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)接受的發(fā)起者是網(wǎng)口接口層，首先是網(wǎng)口接口將數(shù)據(jù)包傳送給ip_input（）函數(shù)，經過驗證IP頭后傳給TCP段給tcp_input()函數(shù)。經過TCP解析和TCP連接。這個TCP段到達tcp_process（）函數(shù)，實現(xiàn)了TCP狀態(tài)機，任何必要的狀態(tài)轉換在這里實現(xiàn)，最終tcp_receive（）函數(shù)將數(shù)據(jù)傳送給上層的應用程序，完成接受過程。

4 總結

本文設計了基于zigbee和STM32F407的智能農業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用zigbee協(xié)議組建監(jiān)控網(wǎng)絡，實現(xiàn)了對農作物生長環(huán)境和設備的統(tǒng)一管理，讓管理者通過終端訪問和控制監(jiān)控系統(tǒng)的信息和設備。整個系統(tǒng)安裝簡單、擴展性強、時間便捷，管理者可通過自己需要合理配置不同的zigbee終端節(jié)點，為系統(tǒng)大規(guī)模應用打下了奠定的基礎。

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2016-02-25）