基于ＺｉｇＢｅｅ的互聯(lián)網(wǎng)＋智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　摘要：針對(duì)如今基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)表現(xiàn)出的一些問題，提出了一種改良的設(shè)計(jì)方案。其進(jìn)一步減輕了資金上的成本負(fù)擔(dān)與農(nóng)民使用的學(xué)習(xí)成本，除大規(guī)模農(nóng)場化的種植集團(tuán)外，還可推廣至普通的個(gè)體種植戶。通過Ｚｉｇ－Ｂｅｅ技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng)，將終端設(shè)備分布在農(nóng)作物周圍，用戶可以通過手機(jī)應(yīng)用程序遠(yuǎn)程獲取終端設(shè)備附近的環(huán)境信息，并利用繼電器開關(guān)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程澆水等功能。由于采用光伏－蓄電池供電與子節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)行低功耗休眠的方案，該系統(tǒng)達(dá)到了低成本、低功耗和高可靠性三者的平衡。

　　關(guān)鍵詞：ＺｉｇＢｅｅ技術(shù)；物聯(lián)網(wǎng)；智慧農(nóng)業(yè)；ＣＣ２５３０

　　０引言

　　農(nóng)業(yè)歷來被認(rèn)為是穩(wěn)民心、安天下的產(chǎn)業(yè)，但伴隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，環(huán)境惡化和資源稀缺的矛盾越來越顯著。為了保障農(nóng)產(chǎn)品的供給量不下降和保證食品安全與生態(tài)環(huán)境安全、提高農(nóng)業(yè)管理的精細(xì)化程度、實(shí)現(xiàn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，要充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在監(jiān)測土壤和水資源參數(shù)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)真正的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化［１］。

　?。毕到y(tǒng)結(jié)構(gòu)與基本原理

　　項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)圖如圖１所示。本項(xiàng)目由４個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)（一個(gè)協(xié)調(diào)器和三個(gè)終端設(shè)備）、通用無線分組業(yè)務(wù)（ＧｅｎｅｒａｌＰａｃｋｅｔＲａｄｉｏＳｅｒｖｉｃｅ，ＧＰＲＳ）模塊［２］、繼電器模塊和手機(jī)應(yīng)用程序構(gòu)成。傳感器放置于外部環(huán)境中，負(fù)責(zé)采集溫濕度和光照數(shù)據(jù)信息，并僅與協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信，協(xié)調(diào)器是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心，負(fù)責(zé)組建網(wǎng)絡(luò)并將節(jié)點(diǎn)加入到網(wǎng)絡(luò)中來，接收處理來自子節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)或發(fā)送命令至子節(jié)點(diǎn)，同時(shí)還與ＧＰＲＳ模塊相連，通過短信的方式與手機(jī)應(yīng)用程序通信。

　?。补δ苄孕枨蠓治?/p>

　?。玻眳f(xié)調(diào)器及各子節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)組網(wǎng)

　　作為物聯(lián)網(wǎng)的靈魂和核心，組網(wǎng)功能是必不可少的。在本項(xiàng)目中，要求每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都擁有自己的網(wǎng)絡(luò)ＩＤ號(hào)，其中主控節(jié)點(diǎn)（協(xié)調(diào)器）先自行組網(wǎng)，后等待各個(gè)子節(jié)點(diǎn)加入，最終形成一個(gè)完整的ＺｉｇＢｅｅ星狀網(wǎng)絡(luò)，這一過程可細(xì)分為兩個(gè)步驟：網(wǎng)絡(luò)初始化和節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。其中網(wǎng)絡(luò)初始化的流程［４］如下所示：①確定網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器；②進(jìn)行信道掃描過程；③設(shè)置網(wǎng)絡(luò)ＩＤ。

　?。玻矃f(xié)調(diào)器發(fā)送信息的單播與廣播

　　對(duì)于用戶來說，有時(shí)只需要獲取一個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，因此為了減少能耗沒必要向所有子節(jié)點(diǎn)發(fā)送請(qǐng)求數(shù)據(jù)信息，這時(shí)以點(diǎn)播方式發(fā)送信息的必要性就凸顯出來了。在本項(xiàng)目的抽象模型中，點(diǎn)播描述的就是網(wǎng)絡(luò)中兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間相互通信的過程，具體通過１６位短地址來確定通信對(duì)象［５］。

　　２．３ＧＰＲＳ接收／發(fā)送短信功能

　?。牵校遥邮怯脩敉ㄟ^手機(jī)應(yīng)用程序與ＺｉｇＢｅｅ通信之間的紐帶［６］，首先現(xiàn)在ＺｉｇＢｅｅ應(yīng)用層和手機(jī)應(yīng)用程序中規(guī)定好短信來往的格式與含義，在設(shè)備加電組網(wǎng)后，用戶執(zhí)行相關(guān)操作，應(yīng)用程序會(huì)調(diào)用短信功能向目標(biāo)號(hào)碼發(fā)出編譯后的指令，ＧＰＲＳ模塊接收短信后即將短信內(nèi)容傳輸給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器完成相應(yīng)工作后得到反饋，再將這些信息打包后通過ＧＰＲＳ模塊發(fā)送給手機(jī)，手機(jī)收到后會(huì)在屏幕上將內(nèi)容顯示出來。

　?。掣鞴δ苣K架構(gòu)設(shè)計(jì)

　　３．１各節(jié)點(diǎn)組網(wǎng)過程設(shè)計(jì)

　?。常保眳f(xié)調(diào)器組網(wǎng)入網(wǎng)設(shè)計(jì)

　　由于在ＺｉｇＢｅｅ中只有協(xié)調(diào)器設(shè)備可以建立網(wǎng)絡(luò)，因此在建立網(wǎng)絡(luò)過程中，所有的實(shí)現(xiàn)過程都是通過原語實(shí)現(xiàn)的，首先協(xié)調(diào)器設(shè)備的應(yīng)用層調(diào)用ＮＬＭＥ＿ＮＥＴＷＯＲＫ＿ＦＯＲＭＡＴＩＯＮ．ｒｅｑｕｅｓｔ原語［８］，發(fā)出建立網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求，網(wǎng)絡(luò)層收到這個(gè)原語就要求ＭＡＣ層執(zhí)行信道能量掃描（在ＩＥＥＥＥ８０２．１５．４協(xié)議中規(guī)定，在２．４Ｇ頻段共有１６個(gè)信道，每個(gè)信道帶寬為５Ｍ）。調(diào)用ＭＬＭＥ＿ＳＣＡＮ．ｒｅｑｕｅｓｔ，主要是為了找到信道能量低于設(shè)定能量值的信道，并且標(biāo)注這些信道是可用信道，下一步在可用信道中執(zhí)行活動(dòng)情況掃描（ａｃｔｉｖｅｓｃａｎ），就是在可接收的信道搜尋ＺｉｇＢｅｅ設(shè)備，找到一個(gè)最好的信道并加以利用。

　?。常保步K端設(shè)備入網(wǎng)設(shè)計(jì)

　　為了建立連接，終端節(jié)點(diǎn)需要向協(xié)調(diào)器提出請(qǐng)求，協(xié)調(diào)器接收到節(jié)點(diǎn)的連接請(qǐng)求后根據(jù)情況決定是否允許其連接，然后對(duì)請(qǐng)求連接的節(jié)點(diǎn)作出響應(yīng)，節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器建立連接后才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)。

　　３．２ＧＰＲＳ接收／發(fā)送短信架構(gòu)設(shè)計(jì)

　?。牵校遥幽K收短信和發(fā)短信的流程圖［９］如圖５所示。ＧＰＲＳ模塊的接收短信和發(fā)送短信都是通過將短信以ＰＤＵ方式編碼成ＰＤＵ碼流［１０］，通過串口傳輸數(shù)據(jù)。ＰＤＵ編碼的短信有３種編碼類型：７－ｂｉｔ、８－ｂｉｔ和ＵＣＳ２編碼。７－ｂｉｔ編碼可以發(fā)送普通的ＡＳＣＩＩ字符，它將一串７－ｂｉｔ的字符（最高位為０）編碼成８－ｂｉｔ的數(shù)據(jù)，每８個(gè)字符可“壓縮”成７個(gè)；８－ｂｉｔ編碼通常用于發(fā)送數(shù)據(jù)消息，比如圖片和鈴聲等；而ＵＣＳ２編碼用于發(fā)送Ｕｎｉｃｏｄｅ字符。在這３種編碼方式下，ＰＤＵ串的用戶信息（ＴＰ－ＵＤ）段最大容量（可以發(fā)送的短消息的最大字符數(shù)）分別是１６０、１４０和７０。這里，將一個(gè)英文字母、一個(gè)漢字和一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)都視為一個(gè)字符。在接收短信時(shí)，首先要將短信編碼成ＰＤＵ碼流，通過串口傳送到協(xié)調(diào)器上，再對(duì)編碼的短信進(jìn)行解碼就可以將短信成功地顯示在屏幕上，并且發(fā)送給各個(gè)終端；在發(fā)送短信時(shí)，協(xié)調(diào)器將來自終端設(shè)備的需要發(fā)送的信息同樣以ＰＤＵ方式編成ＰＤＵ碼流，接著寫到ＧＰＲＳ模塊串口上，通過相關(guān)命令實(shí)現(xiàn)短信發(fā)送。

　?。聪到y(tǒng)測試

　?。矗苯M網(wǎng)測試

　　將溫濕度、光照、繼電器等傳感器與節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)，系統(tǒng)運(yùn)行正常。在手機(jī)應(yīng)用程序上發(fā)出采集全部或部分?jǐn)?shù)據(jù)的指令，全部都收到了回復(fù)。實(shí)地觀察繼電器所連接的噴水裝置在發(fā)出灌溉指令后也進(jìn)行了噴灑，表明在整個(gè)傳輸過程中丟包率極低。

　　４．２通信時(shí)間測試

　　在手機(jī)信號(hào)強(qiáng)度顯示為中等的情況下利用手機(jī)應(yīng)用程序發(fā)出１０次指令，表２記錄下每次指令從發(fā)出到接收所耗的時(shí)間。取均值后發(fā)現(xiàn)所耗時(shí)間適中，可再稍加改進(jìn)。

　　結(jié)語

　　本文以ＺｉｇＢｅｅ無線傳感器組網(wǎng)技術(shù)為核心，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)小型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的搭建，構(gòu)建了ＺｉｇＢｅｅ主控節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)，并使它們之間可以通信。在ＺｉｇＢｅｅ無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中加入ＧＰＲＳ模塊，通過ＳＩＭ卡與手機(jī)應(yīng)用程序進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程獲取數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程操控設(shè)備，減輕了操作人員的學(xué)習(xí)成本。由于采用光伏－蓄電池供電的方案并與家庭用電形成良性閉環(huán)，該系統(tǒng)滿足了低成本、低功耗和高可靠的需求，為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供了一個(gè)很好的范例。

　　參考文獻(xiàn)

　?。郏保菀?，吳永剛．串口通訊數(shù)據(jù)處理算法分析與實(shí)現(xiàn)［Ｊ］．電子世界，２０１４（１３）：１１４．

　?。郏玻蓍Z沫．ＺｉｇＢｅｅ協(xié)議棧的分析與設(shè)計(jì)［Ｊ］．電路與系統(tǒng)，２００７（５）：２０－２１．

　?。郏常荽尬娜A．ＺｉｇＢｅｅ協(xié)議棧的研究與實(shí)現(xiàn)［Ｄ］．上海：華東師范大學(xué)，２００７．

　?。郏矗菔Y挺，趙成林．紫蜂技術(shù)及其應(yīng)用［Ｍ］．北京：北京郵電大學(xué)出版社，２００６

　　王逸鵬，張激

《基于ＺｉｇＢｅｅ的互聯(lián)網(wǎng)＋智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)》

上一篇：網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)時(shí)代市場營銷策略創(chuàng)新研究

下一篇：圖像處理在農(nóng)業(yè)應(yīng)用的研究進(jìn)展