基于Zigbee的水果移植智能决策系统设计与实现

余 兵



基于Zigbee的水果移植智能决策系统设计与实现

余 兵

（漳州职业技术学院 计算机工程系，福建 漳州 363000）

为提高农业管理的智能化水平，借助Zigbee、传感器、继电器、摄像头、PDA等物联网设备与技术，设计出了智能农业领域中的决策管理系统，实现了水果移植过程中智能化管理，以及根据用户评价信息为农户改进种植环境提供了科学的决策依据，具有实际应用价值。

zigbee；无线传感网络；智能决策

1 引言

由于独特的气温、土壤条件及耕种模式，台湾水果不仅品种极其丰富，而且营养充沛、口感细腻。但价格昂贵，普通人很难品尝到台湾水果的美味，如果能把台湾水果移植到大陆，就能吃到更便宜的台湾水果。漳州与台湾一水之隔，在经济、文化、教育等多方面紧密合作。得益于与台湾中南部相似的气候，漳州为两岸农业合作提供了良好的自然条件，因此漳州与台湾的农业交流与合作更是风生水起。作为大陆台湾农民创业园的首例，创建于2005年的漳浦台湾农民创业园在两岸颇负盛名。2010年2月12日，胡锦涛总书记曾到此看望在这里创业的台商。目前，台农创园六个产业区已引进台资农业企业247家，实际利用台资3亿多美元。有如此得天独厚的环境，为台湾水果的移植提供了天然的保障。

虽然目前浙江、广东等地已经引进台湾水果进行种植，但移植后水果品质与台湾原产水果有一定的差距，我们的项目定位为对台湾水果移植后的品质进行改良，寻找一种最优的移植方案，并进行推广。该系统在实施过程中，借助Zigbee、传感器、摄像头、PDA等物联网设备与技术，在种植生产过程中，严格控制其生长环境，让它尽可能接近台湾的真实种植环境。在加工销售环节，利用RFID、二维码、条码和溯源称等设备，一方面可以让消费者放心购买；一方面可以让种植户通过消费者的反馈信息，很方便地获取该批次最受欢迎的产品出自哪个大棚，以及其整个生长周期中的环境参数，为水果移植后品质改良提供了科学依据。[1]

2 系统需求分析

2.1 系统功能需求分析

本系统建设的目标是将能够为优质农产品提供一个可移植的最佳解决方案。因此，我们对系统提出如下几个功能需求：

1.具有登录权限管理功能。在作物的整个移植过程需要经过不同的培育环节，不同的环节需要不同的操作员来执行相应的工作。

2.大棚田间管理功能。通过手持终端设备登记对大棚的各种操作，如：剪枝、喷洒农药、采收等，作为今后确定农产品移植方案的重要决策依据。

3.具有监控和报警功能。通过传感器采集大棚内部的光照、温度、湿度和土壤含水量等数据，并定时发送这些数据到服务器中。

4.历史数据数据查询功能。能够查询某个监测点或特定时间段内的历史数据，并且能够曲线化显示数据，使用户能更快速、直观的了解各测量参数的动态变化情况。

2.2 系统技术架构分析

该系统需要用到Zigbee、传感器、继电器、平板电脑、PC机、PDA、服务器等多种设备，各种设备运行平台各不一样，它们相互之间需要数据交换。为了实现跨平台访问，数据库所有操作都通过访问后台服务器中的WebService来实现，安全可靠移植性好。

系统可以让用户远程通过PC客户端或者手机客户端实时控制现场设备，需要自定义通信协议，平板电脑在整个架构中起到一个通信网关的作用，一方面把现场采集到的数据通过3G模块或者Wifi模块发送到后台数据库；一方面接受PC客户端或手机客户端发送过来的控制命令，并根据通信协议进行解析，实现不同的操作。[2]

系统中设备处于一个局域网中，用户想使用公网在远程控制现场种植环境，必须使用端口映射。

3 系统设计

3.1 系统总体设计流程

图1 系统总体设计流程图

该系统业务流程由如图1所示，具体由以下几个环节组成：

操作登记：根据专家提供的作物生长的科学依据，制定喷施农药时间、种类、计量的周期表，每次在实施过程中，使用PDA把操作内容存储在数据库中，供以后追溯和决策。

现场监控：基于农业生产环境数据，远程控制温室设施、风机等设施。用户可以基于警报系统，对某些设备进行联动控制。

进场登记：水果采摘后，进入加工环节，通过Rfid读写器读取水果包装上二维码，把该水果的生长信息存入到数据库中。

出场登记：系统对出场的产品进行登记，并生成一个唯一的追溯码，供消费者追溯查询。

种植管理：建立作物科学智能管理模块，实现标准化、集约化、精准管理。

3.2 系统总体流程架构设计

该系统由各类传感器、继电器、平板电脑、RFID读写器、摄像头、服务器、PC终端和手机终端组成。每个监测点经由Zigbee和传感器模块完成数据的采集和传输。依据传输距离不同的需求，采集到的数据可以通过Wifi模块或3G模块两种方式传输，通过调用远程服务器上运行的WebService服务，将采集到的数据发送到后台数据库。PC端的监控软件会实时对数据进行分析和绘制，可以设置自动控制和手工控制两种方式来控制现场设备，以满足种植户基于数据做出各种措施决策。另外，为了用户更方便地监控现场，可以使用手机客户端或者通过访问Web站点的方式来操作现场设备，实现智能化管理。[3]

图2为系统总体逻辑架构示意图。

图2 系统总体逻辑架构示意图

3.3 数据库设计

根据对决策管理系统的需求分析，本着能真实、充分的反应农作物移植过程需要处理的信息的要求进行数据库设计，包括各个实体之间的联系，能满足用户对数据处理的要求；系统易于适应不用的环境和应用要求的改变，本文设计了如表1所示的数据库表。

表1 系统数据库表

3.4 通信协议设计

为了使上位机与种植环节中所用到的zigbee节点正常通信，必须采用统一的数据传输格式，要设计出用于双方通信的通信协议[4]，具体的通信协议如表2和表3所示。

表2 数据接收格式

例如：发送数据的内容为FA FB 06 01 00 00 00 00 00则是打开继电器1，发送数据的内容为FA FB 06 02 00 00 00 00 00则是关闭继电器1，发送数据的内容为FA FB 08 01 00 00 00 00 00则是打开继电器3，发送数据的内容为FA FB 08 02 00 00 00 00 00则是关闭继电器3。

表3 数据发送格式

例如发送的数据内容为：FF FD 00 04 30 30 00 00 hh hh hh（byte1 – byte11），其中：byte1 byte2：传感器端数据发送的固定头，固定为 FF FD；byte3：数据类型的标识，00 为光电感测器的数据，01 为温湿度感测器的数据，03 为火焰感测器的数据，04 为酒精感测器的数据，05 为可燃感测器的数据，06 为人体感测器的数据；byte4：为传感数据长度（统一为04）；byte4~ byte7：为传感器数据； Byte9~ byte10：保留； byte11： byte1 – byte10 校验值（相加取低8位）。

3.5 zigbee节点软件设计

从开发速度和提高性能的方面考虑，在终端节点软件设计时，选用Ti公司提供的开源协议栈Basic RF。Basic RF 由TI 公司提供，它包含了IEEE 802.15.4 标准的数据包的收发，实现简单无线点对点数据传输。这个协议可用来演示无线设备是如何进行数据传输的，但不包含完整功能的协议。

终端节点包括两种类型：继电器和传感器。传感器节点用于采集种植现场的各种数据参数，并发送给平板电脑上的主节点，继电器几点接收主节点发送过来的控制信息，用于控制现场的各种设备。

传感器节点中的程序首先调用创建一个basicRfCfg_t 的数据结构，并初始化其中的成员调用basicRfInit()函数进行协议的初始化。初始化成功后进入死循环，以一定频率采集数据，并按照3.4中所设计的通信协议构建需要发送的数据，最后调用basicRfSendPacket(...)把数据发送出去。

继电器节点中的程序首先也是调用创建一个basicRfCfg_t 的数据结构，并初始化其中的成员调用basicRfInit()函数进行协议的初始化。初始化成功后进入死循环，调用basicRfReceive（）函数接收平板电脑上的主节点发送过来的控制信息，根据3.4定义好的通信协议来控制现场设备。

4 系统特色及关键技术

4.1 本项目的特色与创新性

1.使用端口映射功能

用户可以通过PC终端或手机终端在任意地点任意时间上网登录系统，查看、处理数据，台湾方面的专家通过远程视频监控可以实时指导用户进行生产。

2.自动化监控系统

科学有效提出处理方法，实现作物生长、采摘、物流等环节的现代化。整个系统模块化设计，进行现场环境无线监测，采集设备出来的数据以无线组网，实现网络虚拟菜园与现实大棚的动态及时管理。

3.处理方法创新

不仅实现了作物生长关键数据的采集，还进行了基于农业专家系统的数据挖掘，为之后的深入研究与专家系统的丰富提供参考和案例，实现农作物生长数字化研究。

针对不同监测指标，以及基于监测指标计算的二级指标，进行条件设置，当一个或多个条件达到时，系统发出报警，警报可以以短信方式通知设定好的人群，可以及时采取预防应对措施。

4.2 本项目解决的关键技术

1.可以通过PC客户端或智能手机反向控制种植现场的设备

在平板电脑上启动一个监控程序，利用平板电脑上的3G模块或Wifi模块接收PC客户端或智能手机发送过来的控制命令，平板电脑上的Zigbee主控模块通过无线控制继电器的开关，达到控制现场设备的目的。

2.采用WebService方式操作数据库

数据库是系统的核心，数据库的安全至关重要。本项目在开发时，所有访问数据库的操作都是通过访问WebService的方式，安全又方便。

3.对用户的评价信息和现场种植环境采集的数据进行智能化处理，从海量数据中提取有价值的信息，找出最佳种植方案，并进行推广。

[1] 何丽芳，冯秀兰，张宝鑫.大树移植智能决策支持系统初探[J].山东林业科技,2005(1):43-45.

[2] 吕振.基于Zigbee的大棚农业监测系统的设计与实现[J].贵州农业科学,2012，40（4）：227-230.

[3] 李百明. Zigbee无线传感器在矿山环境监测中的应用研究[R].江西：江西理工大学，2009.

[4] 李劲松，杨明，刘晓平.基于CC2430和zigbee2006协议栈的通信模块设计[J]. 单片机及嵌入式应用，2010（2）:26-28.

Design and Implementation of Fruit Transplanting Intelligence Descison System Based on Zigbee Technology

YU Bing

(Computer Department of Zhangzhou Technical Institute, Fujian Zhangzhou 363000, China)

In order to improve the intelligent level of agricultural management, with the help of Zigbee, sensor, relay, camera, PDA networking equipment and technology, the paper design a system of intelligence dscison system. With the system, the user can manage intelligence during fruit transplanting. According to the user information for farmers, the system can improve cultivation environment provides scientific decision-making basis. The system has practical application value.

zigbee; wireless sensor network; intelligence decision

N949

A

1673-1417（2012）03-0034-05

2012－07－21

余兵（1982－），男，江西丰城人，助教，硕士。

（责任编辑：季平）