基于ARM与Zigbee的农业环境监测系统设计

宋倩怡

（华北电力大学控制与计算机工程学院，北京 昌平 102206）

现代化农业相对于传统农业的技术上有很大的变化，传统农业多数为直接引江河的水进行灌溉，进行“天然调节”管理，没有监测水质是否适合农作物生长，对于土壤温湿度更是没有进行相应的监控。我们都知道，土壤的温度及湿度对于农作物的除了生长还有对于开花结果有很大影响。除此之外，二氧化碳浓度，光照等都是现代农业进行相应检测调节的首要。

借助于计算机技术、传感器技术、通信技术和微电子技术的应用发展，传统的农业人工监测系统已经逐步发展为在线监测系统，这种新的监测系统能够实现数据实时传输，并且具有运行稳定、可靠的特点。但是，数据传输多采用有线网络，存在布线繁琐、维护困难、成本过高等问题。为了优化在线农业监测系统，本文讨论将基于ARM嵌入式技术以及Zigbee 技术的无线传感器网络，通信技术，现代网络等先进技术相结合的现代化农业监测系统。

1 现代农业环境监测技术

1.1 无线传感器网络

目前的无线传感器网络是一种全新的信息获取及处理模式，基本上是在监测区域部署大量具有感知、处理和进行无线通信能力的传感器节点，这些节点通过自组织方式构成网络。结合了嵌入式计算机技术、无线通信技术、分布式信息处理技术、微电子技术等先进技术的无线传感器网络，能实现自主完成监测，自主发现、识别与跟踪目标，广泛应用于军事、环境监测、医疗监护以及智能家居等领域。目前在农业领域应用较少，所以发展此项技术具有广阔的前景。

1.2 Zigbee技术

ZigBee技术[1-4]是一种距离短、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本支持大量节点的双向无线通信技术, 主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。ZigBee可工作在2.4GHz、868MHz和915 MHz等3个频段上，传输速率分别是250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s，传输距离在10-75m的范围内，但可以继续增加。Zigbee的基础是IEEE 802.15.4，但其扩展了IEEE，对其 网络层协议和API进行了标准化，定义了一个灵活、安全的网络层。此外， ZigBee 联盟还制定了应用接口层、高层应用规范等。

1.3 嵌入式系统

一些软硬件可裁剪，功能、可靠性、成本、体积、功耗要求严格的专用计算机系统，都使用嵌入式系统[5-7]。嵌入式系统运用广泛，大到飞机汽车，小到手表等设备，嵌入式系统以其易操作易移植的特性得到了宠幸。嵌入式操作系统中操作系统实现简单，多数以单程序便可以实现整个系统控制逻辑。

1.4 ARM微处理器

ARM微处理器具有强大的处理能力和极低的功耗，随着其功能的增强和完善，在工控领域某些方面可以取代原先X86架构的单片机。本文用的是ARM920T，ARM920T的32位微处理器结构以极低的功耗提供优异的性能。16K指令高速缓存和16K数据高速缓存可为现有的程序和数据提供零等待时间，或者也可被锁定，以确保对关键指令和数据的无延迟存取。

2 系统功能及总体设计

2.1 水质、土壤温湿度、光照、二氧化碳浓度监测

本系统主要是实现对农业上作物生长环境的的监控，其中包括对水质的综合检测及土壤温湿度以及必要时的二氧化碳的监测控制。在某一区域内部署一定量的监测传感器节点，由节点与节点之间自行协调并组成通信网络，以获取相应信息，并经过多跳后路由到汇聚节点连接 Zigbee网络，由Zigbee网络传送到ARM9处理器并通过处理后由Internet上传到网络到终端PC机上。同样，在农作物下的适当位置安置温度及湿度传感器，同样由Zigbee无线模块传送到处理器进行处理。在特殊特殊环境，特别是温室大棚，还需要对光照及二氧化碳的浓度进行检测，以便进行相应的调节及数据传送。

2.2 操作系统

本系统采用WinCE操作系统作为嵌入式控制系统，其资源丰富，网络功能强大，图形化界面成熟，有着很好的开发移植性。该系统采用的嵌入式操作系统已ARM为核心处理，通过 Zigbee网络传送过来的数据对水质污染的告警及土壤温湿度、大棚光照二氧化碳浓度进行自动控制，稳定性好，处理效率高。

3 系统的软件设计

3.1 编译环境

嵌入式移动平台的基础是 WinCE系统，由开放内核WinCE6.0提供全面的源代码，开发者可以编译并构建自己的代码和独特的操作系统。将开发板通过USB线与PC机连接，启动同步工具，在PC机上的VS2005进行c++程序的编写，在线调试完成后生成解决方案，下载到开发板即可。

3.2 接口驱动程序设计

驱动程序原理如图1所示。应用程序开发者通过嵌入式内核函数和硬件层进行交互。WinCE的流动式驱动面向的是各种各样的外设，最终的dll文件可以导出各种标准流式接口函数，应用程序使用文件API对设备进行访问。

图1 驱动程序原理图

4 系统硬件设计

4.1 整体硬件结构图

本系统中主要体现两个方面，即ZigBee构成的无线网络和Internet网络。另外，测控I/O模块实行标准测控电压电流规格定义，ZigBee无线技术可实现简单的扩展，具有优越的监控自处理性能。

本系统设计了基于ARM9嵌入式的硬件平台，外围扩展设计有数字（模拟）量输出、输入以及Zigbee无线处理模块。硬件平台主要有嵌入式主控平台和无线网络传输模块等。其中，还预留了可扩展I/O口。硬件结构框图如图2所示。

4.2 AMR主控模块

系统芯片是ARM920T—16/32位的微处理器，作为嵌入式系统的主控硬件平台的核心。

系统核心芯片是Samsung公司生产的基于ARM920T 微处理器S3C2440A，系统框图如图3所示。

图3 核心板系统框图

4.3 串行接口模块

本系统的串口用于前期设备调试及与无线模块的通信，在与PC机连接调试时，其引出脚电平需进行电平转换，而与无线模块通信则可直接相连。同时，可以在Linux内核串口驱动的基础上修改为ZigBee的数据收发驱动。

4.4 I/O口设计

本系统实现了8路数字量的输入和输出，其中采用CH573对数字量输出进行锁存并控制CH573的锁存信号，采用CH245对输入量进行选通并控制CH245的片选信号，实现输出量和输入量的复用。

在本系统中A/D实现4路12位模拟量采样输入，采用TI公司生产的12位模数转换器ADS7818；系统D/A实现2路 12位模拟量输出，采用 TI公司的 12位数模转换器TLV5636。上述两款芯片均为SPI接口，可直接挂接到处理器的SPI总线接口上，使用方便。

4.5 Zigbee无线模块

本系统的Zigbee无线模块，采用的芯片为CC2430，内置了增强型的8051内核，具有8 KB SDRAM，128 KB闪存采用串行接口与ARM系统通信，能够满足信息量的传输。本模块只需加上电源电路、晶振电路、天线，无需其它外部扩展即可配置为FFD(全功能器件)或RFD(简化功能器件)。

5 实验结果

测试系统在某一温室大棚里的工作状态，温度与湿度实验温室大棚中进行，实验中设置四个无线传感器终端节点，将各自所在区域的温度与湿度采集后传送到汇聚节点。系统在某一时段监测获得的数据如表1所示。

表1 实验结果

6 结束语

根据系统的需要，农业环境监测方案基于 ZigBee 技术无线传感器网络和ARM嵌入式操作系统，具有成本低、数据传输可靠、功耗低、易于实现监控等特点，系统的可扩展性、移动性得到提高，设备维护成本大大降低。同时应用ARM强大的稳定处理能力及易操作的嵌入式系统设计了相应的应用程序，使系统运用简单，易操作，能为当前传统农业的现代化转变发挥效用。

[1] 姚春.ZigBee在大数量节点应用中的问题研究[J].嵌入式系统应用,2009,(1):3-5.

[2] 李银华,姬光锋,韩郡业.无线传感器网络在温室环境监测系统中的应用[J].自动化仪表,2010(10):61-64.

[3] 鲁照权,黄梅初,杜征,等.基于 ZigBee无线网络的大棚种植温度监测系统[J].安徽农业科学,2008(13):5682-5684.

[4] 王福禄,房俊龙,张喜海.基于无线传感器网络技术的温室环境监测系统研究[J].自动化技术与应用,2009(10):61-63.

[5] 刘良,赖万昌,等.基于 ARM9 的 GPRS 图像传输系统的设计与实现[J].计算机工程与设计,2010,31(7): 1477-1480.

[6] 王谦,孙忠富,李秀红,等.基于嵌入式系统的农业环境监测系统的设计[J].微计算机信息,2006(23):46-48,81.

[7] 池俊亚,朱景福,王熙,等.基于 ARM及 GSM 的农田环境远程监测系统设计[J].农机化研究,2008(4):108-110.