基于ZigBee的智能农业物联网系统研发*

林之博 陈耿新 林洁纹 谢福红 陈苗洁



基于ZigBee的智能农业物联网系统研发*

林之博 陈耿新 林洁纹 谢福红 陈苗洁

（揭阳职业技术学院）

针对智能农业物联网系统的需求及特点，设计基于ZigBee的智能农业物联网系统架构模型，研究该系统ZigBee智能终端节点、ZigBee协调器、网关和智能农业管理软件等关键技术，搭建基于ZigBee的智能农业物联网系统并应用于蝴蝶兰种植大棚。远近程数据检测与设备控制性能测试结果表明：该系统监控性能稳定，实用性、可操作性强，易于安装、维护和扩展。

ZigBee；智能农业；物联网；网关

0　引言

物联网是国家战略性新兴产业之一，智能农业是国家“十二五”物联网发展规划中重点发展并扶持的九大领域之一[1]。智能农业物联网利用大量智能终端节点构成监控网络，通过终端节点的各种传感器实时采集影响农作物生长、食品安全的环境参数，同时利用智能控制器和现场环境调节设备对环境参数进行智能控制，确保农作物在最佳生长环境中快速生长，达到提高产量、改善品质、调节生长周期和保证食品安全的目的[2]。智能农业作为物联网技术的重要应用领域，国内外学者、工程师均对其做了大量研究[2-7]。Miao Chaodong、王冬、初洪龙设计的智能农业监测系统，以ZigBee芯片为核心设计传感节点，搭建传感网络，并分别开发基于B/S架构和基于GPRS的远程监测软件，系统实现多种参数的采集，但未应用3G等先进通信技术[2-4]。李继彬研发了基于ZigBee的智能温室传感网络，并通过RS485接口与上位机通信，实现查询、调节温室各项参数，但未实现远程监控[5]。Kassim等研究基于无线传感器网络的精准农业决策支持系统，重点研究利用网络和软件智能、精确控制灌溉系统，使农作物收益率最大化，但未介绍传感节点的实现技术[7]。

本文根据物联网模型构建智能农业物联网系统架构，分析其3层模型的原理及功能，研究系统ZigBee智能终端节点、协调器、网关和智能农业管理软件等关键技术，搭建基于ZigBee的智能农业物联网系统并应用于蝴蝶兰种植大棚。

1　系统架构设计

物联网系统模型分为感知层、网络层和应用层[8]，基于ZigBee的智能农业物联网系统架构如图1所示，各层相对独立、功能明确、协调工作。

图1　基于ZigBee的智能农业物联网系统架构

智能农业物联网系统的最底层为感知层，它负责农场关键环境参数检测和环境调节设备控制、无线传感网络组网与协同信息处理[8]。本系统采用ZigBee无线通信技术。现场各智能终端节点（ZigBee节点或路由器）连接温度、湿度、气体等传感器和水泵、补光灯、排风机等执行器。智能终端具有路由功能，负责现场数据和命令的转发。各智能终端节点采集的数据（或接收的命令）和路由器转发的数据（或命令）均最终传输至协调器（由协调器发出），协调器负责建立、管理ZigBee网络，并与外部网络通信。本系统的ZigBee协调器可通过蓝牙与智能手机等直接通信，也可通过串口与网络层网关通信。

网络层由互联网、无线通信网络（GPRS/3G）、局域网、网关及Bluetooth个域网等通信网络和服务器组成，负责处理、传递感知层获取的信息和执行器控制的命令。其中，网关是ZigBee网络与外网信息交换的桥梁，实现信息模型转换、安全隔离；服务器提供智能农业系统数据处理与存储。

应用层处于智能农业物联网系统的最高层，直接面向终端用户，实现用户与农场信息交互，包括PC、平板电脑、智能手机等管理控制设备及相应的智能农业管理软件系统。用户利用管理控制设备，通过网络层分别接收、显示和控制感知层的传感器数据及环境调节设备。

2　系统关键技术

基于ZigBee的智能农业物联网系统的关键技术及部件包括ZigBee智能终端节点、ZigBee协调器、网关和智能农业管理软件。

2.1ZigBee智能终端节点和协调器

ZigBee智能终端节点利用ZigBee无线网络和其连接的传感器、执行器实现数据收发和信息采集、环境参数控制。图2是ZigBee智能终端节点框图及实物图，其包括ZigBee模块（主要包括芯片CC2530、天线和外围电路）、各种传感器（包括温度、湿度、气体、光强、人体红外等传感器）和继电器。温度传感器DS18B20和湿度传感器DHT11的总线接口分别与CC2530的P1.1、P1.2口连接；人体红外传感器与CC2530的P0.5口连接；气体模拟传感器和光敏电阻均利用CC2530内部14位模数转换器ADC进行模数转换，继电器与CC2530的P1.4口连接。

(a)　框图 (b)　实物图

ZigBee协调器负责汇聚节点和路由的所有检测数据，同时负责接收管理控制设备发送的控制命令并转发至目标节点，所以协调器需具备较强的软硬件性能。图3是ZigBee协调器框图及实物图，主要包括ZigBee模块、蓝牙模块，本系统协调器同样采用芯片CC2530，但其运行的程序不同于节点和路由器，其程序处理能力也远胜于这两者。

图3(a)框图

(b)实物图

图3ZigBee协调器

ZigBee智能终端节点上传感器采集的环境参数，经I/O口传输至ZigBee模块进行数据处理后，通过天线和ZigBee网络发送至协调器汇聚、处理，再由协调器发送至网关和通信网络，在智能管理设备上显示。相反，智能管理设备发出的控制命令经通信网络传送至协调器处理、转换，再通过ZigBee网络传送至目标节点，节点上ZigBee模块进行数据处理后，发出控制指令控制现场环境调节设备。

2.2网关和智能农业管理软件

网关负责ZigBee传感网络与外网数据模型转换、安全隔离。本系统采用PC作为网关，其核心为网关管理软件。网关与ZigBee协调器通过串口通信，采用主从式，由主机网关发起，从机协调器应答。图4是两者通信协议帧格式，其中，帧由帧头、命令、数据高位、数据低位、校验和（数据高位、数据低位之和）和帧尾组成，各组成部分长度均为1Byte，且帧头、帧尾分别为十六进制EF、FE，如上传温度命令为：EF C1 00 00 C1 FE。

(a)　网关发送至协调器命令帧 (b)　协调器发送至网关应答帧

运行于PC机的网关软件系统如图5所示，其利用图4所示帧格式与ZigBee协调器通信和数据处理，同时发送传感数据至智能管理设备或接收智能管理设备发出的控制命令并实现格式转换。该软件还包括智能监控功能模块，实现各节点检测参数数值实时显示、曲线实时显示和环境调节设备控制。单击界面中“启动服务器”按钮可启动网关服务器功能；单击“智能控制”按钮可智能控制环境调节设备，无需人员参与便可根据环境参数实时调节合适的农作物生长环境。

图5　网关软件系统

基于Android的智能农业管理软件如图6所示，移动设备利用该软件通过Wi-Fi或蓝牙进行现场控制，或通过GPRS/3G进行远程监控；它能以参数类型和节点方式（如图6(b)）显示参数，同时实现人体红外监测、显示和对现场环境调节设备的控制。

(a)　主界面(b)　节点1监测界面

3　系统搭建与测试

搭建基于ZigBee的智能农业物联网系统并应用于蝴蝶兰种植大棚，测试系统的检测与控制性能。蝴蝶兰在自然条件下生长周期长，人工栽培可大大缩短其生长周期。促花时期要求白天温度20℃~24℃、夜间温度17℃~20℃、湿度70%RH~80%RH。系统中各ZigBee节点连接温度、湿度、气体、光强、人体红外传感器和继电器（继电器分别连接热风机、补光灯、水泵、排风机）。各节点布置在大棚各关键位置，如图7所示。

图7　应用于蝴蝶兰种植大棚的智能农业物联网系统

应用于上述蝴蝶兰种植大棚的基于ZigBee的智能农业物联网系统测试结果如表1所示，该系统各通信方式的检测数据丢包率由高至低依次为GPRS、Bluetooth、3G、Wi-Fi；控制失败率由高至低依次为GPRS、3G、Bluetooth、Wi-Fi。采用Wi-Fi性能最优，且现场监控性能优于远程监控。

4　结语

1) 基于ZigBee的智能农业物联网系统架构由下至上分为感知层、网络层和应用层，感知层由ZigBee构成自组网络，负责数据采集和环境调节设备控制。

表1　基于ZigBee的智能农业物联网系统测试结果

2) 该系统关键技术包括ZigBee节点、协调器、网关和智能农业管理软件，网关与协调器通过串口和特定帧格式通信，通信由网关发起，协调器应答。

3) 基于ZigBee的智能农业物联网系统实现农场多种环境参数采集和远近程控制、智能控制，性能稳定、实用性及可操作性强，易于安装、维护及扩展。

参考文献

[1] 王刚.《“十二五”国家战略性新兴产业发展规划》解读[J].物联网技术,2012,2(6):12.

[2] Miao Chaodong. The intelligent supervision of the agriculture production based on internet of things and cloud service platform[C]. Advances in Intelligent Systems Research, 2015, 126: 1597-1600.

[3] 王冬.基于物联网的智能农业监测系统的设计与实现[D].大连:大连理工大学,2013.

[4] 初洪龙.基于物联网的智能农业大棚的研究与实现[D].大连: 大连理工大学,2014.

[5] 李继彬.应用物联网技术实现对智能温室的监测和控制[J].南方农业,2015,9(4):13-19.

[6] 代品宣,王青云,梁瑞宇.鲁棒的物联网智能农业控制系统设计与实现[J].电子器件,2015,38(1):178-183.

[7] Kassim M R M, Mat I, Harun A N. Wireless Sensor Network in precision agriculture application[C]. International Conference on Computer Information and Telecommunication Systems, 2014:1-5.

[8] 陈耿新,陈鸿彬,龚绿绿.基于物联网的人性化智能家居系统研究[J].自动化与信息工程,2013,34(6):1-5.

Research on Intelligent Agriculture System Based on ZigBee

Lin Zhibo Chen Gengxin Lin Jiewen Xie Fuhong Chen Miaojie

(Jieyang Vocational & Technical College)

This paper designs and builds the framework model of intelligent agriculture system based on ZigBee. The key technology and parts including ZigBee end device and coordinator, gateway and intelligent agriculture management software are researched and developed, and the whole intelligent agriculture system based on ZigBee for butterfly orchid planting greenhouses is constructed. The data detection and equipment control through remote and local communications are tested. The test results show that system detection and control performance through remote and local communications is stable. The system has strong practicability and operability. It is liable to install, maintain and enlarge.

ZigBee; Intelligent Agriculture; Internet of Things; Gateway

林之博，男，1993年生，主要研究方向：物联网技术、嵌入式系统等。E-mail: 952220736@qq.com

陈耿新（通信作者），男，1984年生，讲师，工程师。主要研究方向：智能传感技术及应用、物联网等。E-mail: jycchengx@163.com

2015年广东大学生科技创新培育专项资金