基于物联网的智能农业监控系统

湖北工业大学机械工程学院 涂文奇 朱郧涛 刘嘉诚

基于物联网的智能农业监控系统

湖北工业大学机械工程学院 涂文奇 朱郧涛 刘嘉诚

针对目前的人工成本日益高涨，而传统的农业生产方式制约农业进一步发展空间，因此需要设计一种智能农作物监控系统，使能够远程监控农作物的生长情况，以便及时作出相应的处理，此系统采用CC2530作为ZigBee监控网络节点，采集农作物生长环境的各种数据，STM32F407作为网关负责对数据的接受、处理和转发，通过Internet网络使用电脑或手机对农作物的生长环境进行监控，本系统有着操作简单，自动化程度高，方便扩展和集中式监控等特点，满足农业对大规模的监控的要求。

智能农业;ZigBee;STM32F407；Internet

0 引言

随着现代农业的发展，农业智能化生产广泛的使用，一定程度地提高了农业的生产水平，但由于缺乏统一的管理，导致管理任务繁重，制约了智能农业的进一步发展，最近几年物联网的快速发展，尤其是zigbee低功耗，低成本，高安全性的特性，被广泛应用于传感与控制领域。尤其是强大的组网能力，可对农业智能生产的统一管理，减轻管理人员的工作负担，对农业生产水平的提高具有重要的意义。

1 系统总体结构

整个监控系统由ZigBee网络节点、网关+zigbee协调器、电脑或手机监控终端3部分组成。其中ZigBee网络节点连接着空气温湿度传感器、光照传感器、二氧化碳传感器、土壤温湿度传感器和电磁阀等，并通过zigbee网络将各自的监测数据传送给zigbee协调器统一转发。STM32F407微处理器作为网关，负责一定区域的zigbee网络节点的管理维护，主要是负责节点数据的分析，控制终端数据的处理和转发，并按照TCP/IP协议编写数据包转发机制，使用网络模块将数据包发送至Internet网络。监控终端可由电脑的应用程序或手机的APP应用程序负责监控。

2 硬件实现方案

2.1 网关结构设计

网关采用组合式设计，组装简单，便于后期升级维护。网关结构见图2，网关主板与各部分连接，主板连接zigbee协调器和网络模块，电源部分采用5V1A直流供电。网关采用STM32103ZET6微处理器芯片，具有SPI、UART、USB、CAN等多种的类型的接口，可实现高效的系统管理功能；支持UC/OS-II、嵌入式Linux等操作系统。

图1 系统设计总体框图

图2 网关模块结构图

2.2 ZigBee节点方案设计

Zigbee是一种具有低功耗、低成本、短延时、高安全、自动组网能力强等特点的无线通信技术。遵循IEEE802.15.4标准和zigbee联盟定义标准，完整的zigbee协议层由物理层、介质访问控制层、网络层、安全层和高层应用规范组成，支持树形、网状等多种拓扑结构。

cc2530是TI公司的zigbeesoc解决方案，它能够以非常低的成本建立起强大的网络节点，cc2530结合了领先的RF收发器的优良性能，业界标准的增强型8051cpu，系统内可编程闪存，8-KBram和许多其他强大的功能。Cc2530具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。运行模式之间的转换时间短进一步确保了低能耗消耗。

3 软件设计方案

3.1 节点数据帧

Zigbee节点上电启动后，开始自动组建网络，组网成功后开始上传组网信息数据包，并开始采集农作物的生长环境，定时上传数据，节点如图3所示，在zigbee数据协议帧格式的基础上加入自定义的数据，包括传感器类型占用4bit，判断数据来自何种传感器，传感器编号占用8bit，用来区分节点，数据类型占用4bit，用来判断是数据还是命令。采集时间占用6byte，方便分析对应时间点的数据，节点电量占用1byte，用于查询节点电量，便于掌握节点工作情况，传感器数据占用20byte，用于传感器接受的命令指令或发送的传感器采集数据，也便于以后的数据帧扩展等组成。

表1 节点数据帧格式

3.2 网关软件设计

LWIP是瑞典计算机科学院(SICS)的AdamDunkels等开发的一个小型开源的TCP/IP协议栈，是TCP/IP的一种实现方式。，LWIP实现的重点是在保持TCP协议主要功能的基础上减少对RAM的占用，它只需十几KB的RAM和40K左右的ROM就可以运行，包括TCP、UDP、ICMP、DHCP、PPP和ARP等常见协议的所有或部分功能，而且提供了类似伯克利TCP/IP的API函数，使LWIP协议栈十分适合在低端的嵌入式系统中使用。

网关采用可靠的tcp传输协议，保证了数据传输的可靠性。

如下图所示，数据发送的发起者是应用层。首先是应用层调用ip_write（）函数，接着就是再将控制权交给tcp_ enqueue（）函数，使数据分割成适当大小的TCP段，然后放到所属连接的传输队列中。然后通过tcp_output（）函数判断接收器窗口是否有足够大的空间，如果空间满足，就使用ip_route（）及ip_output_if（）函数发送数据。

数据接受的发起者是网口接口层，首先是网口接口将数据包传送给ip_input（）函数，经过验证IP头后传给TCP段给tcp_input()函数。经过TCP解析和TCP连接。这个TCP段到达tcp_process（）函数，实现了TCP状态机，任何必要的状态转换在这里实现，最终tcp_receive（）函数将数据传送给上层的应用程序，完成接受过程。

4 总结

本文设计了基于zigbee和STM32F407的智能农业监控系统。系统采用zigbee协议组建监控网络，实现了对农作物生长环境和设备的统一管理，让管理者通过终端访问和控制监控系统的信息和设备。整个系统安装简单、扩展性强、时间便捷，管理者可通过自己需要合理配置不同的zigbee终端节点，为系统大规模应用打下了奠定的基础。

[1]彭刚，春志强.基于ARMCortex-M3的STM32系列嵌入式微控制器应用实践[M].北京电子工业出版社2011

[2]罗俊海，周应宾，邓霄博．物联网网关系统设计[J]．电信科学，2011(02)：105—106．

[3]谢东.基于ARM的嵌入式远程测控系统网关的设计[J].现代电子技术，2006(13)∶85-88.

[4]王永虹等.STM32系列ARMCortex-M3微控制器原理与实践[M]，北京∶北京航天大学出版社，2008.

[5]韩华峰，杜克明，孙忠富，等.基于ZigBee网络的温室环境远程监控系统设计与应用巨[J].农业工程学报，2009,(7)∶158一163.

2016-02-25）