基于Zigbee协议的农业温湿度数据采集系统开发

戴振华



基于Zigbee协议的农业温湿度数据采集系统开发

戴振华

（湖南科技学院 电子与信息工程学院，湖南 永州 425199）

光照、温度和湿度等条件都影响农作物的生长，直接到现场去采集这些农业数据，将不利于提高农业生产效率。如果将农业生产因素通过无线传感器网络实时收集，并将收集的数据进行分析比较，形成相应决策，这样可以大大提高农业生产的效率。基于此，我们开发本系统时，主要利用温湿度传感器设备采集农业参数，将收集的数据通过无线网络传输到主控计算机，主控计算机对获取的农业信息进行分析处理，依据分析结果可以实现实时管理，从而实现农业生产过程信息化、智能化。

智能农业；温湿度；ZigBee 技术

1　引　言

随着传感器采集数据从单一化向智能化、网络化方向发展后，它获取数据的高效方式就越来越受到欢迎。一般而言，网络中处于终端的各种类型传感器采集温度、湿度、压力、位置和速度等对我们有用的参数，这些参数经过路由器节点或者协调器节点接收，接收后再通过接口将这些数据送到计算机总控平台，在平台上对数据进行显示、存储、分析和比较，根据这些分析结果形成指导性意见，或者启动相应模块进行相关操作。

如果利用农业信息化手段进行数据的自动采集、分析和处理，将大大提高农业生产的效率。比如，将农业生产因素通过网络实时收集，并将收集的数据进行分析比较，形成相应决策，这样可以大大提高农业生产的效率，从而实时了解农业生产环境。不过，如果将通过有线网络来采集农业现场中的各种数据，布线会显得相当困难，实现成本也较高，另一方面维护起来也比较困难。

如果将有线网络换成无线网络，将大大减轻构建网络的相关工作，使得网络的维护也显得更简单，整个系统的投入也会相对更少。基于此，我们开发本系统时采用无线传感器网络，在该智能农业的应用系统中，主要是用多种传感器设备采集生产过程参数，利用无线传感器网络进行数据传输，对获取的农业信息进行分析处理，然后依据分析结果实现智能化操作管理，从而实现了农业生产的全过程智能监控、实时信息服务和科学合理决策。

2　Zigbee协议分析

近些年来，全世界出现了很多种不同标准的无线通信技术，例如WiFi、USB等等标准，但是其应用的领域均不同。例如：在需要大量数据时用WiFi进行通信，而大量视频数据时则用Wireless USB通信技术。

随着各种各样用于数据采集的传感器的出现，用于传输这些采集数据的网络要求就应运而生。这种网络的特点是传输的距离较短，网络中的节点可以自组织，实时性和稳定性要求较高，网络建设和运行维护的成本较低。

根据在智能农业应用系统中成本、功耗、稳定性等因素要求，我们开发该系统时选择了较为成熟的ZigBee协议技术。ZigBee技术可以很好地满足网络建设低成本、网络运行低功耗、运行过程稳定要求。

ZigBee协议网络[1]是一种基于IEEE 802.15.4的无线协议标准的网络，是较为成熟的网络协议，主要应用于低速率数据传输、短距离设备的组网，可以实现一点对多点的快速树形组网，可以构造点对点星形网络。一般来说，ZigBee协议网络可由16bit短地址码构成，也可以由64bit长地址码构成，因此，网络容量较大，理论上最大支持的网络节点数可以达到6万多个。其使用的工作频段为868MHZ、915MHZ和2.4GHZ，最大的传输速率为250kbps。简而言之，Zigbee就是一种低功耗的、组网便宜、实时性和稳定性较好的近距离无线通讯技术。

Zigbee的提出使短距离无线通信技术应用得到广泛的发展，弥补了低速率、低成本和低功耗无线通信市场的空缺，现在该技术已成为物联网方面研究的新热点。总体而言，zigbee技术具体应用在通讯节点，工业控制，家庭自动化，智能控制和远程控制等领域。因此，本系统所采用的网络就基于zigbee技术。

Zigbee协议在OSI参考模型的基础上，采用分层的思想，不同的层负责的功能也不同，Zigbee协议每一层负责完成规定的任务，并且向上层提供相应服务，各层之间的接口通过所定义的逻辑链路来提供。数据传输只能在相邻的层之间进行[2]。具体来说，如图1构成：

图1.Zigbee网络结构

从图1可以看出，Zigbee协议网络包含了四层，其中，IEEE802.15.4制定了物理层和媒体访问控制层标准，Zigbee联盟制定了网络层和系统应用层标准[3]。在实际开发WSN应用系统时，Zigbee协议封装了底层的实现，只能通过应用层提供的API函数来使用该协议。而应用层通常由ZDO、APS和AF（应用框架）几个部分组成。

通常，Zigbee设备对象的主要功能是设置网络中的节点对象类型，确定这些节点设备到底是终端节点、路由器节点还是协调器节点，并保证各设备之间的安全数据传输，以及对绑定请求进行处理等。AF（应用框架）负责收发数据并保证数据能正确到达目的地，开发实际的应用系统时，本系统就是在AF（应用框架）上附加相应的应用，用来完成ZDO的功能调用和发现相关服务。而ZDO是这个应用对象相对来说较为特殊，它在每个节点中以编号为0固定出现。

3　基于Zigbee协议的WSN智能农业应用系统设计

一般而言，农业生产环境相对较差，这就要求应用系统具有良好的网络稳定性，希望建立的网络成本相对较低，而且能够实现低成本维护，节点采集数据能够实时传输到计算机控制平台中，终端节点使用的采集传感器应该具备低能耗的要求。因此，在构建WSN网络时，我们选择了ZigBee 技术实现组网和数据的传输控制。用这种网络开发的系统所需的开发成本及后期运行成本相对较低，更适合于我们农业生产过程中温湿度参数的采集和控制，有利于WSN智能农业应用系统的推广和使用[4]。

3.1系统需求分析

由于系统对终端采集的数据经过WSN网络的各个节点传送到计算机控制平台，计算机控制平台经过分析，根据数据分析结果采用相应的措施。因此，WSN智能农业应用系统是大量带温湿度采集功能的传感器终端节点和多个在网络中进行数据融合处理的协调器节点、在网络中给传输数据指示路径的路由器节点、水泵增湿模块、报警模块、电源供电模块组成。当WSN智能农业应用系统运行时，终端温湿度传感器会根据采集命令采集农业数据，然后对采集到的农业数据进行处理打包，打包后将这些数据发给中心设备协调器。协调器接收到这些数据后，解包农业数据包，形成多个简化功能设备原始数据，而且，一般来说，为了能有效传输数据，通常要对数据进行融合处理。

3.2系统总体设计

基于智能农业领域监测应用系统的设计要求，设计了一种基于ZigBee 网络技术的系统解决方案，在该方案中，采用ZigBee网络协议、星形网络拓扑结构。这种协议布置的网络稳定性好，而且很多实现细节是封装的，不需要我们去编程实现了，这样可以大大降低了我们构建WSN的难度和开发的成本。总体方案中，将系统分成若干部分，主要包括协调器节点、传感器终端节点和计算机总控平台以及水泵增湿和报警模块等。

采用在该系统平台中，协调器位于终端和计算机控制平台的中间，主要负责网络的管理和数据的融合转发。是采集数据传输到计算机控制平台必须经过的节点，所以是非常重要的节点。协调器与计算机总控平台通过USB 总线接口进行数据的传输和控制信号的传递。终端节点主要负责参数数据的采集和发送工作。另外，计算机总控平台通过控制水泵增湿模块实现自动报警和增湿。基于Zigbee协议的WSN智能农业应用系统整体结构如图2所示。

图2.WSN智能农业应用系统整体结构

考虑到在农业现场温度、湿度节点的要素采集能量节约问题和时间性要求问题，在总体设计中，当系统不需农业要素数据采集时，采取让节点进入休眠状态的节能技术，当系统需要进行工作时，再由设置的定时器唤醒这些节点，让其重新进入数据采集工作状态，这样一来，传感器节点就可以用两节干电池供给能量。

4　基于Zigbee协议的WSN智能农业应用系统硬件节点设计与实现

无线传感器网络的基本组成部分是无线传感器ZigBee节点，因此，如何选择节点元器件，是否考虑了节能，相应的模块电路如何设计，都是硬件节点设计与实现需要考虑的问题。

基于ZigBee农业数据采集与控制系统的硬件设备设计中，由于协调器节点、路由节点、传感器节点是进行数据采集和传输必要设备，可以说是整个硬件系统的核心。除此之外，整个系统还应具备报警和增湿功能，因此还应设计报警硬件电路、增湿硬件系统、供应增湿模块能量的电路、用于系统调试的硬件电路。此外传感器节点还必须具备用于采集温度、湿度信息的一个模块；还要具备一个USB接口的协调器节点，以便于与计算机实现数据通信。由温湿度传感器节点负责对农业现场温湿度数据参数进行不间断的采集，并将采集的数据进行必要的处理，转换成主控计算机平台能接收和处理的数据格式，然后通过WSN网络将这些温湿度数据参数传输到主控计算机平台上，从而实现农业数据参数的实时监测和管理。在处理器负责控制模块中，主要布置了进行定位控制的同步定位模块、路由控制的路由协议模块、能量控制的功耗模块以及任务控制的任务管理模块等。在硬件设计中，通常还应结合ZigBee协议来完成整个硬件设备的组装。

根据该应用系统需要完成的功能，最后在该系统硬件组装中，主要涉及到协调器模块节点、终端传感器节点、温湿度传感器DHT11、报警模块、水泵增湿模块、电源模块。

节点是无线传感器网络的基本组成元素，由总体设计方案中可以得出，该系统中主要设计两种节点：协调器节点、终端传感器节点，它们在系统中分担不同的功能，其中传感器节点负责农业数据的采集，协调器节点负责将接收的数据进行分析处理，并将处理的数据通过串口送到计算机中心控制系统中去，并协助数据的安全控制。计算机总控平台再把这些传输过来的数据对比系统设置的数据，根据对比的结果，形成智能控制。由此可以看出，这两种节点的硬件设计是整个系统设计的核心内容。

5　基于Zigbee协议的WSN智能农业系统节点软件设计与实现

5.1软件开发环境

系统上位机（计算机总控平台）主要用来显示来自协调器上传的数据信息，实时显示包括传感器节点的通信端口号、连接状态、64位信MAC 物理地址以及温度、湿度等传感器节点的当前工作状态。

在系统上位机（计算机总控平台）的开发中选择的是QT4.0软件进行上位软件开发，Qt是一个跨平台的C++应用程序框架。广泛用于开发GUI程序。

Qt软件面向对象集成化开发模式，在这种集成开发模式下，很多操作的具体实现是不需要用户来定义，只需要使用它提供的API就可以了，这样一来，软件也有较好的重用性。支持2D/3D图形渲染，支持OpenGL。因为它又具有很好的跨平台性，因此被广泛的应用在嵌入式软件开发中。

5.2上位机（计算机总控平台）软件设计

农业温湿度数据采集与智能控制系统总平台主要用于显示温湿度数据，并将这些数据转换成图形化形式表达，以及进行温湿度数据超出警戒值判断，并根据判断的结果采取相应的措施。监控显示界面用Qt软件制作。主要用了两个带UI界面类和一个数据处理类。

在上位机平台中，相应软件可以完成对温湿度数据的收集显示、数据比较，甚至可以将这些数据通过图表的形式表达出来，对系统使用者来说，可以更方便地通过这些数据图表，表达出这一段时间以来温湿度的变化情况，根据这些变化情况，及时地进行温湿度参数的调整。

5.3终端节点模块软件设计

当终端节点模块初始化后就发出信号申请加入本地网络，直到加入网络成功，在组网成功后，该节点将实时通过DH11传感器获得的本地采样数据，对采样数据进行相应的组合处理后，发送给加入网络时分配网络号的协调器。在终端节点信号不好时，会自动重新连接本地网络。

6　结束语

可以预见的是，WSN应用将在作业状况恶劣的工业领域、智能化农业、智能化生活领域以及服务业得到广泛的应用，这将成为未来人们的美好期望，相信随着WSN应用研究不断推进，今后的工作、生活和娱乐都离不开它。WSN应用近几年发展非常迅速，各个国家都在投入资金进行相关研究工作，并不断有新的应用技术被研究提出。不过，现在WSN及应用研究正处于上升阶段，距离技术成熟还有一段距离，各国都在抓紧时间开发实际的WSN应用，我国在WSN的研究也紧紧跟随世界前沿发展趋势，在WSN理论及WSN应用研究领域涌现许多成果。

[1]彭改丽.物联网在智能农业中的应用研究[D].郑州大学,2012.

[2]吴丹.关于农业环境监测的作用的分析[J].北京农业,2012,(6):188.

[3]储成祥,毛慧琴.打造农业信息服务新模式[J].中国电信业,2012,(6):40-41.

[4]吕连生.农业物联网发展大趋势与安徽省对策研究[J].科技创新与生产力,2013,(2):4-8.

（责任编校：宫彦军）

2016－07－26

2014年永州市本级科技创新项目(永财企指[2014]33号)；2015年永州市本级科技创新项目(永财企指[2015]25号)。

戴振华（1981－），男，湖南衡阳人，硕士，湖南科技学院讲师，研究方向为嵌入式及网络应用。

TP399

A

1673-2219（2017）06-0023-03