基于ZigBee和C#的农田数据采集系统*

朱 凯， 朱惠斌， 白丽珍， 张健伟， 成习军， 曹科高

(昆明理工大学 现代农业工程学院，云南 昆明 650224)



基于ZigBee和C#的农田数据采集系统*

朱 凯， 朱惠斌， 白丽珍， 张健伟， 成习军， 曹科高

(昆明理工大学 现代农业工程学院，云南 昆明 650224)

针对农田数据采集系统有线传输方式常受到地形、安装环境等限制问题，提出了一种基于ZigBee数据采集传输系统。采用CC2530芯片为主搭建无线传感器网络，终端和协调器采用半开源的Z-Stack协议栈进行程序开发，上位机基于Visio Studio 2015平台采用C# 语言进行软件开发，并配合ACCESS数据库，共同实现了系统的远程检测与本地保存和动态显示。在玉米试验田进行实地测试，终端按采集需要暂时设定为每间隔1 h采集一次数据，其余时间处于休眠状态。经计算，终端预计工作时间为100 d左右；且经过测试，终端与协调器的有效传输距离能达到80 m，数据传输有效率达92 %。结果表明：该系统具有低功耗、低成本、系统运行稳定、可扩展性强等特点，满足农业信息化的需求。

无线传感器网络； ZigBee； 数据采集； C# 编程语言

0 引 言

农田数据的测量是获取农业信息资源的重要途径之一，如何准确、及时、高效地获取农业生产过程中的各项指标信息，是提高农业生产管理及决策的关键环节[1]。因此，近年来，农业特别是温室农业的发展更加重视植物生理环境的采集和监控，即根据植物的生长情况调节其生长环境，并可以检测到环境变化后植物的生长情况，以便使调控功能更科学[2]。但是，相对于非温室，普通的农田具有对象多余、地域广阔、偏僻分散、远离都市社区、通信调节落后等特点，在很多情况下，农业数据信息的获取更加困难[3],加上农田环境恶劣，普通的传感器节点放入农田后寿命普遍不长。因此，需要将低成本、高效率、智能化设备应用于农田信息采集，提升改造传统农业[4]。

传统的农作物监控系统采用RS—485或CAN总线等有线的方式传输数据[5]，同时，当数据采集点处于运动状态时，布线操作困难[6]，利用无线传输的方式进行数据采显得比较迫切。其关键技术便是无线传感器网络[7～10]。

ZigBee技术拥有功耗低、成本低、网络容量大、时延短、安全可靠、工作频率灵活等诸多优点，成为了近年来数字农业研究的热点之一[11～14]。

本文针对信息化农业的需要，利用ZigBee技术和上位机(PC)搭建了一种无线农田数据采集系统。整个系统充分考虑了功耗、成本以及系统稳定性等方面的要求。将无线传感器网络应用于农田，即将众多传感器放在农田的指定位置，传感器依照输入的程序指令对所处的环境进行感应并产生电信号，中央处理器将所检测到的电信号进行整合和处理成数字信号，并通过ZigBee无线传输技术传输给协调器，协调器将接收到的数据传送给上位机，完成检测任务。

1 系统结构设计

首先，由终端传感器进行环境数据的采集，然后将传感器采集到的数据经过ZigBee无线网关传送至由ZigBee接收模块、D/A转换芯片等电子元件组成的协调器，由协调器与PC使用USB进行有线连接，将传感器采集到的数据传输至PC，反馈给检测人员，并对数据进行本地储存。

PC的程序使用Visual Studio 2015开发工具和C#语言进行设计和开发。通过开发的程序链接ACCESS数据库，可以将采集到的数据及时存储于本地，然后通过查询程序可以随时查看历史纪录及将某段时间内的历史记录生成折线图，并且可以选择需要的数据及日期，自动从ACCESS数据库里生成EXCEL表格，便于查询。

图1 ZigBee无线采集系统

2 硬件设计

硬件设计包括终端和调节器。通过若干终端和1个协调器组成ZigBee无线传感器网络。终端用于采集环境数据，协调器用于接收终端采集到的数据，最后传至PC。

2.1 终端设计

终端由ZigBee射频模块(集成了80C51单片机)、温度传感器、湿度传感器、储存控制芯片、A/D转换芯片、供电模块等组成。其中，ZigBee射频模块采用CC2530芯片，该芯片支持IEEE 802.15.4协议，并集成了8051单片机，拥有32 MHz晶振，8 kB RAM，128 kB FLASH[14]，控制和处理传感器、储存控制芯片等电子元件，数据经过ZigBee射频模块发送给主节点。

温度传感器和湿度传感器采用数字温湿度传感器DHT11,是含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，其应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和卓越的长期稳定性[15，16]。DHT11通过串行接口与CC2530连接。其接口电路如图2所示。由于DHT11自带A/D转换模块，能及时将采集到的模拟信号转换为数字信号。

图2 DHT11传感器电路原理

储存芯片采用E2PROM公司的AT24C02芯片，储存容量为256×8 kB,用于保存已转换为数字信号的数据，以防止突然断电而导致数据丢失，芯片具有掉电数据保存功能，可多次擦写，擦写次数可达10万次以上[17]。

2.2 调节器设计

调节器由ZigBee射频模块(集成了80C51单片机)、储存控制芯片、D/A转换芯片、USB接口、供电模块等组成。与终端不同之处在于，ZigBee射频模块采用的是CC2530芯片。CC2530链接1个USB全速接口，通过USB数据线与PC串口相连接。调节器通过ZigBee射频模块接收到数字信号，通过D/A转换芯片转换为模拟信号，然后储存于储存芯片AT24C02中 ，经过USB接口与PC连接，最终将传感器采集到的数据传至PC中。

3 系统软件设计

软件设计分为子节点(终端)数据采集和发射、主节点(协调器)数据接收和PC显示及本地储存。

3.1 终端和协调器程序设计

子节点(终端)的任务为按时完成数据采集并发送给协调器。因此，CC2530在非采集和非发送数据时间段处于休眠状态，此时，CC2530自带的睡眠定时器工作，当时间到达指定采集点后，定时器溢出，系统复位，启动CC2530内的8051单片机，控制DHT11进行数据采集并将模拟信号转换为数字信号，储存于AT24C02芯片后再由CC2530发射至协调器。发射数据遵守IEEE802.15.4标准，如图3所示。

图3 IEEE 802.15.4协议

协调器的任务为接收终端数据并传输至PC。CC2530在非接收数据点处于休眠状态。当协调器检测到有信号传入时，系统复位，接收信号并对信号进行D/A转换后储存于AT24C02中。之后，通过USB串口通信将数据传输至PC。

终端和协调器基于半开源的Z-Stack协议栈进行程序开发，采用C语言。最终在保证系统稳定性的前提下达到数据采集、发射和接收的目的。

3.2 PC程序设计

协调器通过USB接口与PC端进行数据传输后保存至ACCESS数据库，然后，通过数据库中保存的数据供使用者查询和分析。因此，PC端程序设计需要有实时查询数据功能。上位机程序采用C#语言进行编写，使用的开发环境为Visual Studio 2015。如图4所示，为PC程序的流程，根据框图所编写的客户端窗口如图5所示，通过SQL方法链接Access数据，可以随时对数据库进行查询和生成图表，方便操作者使用。当点击自动保存时，采集到的数据自动保存到ACCESS数据库，防止数据丢失。

图4 PC程序流程

图5 PC端程序窗口界面

4 系统测试

由于田间植被对无线信号的吸收、系统自身不稳定等均会对系统的检测结果造成影响[17]，因此，为了测试系统的传输稳定性及数据采集的准确性，针对性地在昆明理工大学玉米实验田进行测试。将3个终端放入农田，直径距离约50～100 m左右，然后用协调器连接PC，在距离农田80 m左右的位置接收终端的数据包。终端每隔1 h采集一次数据，之后进入休眠模式。协调器接收到数据后传输给PC，利用ACCESS数据库进行本地保存。并通过设计好的人机交互程序随时查看数据。

如图6所示,采集的数据为实验某天数据库查寻，图7所示为某天实验数据制图，可以对节点号、空气温度、空气湿度、采集日期进行自主选择，方便数据查询。并点击图6中的导出可以对选择的数据生成EXCEL表格，实现数据的共享功能。

系统稳定性实验，经过1个月的测试，基本能稳定准确地采集到数据。将系统采集的数据和人工采集的数据进行比较，数据传输有效率达92 %。证明了系统功耗低、成本低、时延短、安全可靠，能够达到系统的设计要求。

图6 数据库查询

图7 折线图生成

5 结束语

提出了一种基于ZigBee无线技术的多信息农田数据采集系统，完成了由CC2530为主的无线芯片与其他相关芯片结合的系统硬件设计，最终达到数据采集的目的。测试结果表明：系统拥有功耗低、成本低、时延短、安全可靠、数据查询方便等特点，能够达到系统的设计要求，并且系统通过更换传感器和对软件程序进行简单编改，可以实现其他数据检测需求。因此，设计的数据采集系统基本满足农业信息化的要求。

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Farmland data acquisition system based on ZigBee and C#*

ZHU Kai, ZHU Hui-bin, BAI Li-zhen, ZHANG Jian-wei, CHENG Xi-jun, CAO Ke-gao

(Faculty of Modern Agricultural Engineering,Kunming University of Science and Technology,Kunming 650224,China)

Aiming at restriction problem of landform and settle environment on wired transmission,a data acquisition and transmission system based on ZigBee is proposed.The CPU of the wireless sensor networks(WSNs)is on the basis of CC2530,half-open-sourced Z-Stack protocol stack is adopted in the program development of the terminal and coordinator.The upper computer software is also developed with C# based on Visio Studio 2015 and ACCESS database to achieve remote monitoring,local data-saving and dynamic display.Field tests on a corn plot are carried out,the terminal is set to collect data every 1 h,and hibernate in the rest of time.By calculation,terminal estimated working time is about 100 days;the efficient transmitting distance between terminal and coordinators is 80m,and the efficiency of data transmitting reaches 92 %.Results show that system can content the requirements of agricultural information,which has features of low power consumption,low cost,stability and scalability.

wireless sensor networks(WSNs); ZigBee; data acquisition; programming language C#

10.13873/J.1000—9787(2017)08—0095—04

2016—08—29

云南省科技厅面上资助项目(2015FB125)；云南省博士学位人才引进科研启动基金资助项目(KSY201323139)；农业部公益性行业(农业)科研专项项目(201503119)

S 126； TP 23

A

1000—9787(2017)08—0095—04

朱 凯(1992-)，男，硕士研究生，主要研究方向为农业电气化与自动化。

朱惠斌(1974-)，男，通讯作者，博士，副教授，主要从事农业机械装备与计算机测控工作，E—mail：hbzhu113@qq.com。