基于ZigBee无线传感网络的农场智能监控系统设计

2020-02-03何滔

电子技术与软件工程 2020年11期

何滔

（云南能源职业技术学院云南省曲靖市 655000）

随着城镇化程度的进一步深化，科学技术的不断发展，农场经济拥有较好的发展前景，基于农场可以发展旅游业，同时还可以发展各种农业新经济形式。当前在现有的农场经营管理中，涉及到种植、配送、参观、体验等的活动形式，存在着服务项目繁多、区域位置大等挑战，对此搭建起农场智能监控系统，能够有效提高整个系统的管理效率，提高经济效益，减少农场智能管理的成本支出。而ZigBee 作为一种新型的短距离无线传输技术，能够实现对农场环境信息的全时性采集，满足高效率的通信传输，从而实现农场智能化、自动化以及网络化发展。

1 ZigBee无线传感网络概述

1.1 ZigBee技术

ZigBee 技术是为低数据速率和短距离无线网络通信定义的一系列通信协议标准，该技术可以不需要依靠计算机设备、有线电缆等无线组网完成一系列的电子元器件设备之间数据传输。ZigBee 技术具有多个方面的功能优势，在当前的信息技术下拥有广泛的应用空间。

（1）低功耗特点，在一般的低耗电待机模式下，ZigBee 技术的电池仍旧可以支持1 个节点工作半年到两年左右。

（2）具有低成本优势，在信息时代，实现信息的传输需要大量的通信控制器支持而基于ZigBee 技术下，其能够大幅简化协议降低成本，同时对通信控制器的需求不太高，甚至还可以实现ZigBee 通信协议专利免费。

（3）高容量特点。在大型的行业领域中，设计智能监控系统都需要展开对海量的信息数据的接收和处理，ZigBee 技术正是可以采用片状或是网状网格结构的方式，组建成多层次的节点网络，满足多种信息、数据的存储和处理。

（4）具有高安全性特点。作为一种近距离、低成本以及低功耗的无线网络技术，ZigBee 无线通信技术还可以实现GPS 功能，因此被广泛应用到人类的日常通信传输中，同时其提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单防止非法获取数据以及采用高级加密标准的对称密码等，确保该网络技术的安全性。

1.2 无线传感器分析

无线传感器网络是通过在需要进行监测的区域中布置大量的微型传感器，从而实现对监测区域的各种信息的全面采集，并且利用无线通信的方式来实现这些信息数据的传输、共享和操作。可以说，区域越大、通信距离越大，所对应的系统的框架也越来越复杂，信息传输的能耗越大，甚至出现信息安全问题。当前ZigBee 技术在无线传感网络中的应用，其可以为无线传感网络带来高通信率、低成本、低速率等优势，更是能够降低能耗，打造出拓扑结构，通过布置大量的ZigBee 节点来满足数据信息的采集和传输处理。因此非常适用于大型的监控场所。

图1：网关硬件结构图

图2：网关软件应用流程

2 基于ZigBee无线传感网络农场智能监控系统总体框架

基于ZigBee 无线传感网络的农场智能监控系统需要满足农场环境参数监测、实现对农田信息的实时采集和处理功能，用户通过移动终端设备实时访问田间信息等GPS 定位功能。因此农场智能监控系统整体结构主要是由监控层、以太网传输层、无线网络传输层组成，具体包括ZigBee 网络的无线数据采集子系统、基于ZigBee 网络的农场无线定位子系统、还有以太网传输子系统、远程监控系统等4 个部分。

3 基于ZigBee无线传感网络农场智能监控系统设计分析

3.1 基于ZigBee无线传感器网络农场智能监控系统硬件设计

在农场智能监控系统中需要3 种现场设备，分别为网关、路由器以及移动终端节点。

3.1.1 网关硬件结构设计

网关是ZigBee 无线传感器网络的重要基础，通过网关能够建立起核心控制器，完成对所有数据的传输和应用。在该系统中主要采用的单片机为MSP430FG4618 低功耗单片机，ZigBee 芯片选为CC2420，通过嵌入式互联网技术，实现对ISA 总线的连接，不需要经过其他的逻辑转换，有效大大提高了系统数据监控、跟踪处理的效率。在ZigBee 芯片的型号选择中，其主要是利用芯片的多个引脚串口同其他的传感器芯片的串口相连接，让传感器芯片以及系统的其他数据模块的能够同无线网络中心系统实现互相访问和数据传输，具体网关结构如图1 所示。

3.1.2 路由器硬件结构设计

在农场智能监控系统中路由器硬件主要是采用CC2430，该芯片拥有8 路AD 输入，能够满足农场内的多种电路信息采集的需求，保障整个农场的信息通信的可靠性。同时路由器还可以增加射频前端芯片实现整个农场的通信的可靠性和安全性。

3.1.3 传感器的硬件结构设计

终端的硬件结构主要是采用CC2431 芯片，其拥有gps 定位引擎，在农场经济中，人们要是迷路了可以通过gps 定位的方式，随时掌握自己在农场中的位置，同时还可以通过无线传感网络进行农作物的生长情况的跟踪，一旦出现农作物生长故障可以直接采用预警的方式，实现对农场内农作物的监督管理。

另外在系统中还涉及到一些其他的模块设计，如，电源模块设计，由于农场占地面积较大，环境较为特殊，其供电模块是采用太阳能电池与普通干电池相结合的方式，在该电源模块设计中，其能够满足数公里距离的远距离传输。

3.2 基于ZigBee无线传感器网络农场智能监控系统软件设计

基于ZigBee 无线传感器网络农场智能监控系统是以ZigBee 2006 协议栈为基础设计的。

3.2.1 网关应用程序的实现

网关负责组建ZigBee 网络，通过以太网连接起远程监控主机，实现ZigBee 网络同以太网之间通信交换。网关应用程序的流程如图2 所示。在网关软件应用实现中，通过建立起一个ZigBee 网络，通过ZigBee 接口实现同监控主机的连接，当网关接收到农场的各个无线网络节点时，按照系统协议，将数据信息进行转换处理发送到监控主机中，而监控主机通过对数据的分析，将相关指令再次发送到无线网络的各个指定节点中。在该系统中指令格式有三种，可以随意提取某一个时间节点的信息，还可以在实现信息的撤离，对于数据采集的周期进行设置等。网关软件正是通过这些功能满足农场信息的智能化采集和处理。

3.2.2 ZigBee 节点应用程序的实现

ZigBee 节点就是实现农场区域内多种环境数据采集、提供路由服务的重要软件，其能够从CC2430 芯片中读取到各种空间数据位置数据，以及各种代码内容。

3.2.3 传感器应用程序的实现

各种传感器在智能农场监控系统中发挥着重要的作用，当前在移动传感器的农场环境参数、农作物动态生长数据等的采集和应用。

3.3 农场智能监控系统中的远程监控主机的实现

监控主机主要采用VC++编程方式，为农场经营管理者提供直观、形象的计算机界面，即所有采集监控到的数据信息都能够以可视化的格式呈现出来，方便监控主机进行数据的处理，为各种ZigBee 节点下达指令。

4 基于ZigBee无线传感网络的农场智能监控系统的调试与实现

在ZigBee 无线传感网络的支持下，农场智能监控系统实现了优化升级。

4.1 基于ZigBee无线传感网络的农场智能监控系统的调试

该系统在我国农场经营中投入调试运行。在运行时，系统能够开启监控主机和农场网络节点系统进入到正常的运行状态下，而监控主机以可视化的效果将农场内的农作物生长以及农场工作人员的位置信息等呈现给用户。如，农场的智能灌溉系统中，农场智能监控系统首先会根据农场中农田分布情况、管道分布情况等，借助现有的ZigBee 无线节点系统建立起有效的通信距离，将农田灌溉区域分为多个独立的控制单元分区，在每一个分区设置一个传输基站、多个数据采集站，在借助各种温度、湿度传感器，展开对农田土壤湿度参数的监测，利用无线通信网络，将这些土壤数据信息定时传输给基站，传输基站将数据进行第一级融合后以Ad hoc 的方式上传给数据处理中心。数据处理中心所拥有的高处理效率能够对数据信息进行聚类存储和分析，并且按照一定算法实现第二级融合，做出初步判决，并将判决结果连同部分关键数据通过光纤以太网或者GPRS 模块传送给远程监测站，由农场智能管理系统的工作人员进行最后的判决处理，将信息反传给数据处理中心，数据处理中心根据判决结果向电磁阀控制端发送控制指令;电磁阀控制端根据接收到的控制指令执行灌溉控制，到此，一个完整的农场智能灌溉系统监测系统工作过程结束。

4.2 基于ZigBee无线传感网络的农场智能监控系统的优势

可以说基于ZigBee 无线传感网络的农场智能监控系统在性能上、结构上更加完善。

4.2.1 数据集成化处理

在大数据时代下，智能监控系统首先面临着海量数据收集和处理的困境，以及数据传输较慢，出现数据安全性问题。而基于ZigBee 无线传感网络下的农场智能监控系统拥有处理器和无线发射器，其能够实现低电压下的低功耗运行，实现ZigBee 协议的物理层及媒体访问控制层的同时运行，从而该模块在体积上呈现出小型化发展。

4.2.2 传感器的多样化

在农场智能监控系统应用中面临着众多的无线传感器设备，其需要满足各种信息数据的采集。在ZigBee 无线传感网络系统下，其满足了多种传感器的接入和应用。如，SHT 系列空气温湿度传感器、光照传感器等专业化程度较高的传感器设备。

4.2.3 实现远距离的信息传输

由于ZigBee 技术是无接触性的信息传输，在运输过程中会受到一些干扰或者是障碍物的影响。而ZigBee 无线传感网络能够在远距离的传输中表现出较大的优势，不会轻易受到外界干扰，从而确保正常通讯。更重要的是，ZigBee 无线传感网络中所采用的各种芯片硬件都具有低能耗的特点，因此可以解决传输距离增加所带来耗电量问题。