基于Zigbee的设施农业环境监测系统

李雅君

（北京华云尚通科技有限公司，天津，300000）

0 引言

农业是国民经济的基础。设施农业是利用一定的设施和物联网技术，通过调节和控制作物的生长环境，以创造和改善适合作物生长的环境条件，从而获得优质高产高效的一种现代化农业生产方式[1]。其中，精准、及时的环境要素观测是设施农业的基础[2]。近年来，随着信息技术的发展，农业信息化和智能化的程度越来越高[3]。研究者们将农业物联网应用于农业大棚[4-6]、设施园艺[7]、畜禽养殖[8]等场景，探索智慧农业生产方式。采用有线方式连接的农业环境监测系统，由于布线复杂，安装维护困难、人力成本高，对于不同的观测环境布线的走向也要有不同的规划，大大限制了其推广应用范围[9]。因此本系统选用Zigbee无线通讯方式，具有组网简单、传输成本低、功耗小等优点。

另一方面，考虑到生长作物的种类以及所需监测环境的特点，不同应用场景中需要监测的环境要素往往不同，这限制了设施农业技术的推广应用。本文设计的基于Zigbee的设施农业环境监测系统可依据作物及环境需求选择环境要素进行监控，实现多种应用场景下的环境要素实时监测，具有安装简单、使用方便、应用范围广等优势。可选的环境要素包括空气温度、空气相对湿度、土壤温度、土壤湿度、光照、二氧化碳、PH值、液位、气压、风速、风向、雨量。

1 系统功能

1.1 系统整体结构

设施农业环境监测系统整体结构如图1所示。以农业大棚应用场景为例，对大棚中各环境要素，如空气土壤温湿度、光照强度、雨量等，采用对应传感器进行环境要素数据采集。各传感器将数据汇总到采集器上，由STM32嵌入式CPU控制进行数据存储，并由Zigbee模块，通过无线通讯网络上传服务器。在服务器处可查看大棚环境要素实时数据与历史记录，从而更好地控制大棚中植物生长环境。

图1 系统整体结构图

1.2 环境监测采集器

基于Zigbee的设施农业环境监测采集器由各要素传感器、STM32F103系列控制器、Zigbee通讯模块、参数存储模块、电源模块以及时钟模块组成，如图2所示。本采集器可实时采集空气温度、空气相对湿度、土壤温度、土壤湿度、光照、二氧化碳、PH值、液位、气压、风速、风向、雨量等环境要素值。在嵌入式核心CPU中对采集数据进行预处理，依据环境要素的变化速率以及干扰因素，适配不同的采样频率，选择合适的数据预处理算法，如算数平均算法、滑动平均算法、累加算法等。通过CPU运算最终输出每分钟数据值，并在EEPROM中进行短期保存。最终通过已经组网匹配的Zigbee无线网络，将分钟数据上报到监控中心服务器。

图2 系统整体结构

1.3 Zigbee无线通信网络

Zigbee通讯网络技术遵循IEEE802.15.4标准，工作在2.4GHz频段，是一种低功耗、近距离、自组织、安全性高、传输成本低、自愈性强的无线通讯技术[3]。Zigbee无线通讯网络的组网包括三种Zigbee的节点类型，即协调器、路由器和终端设备。协调器负责启动和配置网络，是整个网络的中心，具有建立网络的作用，一个Zigbee网络只允许有一个协调器的存在。路由器能够把消息转发至其他设备，具有维持网络的作用，除了不能建立网络以外，其他功能与协调器相同，一个Zigbee网络可以支持多个路由器接入。终端设备是整个网络的末端，一个Zigbee网络可以有多个终端设备[4]。

基于Zigbee的设施农业环境监测系统，在靠近数据中继器端设置Zigbee协调器，利用协调器的功能实现自组网通讯，且不会产生额外的通讯费用。再利用路由器的维持网络和转发功能，在各个农业大棚中分置采集器，在实现数据采集的同时，还可以扩展Zigbee网络的覆盖范围，增大通讯距离。

2 硬件设计

2.1 传感器模块

采用不同的传感器模块，可分别支持空气温度、空气相对湿度、土壤温度、土壤湿度、光照、二氧化碳、PH值、液位、气压、风速、风向、雨量等要素的采集。其中空气温湿度传感器、光照传感器和气压传感器是数字信号，与处理器模块通过I2C总线进行协议交互，如图3(a)所示；土壤温湿度传感器、PH传感器、液位传感器和风向传感器是模拟量信号，通过处理器自带的模/数（A/D）转换器进行采集，如图3(b)所示；风速传感器是频率信号，雨量传感器是开关信号，两者均是使用处理器的外部中断功能，通过在采样周期内进行计数完成采集，但是两个传感器的采样原理不同，如图3(c)所示；CO2传感器通过RS232与处理器进行协议交互，如图3(d)所示。

图3 传感器接口电路设计

2.2 处理器模块

处理器模块采用STM公司的以Cortex-M3为内核的STM32F103系列芯片。处理器模块负责控制其他所有模块工作状态，如按定时程序启动各个传感器的采样，收集各要素的采集值，根据各环境要素适配的预处理算法逻辑进行计算，生成分钟数据，将分钟数据按照指定的数据发送间隔通过无线通讯模块发送至监控中心。

2.3 无线通讯模块

Zigbee模块通过RS232与处理器模块连接，接口电路如图4所示。将处理器定时发送来的数据发送至监控中心，将监控中心发送来的命令转发至处理器模块。

图4 Zigbee接口电路设计

2.4 参数存储模块

该系统支持的采集要素多样，但是并不是所有的环境监测都需要上述所有要素。可以根据不同监控环境的要求，选择上述要素中的几种接入，即软硬件支持采样要素可配置。这些配置好的参数存储在外置的参数存储模块中，保证参数在设备掉电的时候不丢失。

2.5 电源模块

系统中有3.3V和5V两种供电，为了保障信号传输的可靠性，设计了电平转换与稳压电路，如图5所示。

图5 3.3V稳压电路

系统给所有的传感器的电源都增加了控制电源功能，在采样的空闲期，关闭传感器电源，以控制系统的功耗。

3 软件设计

3.1 采集器程序设计

基于Zigbee的设施农业监测系统是在IAR Embedded Workbench开发环境下开发，利用C语言进行编程。图6为采集器软件流程图。系统上电后进行初始化，完成各种传感器初始参数配置、采样周期配置、Zigbee网络配置等。设定各传感器的采样周期不同，则采集器处设置定时器，采样时间未到时采集器进入低功耗模式，传感器断电、CPU休眠。当定时器产生中断，即采样周期到，唤醒CPU，给传感器供电，采集环境要素数据并缓冲入存储设备后，继续休眠。当1min定时到，进入分钟任务，对1min内采集的环境要素数据进行预处理，将处理结果通过Zigbee无线通讯网络上传服务器。

图6 采集器软件流程图

3.2 Zigbee通讯流程软件设计

Zigbee模块上电后，STM32处理器通过RS232与其交互，对其设置相关通讯参数，并获取模块的相关信息，例如MAC地址等，完成对Zigbee模块的初始化。对于协调器，现在就可以直接建立网络了；对于路由器和终端设备，此时可以根据设置的网络参数加入网络，并获取到协调器或者路由器分配下来的短地址，短地址可以作为一个Zigbee网络通讯中的目标地址。Zigbee通讯流程如图7所示。为了保障网络的安全性，在Zigbee网络层之上封装了协议层，并且网络启动之后要通过握手机制，否则不能交互。

图7 Zigbee通讯流程

4 现场试验与数据分析

在农业大棚现场安装Zigbee的设施农业监测系统，进行现场实验，实时记录农业大棚环境要素数据。考虑到短期内农业大棚环境要素变化主要受昼夜影响，以天为周期，因此选取了某检测站点中的若干主要环境要素24h的采集量进行数据分析，如图8所示，包括空气温度、空气相对湿度、光照强度和CO2浓度。

图8 农业大棚24h要素采集结果

当其他条件不会突变的情况下，空气温度和空气相对湿度具有一定的关联关系：当空气温度升高时，空气相对湿度降低；当空气温度降低时，空气相对湿度升高，当温度降到一定程度且没有光照的情况下，空气相对湿度可能达到100%，甚至会析出露珠。光照强度日落后为0，越接近中午光照强度越高。二氧化碳浓度在日落后逐渐升高，日出后逐渐降低。由图8可见，观测数据符合自然规律。经过实际验证，该系统数据采集准确、稳定。

5 结论

本文设计了一种基于Zigbee的设施农业环境监测系统，该系统采集接口丰富，采集要素多元化，可以采集空气温度、空气相对湿度、土壤温度、土壤湿度、光照、二氧化碳、PH值、液位、气压、风速、风向、雨量等观测要素，并且可以根据实际的需求选择其中的几种要素进行监测。该系统采用Zigbee这种无线通讯技术，省去了布线的麻烦，并且该技术功耗低，可以自组网，不需要额外的传输成本，应用简单。根据实际应用可以看出：该系统采集数据准确，系统运行稳定，数据传输可靠性高，在实现农业观测自动化、推动设施农业发展方面具有一定的意义。