设计并实现基于ZigBee的农业温室智能监控系统外文翻译资料

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设计并实现基于ZigBee的农业温室智能监控系统

吴仁飞，徐鹰，李龙，查俊丽，李仁发

摘 要

本文介绍了农业生产的物联网技术的实现，目的是在一个手工制作的温室模型中，设计和实现一个基于ZigBee无线通信技术的智能监测系统。在本文中，我们还设计了基于ZigBee的控制节点，它可以控制温室里的多个控制设备。该系统通过各种传感器来收集温室的环境参数，如土壤温度和湿度，空气温度和湿度，以及光强度。通过ZigBee技术的应用，所收集的环境信息被发送到汇节点并最终传送到监控中心。监控中心分析所收集的参数，然后将根据控制策略的命令发送到控制节点或发送一些警告的短消息给移动用户。根据接收到的命令，控制节点将打开或关闭在温室中的环境控制设备。例如，控制节点可以打开或关闭排气扇来调节和控制作物的成长环境，从而实现了智能农业生产。该中心还提供了远程访问模式，使用户能够获得实时环境参数和监控视频，这有助于实现各种设备的智能控制从而来调节温室里作物的成长环境。

关键词：ZigBee，物联网，智能监控系统

第一节 简 介

人均农业资源的缺乏和农业资源的利用率低是影响中国农业发展的主要问题[2]。解决这一问题的有效途径是改变传统的农业生产方式，推进农业科技进步和创新以及农业设备的现代化。物联网（IOT）技术就是传感集成，网络通信和计算机科学的结合。物联网技术在农业生产中的应用能够有效地提高资源利用率和劳动生产率。通过使用感测技术，可以得到作物生长环境的信息，包括照明，土壤温度和湿度，以及空气的温度和湿度等，通过使用网络通信技术来传输这些感测信息，然后使用智能信息处理技术处理信息，以这样的方式，无论是科学的决定还是精密耕作标准都能得以改善（图1）。

图1 智能监控系统的体系结构

ZigBee协议是基于IEEE802.15.4标准。它具有许多优点，如良好的稳定性，低功耗，和强大的防干扰与自组织的能力[4]。所以，在IOT和低功率无线传感器网络方面，ZigBee的具有广泛的应用前景。温室，作为一个新的作物种植模式，突破了传统农业的影响，如地理，自然环境，气候等诸多因素的影响，对农业生产有着重大意义。在温室监控应用的ZigBee已成为一个热门的研究课题。 周等人设计了在温室中使用的基于ZigBee的无线监控系统，着眼于协调器和传感器节点，以及该系统的功率消耗之间的通信，但他们并没有实现对于监控系统的控制非常有用的用户图形界面[3]。张等人实现的监控硬件系统和为用户设计这两个窗口应用和Web应用程序，但用户仅能够获得温度和湿度的信息，不能调节温室环境[8]。迪等人开发的基于Android系统的具有良好的人机界面的应用程序，但缺乏对环境参数的控制[5]。参考文献研究了如何减少功耗，考虑到系统的能量效率[1,6]。

目前，在温室中使用的基于ZigBee的监测系统的研究主要集中在信息收集和功耗。目前的研究缺乏了智能控制和温室环境调控。我们设计并实现了具有信息采集和温室环境控制的监控系统。此外，为了提高系统的可靠性，一种网络重发机制被用于每一个控制信号中，用以确保安全和可靠的控制。

本文的其余部分安排如下。在第二节我们提出了简要的介绍我们设计的监控系统的架构。第三节给出了硬件和软件设计的细节。在第四节我们评估了我们的监控系统。最后，第五节总结全文，并提出了未来可能的工作。

第二节 系统架构

智能监控系统主要由三部分组成：信息的收集与传输子系统，环境规制与传输子系统，以及监控和控制中心。信息采集与传输子系统定期从温室中的传感器节点收集环境信息，然后将这些信息传输到采用ZigBee无线传输协议的汇聚节点（即协调），最后汇聚节点通过串行端口发送这些信息给监控中心。环境规制与传输子系统从监控中心接收控制命令，然后传输这些命令来打开或关闭控制设备，如排风扇来调节温室环境。为了使系统更加灵活的，我们在监控中心设计了三个客户端软件，即PC（个人电脑）客户端，Web客户端和基于ARM的客户端。由于共同使用的PC，设计PC客户端可以有效地利用该资源。通过Web客户端，用户可以方便地通过Internet网页访问监控中心。智能手机用户也可以通过网页访问监控中心。对于高的性能和低廉的价格，ARM芯片成为用于嵌入式系统中常见的芯片。因此，我们实现了具有三个客户端的监控中心，为终端用户提供更多的选择。在监控中心的功能如下：首先，它将收集到的信息实时存储到数据库，并给用户提供了一​​个良好的图形界面;其次，根据收集到的信息和控制策略发出控制命令;最后，如​​果温室出现异常环境的情况下，监视中心可以发送短消息到用户的手机上来提醒用户。

第三节 系统设计

3.1 硬件设计

无论是信息的采集与传输子系统还是环境规制与传输子系统都使用CC2530作为系统的传输芯片。 CC2530芯片集成了先进的RF（射频）收发器，丰富的片上外设和强大的DMA（直接存储器存取）控制器[5]。由于其丰富的片上外设，例如USB，UART和SPI通信接口和A/ D（模拟转数字）转换接口，它为基于ZigBee的各种应用的开发提供了方便。强大DMA控制器可保证实时响应，提高了CPU利用率。我们使用无线龙公司的CC2530传感器节点[7]。该传感器节点是由两部分组成：RF模块和传感模块，如图2。传感器收集环境信息，并将其转换成模拟信号。 RF模块通过A / D转换接口将模拟信号转换成数字信号并发送出去。

环境控制子系统设计还基于CC2530射频模块，其经由GPIO（通用输入/输出）端口从监视中心接收的控制命令，然后控制设备，如显示在图3。多个控制设备可以通过GPIO端口由CC2530射频模块连接，例如，网络连接感叹电灯，它是照明设备中，排气风扇，用于调节CO 2浓度和可燃气体的排放，在遮阳板，电子水阀，报警蜂鸣器等。该ARTI网络官方照明设备可以调节温室内的亮度。当AC电压达到零点，CC2530射频模块输入端口（P20）将出现一个跳跃。 CC2530射频模块可以使晶闸管（BTA06）通过输出口P01进行，然后打开灯泡。通过调整零点和晶闸管的导通之间的时间延迟，CC2530射频模块可控制的光的亮度。该时间延迟越小，光越亮。排气风扇的速度可以通过脉宽调制（PWM）来调节。我们使用步进电动机来打开或关闭遮阳板。

我们选择无线龙公司的RF2-V210开发板平台为ARM板。 RF2-V210平台的核心处理器集成了采用1GHz 的Cortex-A8内核芯片，图形引擎，视频加速器，以及丰富的多媒体外设。基于CC2530射频模块的节点，用于通过ZigBee协议发送命令和接收收集的信息。 TC35GSM调制解调器用于短消息预警和控制（图4）。

图2 传感器节点的硬件设计

图3 控制节点的硬件设计

图4 监控中心的硬件设计

图5 监控中心的软件设计

3.2 软件设计

信息采集与传输子系统和环境规制与传输子系统是基于ZigBee传感器节点，利用操作系统抽象层（OSAL）来管理资源。OSAL是能够实现多任务的调度，OSAL的主要任务是用户任务和媒体访问控制（MAC）系统任务。这些任务有不同的侧重点，所有节点的系统任务的优先级是相同的，但用户的任务的优先级是不同的。传感器节点可以从监控中心接收配置命令并从传感器周期性地读取和传输环境信息到监控中心。控制节点从监视中心接收命令，然后调用相应的控制功能，并在最后返回执行结果到监控中心。汇节点管理路由表并通过ZigBee技术和串行端口来转发信息和命令。

监控中心的功能设计如图5。登录模块和用户管理模块控制用户的访问权限。实时监控模块是负责处理和存储在数据库中对农业研究收集到的环境信息，并为用户提供了良好的接口。环境调节模块用于自动或手动地发送控制命令。专家管理模块存储各种作物的适宜生长条件。当选择某一作物之后，专家管理模块将设置阈值来调节温室环境下实现选定作物的合适的生长条件;用户可以在通过实时监控视频温室观察作物。

PC客户端通过使用Visual Studio 2008软件实现的。 在图6a中展现了当前土壤水分曲线的PC客户端的软件界面。我们开发了基于Java的网络软件接口如图6b。ARM的监控中心是基于WinCE6.0系统设计，采用Microsoft基础类（MFC）为软件开发。如图6c的ARM软件界面展示了实时温室监视视频屏幕。

（a）

（b） （c）

图 6 监控中心的网络软件接口（a.PC客户端，b.web客户端，c.ARM客户端）

第四节 系统评价

为了测试该智能监控系统，我们建立了农业温室的试验模型如图7。这个模型由七个节点组成，包括了五个传感器节点，一个控制节点和一个宿节点。

作为一个例子，我们测试了监测系统的照明系统。采样的照明调节周期是5分钟。我们把模型和一盏灯放在黑暗的房间，这是太阳的模拟。适宜的光照强度间隔设置在10和15之间。当房间光被关闭时，该照明强度低于10。然后，系统将自动通过光传感器的反馈信息打开人工照明设备并且动态调整光的亮度。房间的灯打开后，光照强度超过15。遮阳板将旋转并保持灯光。当可燃气体出现，排气风扇将被打开，直到可燃气体浓度恢复到正常（图8）。

图7 人造温室的系统测试模型

图8 照明监管

第五节 结论

本文设计并实现了基于农业温室使用ZigBee的智能监控系统。该系统提供多个客户端软件，包括PC客户端，Web客户机和ARM客户端。此外，用户可以使用短消息来获得作物成长的环境信息，并通过一个自行设计的控制节点来调整环境。我们设计了农业大棚的手工测试模型和测试系统。测试的结果表明，该系统可以监视在温室中的环境参数，并同时调节环境。

我们的系统的功能可以进一步提高。例如，我们可以添加RFID标签在未来不断增长的市场中追踪农产品。我们还可以使用一些智能学习算法来优化控制性能，还可以加入更多的调节设备，如供热设备，空气加湿器音响器，以及二氧化碳或氧气发生器，等等。

致 谢

这项工作是由中国国家自然科学基金旗下的格兰特No.61173036和No.61202289资助。

参考文献

[1] Gong S, Zhang C, Ma L, Fang J, Wang S.设计与实现低功耗ZigBee无线温湿度传感器网络. [J] 南昌；农业计算机及计算机技术 615–622，2010

[2] Li Z 物联网在农业以及关键技术要求上的讨论.郑州；中国通信协会

pp 631–634，2011

[3] Liu Y.基于ZigBee原型无线农业信息传感器网络[M]. 中国科技大学，2007

[4] Liu J, Jiang C.基于ZigBee技术的无线嵌入式温度采集系统设计 [J]. 西南科技大学, 76–79,2007

[5] Qu D, Yang J, Chen W.基于ZigBee和Android智能手机监控系统的设计[J]. 微控制器的嵌入式系统, pp 10–12,2012

[6] Su W, Shao J, Yu C, Wang X, Yang Y.基于ZigBee温室监控系统的低功耗设计[J]. 计算机测量与控制, pp 1812–1815,2012

[7] RF-CC2530实验箱. 无线龙公司.

http://ec.eepw.com.cn/mfmember/showproduct/userid/34376/id/622370

[8] Zhang X.农业温室控制系统基于ZigBee的设计与实现[M]. 北京邮电大学；2010

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