基于ZigBee与GPRS的农业大棚环境监测系统的设计和实现

 近年来随着大棚农业的蓬勃发展，对农业生产的信息化管理成为了一个重要的研究领域。大棚温室内的土壤湿度、环境温湿度、叶面湿度等环境因素对农作物的质量以及稳产、高产有很大的影响。如何实时、有效地获取内部各种环境参数，为种植过程的科学灌溉提供数据支持，进而提高作物产量，增加经济收益，具有重大的意义。

针对上述问题，目前常用的方法是人工巡查和有线数据采集两种。人工巡查方式消耗人力、工作量大，且难以保证数据的实时性与有效性。另一种是采用有线通讯的数据采集方式监测系统，其布线复杂，且受物理线路和环境因素影响大，成本高，不适于扩展。随着无线通讯的发展，以往的有线系统渐渐被无线监测系统取代，尤其是近些年我国GPRS/CDMA无线移动网络技术的发展以及ZigBee技术在我国的应用，使得开发一个廉价而低耗的无线系统成为易事。作为一种近距离、低成本、低功耗、低数据速率的双向无线传输技术，被广泛用于环境监测、交通管理、灾难预防等领域，也成为近年来数字农业研究中的热点之一。针对农业大棚环境监测的实际需求，研制具有多测点、多参数、可移动、使用便捷的环境监测系统具有十分重要的意义。

1 系统结构

大棚温室监测系统设计成三层网络结构：无线传感器网络，GPRS网络和远程管理平台，系统结构如图1所示。无线传感器网络负责各种环境参数的检测和数据的无线传输;

GPRS网络用于数据的转发以及与。Internet无缝连接，远程管理平台可实现对数据的处理、分析、管理。

为了减低成本，此处网关节点功能主要是实现ZigBee的协调器与gprs模块间的通讯。使得协调器收到的数据能够通过GPRS模块传输到互联网上，以此实现远程监控。

无线传感器网络由若干终端节点，路由节点和协调器节点构成。带有的大量传感器的ZigBee终端节点和路由节点分别放置在大棚的不同地方，各个节点负责对数据的感知与采集，数据以最短路径原则沿着其他路由节点逐跳地进行传输。每个传感器节点的覆盖范围必须包含另外两个节点，以防传输线路中有节点出现故障时，数据的传输中断。在传输过程中，监测数据可能被多个节点处理，多跳到每个簇的汇聚节点，然后传到网关节点。网关节点与远程的服务器采用经典的C/S模式实现通讯，使用者也可根据需要使用智能手机作为客户端，实现随时随地实时的收集大棚中的环境参数，并对数据进行分析处理，做出判断与决测。

2 网络节点设计

2.1 终端节点的硬件设计

农业大棚中环境温湿度，二氧化碳含量等环境参数数据对于节点处理器的处理能力不需要很高的要求，且发送的数据量小。为了降低成本，本系统采用单片CC2530作为处理器，用于数据的采集和数据的无线通讯。电源模块则对整个节点的运行提供能源，以满足系统中不同模块对电源的需求，保证正常运行。节点硬件主要结构如图2所示。

2.1.1 传感器模块

传感器模块主要由环境温湿度、二氧化碳等传感器等部分组成。土壤湿度传感器用于监测种植区域的土壤水分，环境温湿度传感器用于监测生长环境中的温度和湿度，二氧化碳传感器用于监测温室中的二氧化碳含量，保证植物能在合适环境中生长。温湿度传感器采用SHT11传感器，它是由工厂校准，输出温度的分辨率为0.01℃，输出相对湿度的分辨率为0.03%。它提供全量程标定的数字输出。具有极高的可靠性与卓越的长期稳定性。传感器包括一个电容性聚合体湿度敏感元件和一个用能隙材料制成的温度敏感元件，这两个敏感元件与一个14位的A/D转换器以及一个串行接口电路设计在同一个芯片上面。该传感器响应超快、抗干扰能力强、极高的性价比。它与单片机的接口也非常简单与IIC协议类似。本系统中对CO2含量监测有较高的要求，且传感器应受温湿度的变化小。这里采用：MG811型的二氧化碳传感器，它主要实用与空气质量控制系统和温室二氧化碳浓度检测。二氧化碳传感器经过高输入阻抗放大器放大后接入单片机，利用CC2530内部自带的AD转换器进行模数转换。

2.1.2 电源模块

网络节点中处理器CC2530需要3.3 V供电，而传感器模块和放大器等需要5 V供电。为了满足不同模块对电源的需求，以及节点的便捷性。我们采用多节1.5 V干电池供电，

通过LM1117输出所需的3.3 V和5 V电压。LM1117是一个低压差电压调节器系列。其压差在1.2 V输出，负载电流为800 mA时为1.2 V。它有5个固定电压输出(1.8 V，2.5 V，2.85 V，3.3 V和5 V)的型号，此外它还提供电流限制和热保护。输出电压精度在1%以内。设计时输出端需要一个至少10 uF的钽电容来改善瞬时响应和稳定性。

2.1.3 无线通讯模块

无线通讯模块主要采用CC2530芯片和低功耗射频前端CC2591，它主要用于功率放大，大大简化了射频电路的设计。TI公司的CC2591是高性价比和高性能的2.4 GHz RF前端，适合低功耗低电压2.4 GHz无线应用，CC2591的输出功率高达22 dBm,集成了开关，匹配网络和平衡/不平衡电路，电感，功率放大器(PA)以及低噪音放大器(LNA)，可以用在所有的2.4GHz ISM系统，无线传感器网络，无线工业系统，IEEE802.15.4和ZigBee系统，无线消费类电子系统和无线音频系统。CC2530与CC2591主要部分硬件连接如图3所示。

当HGM为高电平，表示CC2591接收数据时，LNA是高增益模式;当HGM为低电平，表示CC2591接收数据时，LNA是低增益模式。而EN引脚和PA_EN引脚在CC2591正常工作时候置为高电平，当其进入低功耗模式时候，将其置为低电平，这样可以降低功耗。CC2530的I/O端口P1_1，P1_4，P0_7连接CC2591的HGM、EN、PA_EN引脚实现由单片机来控制CC2591。

2.2 终端节点的软件设计

无线传感器网络节点的数据传输采用基于802.15.4标准的ZigBee无线传输协议，使用API操作模式。API操作模式通常应用于较复杂的网络传输，通过改变目标地址来实现点对多点的数据传输任务，传输结束后返回确认信息(或已发送成功，或发送失败)。接收数据时可以额外接收到发送端模块的发送信息，对节点进行远程参数配置后，实现整个网络信息系统的在线参数配置，分配系统资源。

当协调器运行后，协调器便建立了ZigBee网络。周围的节点纷纷加入到网络中，当节点加入到网络中时。这里设置一些发送事件(如发送温度，湿度等数据)，在该事件中我们可以调用传感器的采集程序，处理完数据后便把数据发送出去。网络节点的工作过程大体如图4所示。

其中sendTheMessage()函数中调用传感器采集程序并对数据进行处理，然后调用AF_DataRequest()进行数据的发送。此外在sendTheMessage()函数中我们还对数据进行简单的判断，如果出现异常(如温度过高等)，设置osal_start_timerEx (GeneicApp_TaskID，SEND_DATA_EVENT，1 000);即1 s发送一次数据;而正常情况下为15 min发送一次数据。这种设计方法既能实现低功耗，减轻网络的通讯压力，不至于引发局部网络瘫痪的现象，还可以较好地保证实时性，提高信息可靠性。

3 网关节点设计

网关节点的主要任务是转发采集的数据。它一方面通过ZigBee协调器与传感器网络相连接，另一方面通过GPRS通信模块与Internet外部网络连接。实现两种协议直接的转换，发布远程数据中心的监测任务，也要把收集到的数据发送到与Internet网络相连的远程数据中心。GPRS与Internet网络的无缝连接，可以达到数据连续传输的目的。网关节点主要由CC2530芯片模块、GPRS通信模块以及电源模块组成，其结构如图5所示。CPRS通信采用华为公司的GTM900 GPRS模块，它是当今市场上尺寸最小的三频GPRS模块之一，完美地支持语音通信和短消息方式通信的功能，可以用于实现实时通信与手机信息交互的功能，以便及时地处理情况。GTM900内嵌的TCP/IP协议与Internet网络的协议相同，易与Internet网络相连，此外它支持AT命令操作，利用指令AT%IPOPEN=“TCP”，“219.136.10.247”，60000便可建立与Internet连接，便捷了开发与使用。

4 管理软件设计

本系统的管理平台软件是基于.NET平台下开发，使用SOCKET套接字实现TCP/IP协议;运用C/S模式实现多点控制。首先是服务端设计，主要是用于数据的转发。当服务端收到来自于网关的数据时便转发给其他的客户端包括电脑客户端或者智能手机客户端。

5 实验结果

为了试验所搭建的系统的性能，本文选用苏州市太仓现代农业基地作为试点。选用5个网络节点，一个网关节点和笔记本电脑形成监测平台。实验数据通过网关传到上位机，在上位机上可以实时看到数据，实验显示，在树林里传输距离能够达到50 m，可以满足温室大棚环境监测的需要。其中服务端数据图6所示。

6 结论

本文针对温室大棚提高产量及质量的需求，设计了基于无线传感器网络的环境监测系统，用于温室环境参数的实时监测。着重介绍了，无线传感器网络的体系结构、节点的软硬件设计以及通过GPRS技术远程传输。无线传感器网络利用节点功耗低、工作时间长、成本低等特点，实现在线监测，为科学的种植提供科学依据。