基于ＺｉｇＢｅｅ的互联网＋智慧农业系统设计

　　摘要：针对如今基于物联网技术构建的智慧农业系统表现出的一些问题，提出了一种改良的设计方案。其进一步减轻了资金上的成本负担与农民使用的学习成本，除大规模农场化的种植集团外，还可推广至普通的个体种植户。通过Ｚｉｇ－Ｂｅｅ技术进行组网，将终端设备分布在农作物周围，用户可以通过手机应用程序远程获取终端设备附近的环境信息，并利用继电器开关实现远程浇水等功能。由于采用光伏－蓄电池供电与子节点可以进行低功耗休眠的方案，该系统达到了低成本、低功耗和高可靠性三者的平衡。

　　关键词：ＺｉｇＢｅｅ技术；物联网；智慧农业；ＣＣ２５３０

　　０引言

　　农业历来被认为是稳民心、安天下的产业，但伴随着经济的高速发展，环境恶化和资源稀缺的矛盾越来越显著。为了保障农产品的供给量不下降和保证食品安全与生态环境安全、提高农业管理的精细化程度、实现农村经济的可持续发展，要充分利用物联网技术在监测土壤和水资源参数的优势，实现真正的农业现代化［１］。

　　１系统结构与基本原理

　　项目总体设计图如图１所示。本项目由４个设备节点（一个协调器和三个终端设备）、通用无线分组业务（ＧｅｎｅｒａｌＰａｃｋｅｔＲａｄｉｏＳｅｒｖｉｃｅ，ＧＰＲＳ）模块［２］、继电器模块和手机应用程序构成。传感器放置于外部环境中，负责采集温湿度和光照数据信息，并仅与协调器进行通信，协调器是无线传感器网络的核心，负责组建网络并将节点加入到网络中来，接收处理来自子节点的数据或发送命令至子节点，同时还与ＧＰＲＳ模块相连，通过短信的方式与手机应用程序通信。

　　２功能性需求分析

　　２．１协调器及各子节点实现组网

　　作为物联网的灵魂和核心，组网功能是必不可少的。在本项目中，要求每一个节点都拥有自己的网络ＩＤ号，其中主控节点（协调器）先自行组网，后等待各个子节点加入，最终形成一个完整的ＺｉｇＢｅｅ星状网络，这一过程可细分为两个步骤：网络初始化和节点加入网络。其中网络初始化的流程［４］如下所示：①确定网络协调器；②进行信道扫描过程；③设置网络ＩＤ。

　　２．２协调器发送信息的单播与广播

　　对于用户来说，有时只需要获取一个传感器的数据，因此为了减少能耗没必要向所有子节点发送请求数据信息，这时以点播方式发送信息的必要性就凸显出来了。在本项目的抽象模型中，点播描述的就是网络中两个节点之间相互通信的过程，具体通过１６位短地址来确定通信对象［５］。

　　２．３ＧＰＲＳ接收／发送短信功能

　　ＧＰＲＳ是用户通过手机应用程序与ＺｉｇＢｅｅ通信之间的纽带［６］，首先现在ＺｉｇＢｅｅ应用层和手机应用程序中规定好短信来往的格式与含义，在设备加电组网后，用户执行相关操作，应用程序会调用短信功能向目标号码发出编译后的指令，ＧＰＲＳ模块接收短信后即将短信内容传输给协调器，协调器完成相应工作后得到反馈，再将这些信息打包后通过ＧＰＲＳ模块发送给手机，手机收到后会在屏幕上将内容显示出来。

　　３各功能模块架构设计

　　３．１各节点组网过程设计

　　３．１．１协调器组网入网设计

　　由于在ＺｉｇＢｅｅ中只有协调器设备可以建立网络，因此在建立网络过程中，所有的实现过程都是通过原语实现的，首先协调器设备的应用层调用ＮＬＭＥ＿ＮＥＴＷＯＲＫ＿ＦＯＲＭＡＴＩＯＮ．ｒｅｑｕｅｓｔ原语［８］，发出建立网络请求，网络层收到这个原语就要求ＭＡＣ层执行信道能量扫描（在ＩＥＥＥＥ８０２．１５．４协议中规定，在２．４Ｇ频段共有１６个信道，每个信道带宽为５Ｍ）。调用ＭＬＭＥ＿ＳＣＡＮ．ｒｅｑｕｅｓｔ，主要是为了找到信道能量低于设定能量值的信道，并且标注这些信道是可用信道，下一步在可用信道中执行活动情况扫描（ａｃｔｉｖｅｓｃａｎ），就是在可接收的信道搜寻ＺｉｇＢｅｅ设备，找到一个最好的信道并加以利用。

　　３．１．２终端设备入网设计

　　为了建立连接，终端节点需要向协调器提出请求，协调器接收到节点的连接请求后根据情况决定是否允许其连接，然后对请求连接的节点作出响应，节点与协调器建立连接后才能实现数据的收发。

　　３．２ＧＰＲＳ接收／发送短信架构设计

　　ＧＰＲＳ模块收短信和发短信的流程图［９］如图５所示。ＧＰＲＳ模块的接收短信和发送短信都是通过将短信以ＰＤＵ方式编码成ＰＤＵ码流［１０］，通过串口传输数据。ＰＤＵ编码的短信有３种编码类型：７－ｂｉｔ、８－ｂｉｔ和ＵＣＳ２编码。７－ｂｉｔ编码可以发送普通的ＡＳＣＩＩ字符，它将一串７－ｂｉｔ的字符（最高位为０）编码成８－ｂｉｔ的数据，每８个字符可“压缩”成７个；８－ｂｉｔ编码通常用于发送数据消息，比如图片和铃声等；而ＵＣＳ２编码用于发送Ｕｎｉｃｏｄｅ字符。在这３种编码方式下，ＰＤＵ串的用户信息（ＴＰ－ＵＤ）段最大容量（可以发送的短消息的最大字符数）分别是１６０、１４０和７０。这里，将一个英文字母、一个汉字和一个数据字节都视为一个字符。在接收短信时，首先要将短信编码成ＰＤＵ码流，通过串口传送到协调器上，再对编码的短信进行解码就可以将短信成功地显示在屏幕上，并且发送给各个终端；在发送短信时，协调器将来自终端设备的需要发送的信息同样以ＰＤＵ方式编成ＰＤＵ码流，接着写到ＧＰＲＳ模块串口上，通过相关命令实现短信发送。

　　４系统测试

　　４．１组网测试

　　将温湿度、光照、继电器等传感器与节点进行组网，系统运行正常。在手机应用程序上发出采集全部或部分数据的指令，全部都收到了回复。实地观察继电器所连接的喷水装置在发出灌溉指令后也进行了喷洒，表明在整个传输过程中丢包率极低。

　　４．２通信时间测试

　　在手机信号强度显示为中等的情况下利用手机应用程序发出１０次指令，表２记录下每次指令从发出到接收所耗的时间。取均值后发现所耗时间适中，可再稍加改进。

　　结语

　　本文以ＺｉｇＢｅｅ无线传感器组网技术为核心，实现了一个小型无线传感器网络的搭建，构建了ＺｉｇＢｅｅ主控节点和子节点，并使它们之间可以通信。在ＺｉｇＢｅｅ无线传感器网络中加入ＧＰＲＳ模块，通过ＳＩＭ卡与手机应用程序进行通信，实现了远程获取数据和远程操控设备，减轻了操作人员的学习成本。由于采用光伏－蓄电池供电的方案并与家庭用电形成良性闭环，该系统满足了低成本、低功耗和高可靠的需求，为农业物联网的发展提供了一个很好的范例。

　　参考文献

　　［１］姚海涛，吴永刚．串口通讯数据处理算法分析与实现［Ｊ］．电子世界，２０１４（１３）：１１４．

　　［２］闫沫．ＺｉｇＢｅｅ协议栈的分析与设计［Ｊ］．电路与系统，２００７（５）：２０－２１．

　　［３］崔文华．ＺｉｇＢｅｅ协议栈的研究与实现［Ｄ］．上海：华东师范大学，２００７．

　　［４］蒋挺，赵成林．紫蜂技术及其应用［Ｍ］．北京：北京邮电大学出版社，２００６

　　王逸鹏，张激

《基于ＺｉｇＢｅｅ的互联网＋智慧农业系统设计》

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