基于ZigBee网络的温室大棚环境监测系统设计(2)

基于ZigBee网络的温室大棚环境监测系统设计

【主题词】单片机、ZigBee协议- CC2240芯片、无线接收与发送、农业环境监测

【立论（包括项目的研究意义及国内外现状分析）】

【项目的研究意义】

信息技术是研究信息的生产、采集、存储、变换、传递、处理过程及广泛利用的新兴科技领域。信息技术的突破性进展将为农业科技革命和农业飞跃发展带来契机。20世纪90年代初以来发达国家将电子信息高新技术应用于农业可持续发展。农作物的生长受到自然条件的影响，如光照、CO2浓度等，要实现精准农业，必须建立一个实用、可靠、可长期监测的农业环境监测系统。

在农业领域里，数据采集大多数是在广阔的空间里进行的，数据源离目的地相对较远。无线传感器网络由低功耗微小网络节点通过自组织方式构成无线通信网络，它不需要固定的通信基础架构支持，能够通过密集的节点布置，协作实时监测和采集网络分布区域内的各种微观农业环境信息，整个网络则负责将各个节点收集的数据传递给一个称为汇聚节点的网关，由网关交给终端用户，后者既可以对接收的数据进行分析处理，也可以通过发送指令去改变传感器的行为。因此，为顺应农业现代化的发展趋势，本小组设计了基于无线传感器网络的农业环境监测系统，实现了农业目标测量区内信息采集节点的自动部署、数据自组织传输，实现了对影响作物产量的环境因素，包括温湿度、土壤温湿度、土壤PH值、光照强度以及温室CO2浓度的远程、实时监测。

【国内外现状分析】

在世界农业信息化发展进程中，美国、德国、法国、澳大利亚和日本等国处于领先地位，印度、韩国等发展中国家虽然起步较晚，但发展速度很快，这些国家根据本国的实际情况因地制宜地开展农业信息化建设，并形成了自己的特色。

在国内已建成农业科研项目计算机管理系统（ARICMS），中国农业文献数据库，中国农业科技成果库，中国农业研究项目数据库，农业实用技术数据库等。使农户只要有一台微机终端，通过网络就能够及时获得农业法规、农业政策、市场行情、产品销售等信息，合理地进行农资购置与产品销售，促进农村市场繁荣和经济增长。由于遥感与地理信息技术能及时准确地获取有关信息，已广泛应用于信息采集和信息处理，实现灾前预警、灾情监控、灾后评估。目前我国主要用于洪灾、作物病虫灾害、旱灾、土地荒芜沙化监测、森林火灾等。

【研究方案（包括主要研究内容、研究方法和技术路线，拟解决的关键问题及预期进展、研究成果等）】

【研究内容】

针对当前温室大棚环境监测的需求，设计了将ZigBee无线传感器网络(WSN)与GPRS相结合的智能农业环境监测系统。智能农业控制通过各种传感器实时采集农业大棚内温度、湿度信号以及光照、土壤温度、土壤水分等环境参数，通过ZigBee无线网络对信息进行处理、接收与发送并输入终端显示，达到自动开启或者关闭指定设备。可以根据用户需求，随时进行处理，为农业生态信息自动监测、对设施进行自动控制和智能化管理提供科学依据。初步测试结果验证了该系统的合理性与实用性。 【研究方法】

系统体系架构：右图所示为农业环境监测系统结构图；

传感信息采集：由于农业环境监测的区域大且分散，本项目采用对等式节点拓扑布置方法，在较集中的监测区域布置传感器网络，然后通过网关与监测中心进行通信。数据采集系统主要负责24小时采集温室内温度、湿度、光照、土壤温度、土壤湿度、CO2浓度、叶面湿度、露点温度等环境参数。

无线传输设备：网络节点包括协调器节点和终端节点，协调器将传感器周期性采集到的信息以多跳路由的方式将数据发送至汇聚节点，汇聚节点位于传感器网络边缘，实现传感器网络与GPRS网络的

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互连互通。

信息处理与终端显示：农业环境监测管理平台收集的各节点传感器数据进行处理并显示给用户，同时根据用户的需求将数据保存到相应的数据库中，以备查询。 【技术路线】

硬件实现：

1)传感器板：负责大棚内部环境参数的采集和信号处理的执行，传感器板上主要包括空气温湿度、土壤温湿度、土壤PH值、光照强度及温室CO2浓度传感器，这些传感器均可以选择性地配置在传感器上。

2)ZigBee网络节点：分为协调器，终端节点，路由节点。协调器主要协调建：立网络；终端节点与传感器板相连，负责将采集到的传感器信息发送网络；路由节点主要用于信息的转发。

3)GPRS模块：GPRS模块采用WAVECOM的Q2403模块，该模块通过串口线与无线传感器网络的协调器节点连接，从而实现WSN网内数据的远距离传输。

软件实现：

4)无线传感器网络节点的工作分为两个阶段：组建网络阶段和数据收发阶段。组网之前协调器和精简功能设备(RFD)已经配置好各自的MAC地址，只要保证相互之间不冲突即可。在协调器和各个RFD组建网络完成之前，相互之间是通过MAC地址进行通信的。

在组网阶段，协调器选择一个PANID建立网络，建立成功后允许RFD加入网络。只要RFD发出加入网络的请求数据帧，协调器就允许该RFD加入网络。并同时分配用于网内通信的16bit的短地址，而不再使用64bit的MAC地址，这样可以节省无线传感器网络节点有限的能量。RFD上电以后，发出加入网络的请求数据帧。如该RFD之前已经加人协调器组建的网络，它可以执行孤立节点通知过程来定位其之前关联的网络。否则，以新设备加入协调器组建的网络并从协调器处获得网络短地址。当协调器组网成功后，RFD均已加入网络，便可进行数据的收发。

5)监测中心平台：监测中心将收集的各传感器数据经过处理以后显示给用户，根据用户需要将采集到的数据情况保存于文件或数据库中，以备查询。

监测系统的使用最终是要面对用户的，以后与Internet网络连接，用户可以在任何一台与Internet网络连接的PC机上查询数据，整个平台采用BS模式开发。监测中心软件设计包括用户登录管理、系统自检、数据读取显示、历史数据分析与查询等模块。 【拟解决的关键问题】

1、配置相关设备，了解并掌握各种相关设备的使用及作用，网络传输阶段路由器的设计和安置。 2、作用于信号处理的ZigBee协议栈的配置，为完成各种监测、处理、控制等要求的编程代码的编写。 3、在部署传感器节点时，环境变化对无线电信号传播造成较大的路径损耗。因此，需找到一个合适的高度保证传感器节点具有最有效最远的传输距离。

4、网络测试，验证整个网络是否能够正常工作。当遇到问题时，还能过排除问题，修正网络系统。 5、通过查看监测中心实时数据验证整个监控系统平台的可靠性、可行性。

6、系统安装时要考虑周边其他障碍物、电磁信号等的干扰因素，并尽量减少或排除干扰的影响。 【预期进展】

首先，在实验室内按系统的组成部分进行分步骤软硬件开发和测试，并以此为基础进行集成组装；其次，当综合性能指标达到设计要求是，安装到实际生产场地进行测试和应用。

在系统应用阶段，用户可以网络浏览器或数据库远程调用等对温室内各种环境因素的数据进行分析，对调控技术方法进行跟踪和监控等。通过发行问题、总结经验，帮助用户建立科学管理模式、抛弃错误理念，对提高作物生产过程的精准化管理均可发挥重要作用。 【研究成果】

作为现今流行的交叉学科的研究，无线传感器网络在很多方面都有着广阔的研究和应用前景，而在农业方面的应用就是目前热点问题之一，这种新技术的出现为精准农业从示范走向实用的研究搭建了一个不可多得的技术平台，将使传统农业模式逐渐转变为以信息网络为中心的生产模式，让农田、大棚的耕种更加自动化、网络化、智能化。本文将ZigBee无线传感器网络应用于农业监测，对农作物现场信息进行收集。这种无线监测的方式具有网络组建简单，灵活性大，扩展性强，可进行远程控制等优点，经实验验证有效并可行。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/2y55.html