摘要：緊跟物聯網發展的步伐，設計了一個智慧農業系統。該系統主要由TI公司提供的CC2530芯片組建無線傳感器網絡（Wireless Sensor Networks，WSN），遠程采集數據、然后將收集的數據通過串口發送到上位機。上位機物聯網平臺實現了遠程數據的展示并下達用戶命令給協調器進行網絡調整。此外，為了方便手持終端能夠實時訪問網絡，使用ESP8266WIFI AP（Access Point）進行數據轉發。系統具有可遠程實時顯示終端數據、低成本、功耗低等特點，有一定的應用價值。
關鍵詞：智慧農業；無線傳感器網絡；物聯網技術；遠程實時監控
中圖分類號：TN790 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）10-0103-03
近年來，物聯網的新浪潮勢不可擋，可謂是“火樹銀花”之勢。一顆顆高端大氣的處理器魚貫而出。比如蘋果A11、華為麒麟970、三星Exynos 8895、高通驍龍845/835、展訊SC9853I、聯發科的Helio X30等[1]。這些高大上的處理器成為人們茶余飯后的談資，各大企業在物聯網領域賺得盆滿缽滿。最近，即將呼之欲出的“工業4.0”[2]被IT界炒得熱火朝天，可以說是物聯網的第二春。窄帶物聯網（NB-IOT）[3]標準一落地，各種產品是遍地開花。物聯網技術無孔不入，從中央到地方，從城市到農村。在工業、農業、交通、物流、城市管理、環保、安全、醫療、家居等各個領域都開展了應用示范。在一定程度上提高了生產或生活效率，改善了生產或生活質量。
民以食為天，農業物聯網面臨著巨大市場需求。傳統農業生產方式落后，生產率底下，抵抗自然災害能力差，科技含量不高。而且近年來各種污染的問題層出不窮，空氣污染、水污染和土壤污染等新問題嚴重威脅到糧食安全[4][5]。
該智慧農業系統緊跟物聯網發展的腳步，將物聯網技術應用到農業系統中，利用溫濕度傳感器、光照傳感器、煙霧傳感器等常規傳感器感知環境數據。終端采集這些數據后，通過A/D轉換之后，以字符串模式發送給協調器。協調器將收集到的數據通過UART串口通信發送給上位機，并保存到數據庫中。為了不受時空限制，系統中添加了WIFI轉發模塊。用戶可以通過手持終端實時查看遠程數據，對光照、溫度、濕度等數據作出及時評估。上傳的數據還可以跟網上專家給出的數據進行對比，分析數據后會得到相應的解決辦法，修正給定參數。從而方便了農作物的管理以及更快地解決農作物問題，大大提高土地產出率、資源利用率和勞動生產率。
從成本和功耗出發，采用高性能、低成本、低功耗的CC2530來設計智慧農業監控系統。文章的結構組織如下：首先給出總體系統架構；接著闡釋了硬件系統設計、軟件設計和系統的具體實現，最后進行了總結。
1 總體系統架構
系統總體架構圖如圖1所示，由zigbee?M成的WSN、串口、PC端物聯網平臺、WIFI路由轉發和手持終端組成。協調器下面有6個終端。因各種農作物的生長對環境要求不一樣。終端1用于數據采集，終端2用于環境控制。終端1連接的外設有溫濕度傳感器、煙霧傳感器、光敏傳感器和人體傳感器。終端2連接有風扇和光合作用LED燈。終端3連接土壤濕度傳感器、雨滴傳感器和步進電機。當土壤濕度過低，會打開步進電機進行澆水。在節點中設置了適宜農作物生長的相應值。當協調器收集到終端采集的數據時，會進行檢查。如果數據不適宜農作物生長時，協調器就會發指令給終端2。終端2收到指令后會自動打開風扇進行通風或LED燈補光，以調節相應的環境數據值。終端3、4、5和終端1、2、3是一樣的。上位機軟件界面提供給用戶下發指令的功能。如果用戶想要修改環境參數的極限值，可以通過軟件界面觸發并通過串口發送指令給協調器，協調器再下達指令給相應的終端。
2 系統硬件設計
硬件設計主要包括Zigbee節點的核心板、傳感器、LED電路、按鍵電路、步進電機電路等部分硬件。
網絡節點選用TI公司的CC2530F256RHAR芯片作為CPU，該芯片是51結構的單片機，采用最經典的C語言開發。為了縮短開發周期，專注系統的開發應用，CC2530核心板、WIFI數據透傳模塊esp8266、和各種傳感器模塊都是直接從淘寶上購買。CC2530核心板實物圖和WIFI模塊實物圖如圖2所示。核心板包括單片機、晶振、天線接口和IO擴展口。
作為數據采集的傳感器部分，主要涉及空氣溫濕度傳感器DHT11、土壤濕度傳感器、光敏傳感器、煙霧傳感器MQ-2、人體紅外檢測傳感器這5種傳感器。使用時將傳感器連接到CC2530的IO口，就可以很方便的獲取到周圍環境數據。
3 軟件設計
軟件設計主要包括WSN協議編程、WIFI模塊數據透傳和上位機物聯網平臺開發。
3.1 WSN協議編程
傳感網系統是在IAR Embedded Workbench軟件下進行開發，在ZStack-CC2530-2.5.1a協議棧上編寫應用層源碼。系統由一個協調器、多個終端節點組成星型網絡。協調器主要的功能是建立網絡，網絡穩定后將接收到的數據通過串口發送給PC機。終端節點主要是采集數據，協調器和終端的工作流程如圖5所示。協議棧開發的重點是初始化函數和任務事件處理函數的實現。
1） 初始化函數實現
在初始化部分中，協調器和終端節點是一樣的實現過程。先定義節點描述符，然后用afRegister（）函數對其進行注冊，注冊后就可以使用操作系統提供的服務；接下來是對串口操作，定義halUARTCfg_t串口結構體變量，并對其參數進行相應的配置，配置的參數主要有波特率、控制流和回調函數等參數配置，并用HalUARTOpen（）函數打開串口；最后進行NV操作，osal_nv_item_init初始內存區，讀取當前PANID。如果PANID為零，則調用MT_UtilCommandProcessing（）函數更改PANID，更改完成之后調用SystemReset（）函數重啟。 為了避免開關終端后，終端節點無法及時響應協調器發出指令，將協議棧中Tools下的f8wConfig.cfg文件中的-DRFD_RCVC_ALWAYS_ON改為TRUE；為了使終端處于低功耗模式，將-DRFD_RCVC_ALWAYS_ON改為FALSE。
2） 事件處理函數部分
當兩個以上的終端（或者路由器）和協調器之間的通信時，協調器需要區分消息來自于哪個終端。因此，在協調器部分定義了一個struct _devices結構體類型數據，結構體成員包括int型的終端編號和網絡短地址。然后定義一個結構體數組，用來存放相應數據。終端節點入網成功后，終端節點采用NLME_GetShortAddr（）函數獲取自身節點的網絡地址。終端采集到的數據是模擬的，需要轉換為數字信號，使用協議棧里的文件 hal_adc.c 里的方法 HalAdcRead，可以讀出對應 IO 口上的 ADC 電壓值。此函數原型為：uint16 HalAdcRead （uint8 channel， uint8 resolution） ，第一個參數是通道號，第2個參數是設置分辨率。終端采集數據之后，通過AF_DataRequest（）函數把自己的終端編號、網絡地址和采集的數據發送給協調器。AF_DataRequest（）函數的原型為AF_DataRequest（afAddrType_t dstAddr，endPointDesc_t *srcEP， unit16 cID，unit16 len， unit8 *buf，unit8 *transID，unit8 *options， unit8 radius）。發送函數最關鍵的參數是前5個，依次為目的地址結構體變量（接收數據的端點）、設備端點描述符（發送數據的端點）、簇ID、發送數據的有效長度、需要發送的數據，其他參數可以參考協議棧里的GenericApp 例子進行設置。消息可以定時發送，發送時長可以通過osal_start_timerEx（）函數的第三個參數來實現。
接收消息函數為osal_msg_receive（），接收消息后需要將接收消息進行強制轉換，轉換為afIncomingMSGPacket_t結構體類型指針。接下來用switch和case分支語句判斷接收到的終端類型和事件類型，以便進行相應終端接收數據處理。系統中用到的系統強制事件標志主要是響應無線數據的AF_INCOMING_MSG_CMD、響應網絡狀態的ZDO_STATE_CHANGE和響應串口數據的CMD_SERIAL_MSG。
3.2 WIFI模塊
ESP8266是帶有串口并支持透傳數據的WIFI模塊。在keil uVision4開發環境下進行WIFI固件程序燒寫。設置WIFI模式，通過串口WIFI模塊，可以將協調器端的數據發送給WIFI，WIFI連接AP，借助WIFI AP轉發，將數據發送給遠程終端。
3.3 上位機物聯網平臺
該平臺建立在Visual Studio 2017軟件環境中，開發的語言是C#語言。軟件中提供了SerialPort類，該類實現了串口資源操作相關功能，命名空間為System.IO.Ports。程序代碼編寫過程中，首先用SerialPort（）構造函數初始化一個實例，接著調用SerialPort.GetPortNames（）方法獲取當前計算機串行端口名稱數組，并配置串口參數。關鍵實現串口接收的函數為receiveComDataRun（），該函數需要解析串口接收數據，數據協議的解析如表1所示。例如在協議EA2656107610D中，第1位和最后一位表示數據幀頭和數據幀尾，第2位表示終端A，第3和第4位表示溫度為26°、第5和第6位表示濕度為56%、第7位表示紅外檢測結果，有人為1，無人為0、第8位煙霧檢測結果為無煙霧、第九和10位表示光照強度為76%、第11和12位表示網絡號為0X0010。數據解析之后，將數據展示在用戶界面。
4 系?y實現
硬件電路連接圖如圖5所示，有協調器和終端節點。協調器上電后進行組網，并以廣播方式向外發送消息。終端節點上電后加入網，并以單播方式把采集到的數據周期性地上報給協調器。PC端打開串口調試助手，按圖6中所示的串口參數進行配置，配置完成之后打開串口，即可收到如圖6所示的數據。上位機物聯網平臺根據串口接收數據協議解析串口發送過來的數據，經過數據解析之后將獲取數據展示在用戶界面，如圖7所示。因為不同物種適宜生長的條件不一樣。上位機還可以根據物種的生長條件，改變報警范圍，例如溫濕度、光照等上限和下限值發送給協調器，協調器再以組播的方式把數據轉發給控制終端，以便打開風扇進行通風或降溫、或開關等進行光強控制，形成了一套聯動的系統。
5 總結
在TI公司zigbee協議棧的工程項目基礎上，搭建了一個智慧農業物聯網系統，終端設備采集數據，并定時發送給協調器，協調器將收到數據轉發送給PC機。PC端用結合了java和c++優勢的C#語言開發了一個物聯網平臺，把遠程終端采集到的數據展示在用戶界面。用戶可以根據植物生長最有利的條件把參數發送給協調器，協調器再把數據發送給控制終端，控制終端進行相應的調整，形成了一套聯動的系統。系統具有操作簡單、低成本和低功耗的特點，有一定的使用價值。
參考文獻：
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