一种基于ZigBee网络的农业物联网管理系统设计

引言

随着经济和社会的发展，工作效率低下的传统农业正在逐渐退出市场，现代化农业智能管理初见端倪，网络信息技术正渗透农业领域并得到广泛应用。物联网被称为继计算机和互联网信息产业后的第三次革命性创新。ZigBee无线传感网络通过部署无线传感器节点，组建无线传感网络，从而进行实时动态采集农作物的生长环境中的空气温湿度、光照强度、一氧化碳量等要素，并借助GPRS移动网络发送至终端节点，从而操控终端设备，形成农业环境监控物联网。为了提高管理系统的信息化、智能化管理水平，实现更加安全、方便、快捷、简单的操控环境，设计了一套基于ZigBee网络的农业物联网管理系统。

1硬件系统设计

当农作物生长环境中的空气温湿度、光照强度等要素发生改变时，温湿度传感器、光敏电阻等传感器会捕捉到这一变化，并将数据传送到STM32的微处理器，进行数据分析处理，通过串口模式将数据发送到以CC2430为ZigBee网络的终端节点，各个终端节点与协调器组建无线网络，同时协调器通过串口把数据发送到以STM32与SIM900A构成的网关。最终手机通过短信息的方式查看检测环境信息，发送指令来操控设备。

由此可以看出，该硬件系统主要由三部分组成：第一部分是信息采集处理显示系统，它由STM32FL03ZET6单片机、温湿度传感器、光敏电阻、MQ-7传感器和TFTLCD显示屏组成；第二部分是无线传感网络，它由ZigBee协调器、路由器及终端节点组成；第三部分是网关及移动收发设备，它由STM32模块、SIM900A-GPRS模块和手机移动设备组成。其系统硬件设计结构如图1所示。

图1硬件系统设计结构

ZigBee技术是一种应用于短距离范围内、低传输数据速率下的无线通信技术在通信状态下，终端节点耗电只有几十毫瓦左右，工作几个月只需要一节干电池，可见低功耗是ZigBee技术的显著特点。在本设计中系统无线网络结构采用各个终端节点通过中心节点实现星状连接方式，简单的组网结构使整体功耗最低叫同时，系统采用中断唤醒休眠模式，当传感器数据没有变化时，CC2430进入休眠模式，从而降低成本。

整个系统借助ZigBee无线网络传输监控信息，STM32处理器处理各个传感器采集到的信息，通过串口方式与CC2430芯片进行数据通信，构成终端节点。各终端节点向协调器发送信息。协调器借助STM32网关将数据发送至移动网络。

本设计中的终端节点由CC2430模块、STM32模块、TFTLCD显示屏、温湿度传感器、MQ-7、光敏电阻和继电器构成。终端节点的硬件设计示意图如图2所示。

当终端节点工作时STM32通过搭载各个传感器可以采集温湿度、光照强度和一氧化氮含量等要素，对各个数据进行

分析处理并显示在TFTLCD显示屏上，如果超出软件预设值则通过串行通信的方式把报警信息传送给CC2430模块，经ZigBee无线网络将信息传输到协调器，STM32与SIM900A构成的网关与协调器通过串行通信的方式传输信息，最终手机通过查看短信来获取来自终端节点的变化。手机可发送指令控制终端节点的控制设备如继电器。

图2终端节点硬件设计框图

网关部分由STM32模块与SI，M900A组成。主控芯片采用32位的STM32F103ZET6高速处理器，从而实现数据的快速处理与传输。它主要有高性能、低成本、低功耗的特点，是同类32位市场上功耗最低的产品。SIM900A是SIMCOM公司的工业级双频GSM/GPRS模块，可以低功耗实现SMS短信，数据和传真信息的传输。支持5〜24V的超宽工作范围。2软件系统设计

本设计组建无线传感网络方案采用ZigBee2006Z-Stack协议栈，主要由标准物理层（PHY）、媒体访问控制层（MAC）、网络层、应用层、和安全服务规范。根据不同的功能分别对协调器（coordinator）、路由器（router）、终端节点（end-device）进行软件设计。

2.1协调器的设计

一个ZigBee网络的建立是由协调器所承担的并且是唯一的，主要负责启动网络，并且会协调组建网络中的安全层及其应用层的绑定，整个网络配置完成后，其退化成路由器。在组建网络过程中，协调器通过节点成员的加入、网络地址的分配、网络链表的更新、信息的收集与转发等来实现网络的组建。

2.2终端节点的设计

终端节点主要负责采集发送各个传感器信息，本次设计通过终端节点的不同物理地址区别各个终端节点的排序，其主要做两个工作：第一是终端节点通过各个传感器采集温湿度、一氧化碳浓度、光照等要素，然后通过无线传感网络发送到协调器；第二是实时准备接受协调器的控制命令，收到控制命令后会做出相应的控制如打开水阀开关等。图3所示为终端节点STM32处理器软件设计流程图。

2.3GSM网关设计

以STM32与SIM900A构成的网关与手机为主的手持终端构成移动网络。网关与手机之间，网关是主机，手机是从机。

程序采用最大任务数10个的任务堆栈结构，每次增加一个任务，任务数增加1，记录任务内容，每次处理一个任务,进行弹栈处理，任务数自动减1。

网关在收到协调器的信息后将信息以SMS短信的方式发送到手机上，手机得到信息可回复信息，进而控制终端节点的相关设备。

STM32与SIM900A构成的网关，处理短信收发任务良好,运行稳定。图4所示为网关软件设计流程图。

图4网关软件设计流程图

3实验结果分析

系统稳定是用户对本次产品设计是否满意的一个重要因素。经过疲劳测试，系统运行稳定；本次设计的终端节点以CC2430、STM32单片机和各类传感器构成，在各个检测要素中以温度为例。当温度超过软件预定值时，STM32单片机会向CC2430发送低电平，当温度小于软件预定值时，STM32单片机会向CC2430发送高电平。

系统中的协调器通过各终端节点的物理地址来判别各个终端节点的编号，分别终端节点1、2的物理地址分别为20、40。协调器串口连接串口调试助手检测实验结果。当1、2号温度超标，协调器通过串口发送如图5所示的“2040温度超标”当1号超标2号正常，协调器通过串口发送如图6所示的“20超标40不超标”。

4结语

本设计根据ZigBee网络的优点，设计了一套组网简单、组网稳定、操作方便的ZigBee无线传感网络的环境监测系统，能够精确监测目标土地的温湿度、光照强度、一氧化碳含量等要素的变化，并且用户可以通过GSM网络收发实时信息。简单快捷的操作方式更容易得到用户的认可，同时系统采用省电模式大大降低了能耗，具备了低成本的优势。

20211123_619d0f31c8beb__一种基于ZigBee网络的农业物联网管理系统设计