基于嵌入式开发的智慧农业系统

    万晨威

    【摘? ?要】 中国现代农业的状态依然以传统的模式为主，生产效率低下，对农业数据的采集以及控制能力不足。然而随着时代的进步，智慧农业即将成为农业发展的新潮流，其中基于ZigBee技术的智慧农业技术在实时采集和远程控制方面拥有着重大的意义。为了实现智慧农业，提出了使用Z-stack半开源协议栈进行开发，实现温度，湿度，光照等信息的采集传输。通过使用外部云端服务器实现远程通讯功能。该系统充分利用了ZigBee网络的传输稳定，传输距离远的特性，解决农业在数据采集上的难题，并结合ARM开发板的数据处理能力，能满足智慧农业的需求。

    【关键词】 ZigBee ;CC2530;ARM;智慧农业

    Intelligent Agricultural system based on embedded Development

    Wan Chenwei

    [Abstract] The state of modern agriculture in China is still dominated by the traditional mode， with low production efficiency and inadequate ability to collect and control agricultural data. However， with the progress of the times， smart agriculture will become a new trend of agricultural development. The smart agriculture technology based on ZigBee technology has great significance in real-time acquisition and remote control.In order to realize intelligent agriculture， the Z-stack semi-open source protocol stack is proposed to develop and realize the collection and transmission of temperature， humidity， light and other information. The remote communication function is realized by using external cloud server. The system makes full use of the characteristics of ZigBee network， such as stable transmission and long transmission distance， and solves the difficult problem of agricultural data acquisition. Combining with the data processing ability of ARM development board， it can meet the needs of intelligent agriculture.

    [Keywords] zigbee; cc2530; arm; intelligent agriculture

    1? 研究背景

    首先，我国是农业大国，农业是国家的民生大事，我国在现代化发展过程中取得了举世瞩目的成就，解决了13亿人口的温饱问题。但是我们也不能忽略我们在发展中存在的问题，农村中投身农业的青年越来越少，依靠人工进行运作的传统农业在现代社会中难以继续运转下去，而机械化智能化农业是农业的发展趋势。

    物聯网技术是建立智能农业的基石，智能农业系统的建立是以物联网采集的数据为基础的，智能化需要大量的数据进行相应的训练。传统农业中，人们主要是通过人工测量来获取农田信息的，这需要消耗大量的人力物力，实时性差，工作效率低下。经过一定发展后，监控系统是使用的RS-485和CAN总线等方式机型布线，这种方式的缺点很明显，布线复杂，灵活性低下采集效率不高。现代的农业数据采集系统使用的是无线传输技术，该技术极大的提高了采集的灵活程度，成为了现代物联网技术的基石。我们可以通过无线传输技术实时监控采集农业信息，并且信息可靠性强，有效节约人力物力，提高生产效率。在物联网技术中，ZigBee网络是十分受欢迎的一种技术。ZigBee技术拥有多个优点，例如成本低，功耗低，时延短，安全可靠，工作频率灵活。这些特点令ZigBee技术能适应复杂的农业环境，在智慧农业领域十分受欢迎。

    2? 系统总体设计

    2.1? 总体设计思路

    该课题就是实现物联网技术在智能农业中的作用，实现课题的思路：主要是由传感器获取农业信息中温度湿度，光照，以及人体信息，通过使用ZigBee网络进行数据的传输，通过串口在Arm上实现数据的采集以及控制。

    该部分的设计可以使用三层设计模式进行开发。

    感知层：是属于物联网识别物体采集信息的基本单元，它利用各种传感器进行数据采集，例如温湿度传感器DHT11，气体传感器MQ-2，光敏传感器，红外线传感器进行农业数据的采集。

    网络层：使用各种无线协议，串口协议进行数据通讯收集，将信息传输给应用层。在该课题中我使用ZigBee作为网络层进行数据的传输，利用串口通讯对信息进行传输给应用层。

    应用层：作用作为智能系统和用户的接口，方便用户了解控制农业信息，实现相应的应用控制。

    2.2? 总体设计方案

    该课题以Cortex-A9芯片作为Arm开发的核心，利用CC2530芯片作为ZigBee网络的构建芯片，用各种传感器获取农业数据。系统使用ZigBee网络集中所有的农业信息，通过串口网关实现Arm与ZigBee的通讯与控制。同时设置一个BOA服务器方便用户随时使用收集和电脑端进行查看与控制。但是由于Arm上的服务器没有公网地址，无法通过远程方式进行控制，我们可以使用物联网云平台提供的接口进行数据远程查看以及控制功能。

    根据以上内容，本系统可以分为传感信息采集模块，控制模块，协调器模块，Arm监控模块，BOA服务器，云端服务器模块这6大模块。该课题的传感信息采集模块，控制模块和协调器模块都是关于ZigBee网络的设计模块。

    Arm监控器模块：该模块主要是再Arm开发板上进行数据的采集，对ZigBee协调器下达控制命令，并提供接口对BOA服务器和云端服务器进行数据的交互。

    BOA服务器：本模块主要是提供接口给用户使用浏览器进行数据访问和控制，提供方便的模式。

    云端服务器：该部分我的课题使用的是乐联网云平台对外开放的接口，将传感器收集到的数据传输到平台，也是用他提供的控制接口进行反向控制。该模块实现了远程监控的功能。

    协调器模块：ZigBee模块中的中心模块，该模块使用串口网关和Arm监控模块进行交互，Arm监控器中的实时数据和实时监控两大功能都要通过该功能模块进行实现。

    传感信息采集模块和控制模块：这两大模块主要是属于ZigBee网络上的终端节点，分工明确，主管数据采集和控制两大方向。采集模块可以实时获取温度湿度，光照强度等信息，控制模块可以调节光的亮度，温度高低等等方面。是组成智慧农业的基石。

    3? 总结和展望

    项目完成了，但是本人感觉该项目还有很多方面可以提升，例如在史密斯模糊PID算法进行温度控制算法，根据几个基点值进行数据的预测，并同时进行温度的调控，能降低温度控制的延时。另外，智慧农业系统的一些功能由于设备问题难以实现，比如温度控制，本人沒有空调接口，所以并不能进行实现。在未来本人希望能实现这些设想。

    理想中智慧农业系统可以根据农作物地长势预测农作物地发展趋势，能自动化进行浇水，施肥，调节光照等功能，以之达到农作物最佳的生长环境，以及智能地通过相关市场预测，提醒用户合理化种植农作物。

    本课题在未来社会发展中有着广阔的前景，国家也投入了大量的人力物力在这个领域。智能化的农业社会是目前社会的发展趋势，是人们心中向往的社会，它能极大地提高社会生产力。

    参考文献：

    [1] 朱 凯，朱惠斌，白丽珍，张健伟，成习军，曹科高.基于ZigBee和C#的农田数据采集系统[J].传感器与微系统，2017，36（08）：95-98.

    [2] 魏辽福.智慧农业，国外怎么做[J].农家参谋，2017（01）：63.

    [3] 王 森，刘伯华.基于WCDMA的无线通信传输技术研究[J].重庆电力高等专科学校学报，2006（04）：4-8.