基于ZigBee的智慧农场监控系统研究
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摘要：近年来，随着互联网技术，嵌入式技术、移动设备和无线网络的发展，尤其是无线局域网技术在生产和生活中的使用日益成熟，在无线局域网环境下的无线控制成为一个热门的研究和应用领域。本系统的研究，能够实现一种低成本、 易扩展，适用于农业现代化和信息化的智慧农场控制技术。该技术的实现分为上位机技术与下位机技术，上位机利用Android提供的资源建立智能控制终端软件，下位机利用单片机建立控制网关。该系统实现了无线局域网覆盖下的无线控制。相对于传统的农场，本系统采用的基于ZigBee的智慧农场监控系统具有使用低成本，高产量的，高效管理的特点。
关键词：智慧农场;监控;ZigBee
中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）01-0122-02
随着物联网等高新技术的发展，物联网技术的产物渗透了我们日常工作和生活中的每一个细节部分。我国传统的农业正在加快向现代化农业转型，而智慧农业将成为现代农业未来发展的趋势。智慧农场就是要应用现代化信息技术成果去监控农作物生长信息，白天光照强度，温度及湿度，土壤环境等信息使农作物在最合适的环境下生长，提高农作物产量，同时也便于农场工作的有效管理和减少成本。
1 系统的总体设计
基于ZigBee的现代智慧农场监控系统总体分成两个子系统。分别是上位机子系统和下位机子系统。上位机利用安卓提供的资源建立智能控制终端软件。下位机利用单片机建立控制网关。客户端的用户使用手机或平板等移动设备登录智慧农场监控系统，然后利用Wifi发送请求给服务器端，而服务器上事先通过WCF框架发布了Service，再根据用户请求调用Service从而达到了请求与实现分离的，同时要与智能网关进行socket通信，根据用户在手机上操作的请求发送相应的命令，如图1所示。
远程用户则可使用智能终端通过Internet访问智慧农场监控系统网关，来实现对农场系统的控制和远程访问。网关是整个智慧农场监控系统的核心，负责整个系统内部的协议转换和数据交互等工作。网关的构成主要有核心处理器STN32F103C8、电源及JLINK调试模块、WIFI控制、以太网。系统的多种控制方式、多种访问方式都需要该网关来提供，另外农场的环境数据也需要该网关应用Zigbee技术来采集，将采集的数据进行处理来调节农场环境温度、湿度、光照等因素，并将结果显示到客户端。
2 系统硬件的设计
目前常用的无线传输标准主要有三种，分别是ZigBee、蓝牙、以及IEEE802.11WLAN，这三种标准各有所长。
本文研究的智慧农场监控系统在进行无线数据传输标准选择时，需要综合考虑室外信号覆盖范围、数据传输速率、以及系统建设成本。在以上三种标准中，ZigBee的传输速率虽然最低，更重要的是，ZigBee标准的复杂度低，能够提供更长的电池寿命，系统运行成本不大。因此，本系统选择ZigBee标准作为无线网络传输方式。在明确了无线通信标准后，本系统的硬件配置如下：
本系统采用CC2530 SoC芯片作为硬件设备，采用具有ZigBee路由功能嵌入式设备作为智能开关设备。采用CC2530-ZNP芯片作为物联网协调器，并采用SPI接口，設计网关硬件和主机连接如图2和图3所示。网关和智能设备采用的芯片均为SoC，并都支持ZigBee协议栈。主机CPU采用的是ARM9，运行为嵌入式系统裁剪后的Linux系统，如图2所示。
智慧农场监控系统的物联网部分，网关需要处理ZigBee协议，我们采用了德州仪器公司（TI）的CC2530-ZNP作为核心处理部件。物联网与互联网的连接也需要该芯片。要使ZigBee协议能够正常运行就需要一个支持该协议运行的微处理器（MPU），它是一个既能够运行简单的任务轮询又能够自定义任务和中断服务的操作系统，如图3所示。
3 系统软件的设计
本系统使用安卓开发设计智慧农场监控系统上位机软件的实现。本系统软件主要包括四个界面：
（1）智慧农场监控的主界面;
（2）智慧农场环境实时数据监控曲线界面;
（3）智慧农场的环境历史数据监控曲线界面;
（4）智慧农场环境历史数据报表界面。
其中智慧农场监控主界面作用是显示当前农场的总体概况以及各个检测点的运行状况。智慧农场环境实时数据监控曲线界面可以显示按时间段内的农场环境数据。智慧农场环境历史数据监控曲线界面的作用记录农场环境历史数据并以数据曲线形式直观显示。如果想要对农场环境历史数据进行保存或打印等操作，可以使用历史报表控件来展示。
4 结语
智慧农场是一个技术与需求日新月异的新型活跃科技领域，各种前沿的科学技术的融合与掺杂推动着智慧农场行业快速向前发展。传统农业相比，本系统采用时下新兴的ZigBee无限传感网络技术，实现了一个低成本，高产量与高效管理的“智慧农场”。
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