摘  要： 針對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的自動化管理需求，介紹了ARM與ZigBee技術(shù)相結(jié)合設(shè)計農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的方法。硬件部分采用ZigBee外接傳感器設(shè)計環(huán)境數(shù)據(jù)采集節(jié)點，采用S3C2440處理器和CC2530設(shè)計協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)，其中CC2530與ARM之間采用SPI口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。軟件部分基于IAR平臺結(jié)合Z-Stack協(xié)議棧構(gòu)建ZigBee無線監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，用于采集并傳輸影響農(nóng)作物生長的現(xiàn)場環(huán)境信息，數(shù)據(jù)在基于ARM與ZigBee技術(shù)相結(jié)合而開發(fā)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點處實現(xiàn)匯聚，最終通過串口發(fā)送到基于VC++6.0與數(shù)據(jù)庫技術(shù)開發(fā)的上位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)。經(jīng)測試，網(wǎng)關(guān)節(jié)點能實時接收傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)，并通過串口成功上傳到上位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)監(jiān)測、動態(tài)分析、歷史查詢和異常報警功能，系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性和實用性。

　　關(guān)鍵詞： ZigBee；ARM；SPI通信；串口通信；遠(yuǎn)程監(jiān)測

0 引言

　　隨著傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)變，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中降低成本、提高質(zhì)量和產(chǎn)量、發(fā)展優(yōu)質(zhì)高效農(nóng)業(yè)的要求以及資源高效利用、農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展等方面的要求，迫切需求社會效益、經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境保護(hù)和科學(xué)技術(shù)相結(jié)合的新型農(nóng)業(yè)的出現(xiàn)。現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)基于精細(xì)農(nóng)業(yè)理念，20世紀(jì)80年代美國提出精細(xì)農(nóng)業(yè)構(gòu)想，采用精細(xì)農(nóng)業(yè)可以在保護(hù)環(huán)境、降低成本的前提下實時監(jiān)測農(nóng)田環(huán)境多元信息，及時進(jìn)行科學(xué)分析與預(yù)測，根據(jù)農(nóng)田環(huán)境信息變化來確定最合適的管理決策，幫助農(nóng)民科學(xué)種植。

　　目前，關(guān)于基于嵌入式技術(shù)農(nóng)業(yè)應(yīng)用監(jiān)測系統(tǒng)的研究還較少，大多采用單片機(jī)和便攜式設(shè)備實現(xiàn)環(huán)境信息采集[1-2]。針對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)自動化管理的需求，本文采用S3C2440處理器結(jié)合ZigBee技術(shù)設(shè)計了一個農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[3]。ZigBee這種低功耗、低成本、近距離、低復(fù)雜度的雙向無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是進(jìn)行大面積農(nóng)田環(huán)境信息采集與傳輸?shù)淖罴堰x擇。以PC為上位機(jī)，采用VC++開發(fā)工具與數(shù)據(jù)庫技術(shù)[4]開發(fā)上位機(jī)監(jiān)測軟件，采用串口通信技術(shù)連接協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)，構(gòu)成分布式信息采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了對空氣溫度、空氣濕度、光照強(qiáng)度、土壤水分等環(huán)境信息的實時數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲、查詢及分析處理，并且具有異常預(yù)警功能，有利于降低農(nóng)業(yè)作業(yè)的成本，提高效率，同時也為農(nóng)業(yè)工作者科學(xué)種植、防治病蟲災(zāi)害提供可靠、充分的科學(xué)依據(jù)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

　　農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，主要包括數(shù)據(jù)采集終端、數(shù)據(jù)通信鏈路和數(shù)據(jù)監(jiān)測中心三部分。其中數(shù)據(jù)采集終端包括采集農(nóng)作物生長環(huán)境的各種傳感器，如空氣溫濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、土壤水分傳感器；數(shù)據(jù)通信鏈路包括ZigBee近距離無線通信網(wǎng)絡(luò)、ZigBee與ARM間的SPI數(shù)據(jù)通信和ARM與PC間的串口通信；數(shù)據(jù)監(jiān)測中心包括安裝了單機(jī)版監(jiān)測軟件的PC及PC內(nèi)部運(yùn)行的MySQL數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

　　ZigBee終端節(jié)點傳感器能夠采集空氣溫度、空氣濕度、光照強(qiáng)度、土壤水分等環(huán)境因素，然后經(jīng)過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點，協(xié)調(diào)器節(jié)點數(shù)據(jù)由SPI總線傳輸?shù)紸RM處理器，數(shù)據(jù)在ARM處理器中經(jīng)過分析處理之后通過串口最終發(fā)送到PC數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中存儲[5-6]。系統(tǒng)可對影響農(nóng)作物生長的環(huán)境信息進(jìn)行實時遠(yuǎn)程監(jiān)測、動態(tài)分析和歷史查詢，并且對超出標(biāo)準(zhǔn)值的環(huán)境參數(shù)提供報警功能。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　2.1 傳感器節(jié)點

　　傳感器節(jié)點由ZigBee無線通信模塊（包括8051處理器）、傳感器模塊和電源模塊組成。傳感器模塊采集和轉(zhuǎn)換監(jiān)測區(qū)域內(nèi)的環(huán)境信息；無線通信模塊用于控制傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)采集、存儲、轉(zhuǎn)換和處理、收發(fā)數(shù)據(jù)及與其他傳感器節(jié)點間交換信息等；電源模塊負(fù)責(zé)為傳感器節(jié)點運(yùn)行提供所需的能量。傳感器節(jié)點結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。傳感器模塊包括空氣溫濕度傳感器DHT11、光照強(qiáng)度傳感器MAX44009和土壤水分傳感器TDR-3。ZigBee無線通信模塊節(jié)點選用WeBee的CC2530+CC2591（PA）模塊。CC2530是一個低成本、低功耗的無線微控制器，芯片上集成了CC2591射頻前端放大芯片、增強(qiáng)型8051內(nèi)核、Flash存儲器、8 KB RAM和許多其他增大功能。CC2530+CC2591（PA）模塊具有以下功能特點：

　　（1）可靠傳輸距離400 m，自動重連距離高達(dá)360 m；

　　（2）工作在2.4 GHz頻段，無線速率達(dá)250 kb/s；

　　（3）具有16個通信信道，可根據(jù)環(huán)境切換可靠通信信道。

　　2.2 協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)

　　考慮到協(xié)調(diào)器節(jié)點需要處理傳感器節(jié)點上傳的大量數(shù)據(jù)，并能夠?qū)?shù)據(jù)通過串口有序地上傳到上位機(jī)，要求協(xié)調(diào)器節(jié)點具有較快運(yùn)行速度和較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，為此選用S3C2440A開發(fā)板和ZigBee CC2530無線收發(fā)模塊設(shè)計協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)節(jié)點。ZigBee模塊數(shù)據(jù)處理程序工作在協(xié)調(diào)器模式下，與處理器S3C2440之間通過SPI口進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)硬件框圖如圖3所示。基于ARM920T內(nèi)核的S3C2440A具有MMU單元和豐富的外部接口，主要片上功能特點如下：

　　（1）主頻（FCLK）：400 MHz；

　　（2）存儲器：2 MB NOR Flash，256 MB NAND Flash，64 MB SDRAM；

　　（3）外部存儲控制器：可擴(kuò)展8組128 MB的存儲空間，總?cè)萘窟_(dá)1 GB；

　　（4）具有2路SPI口，3路URAT口；

　　（5）CMOS攝像頭接口。

　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　3.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點程序

　　采用IAR Embedded Workbench（7.60A）編程環(huán)境和TI的ZStack-CC2430-2.3.0-1.4.0（ZigBee 2007）協(xié)議棧設(shè)計ZigBee CC2530無線傳感網(wǎng)絡(luò)程序[7-9]。協(xié)調(diào)器節(jié)點負(fù)責(zé)啟動和配置網(wǎng)絡(luò)，同時可以與網(wǎng)絡(luò)以外的設(shè)備進(jìn)行通信，起到網(wǎng)關(guān)的作用。根據(jù)設(shè)計目標(biāo)，調(diào)用ZigBee協(xié)議棧中的API接口函數(shù)來實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計。協(xié)調(diào)器的程序設(shè)計流程圖如圖4所示。程序設(shè)計方法如下：

　　（1）初始化硬件、網(wǎng)絡(luò)層、任務(wù)、堆棧等。編寫init_spi（）函數(shù)用來初始化SPI口，協(xié)調(diào)器組網(wǎng)程序初始化通過調(diào)用協(xié)議棧中的初始化函數(shù)來實現(xiàn)，其中osal_init_system（）函數(shù)用來初始化操作系統(tǒng)，osalInitTasks（）函數(shù)用來初始化任務(wù)。

　　（2）信道掃描，根據(jù)掃描結(jié)果選擇一個編號在11~26間合適的信道，并設(shè)置網(wǎng)絡(luò)PAN ID（0x0000-0x3FFF），協(xié)調(diào)器采用的網(wǎng)絡(luò)PAN ID默認(rèn)為0x0000。接著啟動協(xié)調(diào)器，等待其他設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)。

　　（3）在有傳感器節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)之后，調(diào)用接收函數(shù)。當(dāng)協(xié)調(diào)器收到從傳感器節(jié)點傳來的數(shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)發(fā)送到S3C2440處理器。

　　3.2 傳感器節(jié)點程序

　　傳感器節(jié)點負(fù)責(zé)采集環(huán)境參數(shù)，并將其傳送到協(xié)調(diào)節(jié)點。傳感器節(jié)點分為終端節(jié)點和路由節(jié)點兩種，終端節(jié)點僅用于采集傳感器數(shù)據(jù)并發(fā)送給附近的路由器或協(xié)調(diào)器；路由器節(jié)點同時負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)信息的轉(zhuǎn)發(fā)。本文設(shè)計的路由節(jié)點程序和終端節(jié)點的程序除了有些配置參數(shù)不同，其他部分基本一致。傳感器節(jié)點在上電后，Z-Stack調(diào)用ZDO_StartDevice（）函數(shù)來啟動設(shè)備進(jìn)行初始化，接著會讀取非易失性存儲器中的一系列配置參數(shù)，如設(shè)備類型參數(shù)ZCD_NV_LOGICAL_TYPE，默認(rèn)的掃描信道參數(shù)ZCD_NV_CHANLIST等。其中設(shè)備的類型參數(shù)值決定著此設(shè)備的邏輯類型。本文傳感器節(jié)點程序中終端設(shè)備的類型參數(shù)值為ZG_DEVICETYPE_ENDDEVICE，路由器的類型參數(shù)值為ZG_DEVICETYPE_ROUTER。

　　傳感器節(jié)點的程序設(shè)計流程圖如圖5所示。以DHT11數(shù)字溫濕度傳感器為例，傳感器節(jié)點程序設(shè)計主要步驟如下：

　　（1）設(shè)計DHT11的裸機(jī)驅(qū)動程序，使CC2530可以驅(qū)動DHT11傳感器。包括配置傳感器IO口方向、接收緩存定義、延時、溫濕度寫入、傳感啟動、設(shè)置采集周期等。

　　（2）將DHT11的裸機(jī)程序文件復(fù)制到協(xié)議棧Source文件夾下，在協(xié)議棧的APP目錄下點擊右鍵——Add——添加復(fù)制文件，這樣DHT11的裸機(jī)驅(qū)動程序被添加到Z-stack協(xié)議棧代碼中。在協(xié)議棧代碼中初始化傳感器引腳P0.6，通過周期性廣播函數(shù)每2 s讀取溫度傳感器1次。

　　（3）調(diào)用API函數(shù)初始化硬件、網(wǎng)絡(luò)層、堆棧等，在發(fā)送函數(shù)中將數(shù)據(jù)打包并按指定方式發(fā)送給指定設(shè)備。

　　3.3 ARM與ZigBee間SPI驅(qū)動程序設(shè)計

　　在ARM上移植Linux操作系統(tǒng)，要在Linux系統(tǒng)用戶空間使用SPI設(shè)備，首先應(yīng)在內(nèi)核空間移植相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序，接著在用戶空間編寫ARM端數(shù)據(jù)收發(fā)程序。在Linux環(huán)境下，設(shè)備被當(dāng)做文件進(jìn)行處理，對設(shè)備的操作都是通過操作文件系統(tǒng)來實現(xiàn)的[10]。ARM與CC2530間的SPI通信程序主要組成部分如下：

　　（1）在內(nèi)核中注冊SPI設(shè)備，初始化驅(qū)動設(shè)備，使相關(guān)寄存器映射到虛擬內(nèi)存地址。設(shè)備注冊、建立設(shè)備文件、映射GPIO與SPI寄存器、注冊中斷均由spi_init（）函數(shù)實現(xiàn)。

　　（2）修改file_operations文件結(jié)構(gòu)。file_operations文件結(jié)構(gòu)用來對系統(tǒng)內(nèi)部I/O設(shè)備存取入口點向系統(tǒng)進(jìn)行說明。這樣應(yīng)用程序中通過read、write等關(guān)鍵字即可調(diào)用驅(qū)動程序相應(yīng)的函數(shù)。

　　（3）SPI調(diào)用spi_open（）打開設(shè)備，調(diào)用spi2440_write（）發(fā)送數(shù)據(jù)，調(diào)用spi2440_read（）接收數(shù)據(jù)，調(diào)用spi_close（）函數(shù)關(guān)閉設(shè)備。

　　（4）設(shè)備IO控制。spi_ioctl（）函數(shù)負(fù)責(zé)接收應(yīng)用程序參數(shù)，并對CC2530片選或復(fù)位操作。

　　（5）interrup_irq（）中斷函數(shù)實現(xiàn)。

4 系統(tǒng)測試

　　在實驗室使用4個CC2530開發(fā)板，1個作為協(xié)調(diào)器，1個作為路由器，2個作為終端節(jié)點對系統(tǒng)可行性及穩(wěn)定性進(jìn)行了測試。分別選擇CoordinatroEB-Pro、RouterEB-Pro、EndDeviceEB-Pro模式下載程序到這三類節(jié)點開發(fā)板。系統(tǒng)ZigBee終端和路由節(jié)點安裝了DHT11數(shù)字型空氣溫濕度傳感器，設(shè)置采集時間間隔為20 min，上位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)實時環(huán)境數(shù)據(jù)測試如圖6所示。設(shè)置動態(tài)分析時間間隔為10 min，通過上位機(jī)監(jiān)測系統(tǒng)可查看各傳感器上傳的環(huán)境信息動態(tài)分析圖如圖7所示。

5 結(jié)論

　　本文分析了農(nóng)業(yè)環(huán)境發(fā)展現(xiàn)狀與應(yīng)用需求，針對當(dāng)前農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測存在的不足，采用ARM結(jié)合ZigBee無線傳感技術(shù)設(shè)計了農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)同時具備了ZigBee技術(shù)的成本低、功耗小、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、自組織傳輸和ARM嵌入式技術(shù)對海量數(shù)據(jù)信息的高速處理的特點。系統(tǒng)可實現(xiàn)對農(nóng)田環(huán)境信息有效采集、融合、傳輸、存儲、查詢與分析處理的一體化管理。

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