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技術相結合設計農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的方法。硬件部分采用ZigBee外接傳感器設計環(huán)境數(shù)據(jù)采集節(jié)點，采用S3C2440處理器和CC2530設計協(xié)調器網(wǎng)關，其中CC2530與ARM之間采用SPI口進行數(shù)據(jù)通信。軟件部分基于IAR平臺結合Z-Stack協(xié)議棧構建ZigBee無線監(jiān)測網(wǎng)絡，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技術相結合而開發(fā)的網(wǎng)關節(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)庫技術開發(fā)的上位機監(jiān)測系統(tǒng)。經(jīng)測試，網(wǎng)關節(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。
關鍵詞： ZigBee；ARM；SPI通信；串口通信；遠程監(jiān)測
0 引言
隨著傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的轉變，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中降低成本、提高質量和產(chǎn)量、發(fā)展優(yōu)質高效農(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)濟效益、環(huán)境保護和科學技術相結合的新型農(nóng)業(yè)的出現(xiàn)?，F(xiàn)代化農(nóng)業(yè)基于精細農(nóng)業(yè)理念，20世紀80年代美國提出精細農(nóng)業(yè)構想，采用精細農(nóng)業(yè)可以在保護環(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，及時進行科學分析與預測，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)民科學種植。
目前，關于基于嵌入式技術農(nóng)業(yè)應用監(jiān)測系統(tǒng)的研究還較少，大多采用單片機和便攜式設備實現(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處理器結合ZigBee技術設計了一個農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)[3]。ZigBee這種低功耗、低成本、近距離、低復雜度的雙向無線傳感網(wǎng)絡技術是進行大面積農(nóng)田環(huán)境信息采集與傳輸?shù)淖罴堰x擇。以PC為上位機，采用VC++開發(fā)工具與數(shù)據(jù)庫技術[4]開發(fā)上位機監(jiān)測軟件，采用串口通信技術連接協(xié)調器網(wǎng)關，構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)工作者科學種植、防治病蟲災害提供可靠、充分的科學依據(jù)。
1 系統(tǒng)總體設計
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、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版監(jiān)測軟件的PC及PC內(nèi)部運行的MySQL數(shù)據(jù)庫。系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。
ZigBee終端節(jié)點傳感器能夠采集空氣溫度、空氣濕度、光照強度、土壤水分等環(huán)境因素，然后經(jīng)過ZigBee無線網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)發(fā)送到ZigBee協(xié)調器節(jié)點，協(xié)調器節(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)境信息進行實時遠程監(jiān)測、動態(tài)分析和歷史查詢，并且對超出標準值的環(huán)境參數(shù)提供報警功能。
2 系統(tǒng)硬件設計
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；電源模塊負責為傳感器節(jié)點運行提供所需的能量。傳感器節(jié)點結構框圖如圖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360 m；
?。?）工作在2.4 GHz頻段，無線速率達250 kb/s；
?。?）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)調器網(wǎng)關
考慮到協(xié)調器節(jié)點需要處理傳感器節(jié)點上傳的大量數(shù)據(jù)，并能夠將數(shù)據(jù)通過串口有序地上傳到上位機，要求協(xié)調器節(jié)點具有較快運行速度和較強的數(shù)據(jù)處理能力，為此選用S3C2440A開發(fā)板和ZigBee CC2530無線收發(fā)模塊設計協(xié)調器網(wǎng)關節(jié)點。ZigBee模塊數(shù)據(jù)處理程序工作在協(xié)調器模式下，與處理器S3C2440之間通過SPI口進行數(shù)據(jù)通信。協(xié)調器網(wǎng)關硬件框圖如圖3所示?；贏RM920T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；
?。?）外部存儲控制器：可擴展8組128 MB的存儲空間，總容量達1 GB；
?。?）具有2路SPI口，3路URAT口；
?。?）CMOS攝像頭接口。
3 系統(tǒng)軟件設計
3.1 協(xié)調器節(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)議棧設計ZigBee CC2530無線傳感網(wǎng)絡程序[7-9]。協(xié)調器節(jié)點負責啟動和配置網(wǎng)絡，同時可以與網(wǎng)絡以外的設備進行通信，起到網(wǎng)關的作用。根據(jù)設計目標，調用ZigBee協(xié)議棧中的API接口函數(shù)來實現(xiàn)無線傳感網(wǎng)絡程序設計。協(xié)調器的程序設計流程圖如圖4所示。程序設計方法如下：
?。?）初始化硬件、網(wǎng)絡層、任務、堆棧等。編寫init_spi（）函數(shù)用來初始化SPI口，協(xié)調器組網(wǎng)程序初始化通過調用協(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。
（2）信道掃描，根據(jù)掃描結果選擇一個編號在11~26間合適的信道，并設置網(wǎng)絡PAN ID（0x0000-0x3FFF），協(xié)調器采用的網(wǎng)絡PAN ID默認為0x0000。接著啟動協(xié)調器，等待其他設備加入網(wǎng)絡。
（3）在有傳感器節(jié)點加入網(wǎng)絡之后，調用接收函數(shù)。當協(xié)調器收到從傳感器節(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)點負責采集環(huán)境參數(shù)，并將其傳送到協(xié)調節(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)調器；路由器節(jié)點同時負責數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)信息的轉發(fā)。本文設計的路由節(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調用ZDO_StartDevice（）函數(shù)來啟動設備進行初始化，接著會讀取非易失性存儲器中的一系列配置參數(shù)，如設備類型參數(shù)ZCD_NV_LOGICAL_TYPE，默認的掃描信道參數(shù)ZCD_NV_CHANLIST等。其中設備的類型參數(shù)值決定著此設備的邏輯類型。本文傳感器節(jié)點程序中終端設備的類型參數(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)點程序設計主要步驟如下：
?。?）設計DHT11的裸機驅動程序，使CC2530可以驅動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、設置采集周期等。
（2）將DHT11的裸機程序文件復制到協(xié)議棧Source文件夾下，在協(xié)議棧的APP目錄下點擊右鍵——Add——添加復制文件，這樣DHT11的裸機驅動程序被添加到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。
?。?）調用API函數(shù)初始化硬件、網(wǎng)絡層、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)送給指定設備。
3.3 ARM與ZigBee間SPI驅動程序設計
在ARM上移植Linux操作系統(tǒng)，要在Linux系統(tǒng)用戶空間使用SPI設備，首先應在內(nèi)核空間移植相應的設備驅動程序，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，設備被當做文件進行處理，對設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設備，初始化驅動設備，使相關寄存器映射到虛擬內(nèi)存地址。設備注冊、建立設備文件、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文件結構。file_operations文件結構用來對系統(tǒng)內(nèi)部I/O設備存取入口點向系統(tǒng)進行說明。這樣應用程序中通過read、write等關鍵字即可調用驅動程序相應的函數(shù)。
?。?）SPI調用spi_open（）打開設備，調用spi2440_write（）發(fā)送數(shù)據(jù)，調用spi2440_read（）接收數(shù)據(jù)，調用spi_close（）函數(shù)關閉設備。
?。?）設備IO控制。spi_ioctl（）函數(shù)負責接收應用程序參數(shù)，并對CC2530片選或復位操作。
（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，設置采集時間間隔為20 min，上位機監(jiān)測系統(tǒng)實時環(huán)境數(shù)據(jù)測試如圖6所示。設置動態(tài)分析時間間隔為10 min，通過上位機監(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 結論
本文分析了農(nóng)業(yè)環(huán)境發(fā)展現(xiàn)狀與應用需求，針對當前農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測存在的不足，采用ARM結合ZigBee無線傳感技術設計了農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)同時具備了ZigBee技術的成本低、功耗小、網(wǎng)絡結構簡單、自組織傳輸和ARM嵌入式技術對海量數(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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