CN104807498A - 一种基于Zigbee和3G技术的农田环境无线监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于Zigbee和3G技术的农田环境无线监测系统，主要由采集单元、Zigbee无线通信单元、嵌入式网关以及接收设备构成，采集单元由采集节点和路由节点构成，采集节点由传感器和CC2530构成，主要完成农田信息的采集，并以CC2530为核心的Zigbee无线通信网络完成对环境数据的发送和传输；嵌入式网关集成3G模块，将来自于协调器节点的数据通过3G网络上传至远程接收设备，接收设备从ARM网关接收信息，完成数据的分析、处理、存储和显示及查询等功能，并可实现通过上位机发送指令控制传感器节点完成远程参数监测。本发明具有更好的实时性和准确性，而且低功耗，将会有更广泛的应用前景。

Description

一种基于Zigbee和3G技术的农田环境无线监测系统

技术领域

本发明属于农田环境监测领域，尤其涉及一种基于Zigbee和3G技术的农田环境无线监测系统。

背景技术

近年来，很多国家将电子信息技术和农业生产相结合，形成了以信息技术为支撑的新型农业，即“精准农业”。精准包含十个系统，其中农田信息采集系统是一个重要方面，它结合了现代化GPS、GIS、RS技术和农田间信息采集技术，面对广阔农田覆盖面积和环境多变等不确定因素，可以准确获取农田信息，对农业生产有着重要的作用。

在当前农田信息采集系统中，大多是采用有线通信方式进行信息传输，这种传输方式具有抗干扰能力差、不易布线、组网方式不灵活等缺点；采用传统的无线传输模块，存在延迟时间长且误码率高等缺点，不能完全满足精准农业需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于Zigbee和3G技术的农田环境无线监测系统，旨在解决传统传输方式存在抗干扰能力差、不易布线、组网方式不灵活，或者延迟时间长且误码率高的问题。

本发明是这样实现的，一种基于Zigbee和3G技术的农田环境无线监测系统，包括：

采集单元，由采集节点和路由节点构成，用于通过采集节点实时采集农田环境信息数据并向路由节点传送；

Zigbee无线通信单元，用于选取最优路径后完成数据的Zigbee无线通信网络传送，并且根据元胞蚁群算法完成对路由节点的优化；

嵌入式网关，包括协调器节点、ARM中央处理器、GPRS模块和3G模块，用于通过协调器节点对Zigbee网络进行组建以及汇集采集信息数据，将汇聚的信息数据通过3G网络转送至数据接收设备；

接收设备，用于将接收到的信息数据进行处理，并发送指令至采集节点进行远程参数监测。

优选地，所述采集节点由传感器结合CC2530构成；其中，所述传感器包括温湿度、光照强度、土壤温湿度、CO₂浓度以及土壤PH值传感器。

优选地，所述Zigbee网络为树状拓扑结构。

优选地，所述Zigbee无线通信单元采用改进路由算法，用于通过CACO算法将传感器的n个采集节点映射成n个元胞，每个元胞节点n_i存有其所有相邻节点的剩余能量值、禁忌表Tabu、节点距离和信息素信息，将M只蚂蚁放在n个元胞节点上，每个蚂蚁通过计算选择概率在临近范围内对下一个节点n_j进行路径选择。

优选地，在接收设备中，所述数据进行处理包括数据的分析、处理、存储、显示以及查询。

本发明克服现有技术的不足，提供一种基于Zigbee和3G技术的农田环境无线监测系统，主要由采集单元、Zigbee无线通信单元、嵌入式网关以及接收设备构成。采集单元由采集节点和路由节点构成，采集节点由传感器和CC2530构成，主要完成农田信息的采集，并以CC2530为核心的Zigbee无线通信网络完成对环境数据的发送和传输；嵌入式网关(ARM网关)集成3G模块，将来自于协调器节点的数据通过3G网络上传至远程接收设备(包括监控中心或手持设备)，接收设备从ARM网关接收信息，完成数据的分析、处理、存储和显示及查询等功能，并可实现通过上位机发送指令控制传感器节点完成远程参数监测。上位机系统采用Labview2011平台实现，做到监测界面简洁化。本发明具有更好的实时性和准确性，而且低功耗，将会有更广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明基于Zigbee和3G技术的农田环境无线监测系统的结构示意图；

图2是本发明传感器节点电路图；

图3本发明Zigbee无线通信电路图；

图4是S3C2440与3G模块连接示意图；

图5是本发明元胞蚁群优化算法流程图；

图6是本发明协调器工作流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种基于Zigbee和3G技术的农田环境无线监测系统，如图1所示，包括：

采集单元1，由采集节点以及路由节点构成，用于通过采集节点实时采集农田环境信息数据并向路由节点传送；

Zigbee无线通信单元2，用于选取最优路径后完成数据的Zigbee无线通信网络传送，并且根据元胞蚁群算法完成对路由节点的优化；

嵌入式网关3，包括协调器节点、ARM中央处理器、GPRS模块和3G模块，用于通过协调器节点对Zigbee网络进行组建以及汇集采集信息数据，将汇聚的信息数据通过3G网络转送至数据接收设备；

接收设备4，用于将接收到的信息数据进行处理，并发送指令至采集节点进行远程参数监测。

在本发明中，系统硬件电路主要由CC2530配合传感器构成的无线传感节点、协调器节点、S3C2440构成的嵌入式网关和3G通信电路构成。农田信息的采集、处理和发送由无线传感器节点完成；协调器节点又称为汇聚节点，主要完成Zigbee网络的组建和信息的汇集；系统远程监控的实现是通过3G网络将来自于协调器节点的数据传送到接收设备4。

在采集单元1中，采集节点，也就是无线传感节点，完成对农田环境如空气温湿度、光照强度、土壤湿度、土壤PH值和CO₂浓度等信息采集。传感器的选取直接影响到系统性能指标，因此，尽可能选取数字化传感器，以降低系统能耗、提高测量精度和范围。

在本发明系统中，空气温湿度采用数字化传感器SHT15实现，SHT15自带14位A/D，采用I²C总线接口传输数据，将CC2530的P_0-0和P_0-1与SHT15的DATA和SCK引脚相连完成温湿度的采集。对SHT15外配封装保护套，做到防水、防尘处理。光强度检测采用内置16位模式转换器的环境光传感器BH1750，它能够直接输出数字信号，接口方式是I²C总线接口，测量量程和精度可达1～65535lx。将BH1750的SCL和SDA与2530的P_0-2和P_0-3连接实现光照强度的检测。土壤湿度传感器采用简易式SEN0114，其表面镀金处理，加强了导电性和抗腐蚀性，SEN0114仅三个引脚，输出的是模拟电压信号，由于CC2530内部自带12位AD，将SEN0114与2530的P_{0_4}口相接，即可采集出土壤的湿度。采用红外式二氧化碳传感器C20完成农田CO₂浓度的检测。该传感器低功耗，测量范围宽，精度好，采用数字RS232方式进行通信。温湿度检测电路、光照采集电路如图2所示。

对于Zigbee无线通信单元2，选取美国TI公司CC2530射频芯片来完成Zigbee网络组建。该芯片兼容2.4GHz、IEEE802.15.4协议和ZigBee技术的片上技术，CC2530具有多种不同运行模式，而且各种运行模式相互转换的时间短，能够满足系统的低功耗要求。内部集成了12位AD，与控制器之间通信采用串口进行数据的传输；可将传感器与2530构成的路由节点直接相连，进行数据的采集并完成数据的无线传输。协调器节点是用来建立和控制Zigee无线网络，并将采集到的数据通过网关上传到监控中心分析与管理。在电路结构上，协调器节点和路由节点是一致的，但协调器节点无需外加传感器模块。由于农田范围广，设计时射频前端增加CC2591进一步提高Zigbee网络覆盖范围，将传输距离从传统的75m扩展到1Km以上，覆盖范围满足现场需求。Zigbee无线通信单元2的电路如图3所示。

对于嵌入式网关3，根据定义的通信协议格式将数据打包，嵌入式网关3是通过3G网络把处理好的数据传输到监测中心和手持设备。嵌入式网关3主要由Zigbee协调器节点、ARM中央处理器、GPRS模块和3G模块构成。中央处理器选用三星公司的S3C2440芯片，该芯片运行速度快可以更好的满足系统实时控制的需求。内部集成3个串口，配有SD卡控制器，两路全速USB主设备芯片，可以方便进行外围设备扩展。GPRS模块选用双频GSM/GPRS模块SIM300，其内嵌强大的TCP/IP协议栈，通过AT指令进行控制。

对于嵌入式网关3中的3G模块，主要完成农田信息的无线发送和通过互联网与监测中心的信息交互。3G模块选取华为公司的EM660，该模块网络类型是CDMA2000EVDO(3G)；内置TCP/IP协议栈并支持标准AT指令集和标准华为扩展AT指令集；该模块具有串口、SIM卡和配有USB2.0。EM660在串口数据传输形式上采用透明数据传送形式，可将串口上的数据直接转换成TCP/IP形式并发送，所以EM660与S3C2440通过串口相连实现数据传输，连接框图如图4所示。

对于接收设备4而言，包括上位机以及手持智能终端设备等。其中，对于上位机软件程序采用图形化语言Labview2011进行开发，利用其强大的图形化编程功能和丰富的库，可将采集到的农田信息传输到监控中心，并对农田环境实时监控与管理。工作人员登录监控界面可以查询到历史数据和实时显示的监测数据，并可进行参数的设置并提示报警，还可以实现上位机发出指令控制下位机等功能，可以为用户提供一个简单的信息浏览和数据查询平台。

在进一步的实施过程中，由于系统进行信息采集时，传感器节点周期性的采集监测数据并且不断地向Sink节点汇集，但是传感器节点能量有限，因此要选择能量消耗小的最优路径进行数据传输。设计时，对原有算法进行优化，将网络中的节点映射成元胞蚁群中的元胞，通过改进蚁群信息素更新模型，使路由节点在信息采集与休眠状态间进行转换。

CACO算法将将传感器的n个采集节点映射成n个元胞，每个元胞节点n_i存有其所有相邻节点的剩余能量值、禁忌表Tabu、节点距离和信息素等信息，将M只蚂蚁放在n个元胞节点上，每个蚂蚁通过计算选择概率在临近范围内对下一个节点n_j进行路径选择。选择下一个节点的概率如下式所示：

$p_{\mathrm{ij}}^k=\left\{\begin{array}{cc}\frac{{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}}^a{\mathrm{\η}}_{\mathrm{ij}}^{\mathrm{\β}}}{\underset{s\∉{\mathrm{Tabu}}_k}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{is}}^a{\mathrm{\η}}_{\mathrm{is}}^{\mathrm{\β}}}& j\∉{\mathrm{Tabu}}_k\\ 0& \mathrm{otherwise}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，Tabu_k称为禁忌表，表示蚂蚁所走过的节点；η_ij代表节点从n_i转移到n_j的启发信息，l_ij表示链路强度；τ_ij表示t时刻从n_i转移到n_j的路径上残留的信息素，λ、γ是权重因子，E_ij表示节点n_j在t时刻剩余能量，d_ij代表节点从n_i转移到n_j的距离。当每只蚂蚁走完一步或者完成一次搜索后，需要各条路线上的信息进行更新，找到最优的Sink节点。在t到t+△t时刻，更新信息公式如下：

${\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}}(t+\mathrm{\Δt})=(1-\mathrm{\ρ}){\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}}\left(t\right)+\underset{k=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{\Δ}{\mathrm{\τ}}_{\mathrm{ij}}^k\left(t\right)+\∂w_i\left(t\right)---\left(2\right)$

式中，ρ是信息素挥发系数，与网络拓扑变化的频度有关，ρ∈[0,1)；表示元胞状态系统，△t_ij(t)表示△t时间间隔上路径l上的信息素浓度增量，元胞蚁群优化算法流程如图5所示。

在进一步的实施过程中，由于协调器节点的主要功能是建立、连接网络，从路由节点接收数据，并根据要求发送控制命令，实现相邻节点间的通信。当路由节点被协调器节点允许加入网络后，可以将处理后的数据传输给协调器节点。在设计时，考虑到低功耗要求，在协调器节点和路由器节点间没有信息交换时，传感器节点进入睡眠模式，每隔几秒对农田环境进行轮流采集，采用中断方式唤醒休眠节点，如图6所示。

根据本发明记载，对本发明系统数据传输进行测试，当协调器完成组网，传感器节点加入网络后，每隔5s向协调器发送一次数据，协调器通过串口发送给监测中心；当然，监控中心通过3G模块下达指令到中央控制器，利用串口发送至协调器，协调器通过Zigbee网络发送至传感器终端节点。因此对数据的发送与传输的正确率要求是很高的，分别在1小时、5小时、12小时和24小时内对数据传输进行测试，测试结果表明，该系统接收数据正确率高达99.89％。

对本发明系统的监测性能进行测试，选取农田种植区对系统进行测试。在农田作业区每隔100m放置一个传感器节点，并分配固定的ID号，农田入口处放置一个协调器节点。Zigbee模块供电电源为2节1.5V干电池。在监测工作站内，PC机及手持设备通过3G网络与下位机相连。

相比于现有技术的缺点和不足，本发明具有以下有益效果：本发明从农田环境实际出发，从组网灵活、低功耗和可靠性等角度考虑，以S3C2440微处理器作为控制核心，将Zigbee技术与3G技术相结合构成农田无线传感网络，实现了农田信息的无线监控，以保证作物在最适合的环境下生长，有效的节省了人力和物力，有利于推进农业信息化的发展。将系统测试结果与传统仪器测量值进行比较表明，该系统测量准确、操作简单，实时性好、稳定性好、网络覆盖范围大，做到了对农田环境的实时准确监控，推进了精准农业生产。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于Zigbee和3G技术的农田环境无线监测系统，其特征在于，包括：

采集单元，由采集节点和路由节点构成，用于通过采集节点实时采集农田环境信息数据并向路由节点传送；

Zigbee无线通信单元，用于选取最优路径后完成数据的Zigbee无线通信网络传送，并且根据元胞蚁群算法完成对路由节点的优化；

嵌入式网关，包括协调器节点、ARM中央处理器、GPRS模块和3G模块，用于通过协调器节点对Zigbee网络进行组建以及汇集采集信息数据，将汇聚的信息数据通过3G网络转送至数据接收设备；

接收设备，用于将接收到的信息数据进行处理，并发送指令至采集节点进行远程参数监测。

2.如权利要求1所述的基于Zigbee和3G技术的农田环境无线监测系统，其特征在于，所述采集节点由传感器结合CC2530构成；其中，所述传感器包括温湿度、光照强度、土壤温湿度、CO₂浓度以及土壤PH值传感器。

3.如权利要求2所述的基于Zigbee和3G技术的农田环境无线监测系统，其特征在于，所述Zigbee网络为树状拓扑结构。

4.如权利要求3所述的基于Zigbee和3G技术的农田环境无线监测系统，其特征在于，所述Zigbee无线通信单元，采用改进的路由算法，用于通过CACO算法将传感器的n个采集节点映射成n个元胞，每个元胞节点n_i存有其所有相邻节点的剩余能量值、禁忌表Tabu、节点距离和信息素信息，将M只蚂蚁放在n个元胞节点上，每个蚂蚁通过计算选择概率在临近范围内对下一个节点n_j进行路径选择。

5.如权利要求4所述的基于Zigbee和3G技术的农田环境无线监测系统，其特征在于，在接收设备中，所述数据进行处理包括数据的分析、处理、存储、显示以及查询。