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基于物联网的智慧农业系统研究摘要：本文介绍了传统农业到近代农业的发展以及中国农业的现状和存在的不足，从国外的农业发展中吸取经验。物联网作为世界信息产业的第三次浪潮，与国民经济各方面结合，而我国作为农业大国，物联网必将在农业信息化、现代化的过程中大显身手，在农业领域将有广阔的应用前景。本文运用物联网技术，把基于zigbee的无线传感网络和智慧型农业紧密集合，运用zigbee无线传输的优良特性，在监测作物生长环境方面发挥巨大的优势，从而使我国的传统农业向高产、优质、高效、安全、生态、集约方向转型，也能引领农民致富，农业发展，从而真正向小康社会迈进。关键词：物联网；智慧农田；zigbee技术；传感器；无线通信技术 Wisdom of agricultural system based on Internet of ThingsAbstract：This paper introduces the development of traditional agriculture to modern agriculture and the status China agriculture and the existing problems, draw lessons from the experience of foreign agricultural development in. The Internet of things as the third wave of global information industry, combined with the various aspects of national economy, and our country is a large agricultural country, the Internet of things will be in the process of modernization of agricultural information, display ones skill to the full, will have broad application prospects in the field of agriculture. In this paper, using the net work technology, the wireless sensor network and intelligent agriculture ZigBee Based close set, excellent characteristics using ZigBee wireless transmission, play a huge advantage in monitoring crop growth environment,so that Chinas traditional agriculture transformation to high yield, high quality,high efficiency, safety, ecology, intensive direction, can lead the farmers,agricultural development, thus truly to the well-off society Key words:Internet of things;Wisdom agriculture;Zigbee technology;The sensor;Wireless communication technology 目 录1 绪论11.1 农业在我国的重要性11.2国外农业的发展11.3我国农业现状22物联网概述42.1 物联网概念42.2 物联网的关键技术42.3物联网的应用领域52.4 物联网在农业上的应用73 基于物联网的智慧农业系统83.1 智慧农业概述83.2 基于zigbee的智慧农业系统设计93.2.1系统总框架103.3.2系统硬件设计103.3.3无线温度传感器的基本原理123.3.4系统软件设计143.3.5收发程序154 总结与展望184.1总结184.2展望18参考文献19致 谢20 1 绪论1.1 农业在我国的重要性中国是一个拥有13亿人口的发展中农业大国。农业在中国历来被认为是安天下、稳民心的战略产业。1978年开始的以市场化为取向的农村改革，是中国农业发展的历史性转折点，不仅突破传统体制的束缚，推动农村经济的快速发展，创造了以不足世界9%的耕地养活世界近21%人口的奇迹，而且带动和促进了中国经济体制改革的全面展开，有力地支持了中国经济的高速增长1。2001年底中国加入WTO，中国农业对外开放程度大幅提高，中国农业与世界农业的关联程度发生重大变化。在世界贸易体系中，中国作为农产品生产大国和消费大国，既可能受到国际市场的不利冲击，同时也对国际市场有着巨大影响。1.2国外农业的发展20世纪初以来，为了克服常规农业发展带来的环境问题，许多国家发展了多种农业方式以期替代常规农业，如“生态农业、生物农业、有机农业”等，其生产的食品称为自然食品、有机食品和生态食品等。尽管叫法不同，但宗旨和目的均是指在环境与经济协调发展思想的指导下，按照农业生态系统内物种共生，物质循环，能量多层次利用的生态学原理，因地制宜利用现代科学技术与传统农业技术相结合，充分发挥地区资源优势，依据经济发展水平及“整体、协调、循环、再生”原则，运用系统工程方法，全面规划，合理组织农业生产，实现农业高产优质高效持续发展，达到生态和经济两个系统的良性循环和“三个效益” 的统一2。简单地说，生态农业吸收了传统农业的精华，借鉴现代农业的生产经营方式，以可持续发展为基本指导思想，实现农业经济系统、农村社会系统、自然生态系统的同步优化，促进生态保护和农业资源的可持续利用。现代农业是继传统农业之后的一个农业发展新阶段，是以现代工业和科学技术为基础，重视加强农业基础设施建设，根据国内外市场需要，建立起采用现代科学技术、运用现代工业装备、推行现代管理理念和方法的农业综合体系。现代农业在发达国家率先兴起，并在发达国家得到长足发展。总体而言,发达国家对现代农业的重视体现在如下几个方面：一是农业多功能性受到关注，可持续发展成为重要政策目标。农业是一个独特的产业部门，面对生态和环境的严重破坏，大多数国家已经确立了农业可持续发展战略，并体现在具体的政策措施和实际行动中。二是农业资源和生产要素配置市场化。在现代农业中，决定农业效益和农民收入的主导因素是市场需求，而不是生产和供给，因而农产品的供给结构必须根据市场需求的变化而不断调整，以适应于社会的需求。三是农业的发展超越了初级生产范围，拓展了纵向和横向上与其他经济活动的联系，改变了以往农业产前、产中、产后分割现象，形成了“从田间到餐桌”的完整产业链条。在美国，农产品的80销售给食品工业，荷兰、丹麦2/3的农产品是经过深加工和精加工后再进入市场的。四是农产品品质、营养和安全受到高度重视，标准化生产越来越普及，食物质量安全受到高度关注，成为更为优先的政策目标。目前，发达国家一般都有规范有序的管理体系和行之有效的监督机制，确保加工农产品和食品的质量安全。五是政府的制度安排、组织管理和支持政策体系直接影响着农业的竞争力。为了提高农业的竞争力，农业经济发达的国家一般都有一套合理的制度安排，如确定适宜的生产和经营方式，制定合理的价格政策，提供便利的金融信贷服务以及信息和技术服务等等。同时，发达国家一般都建立了结构合理、分工明确、运转高效的农业管理体系。六是民间组织发挥重要作用。许多国家都鼓励农民组织起来，提高自我服务的水平，以期能够节约交易费用，降低成本和市场竞争的风险，增加获利的机会。1.3我国农业现状 当前我国农业发展阶段按照世界农业发展的“传统农业、常规现代农业、现代持续农业”三个阶段分析定位，我国农业目前处于常规现代农业阶段，即将进入全面推进农业现代化的阶段。21世纪以来，中国农业份额下降到现代化转折点，第一产业占三次产业的产值比重到2011年降至10%，2012年则基本保持稳定，达到10.1%3。随着人口生育模式发生转型，人口和农村劳动力供给从剩余转向短缺，农业和工业、农村与城市之间争夺劳动力加剧，农业投入出现重大阶段性变化，农作物用工成本增加、单位用工量减少、机械投入大幅增加。农业要素投入的变化，使农业土地生产率增长趋于平缓，农业劳动生产率显著提高。中国农业正在经历以劳动密集投入为主，提高土地生产率的传统农业类型向以机械化投入为主，提高农业劳动生产率的现代农业转型。中国作为一个传统的农业国家，长时间以来仍然处于一家一户的传统农业，使得农业生产规模小、机械化程度低、高科技难以普及，特点如下: 1.农户以打工收入为主，少数部分经商。农业收入已经不是家庭收入的主要部分，占家庭总收入的比例极低。尤其是年轻一代的农民更不愿意拴在土地上。目前，真正从事在农业第一战线上的都是中老年人。 2.大多数农户因为少量的土地不舍得荒废，因农业劳动占用了劳动力，造成农业生产效率低，严重影响了农民的其他收入，占用了外出打工时间。 3.生产方式决定生活方式，一家一户的生产方式，要求农具齐全、生产储藏都需要占据一定的空间，直接导致农民的居住条件不能彻底改善，现在农民的新建、翻建房屋大多涉及标准低、耗能多、不科学、寿命短。让农民把多年的积蓄投入建房，一生之中建两到三次房，成为一般农民一生收入的支出方向，低水平、短寿命、重复建设耗掉农民的大部分积蓄和精力。 4.农民传统的居住条件得不到改善，农村的公益事业、基础设施建设就没法科学规划，同时高标准实施，现在各部门的农业帮扶资金很多，但没有科学、统一的布局，合理使用，使大多的资金分散，大部分用于修补，或是极低水平建设，起不到彻底改善农民人居环境的作用。2物联网概述2.1 物联网概念 物联网顾名思义就是连接物品的网络,许多学者讨论物联网中,经常会引入一个M2M的概念,可以解释成为人到人(Man to Man)、人到机器(Man to Machine)、机器 到机器(Machine to Machine)。但是，M2M的所有的解释并不仅限于能够解释物联网，同样的，M2M这个概念在互联网汇总也已经得到了很好的阐释，就连人与人之间的互动，也已经通过第三方平台或者网络电视完成。人到机器的交互一直是人体工程学和人机界面等领域研究的主要课题;但是机器与机器之间的交互已经由互联网提供了最为成功的方案。从本质上而言,在人与机器、机器与机器的交互,大部分是为了实现人与人之间的信息交互,万维网(World Wide Web)技术成功的动因在于:通过搜索和链接, 提供了人与人之间异步进行信息交互的快捷方式。中国物联网校企联盟将物联网定义为当下几乎所有技术与计算机、互联网技术的结合，实现物体与物体之间：环境以及状态信息实时的共享以及智能化的收集、传递、处理、执行。广义上说，当下涉及到信息技术的应用，都可以纳入物联网的范畴。物联网的概念已经是一个“中国制造”的概念，它的覆盖范围与时俱进，已经超越了1999年Ashton教授和2005年ITU报告所指的范围4，物联网已被贴上“中国式”标签。截至2010年，发改委、工信部等部委正在会同有关部门，在新一代信息技术方面开展研究，以形成支持新一代信息技术的一些新政策措施，从而推动我国经济的发展。物联网作为一个新经济增长点的战略新兴产业，具有良好的市场效益，中国物联网行业应用领域市场需求与投资预测分析报告前瞻数据表明，2010年物联网在安防、交通、电力和物流领域的市场规模分别为600亿元、300亿元、280亿元和150亿元。2011年中国物联网产业市场规模达到2600多亿元。2.2 物联网的关键技术 从技术架构上来看，物联网可分为三层：感知层、网络层和应用层。感知层由各种传感器以及传感器网关构成的技术架构，包括二氧化碳浓度传感器、温度传感器、湿度传感器、二维码标签、RFID 标签和读写器、摄像头、GPS等感知终端。感知层的作用相当于人的眼耳鼻喉和皮肤等神经末梢，它是物联网识别物体、采集信息的来源，其主要功能是识别物体，采集信息。网络层由各种私有网络、互联网、有线和无线通信网、网络管理系统和云计算平台等组成，相当于人的神经中枢和大脑，负责传递和处理感知层获取的信息。应用层是物联网和用户（包括人、组织和其他系统）的接口，它与行业需求结合，实现物联网的智能应用。物联网的行业特性主要体现在其应用领域内，绿色农业、工业监控、公共安全、城市管理、远程医疗、智能家居、智能交通和环境监测等各个行业均有物联网应用的尝试，某些行业已经积累一些成功的案例。在物联网应用中有三项关键技术：1.传感器技术，这也是计算机应用中的关键技术。大家都知道，到为止绝大部分计算机处理的都是数字信号。自从有计算机以来就需要传感器把模拟信号转换成数字信号计算机才能处理。2.RFID标签也是一种传感器技术，RFID技术是融合了无线射频技术和嵌入式技术为一体的综合技术，RFID在自动识别、物品物流管理有着广阔的应用前景。3.嵌入式系统技术是综合了计算机软硬件、传感器技术、集成电路技术、电子应用技术为一体的复杂技术。经过几十年的演变，以嵌入式系统为特征的智能终端产品随处可见；小到人们身边的MP3,大到航天航空的卫星系统。嵌入式系统正在改变着人们的生活，推动着工业生产以及国防工业的发展。如果把物联网用人体做一个简单比喻，传感器相当于人的眼睛、鼻子、皮肤等感官，网络就是神经系统用来传递信息，嵌入式系统则是人的大脑，在接收到信息后要进行分类处理。这个例子很形象的描述了传感器、嵌入式系统在物联网中的位置与作用。2.3物联网的应用领域 目前全球物联网状况尚处于概念、论证与试验阶段，处于攻克关键技术、制定标准规范与研发应用的初级阶段，我国物联网处于与国际同步地位，但是，在核心技术和生产规模方而都还有差距。2009年国务院将传感网和物联网上升为国家五大战略性的新兴产业。 当前物联网进展中，从技术发展趋势呈现出融介化、嵌入化、可信化、智能化的特征，从管理应用发展趋势呈现标准化、服务化、开放化、工程化的特征。物联网发展的关键在于应用，只有以应用需求为导向，才能带动物联网技术与产业的蓬勃发展。2008年底IBM首席执行官彭明盛首次提出“智慧的地球(Smart earth)”新理念5，据了解，“智慧地球”战略主要是把IT前沿技术应用到各行各业之中，把传感器嵌入和装置到全球的电网、铁路、公路、桥梁、建筑、供水系统等各种物体中，井通过互连成“物联网”;而后通过超级计算机和云计算技术，对海量的数据和信息进行分析与处理，将“物联网”整介起来，实施智能化的控制与管理，从而达到全球的“智慧”状态，最终实现“互联网+物联网=智慧地球”。物联网应用广泛，遍及智能交通、环境保护、政府工作、公安安全、智能电网、智能家居、智能家居、智能消防、工业检测、环境监测、物流监测、定位跟踪、老人护理、个人健康、花卉栽培、食品溯源、敌情侦查和情报搜索等多个领域。其实是一个为我们服务，让我们去感知物理世界、控制物理世界的网络，它为我们提供了服务以及对物理世界的控制。物联网的应用主要可分为监控型(如物流监控和环境监控)、查询型(如智能检索和远程抄表)、控制型(如智能交通和智能家居)，扫描性(如手机钱包和动态收费等管理和服务功能)，实现对万物的“高效、节能、安全、环保”的“管、控、营”一体化6。目前智能电网、智能交通、智能物流、智能家居、环境与安全检测、工业自动化、医疗健康、精细农牧业、金融与服务业、国防军事等各个行业均有物联网应用的尝试。物联网作为新一代互联网信息技术，在安防行业中起到了很好的作用。例如：物联网用途广泛，遍及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、老人护理、个人健康等多个领域。这其中的任何一个概念，似乎都与“安防”两个字有着密切的关联。物联网必将给安防行业带来无穷的商机，这是毋容置疑的。专家预计，物联网技术将会发展成为一个上万亿元规模的高科技市场。然而安防领域是互联网应用的重要领域之一，物联网安防是指：终端产品具有智能化、一体化，能够连接多种无线传感器，具有网络平台监控报警服务功能，并且同时能够通过互联网传输报警图像和信息的安防系统。新一代物联网安防产品，具有体积小巧，造价低廉，集监控、图像分析、智能处理、前端存储警笛讯响主动报警等多种功能于一体，物联网可连接多个传感器，能脱离电脑主机单独运行。物联网技术在安防领域的运用，无处不在。当你在外面，一个短信就可以让家中自动煮饭，或者自动打开空调以及热水器;而身处智能家居环境中，当你回到家里，随着门锁被开启，家中的安防系统自动解除室内警戒，廊灯缓缓点亮，空调、新风系统自动启动，你最喜欢的背景交响乐轻轻奏起。在家中，只需一个遥控器就能控制家中所有的电器。每天晚上，所有的窗帘都会定时自动关闭，入睡前，床头边的面板上，你触动“晚安”模式，就可以控制室内所有需要关闭的灯光和电器设备，同时安防系统自动开启处于警戒状态.2.4 物联网在农业上的应用农业生产是一个以自然生态系统为基础的人工生态系统，很大程度上受自然环境的约束，因而只有创造良好的农业生态环境，才能取得较好的经济效益。因此在物联网技术、通信技术、传感技术基础上，提出农业物联网建设与应用，实现资源整合，形成一套完整的技术体系，并进行应用与推广。农业物联网既能改变粗放的农业经营管理方式，也能提高农业物疫情疫苗防控能力，确保农业产品质量安全，引领现代农业发展。为此，针对农业物联网系统，再次提出三个建设目标：1.利用物联网信息化手段进行农业经济运行监测，掌握农业生产与农业经济运行的动态，监测农业生产经营活动提供分析；2. 提高农业市场监管的电子化、网络化水平，公开一站式服务，提高工作效率，降低企业成本；3.利用信息化为决策支持、生产经营服务，实现动态监测、先兆预警等，加强农业信息化服务体系，提高信息化装备，健全信息服务队伍，延伸信息网络，提高信息服务能力。针对以上建设目标，提出了农业物联网的智慧农业系统解决方案，该系统方案采用三层架构，分别由感知层、传输层、应用层构成。感知层的主要任务是将现实世界农业生产的各种物理量，通过各种手段，实时并自动转化为虚拟世界可处理的数字化信息或者数据，包括农业传感信息、农业物品属性信息、农业工作状态信息和农业地理位置信息；传输层的主要任务是将农业信息采集层采集到的农业信息，通过各种网络技术进行汇总，将广泛的农业信息整合到一起以供处理，它是农业物联网的神经中枢和大脑信息传递和处理中心；应用层的主要任务是将信息汇总，并将汇总的信息进行分析和处理，从而对现实世界的实时情况形成数字化的认知，即将农业物联网的“社会分工”与农业产业需求结合，实现广泛智能化7。3 基于物联网的智慧农业系统3.1 智慧农业概述所谓“智慧农业”就是充分应用现代信息技术成果，集成应用计算机与网络技术、物联网技术、音视频技术、3S技术、无线通信技术及专家智慧与知识，实现农业可视化远程诊断、远程控制、灾变预警等智能管理。智慧农业是农业生产的高级阶段，是集新兴的互联网、移动互联网、云计算和物联网技术为一体，依托部署在农业生产现场的各种传感节点（环境温湿度、土壤水分、二氧化碳、图像等）和无线通信网络实现农业生产环境的智能感知、智能预警、智能决策、智能分析、专家在线指导，为农业生产提供精准化种植、可视化管理、智能化决策8。 “智慧农业”是云计算、传感网、3S等多种信息技术在农业中综合、全面的应用，实现更完备的信息化基础支撑、更透彻的农业信息感知、更集中的数据资源、更广泛的互联互通、更深入的智能控制、更贴心的公众服务。“智慧农业”与现代生物技术、种植技术等高新技术融合于一体，对建设世界水平农业具有重要意义。 智慧农业是物联网技术在现代农业领域的应用，主要有监控功能系统、监测功能系统、实时图像与视频监控功能。（1）监控功能系统：根据无线网络获取的植物生长环境信息，如监测土壤水分、土壤温度、空气温度、空气湿度、光照强度、植物养分含量等参数。其它参数也可以选配，如土壤中的PH值、电导率等等。信息收集、负责接收无线传感汇聚节点发来的数据、存储、显示和数据管理，实现所有基地测试点信息的获取、管理、动态显示和分析处理以直观的图表和曲线的方式显示给用户，并根据以上各类信息的反馈对农业园区进行自动灌溉、自动降温、自动卷模、自动进行液体肥料施肥、自动喷药等自动控制。（2）监测功能系统：在农业园区内实现自动信息检测与控制，通过配备无线传感节点，太阳能供电系统、信息采集和信息路由设备、配备无线传感传输系统，每个基点配置无线传感节点，每个无线智能控制系统传感节点可监测土壤水分、土壤温度、空气温度、空气湿度、光照强度、植物养分含量等参数。根据种植作物的需求提供各种声光报警信息和短信报警信息。 （3）实时图像与视频监控功能：农业物联网的基本概念是实现农业上作物与环境、土壤及肥力间的物物相联的关系网络，通过多维信息与多层次处理实现农作物的最佳生长环境调理及施肥管理。但是作为管理农业生产的人员而言，仅仅数值化的物物相联并不能完全营造作物最佳生长条件。视频与图像监控为物与物之间的关联提供了更直观的表达方式。比如：哪块地缺水了，在物联网单层数据上看仅仅能看到水分数据偏低。应该灌溉到什么程度也不能死搬硬套地仅仅根据这一个数据来作决策。因为农业生产环境的不均匀性决定了农业信息获取上的先天性弊端，而很难从单纯的技术手段上进行突破。视频监控的引用，直观地反映了农作物生产的实时状态，引入视频图像与图像处理，既可直观反映一些作物的生长长势，也可以侧面反映出作物生长的整体状态及营养水平。可以从整体上给农户提供更加科学的种植决策理论依据。 3.2 基于zigbee的智慧农业系统设计 ZigBee 来自于蜜蜂跳 ZigZag 形状的舞蹈，来通知其他蜜蜂有关花粉位置等信息，以达到彼此沟通的目的，故以此作为新一代无线通讯技术之命名。ZigBee 是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线通信新技术，它依据 IEEE 802. 15.4 标准9，可协调数千个微小的传感器间的相互通信。这些传感器只需要很少的能量，以接力的方式通过无线电波将数据从一个传感器传到一个接收端，通信效率高。相对于现有的各种无线通信技术，ZigBee技术是最低功耗和成本的技术。由于 ZigBee 技术数据速率低和通信范围小的特点，决定了 ZigBee 技术非常适合于承载数据流量较小的农业领域，ZigBee的技术特性也决定它是无线传感器网络的最好选择，将其用于作物环境监测系统具有现实意义。 运用zigbee技术通过实时采集农业种养殖场所（如温室大棚、水养殖场等）里的温度、湿度、光照、土壤温度、土壤水分、含氧量等环境参数，根据农作物生长需要进行实时智能决策，并自动开启或者关闭指定的环境调节设备。通过该系统的部署实施，可以为农业生态信息自动监测、对设施进行自动控制和智能化管理提供科学依据和有效手段。系统是通过可在大棚内灵活部署的各类无线传感器和网络传输设备，对农作物温室内的温度、湿度、光照、土壤温度、CO2浓度等与农作物生长密切相关环境参数进行实时采集。3.2.1系统总框架基于Zigbee无线传感网络的智慧农业监测系统总体结构如图1所示，系统主要有ZigBee传感器端节点、中心节点、GPRS无线模块和监控中心组成。ZigBee无线传感网络主要由分布在监测区域的各种传感器节点和中心节点构成，传感器节点由各种传感器和ZigBee无线模块组成，以星型拓扑结构组网。中心节点节点负责汇集各传感器节点采集到的数据，并将其通过GPRS传输至监控中心。监控中心计算机采用VB工具开发人机交换界面，可接收、处理和显示各监测区域的各种数据。此外还可直接通过GPRS网络直接实现手机和中心节点的通信，让用户随时随地获取农作物信息。若监测区域扩大时，可通过增加路由器节点来增强网络的稳定性10。 图1 系统总体结构设计图3.3.2系统硬件设计无线传感网络由多个传感器节点和一个中心节点构成，传感器节点也称设备，中心节点又称协调器，系统总体硬件设计图如图2所示。本系统中的传感器节点用TI公司的CC2530芯片11，它是一种低功耗、低成本的无线微控制器，适用于IEEE 802.15.4协议和ZigBee软件应用。CC2530是一个真正的片上系统( SoC）解决方案，它能够以非常低的材料成本建立强大的网络节点，它结合了领先的RF收发器的优良性能、业界标准的增强型8051CPU、系统内可编程闪存、8KB 、RAM、A/D转换器以及许多其他强大的功能，并且其具有不同的运行模式，使得它尤其适应超低功耗要求的系统。围绕着CC2530芯片，系统大致可分为三大模块: CPU和内存相关的模块，外设、时钟和电源管理相关的模块以及无线电相关的模块。CC2530LCDSensorCC2530SensorGPRSCC2530MCUKeyboard图2 系统总框图主控MCU选择意法半导体公司STM32F103RBT612芯片，它是基于ARM推出的V7平台的Cortex-M3 内核的32位处理器。该处理器芯片有64个引脚、51个I/O口、128KB Flash、20KB SRAM、3个串口、2个SPI接口、1个CAN总线和1个USB接口。芯片的数据处理能力为1.25dMi/s MHZ，在72MHZ的工作频率下，工作电流为36mA，待机时下降到2mA，是目前32位处理器市场上功耗最低的产品。其售价接近51单片机的售价，但它的数据处理能力达到了DSP的水平，具有较高的性价比和应用前景。GPRS无线传输选用西门子公司的MC35i GPRS模块，主要通过主控制器的串口发送AT命令实现对模块的控制，它主要完成与STM32之间的数据交换。该模块内嵌TCP/IP协议栈，能通过移动公司GPRS网络与Internet的PC机以及用户手机进行数据交换；SMS支持PDU以及Text模式短信息的发送与接收；内置5K Buffer，使得传输数据的最大数据包长度可达1.5K，完全满足各路传感器的信息传输需要；提供两个全双工串口，可实现两个TCP通道的同时传输13。3.3.3无线温度传感器的基本原理温度传感器是一种能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。利用物质各种物理性质随温度变化的规律把温度转换为电量的传感器。这些呈现规律性变化的物理性质主要有体。温度传感器是温度测量仪表的核心部分，品种繁多。在采集被测点温度时会用到温度传感器14。温度传感器就是能够感知和测量环境中某点温度的一种敏感器件，它将环境中的温度或与温度有关的参量的信息转换成电信号，根据这些电信号的强弱便可获得被测点在环境中的温度信息，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与计算机组成自动检测、监控、报警系统。按测量方式可分为接触式和非接触式两大类，按照传感器材料及电子元件特性分为热电阻和热电偶两类。温度采集部分由传感器和无线发射模块构成。温度处理部分由无线接收模块、MCU、与上位机通讯的接口电路构成。其系统原理框图如下所示：温度传感器发射模块图3温度采集部分图MCU上机位图4温度处理部分 随着技术飞速发展，传感器已进入第三代数字传感器，本系统采用的DS18B20就是属于这种传感器。 DALLAS半导体公司生产的DS18B20是一种总线温度传感器，属于新一代适配微处理器的智能温度传感器，这种传感器具有体积小，精度高，接口方便及传输距离远等特点，由于DS18B20是一条总线通信，所以中央微处理器与DS18B20只有一条总线连接。所以读写以及温度转换可以从数据线本身获得能量，不需要外接电源。因为每一个DS18B20的包含一个独特的序号，多个DS18B20可以同时存在于一条总线。这使得温度传感器放置在许多不同的地方，故被广泛应用在工业、农业及军事等领域的控制仪器、测控系统中。 DS18B20内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM、温度传感器、非易失性的温度报警触发器TH和TL、配置寄存器。该装置信号线高的时候，内部电容器储存能量通由通信线路给片子供电，而且在低电平期间为片子供电直至下一个高电平的到来重新充电。 DS18B20的电源也可以从外部3V-5.5V的电压得到。DS18B20采用单线通信接口。因为单线通信接口，必须在先完成ROM设定，否则记忆和控制功能将无法使用。主要首先提供以下功能命令之一：(1)读ROM，(2)ROM匹配， (3)搜索ROM，(4)跳过ROM，(5)报警检查。这些指令操作作用在没有一个器件的64位光刻ROM序列号上，也可以在挂在单线上多个器件选定某一个器件，同时，单线也可以知道总线上挂有多少，什么样的设备。若指令成功地使DS18B20完成温度测量，数据存储在DS18B20的存储器。一个控制功能指挥指示DS18B20的测温。测量结果将被放置在DS18B20内存中，并可以让阅读发出记忆功能的指挥，阅读内容的片上存储器。温度报警触发器TH和TL都有一字节EEPROM 的数据。如果DS18B20不使用报警检查指令，这些寄存器可作为一般的用户记忆用途。在片上还载有配置字节以理想的解决温度数字转换。写TH,TL指令以及配置字节利用一个记忆功能的指令完成。通过缓存器读寄存器。所有数据的读，写都是从最低位开始。 DS18B20测量温度采用了特有的温度测量技术。它是通过计数时钟周期来实现的，低温度系数振荡器输出的时钟信号通过由高温度系数振荡器产生的门周期而被计数。计数器被预置在与-55相对应的一个基权值。如果计数器在高温度系数振荡周期结束前计数到零，表示测量的温度值高于-55，被预置在-55的温度寄存器的值就增加1，然后重复这个过程，直到高温度系数振荡周期结束为止。这时温度寄存器中的值就是被测温度值,这个值以16位形式存放在便笺式存贮器中,此温度值可由主机通过发存贮器读命令而读出,读取时低位在前,高位在后。斜率累加器用于补偿温度振荡器的抛物线特性。DS18B20在使用时,一般都采用单片机来实现数据采集.只需将DS18B20信号线与单片机1位I/O线相连,且单片机的1位I/O线可挂接多个DS18B20,就可实现单点或多点温度检测。无线温度传感器节点分布于需要测量的现场, 执行温度数据的采集、预处理、发送等工作。ZigBee网关具有ZigBee协调器和协议转换功能, 将ZigBee协议格式的数据转换成以太网协议格式的数据传输到监测中心主机。监测中心主机通过以太网与ZigBee网关通信, 实时显示每个温度传感器节点的信息。基于ZigBee技术的无线温度传感器网络的拓扑结构，主要由无线温度传感器、ZigBee网关、计算机三部分组成。无线温度传感器主要由传感器、射频芯片和控制器三部分组成。3.3.4系统软件设计本系统采用星型网络拓扑结构，有一个成为网络协调器的中心控制器和若干从设备。协调器负责建立和维护网络，它是全功能设备（FFD），有稳定的电能供给，无需考虑功耗。从设备是采用电池供电的RFD，它只能直接与网络协调器进行数据通信，从设备之间的通信只能通过协调器转发。当协调器上电开始工作时，它就会检测周围环境，选择合适信道。IEEE 802.15.4规范定义了27个物理信道，信道编号从0至26，每个具体的信道对应着一个中心频率，在我国使用的是2.4GHZ频段，它定义了16个信道（1126号信道）。信道确定后，再选择一个PAN标识符，然后建立起自己的网络。PAN标识符用来唯一确定本网络，以和其他的PAN区分。当有数据要传送时，设备便从休眠状态中被唤醒，经过信道扫描，获得了周围协调器的有关信息，选择一个合适的PAN，并开始建立连接，连接通过服务原语传输数据服务，使用的原语有请求原语、确认原语、指示原语、响应原语。如果连接建立成功，设备就会获得一个16位的短地址码，范围在0X00000XFFFD之间。至此，zigbee网络就已构建成功，设备和协调器之间便可进行通信了15。在本系统中使用的开发环境是IAR7.6，采用的协议栈为TI的TI-MAC-1.3.1，软件流程图如图5所示16。开始开始初始化初始化成功建立网络加入网络获得网络地址监听休眠模式节点数据N有数据NGPRS发送YY发送数据发送成功N， 协调器节点软件流程图Y 设备节点软件流程图 图5 系统软件流程图3.3.5收发程序发送数据uint8 osal_msg_send( uint8 destination_task, uint8 *msg_ptr ) if( msg_ptr = NULL ) return ( INVALID_MSG_POINTER ); if ( destination_task = tasksCnt ) osal_msg_deallocate( msg_ptr ); return ( INVALID_TASK ); / Check the message header if ( OSAL_MSG_NEXT( msg_ptr ) != NULL | OSAL_MSG_ID( msg_ptr ) != TASK_NO_TASK ) osal_msg_deallocate( msg_ptr ); return ( INVALID_MSG_POINTER ); OSAL_MSG_ID( msg_ptr ) = destination_task; / queue message osal_msg_enqueue( &osal_qHead, msg_ptr ); / Signal the task that a message is waiting osal_set_event( destination_task, SYS_EVENT_MSG ); return ( SUCCESS );接收数据uint8 *osal_msg_receive( uint8 task_id ) osal_msg_hdr_t *listHdr; osal_msg_hdr_t *prevHdr = NULL; osal_msg_hdr_t *foundHdr = NULL; halIntState_t intState; / Hold off interrupts HAL_ENTER_CRITICAL_SECTION(intState); / Point to the top of the queue listHdr = osal_qHead; / Look through the queue for a message that belongs to the asking task while ( listHdr != NULL ) if ( (listHdr - 1)-dest_id = task_id ) if ( foundHdr = NULL ) / Save the first one foundHdr = listHdr; else / Second msg found, stop looking break; if ( foundHdr = NULL ) prevHdr = listHdr; listHdr = OSAL_MSG_NEXT( listHdr ); / Is there more than one? if ( listHdr != NULL ) / Yes, Signal the task that a message is waiting osal_set_event( task_id, SYS_EVENT_MSG ); else / No more osal_clear_event( task_id, SYS_EVENT_MSG ); / Did we find a message? if ( foundHdr != NULL ) / Take out of the link list osal_msg_extract( &osal_qHead, foundHdr, prevHdr ); / Release interrupts HAL_EXIT_CRITICAL_SECTION(intState); return ( (uint8*) foundHdr );4 总结与展望4.1总结本文从我国农业现状出发，由于我国上千年的传统农业的根深蒂固，现代农业不仅要从满足农民的基本要求，更要与国际接轨，在节省人力的前提下，同时尽量保证环境和资源不被破坏和浪费，由此智慧农业应运而生。本文主要介绍了基于zigbee的智慧农业的部分研究，解决了以下二个方面的问题：1. 在农业大棚中采集例如温度、湿度、光照等方面的数据，传入中心节点；2. 经过GPRS网络，把中心节点的数据以发短信方式远程传入用户手上。