物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在精準農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的應用研究

張軍國，賴小龍，楊睿茜，呂靜霞

（北京林業(yè)大學工學院，北京 100083）

精準農(nóng)業(yè)是當今世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢，中國作為一個農(nóng)業(yè)大國，對于精準農(nóng)業(yè)的需求更為迫切，怎樣合理經(jīng)濟地以少投入獲得多回報，這不僅是可持續(xù)發(fā)展的要求，更是社會進步的體現(xiàn)。農(nóng)田的環(huán)境監(jiān)測是支撐精準農(nóng)業(yè)技術(shù)的關(guān)鍵，實時、方便、有效地采集農(nóng)業(yè)環(huán)境參數(shù)是實現(xiàn)精準農(nóng)業(yè)的重要基礎(chǔ)[1]。

傳統(tǒng)的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)多采用有線組網(wǎng)的方式或者直接采用人工實地檢測獲得環(huán)境數(shù)據(jù)，這兩者都具有局限性。有線組網(wǎng)方式缺乏靈活性，受地理環(huán)境的限制，線路資源損耗較大，難以實現(xiàn)遠距離監(jiān)測；人工實地檢測更耗費人力、物力，且獲取的數(shù)據(jù)量有限，此外受主觀因素限制，測量結(jié)果難免出現(xiàn)誤差。新興的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為農(nóng)田信息獲取提供了一個嶄新的思路。本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建了精準農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，研究人員在總控制室就能對農(nóng)田進行遠程實時監(jiān)控，根據(jù)空氣溫濕度、光照強度、土壤濕度和土壤pH值等農(nóng)情信息做出正確決策，滿足精準農(nóng)業(yè)自動化、經(jīng)濟化、準確化的要求。

1 物聯(lián)網(wǎng)概述

物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of Things）是通過無線射頻識別（RFID，Radio FrequencyIdentification）、傳感器、全球定位系統(tǒng)（GPS，Global Position in System）等各種設備，利用無線網(wǎng)絡進行信息交換和通信，實現(xiàn)智能化識別、定位、監(jiān)控和管理的巨大網(wǎng)絡[2]。它是一種綜合性的動態(tài)全球網(wǎng)絡，通過基礎(chǔ)配置和可互操作的協(xié)議，使用智能接口和無縫集成進入信息網(wǎng)絡[3]。

物聯(lián)網(wǎng)在實物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)中包括三個層次——感知層、網(wǎng)絡層、應用層。其中感知層的主要功能是全面感知，信息感知可以通過RFID射頻標簽技術(shù)或者傳感網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)；網(wǎng)絡層的主要功能是實現(xiàn)感知數(shù)據(jù)和控制信息的雙向傳遞，通過各種電信網(wǎng)絡與互聯(lián)網(wǎng)的融合，將物體的信息實時準確地傳遞出去；應用層主要是利用經(jīng)過分析處理的感知數(shù)據(jù)，為用戶提供豐富的特定服務[4]。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精準農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 精準農(nóng)業(yè)內(nèi)涵

隨著近年來無線網(wǎng)絡傳感器技術(shù)的發(fā)展，精準農(nóng)業(yè)（precision agriculture）已成為農(nóng)業(yè)科學工作者關(guān)注的熱點。精準農(nóng)業(yè)是指根據(jù)作物生長的土壤性狀來調(diào)節(jié)對作物的投入，以最少的或最節(jié)省的投入達到同等收入或更高的收入并改善環(huán)境。結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡技術(shù)，將傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐孕畔⒕W(wǎng)絡為中心的精準農(nóng)業(yè)模式，農(nóng)田的耕種可以實現(xiàn)自動化、網(wǎng)絡化、智能化[5]。從而有效地降低成本并提高產(chǎn)量，具有實際應用價值。

環(huán)境監(jiān)測作為精準農(nóng)業(yè)中的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，能直接獲得作物生長的土壤性狀相關(guān)參數(shù)，為精準農(nóng)業(yè)的執(zhí)行過程提供最直觀的依據(jù)，是精準農(nóng)業(yè)實現(xiàn)過程中不可或缺的組成部分。而作物生長的土壤性狀相關(guān)參數(shù)通常包括空氣溫濕度、光照強度、土壤濕度和土壤PH值等[6-8]。

2.2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精準農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是一種全新的信息處理和獲取方式，目前基于物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的研究成為熱點，本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建的精準農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

傳感層采用無線傳感網(wǎng)絡的方式，由大量部署在農(nóng)田信息采集區(qū)域的自組織傳感節(jié)點（包含普通節(jié)點和傳感節(jié)點）組成。普通傳感節(jié)點進行環(huán)境參數(shù)的采集后通過Zigbee無線傳輸至簇首節(jié)點，簇首節(jié)點進行簡單的數(shù)據(jù)融合，打包，通過Zigbee無線傳輸將農(nóng)情信息傳送到匯聚節(jié)點。

網(wǎng)絡層由網(wǎng)關(guān)節(jié)點、GPRS/3G網(wǎng)和Internet組成，將環(huán)境參數(shù)傳送至監(jiān)測端。網(wǎng)關(guān)節(jié)點包含匯聚節(jié)點和網(wǎng)關(guān)部分，匯聚節(jié)點部分接收傳感層發(fā)送的信息，將其進行數(shù)據(jù)融合等處理后傳送至網(wǎng)關(guān)部分，由網(wǎng)關(guān)部分通過GPRS/3G模塊將信息傳至Internet，然后遠程監(jiān)測端就可以通過Internet讀取農(nóng)田環(huán)境信息了。此外，網(wǎng)關(guān)部分也可以通過各種通信方式直接和本地監(jiān)測端通信。

應用層由遠程監(jiān)測端組成，當監(jiān)測端設備接入Internet時，生產(chǎn)者和技術(shù)研究人員就可以在任何時候、任何地點監(jiān)測所采集的農(nóng)情信息，對作物生長情況進行實時跟蹤和分析，以及根據(jù)環(huán)境變化采取相應措施，實現(xiàn)精準農(nóng)業(yè)的要求[9-11]。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精準農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設計

節(jié)點是組成基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精準農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的基本單位，包括傳感節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點。傳感節(jié)點是監(jiān)測系統(tǒng)傳感層的基本組成單元，網(wǎng)關(guān)節(jié)點則是網(wǎng)絡層的硬件基礎(chǔ)，它們的硬件設計對整個系統(tǒng)的功能、性能都至關(guān)重要。本文分別對傳感節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點進行了硬件設計。

3.1 傳感節(jié)點設計

傳感節(jié)點通過傳感器部分采集農(nóng)情信息，經(jīng)由處理單元進行簡單轉(zhuǎn)換、處理，由無線收發(fā)模塊傳給上級節(jié)點。結(jié)合其功能特點，傳感節(jié)點的結(jié)構(gòu)框如圖2示。

傳感節(jié)點的微處理器單元和無線傳輸單元采用CHIPCON公司的CC2430芯片，它是一款基于ZigBee協(xié)議，集成了80C51內(nèi)核處理器的芯片和ZigBee無線收發(fā)模塊，是一種比較成熟的無線傳感器節(jié)點解決方案。

圖2 傳感節(jié)點結(jié)構(gòu)示意圖

本系統(tǒng)中濕度、溫度測量采用錦州陽光科技有限公司的TDR-3A型土壤溫濕度傳感器，該傳感器集溫度和濕度測量于一體，具有密封、防水、精度高的特征，是測量土壤溫濕度的理想儀器。光強測量采用TAOS公司推出的第二代光強數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TSL2561，它可直接通過I2C總線協(xié)議由微控制器訪問，微控制器則通過對其內(nèi)部的16個寄存器的讀寫來實現(xiàn)對TSL2561的控制。光纖pH值傳感器用于測量土壤pH值，基于pH值的變化將導致光纖傳感探頭中光頻譜特性變化這一原理，經(jīng)放大電路和A/D轉(zhuǎn)換器能得到數(shù)字輸出，然而這種方法的缺點是在土壤干燥時誤差較大。

此外，外部時鐘電路用于控制整個系統(tǒng)的運行頻率；串行通信接口作為程序調(diào)試和下載接口；復位電路用來恢復系統(tǒng)死機或程序跑飛等意外情況；電源模塊負責整個節(jié)點的能量供應。

3.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點設計

網(wǎng)關(guān)節(jié)點兼具匯聚節(jié)點和網(wǎng)關(guān)的功能，一方面收集無線傳感器網(wǎng)絡發(fā)來的農(nóng)情信息，另一方面將這些信息經(jīng)過初步的處理，通過無線收發(fā)模塊（如GPRS模塊、3G模塊等）以及3G網(wǎng)和GPRS網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)的交換，通過互聯(lián)網(wǎng)，網(wǎng)關(guān)可以發(fā)送農(nóng)情信息到遠程監(jiān)測中心并且接收遠程監(jiān)測中心發(fā)來的命令。具體結(jié)構(gòu)框如圖3所示。

圖3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點結(jié)構(gòu)示意圖

因網(wǎng)關(guān)節(jié)點的數(shù)據(jù)處理工作任務繁重，對資源需求較高，而且要求成熟的網(wǎng)絡協(xié)議支持，故采用三星公司的ARM9處理器S3C2410。該處理器采用0.18μm制造工藝的32位微控制器，擁有獨立的16 KB指令Cache和16 KB數(shù)據(jù)Cache，MMU，支持TFT的LCD控制器，NAND閃存控制器，3路UART，4路DMA，4路帶PWM的Timer，I/O口，RTC，8路10位ADC，Touch Screen接口，IIC-BUS接口，IIS-BUS接口，2個USB主機，1個USB設備，SD主機和MMC接口，2路SPI，最高可運行在203 MHz。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點通過CC2430接收傳感節(jié)點采集到的農(nóng)情信息，并發(fā)送控制信息。通過GPRS網(wǎng)絡并入互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)與遠程監(jiān)測中心的通信。本系統(tǒng)中GPRS模塊采用SIM5218，它支持下行速率達7.2 Mbps和上行速率為5.76 Mbps的數(shù)據(jù)傳輸服務，同時還具有豐富的接口包括UART、USB2.0、GPIO、I2C、GPIO、GPS、攝像頭傳感器和內(nèi)嵌SIM卡等。如需傳輸圖像，音頻等信息，則采用3G模塊傳輸，選用芯訊通無線科技（上海）有限公司研發(fā)的3G無線傳輸芯片：TD-SCDMA Module系列中的SIM4200。

此外，RS485總線接口用于必要時與本地監(jiān)測端的通信。JTAG調(diào)試接口和串行調(diào)試接口主要負責程序的燒寫、調(diào)試，F(xiàn)LASH用于掉電下的程序數(shù)據(jù)存儲，SRAM主要用于在線的仿真，電源單元負責整個過程的能量供應。

4 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精準農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設計

系統(tǒng)的軟件設計內(nèi)容主要包含：ZigBee協(xié)議棧，GPRS/3G協(xié)議棧的程序編寫以及傳感節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點的軟件設計。基于ZigBee技術(shù)GPRS/3G技術(shù)已較為成熟，本系統(tǒng)采用現(xiàn)成的協(xié)議棧程序，而主要工作重心放在傳感節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點的軟件設計上。又由于傳感節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點的功能特點，工作任務有所差異，因此分開討論。

4.1 傳感節(jié)點的主程序設計

傳感節(jié)點相當于網(wǎng)關(guān)節(jié)點的子節(jié)點，自組織式聯(lián)網(wǎng)，是物聯(lián)網(wǎng)傳感層中的基層環(huán)節(jié)，直接與物聯(lián)網(wǎng)的目標測量相關(guān)聯(lián)，將農(nóng)情信息轉(zhuǎn)換為有效的開關(guān)量進行傳遞，主要工作有：等待網(wǎng)關(guān)節(jié)點喚醒、采集農(nóng)情信息、發(fā)送數(shù)據(jù)、進入休眠等，具體工作流程如圖4所示。

傳感節(jié)點通常情況下處于休眠模式，當接收到上級節(jié)點的命令被喚醒后，便馬上發(fā)送請求加入網(wǎng)絡，等待網(wǎng)關(guān)節(jié)點的應答成功加入網(wǎng)絡后，開始進行農(nóng)情信息如土壤溫濕度、光強、pH值等的采集并傳輸給命令發(fā)送端節(jié)點，上級節(jié)點發(fā)送應答位，確定接收成功后，傳感節(jié)點又轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)，這樣循環(huán)往復。

4.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點的主程序設計

網(wǎng)關(guān)節(jié)點主要負責建立并管理網(wǎng)絡，允許或拒絕任何一個傳感節(jié)點入網(wǎng)，并將各傳感節(jié)點的數(shù)據(jù)收集發(fā)送至互聯(lián)網(wǎng)，監(jiān)控端通過互聯(lián)網(wǎng)進行數(shù)據(jù)的讀取、記錄。網(wǎng)關(guān)節(jié)點一直在工作狀態(tài)，不會休眠。它的工作過程一般分為：等待監(jiān)測命令，建立網(wǎng)絡，加入節(jié)點，等待數(shù)據(jù)信息，發(fā)送數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點的具體工作流程如圖5所示。

圖4 傳感節(jié)點工作流程

圖5 網(wǎng)關(guān)節(jié)點工作流程

在建立網(wǎng)絡時，網(wǎng)關(guān)節(jié)點會不斷地搜索空的信道，如果搜索到某一信道，被另一網(wǎng)關(guān)節(jié)點占用，則重新搜索，直到搜到空信道，其立即做相應標識，準備建立自己的網(wǎng)絡。當一個傳感節(jié)點要求加入網(wǎng)絡時，它會發(fā)送請求，網(wǎng)關(guān)節(jié)點根據(jù)自己的資源需求決定是否加入傳感節(jié)點，如果選擇加入此節(jié)點，則給它分配一個網(wǎng)絡地址，構(gòu)成新網(wǎng)絡。同時傳達監(jiān)測命令給下級節(jié)點，等待接收數(shù)據(jù)，接收成功后發(fā)送至遠程檢測端和本地監(jiān)測站。

5 結(jié)束語

精準農(nóng)業(yè)是當今世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的潮流，環(huán)境監(jiān)測是支撐精準農(nóng)業(yè)技術(shù)的關(guān)鍵，相比于傳統(tǒng)的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測方式的局限性，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測則滿足了精準農(nóng)業(yè)快速、精確、連續(xù)測量的要求。本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提出了精準農(nóng)業(yè)的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，簡述了該系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，研究了系統(tǒng)傳感層的基本單元——基于CC2430的傳感節(jié)點，和系統(tǒng)網(wǎng)絡層的基礎(chǔ)——基于S3C2410的網(wǎng)關(guān)節(jié)點，對它們的硬件設計及軟件設計進行了詳細闡述。然而，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在精準農(nóng)業(yè)中的應用還存在很多有待解決的問題。比如：數(shù)據(jù)傳輸實時性、數(shù)據(jù)傳輸安全性等問題還有待進一步的優(yōu)化。

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