基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)施農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)研究

田敏 費(fèi)小偉 趙帝植 辛國(guó)隆

摘 要：文章主要論述基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)施農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)，將設(shè)施農(nóng)業(yè)中的傳感器連接到ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，檢測(cè)設(shè)施農(nóng)業(yè)溫度、濕度二氧化碳濃度、光照的即時(shí)數(shù)據(jù)，通過手機(jī)APP與無線網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的系統(tǒng)完成對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境的監(jiān)測(cè)與控制。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和ZigBee技術(shù)組合，組建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，通過ZigBee節(jié)點(diǎn)采集環(huán)境信息，并通過無線網(wǎng)絡(luò)對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)以及Android技術(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：ZigBee；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；Android技術(shù)

中國(guó)人多地少，如何提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)效益迫在眉睫。為了滿足中國(guó)人口較多的現(xiàn)狀，合理地使用資源，保護(hù)環(huán)境，世界各國(guó)針對(duì)21世紀(jì)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展問題，觀察分析時(shí)勢(shì)，做出相應(yīng)的研究和部署。設(shè)施農(nóng)業(yè)是把各種高新工程技術(shù)和工業(yè)化生產(chǎn)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。傳統(tǒng)監(jiān)控方式浪費(fèi)人力，但隨著通信技術(shù)的發(fā)展，研究人員將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程終端APP界面上顯示。所以，本文采用ZigBee技術(shù)和無線傳輸技術(shù)以及上位機(jī)終端和APP軟件實(shí)現(xiàn)了智能遠(yuǎn)程監(jiān)控功能。該系統(tǒng)利用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)了無線區(qū)域傳感器網(wǎng)絡(luò)，完成對(duì)農(nóng)田環(huán)境溫濕度、氣體濃度、光照強(qiáng)度等信息的采集。測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)耗能少，科技含量高，使用經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)單，可以有效地在設(shè)施農(nóng)業(yè)中使用[1]。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)施農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)由ZigBee協(xié)調(diào)器、網(wǎng)關(guān)模塊、ZigBee終端節(jié)點(diǎn)、上位機(jī)、智能手機(jī)終端APP構(gòu)成。系統(tǒng)方案如圖1所示。連接二氧化碳濃度傳感器、溫濕度傳感器、光照傳感器的終端節(jié)點(diǎn)將環(huán)境數(shù)據(jù)采集起來，ZigBee終端節(jié)點(diǎn)和ZigBee協(xié)調(diào)器建立網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)關(guān)接受數(shù)據(jù)后通過WiFi模塊與手機(jī)相連。使用基于Java開發(fā)的Android手機(jī)客戶端APP，工作者能夠直觀地對(duì)溫濕度、二氧化碳濃度、光照信息以及報(bào)警數(shù)據(jù)進(jìn)行查看。工作者可便捷地查詢實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件由應(yīng)用網(wǎng)關(guān)模塊、ZigBee節(jié)點(diǎn)采集模塊、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)3個(gè)部分組成。

2.1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor networks，WSN）是一種無中心節(jié)點(diǎn)可自組網(wǎng)的分布式系統(tǒng)。在農(nóng)田監(jiān)控區(qū)域內(nèi)將眾多傳感器節(jié)點(diǎn)均勻放置。傳感器模塊、控制器模塊、通信模塊和電源模塊用無線通信方式相連，通過分層通信協(xié)議和分布式算法協(xié)調(diào)工作來自組織地構(gòu)建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使傳感器各節(jié)點(diǎn)互相合作；利用功能多樣的傳感器，比如溫濕度、聲音、亮度、壓力、水質(zhì)成分、土壤成分等[2]。具體情況如圖2所示。

可見，在設(shè)施農(nóng)業(yè)中利用應(yīng)用網(wǎng)關(guān)技術(shù)正日益受到國(guó)內(nèi)外眾多研究者的重視。同時(shí)，隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，移動(dòng)終端在設(shè)施農(nóng)業(yè)的監(jiān)控系統(tǒng)中也日益發(fā)揮著重要的作用。只有支持智能終端的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，才能在未來的科技競(jìng)爭(zhēng)中贏得領(lǐng)先地位。在支持智能終端的設(shè)施農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中，主要涉及3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：（1）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)：以無線通信方式，使用分層的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議以及分布式算法，在傳感器節(jié)點(diǎn)之間快速搭建網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使其具有良好的協(xié)作能力。（2）WSN應(yīng)用網(wǎng)關(guān)技術(shù)：通過應(yīng)用網(wǎng)關(guān)，WSN可以接入Internet/Intranet，從而將采集到的信息回傳給遠(yuǎn)程的終端用戶[3]。這些特性使得WSN的應(yīng)用范圍非常廣泛，涉及軍事應(yīng)用、工業(yè)監(jiān)視與控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療監(jiān)護(hù)、智能家居/建筑、倉(cāng)儲(chǔ)/物流管理、交通控制管理、精細(xì)農(nóng)業(yè)、消費(fèi)電子、太空探索、反恐、救災(zāi)等諸多領(lǐng)域[4]。（3）智能終端上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)技術(shù)：區(qū)別于普通上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)，智能終端與下位機(jī)的通訊方式由有線線纜的串行通訊方式更換為由移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)承載的無線通訊或者藍(lán)牙、WiFi等短距離通訊技術(shù)。

2.2 網(wǎng)關(guān)模塊

本文選用了STM32這顆MCU。基于Cortex-M3內(nèi)核的STM32F103系列芯片基于ARMv7體系結(jié)構(gòu)的32位標(biāo)準(zhǔn)RISC（精簡(jiǎn)指令集）處理器，提供很高的代碼效率，它是不需操作系統(tǒng)的ARM，其性能遠(yuǎn)高于51系列單片機(jī)，但開發(fā)過程與51系列單片機(jī)一樣簡(jiǎn)便，因而在很多應(yīng)用場(chǎng)合可替代51系列單片機(jī)。但是傳統(tǒng)的嵌入式微處理器要么是8位的處理器，性能有限，要么是32位基于ARM的微處理器在使用上需要嵌入式操作系統(tǒng)的支持，比如Linux操作系統(tǒng)，使得系統(tǒng)不夠精煉。這一情況直到ARM公司推出Cortex-M內(nèi)核才得以改善，它無需操作系統(tǒng)，可以像單片機(jī)一樣使用C語(yǔ)言進(jìn)行編程，極大的減少了開發(fā)者的工作量[5]。多樣的片上資源使得STM32F103系列微處理器在多種方面都顯示出了強(qiáng)大的發(fā)展?jié)摿Γㄒ妶D3）。

具體功能設(shè)計(jì)如下。

（1）數(shù)據(jù)上報(bào)。數(shù)據(jù)上報(bào)功能可以通過直接轉(zhuǎn)發(fā)WSN中傳感器節(jié)點(diǎn)的報(bào)文實(shí)現(xiàn)。程序偽代碼如下：

（2）控制策略下發(fā)。下發(fā)的控制策略對(duì)于網(wǎng)關(guān)來說沒有區(qū)別，因此網(wǎng)關(guān)只需要直接廣播上位機(jī)的TCP包即可實(shí)現(xiàn)策略下發(fā)。程序偽代碼如下。

2.3 ZigBee節(jié)點(diǎn)模塊

Zigbee終端節(jié)點(diǎn)包括傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊以及電源模塊。STM32芯片集成了USB轉(zhuǎn)串口驅(qū)動(dòng)電路塊和處理器模塊，進(jìn)而簡(jiǎn)化了外部電路設(shè)計(jì)，因此終端節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)主要就是設(shè)計(jì)傳感器模塊。本系統(tǒng)采用DHT11溫濕度傳感器，它是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)輸出的溫濕度復(fù)合傳感器，采用單線制串行接口，1個(gè)I/O接口就可以同時(shí)對(duì)溫濕度進(jìn)行測(cè)量[6]。ZigBee節(jié)點(diǎn)模塊流程圖如圖4所示。

3 協(xié)議轉(zhuǎn)換方式

3.1 透明傳輸

一種協(xié)議轉(zhuǎn)換方式是在WSN和上位機(jī)之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)報(bào)的透明傳輸。分析報(bào)文可得，WSN內(nèi)部的通訊方式是：（1）路由幫助傳輸數(shù)據(jù)。（2）路由，即傳感器節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信。（3）網(wǎng)關(guān)對(duì)所有傳感器節(jié)點(diǎn)廣播控制策略。

而上位機(jī)與網(wǎng)關(guān)之間的通訊也是類似的，上位機(jī)通過網(wǎng)關(guān)獲得目前的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，上位機(jī)通過網(wǎng)關(guān)下發(fā)控制策略。因此可以通過直接轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)上報(bào)報(bào)文給所有連接的客戶端。同時(shí)也透明地將客戶端發(fā)送的所有策略報(bào)文通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)到所有的WSN節(jié)點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與WSN之間的透明傳輸。

這種實(shí)現(xiàn)方式的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，網(wǎng)關(guān)的MCU處理數(shù)據(jù)量較小，但也存在一定的缺陷，如無法緩存數(shù)據(jù)，無法查看歷史數(shù)據(jù)，無法實(shí)時(shí)拉取配置等。

3.2 應(yīng)用層轉(zhuǎn)換

另一種協(xié)議轉(zhuǎn)換方式是另行實(shí)現(xiàn)應(yīng)用層協(xié)議實(shí)現(xiàn)協(xié)議的轉(zhuǎn)換功能。網(wǎng)關(guān)充當(dāng)應(yīng)用服務(wù)器的角色向客戶端（上位機(jī)）提供服務(wù)，網(wǎng)關(guān)將客戶端抽象的請(qǐng)求，轉(zhuǎn)變?yōu)榫唧w而明確的要求或者過程調(diào)用，從而實(shí)現(xiàn)更為復(fù)雜的業(yè)務(wù)需求。這樣做的好處是可以在原有功能的基礎(chǔ)上承載一些更為復(fù)雜的業(yè)務(wù)，如歷史數(shù)據(jù)分析，閾值警報(bào)，配置的持久化存儲(chǔ)，基于Web的遠(yuǎn)程管理等，同時(shí)對(duì)支持業(yè)務(wù)的擴(kuò)充也較為方便，且具有較好的安全性能，可以進(jìn)行上位機(jī)-WSN的雙向鑒權(quán)，可以確保數(shù)據(jù)和節(jié)點(diǎn)不被惡意的劫持和訪問。但這對(duì)網(wǎng)關(guān)的MCU處理能力提出了更為嚴(yán)苛的要求，同時(shí)需要另行設(shè)計(jì)應(yīng)用層協(xié)議。

4 手機(jī)端操作軟件

系統(tǒng)主體單元是手機(jī)APP，由于安卓系統(tǒng)開發(fā)可以自由定制的操作界面，相比其他系統(tǒng)，安卓操作系統(tǒng)更易上手，智能化也比較好。APP的設(shè)計(jì)也具有人性化界面的設(shè)計(jì)包括環(huán)境狀態(tài)圖形化的顯示。最終用戶通過Android平臺(tái)上的上位機(jī)軟件接入WSN從而獲取傳感器節(jié)點(diǎn)的各種數(shù)據(jù)，并將控制策略下發(fā)到各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)。在數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方面，要能夠以圖表形式呈現(xiàn)各種數(shù)據(jù)，并且持久性地保存網(wǎng)關(guān)的配置數(shù)據(jù)，能夠控制傳感器節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)調(diào)節(jié)閾值，并能夠手動(dòng)打開溫度、濕度、二氧化碳濃度的調(diào)節(jié)功能。

數(shù)據(jù)監(jiān)控功能主要提供對(duì)設(shè)施農(nóng)業(yè)的4種重要指標(biāo)：溫度、濕度、二氧化碳濃度、照度的監(jiān)控功能支持，并能夠以動(dòng)態(tài)折線圖的形式呈現(xiàn)。遠(yuǎn)程控制功能主要提供對(duì)4種調(diào)節(jié)器的直接控制功能，允許用戶直接使用App對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)進(jìn)行調(diào)節(jié)而無需達(dá)到預(yù)先設(shè)定的閾值。遠(yuǎn)程控制功能的優(yōu)先級(jí)高于自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。參數(shù)調(diào)整功能允許對(duì)預(yù)設(shè)的網(wǎng)關(guān)地址和端口進(jìn)行調(diào)整以支持網(wǎng)關(guān)的公網(wǎng)部署，NAT穿透等其他方式應(yīng)用。同時(shí)參數(shù)調(diào)整功能可以對(duì)傳感器觸發(fā)自動(dòng)調(diào)節(jié)功能的各項(xiàng)指標(biāo)閾值進(jìn)行調(diào)整（見圖5）。

5 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了通過Android平臺(tái)上的上位機(jī)軟件快速接入WSN，具有兼容性好、可擴(kuò)展性強(qiáng)、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。通過智能終端獲取傳感器節(jié)點(diǎn)的各種數(shù)據(jù)，并以圖表形式呈現(xiàn)各種數(shù)據(jù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并支持直接將控制策略下發(fā)到各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)、控制傳感器節(jié)點(diǎn)的自動(dòng)調(diào)節(jié)閾值，并能夠手動(dòng)打開溫度、濕度、二氧化碳濃度的調(diào)節(jié)功能，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

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Research of Facility Agriculture Monitoring System Based on Internet of Things

Tian Min， Fei Xiaowei， Zhao Dizhi， Xin Guolong

（College of Information Science and Technology，Shihezi University，Shihezi 832003，China）

Abstract： This article reviews a facilities agricultural monitoring system base upon Internet of Things（IoT），which connect sensor of the farmland to net of ZigBee，and detect the real-time data of temperature，humidity，carbon dioxide and illuminance in the farmland，get through mobile software and wireless network to achieve monitor and control environment of the farmland.Through linking LOT technology and ZigBee technology to establish wireless sensor network，meanwhile collection of environment information by node of ZigBee，and using wireless network to monitor environment as well as realize rea-time monitoring by Android technology.

Key words： ZigBee； wireless sensor network； Android technology