基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)研究與設(shè)計

李敏

摘要：對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境進行實時監(jiān)測，能及時獲知農(nóng)作物生產(chǎn)狀態(tài)，對指導(dǎo)農(nóng)業(yè)科學(xué)生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率，改善農(nóng)村生產(chǎn)生活環(huán)境，促進農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收具有重要意義。提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)方案，設(shè)計了基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、基于嵌入式技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中心，實現(xiàn)了對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境參數(shù)的實時監(jiān)測，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化提供參考，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的科學(xué)管理提供了有力支持。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；嵌入式；農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測；ZigBee技術(shù)；無線傳感器

中圖分類號： S126；TP277文獻標(biāo)志碼： A文章編號：1002-1302（2016）05-0387-04

當(dāng)前我國正掀起“美麗家園” 新農(nóng)村建設(shè)的高潮，農(nóng)業(yè)智能化、現(xiàn)代化是新農(nóng)村建設(shè)的重要內(nèi)容?；谖锫?lián)網(wǎng)的智能農(nóng)業(yè)是在現(xiàn)代信息技術(shù)支撐下的新的農(nóng)業(yè)形態(tài)，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，通過對農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測，即對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過中的農(nóng)作物生長情況、溫度、濕度、光照度、土壤營養(yǎng)等進行實時監(jiān)測與控制，能有效改善農(nóng)作物生產(chǎn)環(huán)境，提高產(chǎn)量與質(zhì)量[1]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，極將大提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率與質(zhì)量，同時有效降低生產(chǎn)成本，促進農(nóng)村生產(chǎn)生活環(huán)境的改善。

1系統(tǒng)總體方案設(shè)計

1.1系統(tǒng)整體性分析

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成[2]。感知層包括信息采集、協(xié)同處理、智能組網(wǎng)和信息服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層的功能是實現(xiàn)感知數(shù)據(jù)和控制信息傳遞，建立感知層與應(yīng)用層的信息交互橋梁。應(yīng)用層主要是通過分析處理感知數(shù)據(jù)，為用戶提供各種特定服務(wù)或應(yīng)用。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境主要包括溫濕度、光照度、CO2濃度等。為了實時測量這些信息，感知設(shè)備一般都是部署于遠(yuǎn)郊溫室、大田、野外現(xiàn)場。由于農(nóng)業(yè)對象的多樣性、多變性和地勢的復(fù)雜性等特點，需要部署數(shù)量龐大的傳感器，而且傳統(tǒng)的傳感器有線組網(wǎng)方式，設(shè)備投入大，不適應(yīng)大范圍應(yīng)用。

另外在通信方面，通常采用B/S、C/S的PC方式或者短信SMS的方式進行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信。前者過于依賴固定的PC機和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，不能實時進行監(jiān)測；后者無法滿足信息多樣化、高質(zhì)量、大數(shù)量的要求。

鑒于以上分析，本研究提出以無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、嵌入式為技術(shù)特點的物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計思想。通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和無線通信方式對農(nóng)業(yè)對象進行信息的采集和傳輸、存儲和處理。并且用戶可以通過智能手機的客戶端隨時查看各種信息以及對各種生產(chǎn)參數(shù)進行調(diào)整與控制?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)環(huán)境信息監(jiān)測系統(tǒng)的基本功能包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境參數(shù)的采集、短距離無線組網(wǎng)與數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)庫管理、遠(yuǎn)程設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測與調(diào)控、智能手機終端的監(jiān)測應(yīng)用等。

1.2系統(tǒng)方案及體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

監(jiān)測系統(tǒng)總體框架設(shè)計如圖1所示，系統(tǒng)主要由無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中心（中央服務(wù)器）組成。每個無線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點主要由電源管理模塊、傳感器模塊、信號處理電路、嵌入式處理器、ZigBee模塊、RS232串口模塊等組成，用于采集并發(fā)送各路傳感器數(shù)字信號。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中心則擁有平臺軟件和ZigBee協(xié)調(diào)器，用于接收和保存數(shù)據(jù)、參數(shù)分析、數(shù)據(jù)處理等[3]。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1傳感器節(jié)點設(shè)計

傳感器網(wǎng)絡(luò)由2種節(jié)點組成如圖2所示，分別是末梢節(jié)點和匯聚節(jié)點（也叫基站節(jié)點）。末梢節(jié)點對環(huán)境信息進行測量釆集并通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點是連接末梢節(jié)點與網(wǎng)絡(luò)中心之間的聯(lián)接橋梁，其功能是將數(shù)據(jù)匯集并發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中心，同時將網(wǎng)絡(luò)中心的配置要求發(fā)送給末梢節(jié)點[4]。

2.2溫濕度信息采集電路設(shè)計

溫濕度采集電路如圖3所示，U3、U4、U5是用于探測溫濕度的數(shù)字傳感器DS18B20，每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是由主機啟動的寫時序開始，此時從設(shè)備都處在偵聽狀態(tài)，數(shù)據(jù)和命令的傳輸順序都是低位在先。在讀取DS18B20檢測到的溫度數(shù)據(jù)時，主機在發(fā)出寫命令后，再啟動讀時序完成數(shù)據(jù)接收[5]。

2.3控制與通信模塊設(shè)計

運用ZigBee技術(shù)將各個傳感器之間的信息進行無線傳輸，本系統(tǒng)采用TI（德州儀器）公司的ZigBee無線收發(fā)芯片CC2530和它內(nèi)置的高性能851CPU內(nèi)核作為無線傳感器節(jié)

點的通信中心和控制中心，技術(shù)成熟、控制質(zhì)量好、功耗小、成本低廉[6]。ZigBee模塊的接口電路如圖4所示，RX、TX與單片機的UART相連，RST置低電平至少200 ns可讓ZigBee 模塊復(fù)位重啟。

2.4網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中心

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中心的主要功能是感知層與匯聚節(jié)點間的通信、數(shù)據(jù)分析處理、存儲以及網(wǎng)絡(luò)接入并提供應(yīng)用服務(wù)，因此其處理芯片應(yīng)具有良好的數(shù)據(jù)處理性能，并擁有廣泛的硬件擴展接口。本系統(tǒng)采用三星公司的S3C6410處理器芯片，此芯片基于ARM11技術(shù)，功能強大，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)核心部件組成如圖5所示。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計與實現(xiàn)

3.1無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點程序設(shè)計

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由傳感器末梢節(jié)點和匯聚節(jié)點組成[7]。大量傳感器末梢節(jié)點隨機部署在監(jiān)測區(qū)域內(nèi)，通過ZigBee自組網(wǎng)技術(shù)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，每個末梢節(jié)點都分配1個唯一的節(jié)點地址。傳感器采集的各種參數(shù)數(shù)據(jù)沿著末梢節(jié)點逐跳傳輸，經(jīng)過多跳后路由到匯聚節(jié)點，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或移動通信網(wǎng)絡(luò)到達網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中心。無線傳感網(wǎng)絡(luò)具體工作過程是，在系統(tǒng)上電后，節(jié)點進行初始化，開始按照事先約定的協(xié)議進行數(shù)據(jù)采集和傳送[8]。如果接收到網(wǎng)絡(luò)中心的指令，末梢節(jié)點就對數(shù)據(jù)進行解析處理，并按要求修改相關(guān)配置。匯聚節(jié)點的功能是聯(lián)通末梢節(jié)點與網(wǎng)絡(luò)中心之間的數(shù)據(jù)傳輸路徑，同時監(jiān)管ZigBee模塊和PC機串口通信模塊，確保兩模塊間的通信暢通。

3.2網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中心程序設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中心程序設(shè)計詳見圖6。

3.3客戶端手機監(jiān)測端軟件設(shè)計

客戶端手機檢測端軟件設(shè)計詳見圖7。

4系統(tǒng)測試

4.1實物原型

數(shù)據(jù)采集節(jié)點和主機通信模塊分別如圖8、圖9所示。

4.2節(jié)點測試

利用串口調(diào)試軟件對各傳感器節(jié)點的數(shù)據(jù)采集、傳輸情況進行測試。（1）將測試程序代碼分別下載到末梢節(jié)點和基站節(jié)點，末梢節(jié)點的默認(rèn)上傳周期為1 s。（2）將基站節(jié)點與PC機的串口相連，打開串口調(diào)試工具，并將波特率設(shè)置為 9 600。（3）運行程序就可以看到串口收到基站節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)，如圖10所示。基站節(jié)點有數(shù)據(jù)寫入了串口設(shè)備，其中前2條指令為指令1：01 01 26 28 04 13 14 7B和指令2：01 02 04 26 32 13 1E 8F。末梢節(jié)點與基站節(jié)點的通信協(xié)議為：指令碼+節(jié)點地址+數(shù)據(jù)長度+數(shù)據(jù)+驗證碼。指令1表示節(jié)點1采集到的溫度為19.2℃，濕度為38. 4%，指令2表示節(jié)點2當(dāng)前的溫度為19. 3℃，濕度為38. 5%?；抗?jié)點的數(shù)據(jù)更新速度為1 s。以上測試說明，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點數(shù)據(jù)采集及傳輸運行正常。

4.3嵌入式網(wǎng)絡(luò)中心通信測試

嵌入式網(wǎng)絡(luò)中心的任務(wù)是為遠(yuǎn)程客戶端提供應(yīng)用服務(wù)，進行數(shù)據(jù)傳輸，具備遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通信的能力。（1）將嵌入式網(wǎng)絡(luò)中心連接到路由器上，并通過PC+串口終端的方式對其進行操作。（2）修改ethO-setting文件中的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，并重新啟動網(wǎng)卡設(shè)備。（3）開啟同一路由器的PC的通信軟件，設(shè)定服務(wù)器地址和端口以及通信方式。（4）輸入測試內(nèi)容“hello”，并發(fā)送，嵌入式網(wǎng)絡(luò)中心的通信界面如圖11所示，網(wǎng)絡(luò)中心成功接收到了局域網(wǎng)的客戶端的數(shù)據(jù)。該模塊通過監(jiān)聽UDP SOCKET的方式，獲取了客戶端發(fā)送的測試信息，并成功地解析和顯示了數(shù)據(jù)和客戶端的IP地址和通信端口。

4.4客戶端通信測試

通過系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計，移動智能設(shè)備即可以查看各數(shù)據(jù)采集節(jié)點采集回的數(shù)據(jù)，如圖12為移動終端收到來自其中一個節(jié)點的傳感數(shù)據(jù)。

5結(jié)論

通過對系統(tǒng)傳感器節(jié)點、網(wǎng)絡(luò)中心以及客戶端進行測試，說明該系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計合理，系統(tǒng)的基本功能都得以實現(xiàn)。

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