基于物聯(lián)網(wǎng)的智能農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)

張仕臻

( 湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

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基于物聯(lián)網(wǎng)的智能農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)

張仕臻

( 湖北工業(yè)大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院， 湖北 武漢 430068)

基于物聯(lián)網(wǎng)三層結(jié)構(gòu)模型和相關(guān)技術(shù)，設(shè)計(jì)搭建了適用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制的智能化系統(tǒng)。闡述了系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想、軟硬件架構(gòu)以及系統(tǒng)存在的缺點(diǎn)和應(yīng)用前景。從技術(shù)層面上為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程提供了量化的決策依據(jù)。

物聯(lián)網(wǎng)； 智能農(nóng)業(yè)； ZigBee； 監(jiān)控

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中，應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實(shí)時(shí)地收集溫度、濕度、風(fēng)力、大氣、降雨量等信息，精準(zhǔn)地獲取土壤水分、壓實(shí)程度、電導(dǎo)率、pH值、氮素等土壤信息，可以幫助農(nóng)民進(jìn)行管理決策。物聯(lián)網(wǎng)也可以應(yīng)用在溫室智能控制方面，提高農(nóng)業(yè)綜合效益，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化[1]。

1　系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想

筆者設(shè)計(jì)的系統(tǒng)目的在于能夠在現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)程對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并在無(wú)人工操作時(shí)能夠分時(shí)段在不同場(chǎng)景中根據(jù)不同農(nóng)作物生長(zhǎng)需要自動(dòng)調(diào)節(jié)環(huán)境狀態(tài)。

整個(gè)系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線通信技術(shù)等，能夠通過(guò)各類集成化的微型傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和采集各種被測(cè)對(duì)象的信息，這些信息通過(guò)無(wú)線方式被發(fā)送，并以自組多跳的網(wǎng)絡(luò)方式傳送到用戶終端[2]。

在本系統(tǒng)中采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)：1)減少農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)及控制成本；2)實(shí)現(xiàn)信息自動(dòng)實(shí)時(shí)采集、自組織傳輸和智能控制；3)監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)靈活，可擴(kuò)展性強(qiáng)；4)全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)控農(nóng)作物生長(zhǎng)及環(huán)境參數(shù)變化，對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)所需各種環(huán)境信息進(jìn)行收集、分析及優(yōu)化。

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境和生長(zhǎng)過(guò)程的全天候監(jiān)視，以及根據(jù)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)智能控制；并將環(huán)境信息、控制過(guò)程實(shí)時(shí)保存至數(shù)據(jù)庫(kù)；將水源、土壤等關(guān)乎產(chǎn)品安全的重要信息存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，便于監(jiān)督和研究。

2　系統(tǒng)整體架構(gòu)

2.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型分析

根據(jù)系統(tǒng)架構(gòu)，在物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)層面上可以將系統(tǒng)分為三大部分：感知層、傳輸層、應(yīng)用層。感知層主要包括底層節(jié)點(diǎn)和傳感器及受控設(shè)備，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集和受控設(shè)備的動(dòng)作。傳輸層負(fù)責(zé)自組網(wǎng)以及信息的傳遞。應(yīng)用層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、指令下達(dá)、數(shù)據(jù)發(fā)布。

感知層包括各種傳感器設(shè)備和受控設(shè)備，以及相應(yīng)的ZigBee節(jié)點(diǎn)設(shè)備。傳感器設(shè)備用于采集環(huán)境數(shù)據(jù)；受控設(shè)備用于調(diào)節(jié)農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境；ZigBee網(wǎng)關(guān)和節(jié)點(diǎn)設(shè)備自動(dòng)組網(wǎng)，用于對(duì)所有的傳感器和控制設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。

網(wǎng)絡(luò)層包括網(wǎng)關(guān)管理和信息管理模塊。網(wǎng)關(guān)管理主要對(duì)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行管理，傳輸協(xié)議解析等；信息管理是指進(jìn)行數(shù)據(jù)交換、存儲(chǔ)、發(fā)布等管理。

應(yīng)用層主要實(shí)現(xiàn)管理和控制功能，用于監(jiān)測(cè)、控制、查詢、決策分析等。

2.2系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的智能農(nóng)業(yè)監(jiān)控及溯源系統(tǒng)中，在底層即溫室大棚內(nèi)部，當(dāng)網(wǎng)關(guān)(協(xié)調(diào)器)上電后，搜索其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)組網(wǎng)，底層網(wǎng)絡(luò)通過(guò)網(wǎng)關(guān)與服務(wù)器相連，可以將數(shù)據(jù)寫(xiě)入服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫(kù)中。網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)是基于B/S架構(gòu)，值班室的工作機(jī)可以通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)或者wifi訪問(wèn)服務(wù)器的監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。

圖 1　系統(tǒng)整體架構(gòu)

3　ZigBee節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境，本系統(tǒng)主要對(duì)大棚溫室內(nèi)部空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度等數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和控制。這些由傳感器和相應(yīng)的受控設(shè)備完成。通過(guò)傳感器和節(jié)點(diǎn)的匹配，就可進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和通訊。節(jié)點(diǎn)設(shè)備是基于ZigBee無(wú)線傳輸協(xié)議開(kāi)發(fā)的。ZigBee在功耗方面優(yōu)于Bluetooth，在組網(wǎng)的靈活性上優(yōu)于wifi，在價(jià)格等方面優(yōu)于網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)商提供的各種制式的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，具有較大的市場(chǎng)應(yīng)用前景和開(kāi)發(fā)潛力。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)至少需要一個(gè)協(xié)調(diào)器(Coordinator)和若干終端節(jié)點(diǎn)(End Device)來(lái)實(shí)現(xiàn)。協(xié)調(diào)器作為ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)，在上電時(shí)進(jìn)行同信道節(jié)點(diǎn)自組網(wǎng)后，將終端節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)統(tǒng)一上傳給數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器。根據(jù)具體功能不同，終端節(jié)點(diǎn)搭載的傳感器和受控設(shè)備也不一樣。圖2是溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)。

圖 2　溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)原理圖

溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)采用TI公司的CC2530F256芯片，單個(gè)芯片上整合ZigBee射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器[3]。溫濕度傳感器采用的是AOSONG公司的AM2301溫濕度傳感器。CC2530F256讀取傳感器采集的溫濕度值，通過(guò)LCD5110液晶屏顯示以及發(fā)送給協(xié)調(diào)器。兩個(gè)LED顯示工作狀態(tài)，JTAG接口用于下載程序，Button按鍵可以通過(guò)程序來(lái)指定功能。圖3是溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)的實(shí)物圖。

1-SMA型天線接口，接2.4GHz天線；2-CC2530開(kāi)發(fā)板；3-電源開(kāi)關(guān)；4-USB電源接口；5-LCD5110液晶；6-RS232串口；7-溫濕度傳感器；8-指示燈圖 3　溫濕度傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖

4　系統(tǒng)軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)的軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)，包含了四個(gè)功能模塊，分別是認(rèn)證/權(quán)限模塊、信息查詢模塊、設(shè)備控制模塊和管理員設(shè)置模塊(圖4)。

圖 4　軟件系統(tǒng)模塊

認(rèn)證/權(quán)限模塊，包括了登錄認(rèn)證和權(quán)限分配的功能。登錄過(guò)程使用用戶名和密碼進(jìn)行登錄認(rèn)證，只要與數(shù)據(jù)庫(kù)中給出的人員帳密信息匹配即可登錄。權(quán)限分配則是實(shí)現(xiàn)不同職責(zé)對(duì)應(yīng)不同權(quán)限的工作管理方式。

信息查詢模塊包含了設(shè)備信息查詢以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的查詢。設(shè)備信息查詢可以查看各設(shè)備及其節(jié)點(diǎn)的當(dāng)前狀態(tài)、各設(shè)備節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等。檢測(cè)數(shù)據(jù)的查詢包括兩方面，一是對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，二是對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。圖5為測(cè)試場(chǎng)景下的監(jiān)控界面。

圖 5　測(cè)試場(chǎng)景下的監(jiān)控界面

設(shè)備控制模塊包括設(shè)備狀態(tài)設(shè)置和設(shè)備控制操作。設(shè)備狀態(tài)控制實(shí)現(xiàn)的功能包括設(shè)備的添加、停用、更替等。設(shè)備控制即對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行開(kāi)關(guān)、調(diào)節(jié)等操作。

管理員設(shè)置模塊分為權(quán)限設(shè)置和日志管理。權(quán)限設(shè)置是設(shè)置不同類型的權(quán)限身份。系統(tǒng)會(huì)將每天的登錄、查詢、操作等所有動(dòng)作自動(dòng)保存到日志，也會(huì)將設(shè)備異常情況記錄保存到日志。

5　結(jié)論

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境條件的智能化監(jiān)控，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)提供了大量的決策依據(jù)，從而促使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更為科學(xué)化、規(guī)范化。系統(tǒng)基于模塊化設(shè)計(jì)，因而改變底層節(jié)點(diǎn)上搭載的傳感器等設(shè)備，可以應(yīng)用于其他環(huán)境的智能監(jiān)控。但是，由于市面上很多設(shè)備并未有統(tǒng)一的接口，因此功能的擴(kuò)展需要進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。

[1]陳一飛.農(nóng)業(yè)復(fù)雜大系統(tǒng)的智能控制與農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)關(guān)系探討[J].農(nóng)業(yè)網(wǎng)絡(luò)信息，2012(2)：8-12.

[2]林元乖,龍順宇,楊偉.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能農(nóng)業(yè)應(yīng)用系統(tǒng)[J]. 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù), 2013(3)：71-74

[3]Texas Instruments. A True System-on-Chip Solution for 2.4-GHz IEEE 802.15.4 and ZigBee Applications[EB/OL]. (2015-03-19)http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/cc2530.pdf.

[責(zé)任編校： 張巖芳]

Intelligent Agriculture Monitoring System Based on the Internet of Things

ZHANG Shizhen

(SchoolofElectricalandElectronicEngin.,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

Based on three-layer structure model and technologies on Internet of things, the agricultural intelligent system is designed to realize a real-time detection and control in agricultural environment. It describes the design concept, the structures of hardware and software, the existing shortcomings and the prospects. It provides a quantitative basis for decision making in the agricultural producing process technically.

Internet of Things; intelligent agriculture; ZigBee; monitoring

2015-03-19

武漢市科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(2013011001010463)

張仕臻(1989-)， 男，湖北十堰人，湖北工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)橄到y(tǒng)工程

1003-4684(2016)04-0086-03

S126;TN929.5;TP277

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