基于NFC與ZigBee技術的農業(yè)種植監(jiān)測系統(tǒng)

萬雪芬+楊義+鄭濤+蔣學芹

摘 要：文中提出了一種融合近場通信與ZigBee技術的農業(yè)種植監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅支持通過ZigBee實現上位機與節(jié)點之間種植信息的遠程交互，還可以利用移動智能設備通過近場通信方式就近從節(jié)點查看局部種植信息。系統(tǒng)實現了從近端到遠端、全局到局部的多層次種植監(jiān)測信息獲取。文中對系統(tǒng)硬件設計、上位機軟件設計、移動智能設備App開發(fā)、NFC設計及設備數據交互設計的具體實現方法進行了討論。實際測試結果表明，該系統(tǒng)具有結構簡單、成本低廉、可靠性高、覆蓋區(qū)域廣及對移動智能設備支持性好等優(yōu)點。其可為未來農業(yè)物聯網領域提供一種新的種植監(jiān)測手段。

關鍵詞：智能農業(yè)；近場通信；移動智能設備；無線傳感器網絡；ZigBee

中圖分類號：TN709；TP27 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）03-00-04

0 引 言

近年來，我國農業(yè)物聯網技術飛速發(fā)展，基于物聯網技術的智能農業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)有望得到較大規(guī)模的推廣應用[1-4]。但傳統(tǒng)的物聯網農業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)其網絡結構層次單一，多采用基于有線或無線結構的節(jié)點-上位機數據采集模式[5-8]，節(jié)點數據訪問模式缺乏靈活性，對監(jiān)測數據的獲取過度依賴上位機。使用者需要通過上位機或遠程網絡才能實時獲得種植信息。在很多場合中，使用者感興趣的僅僅是局部種植信息或現場田間接入，若利用3G/4G網絡或WiFi作為技術支持手段，則存在系統(tǒng)建立與維護成本高昂、拓撲結構單一、節(jié)點功耗增加、對外部網絡依賴性強等缺點。

NFC是近幾年蓬勃發(fā)展的一種新型短距離高頻無線通信技術[9-11]。該技術允許電子設備之間進行非接觸式點對點數據傳輸（數厘米內）。相對于RFID技術，NFC不僅可用于識別，還具有一定的通信能力。近年來國內外已經將NFC用于移動支付、廣告營銷及安全控制等領域。NFC技術由于具有與移動智能設備集成度好、可用于識別、成本低廉及安全性高等優(yōu)點，未來將成為物聯網的主要短距離通信/識別手段之一。

本文提出了一種融合近場通信（Near Field Communica-tion，NFC）與ZigBee技術的農業(yè)種植監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可以借助ZigBee無線網絡向上位機傳輸節(jié)點采集到的溫濕度、土壤溫度、光照、氧氣含量等數據，還可以讓使用者在田間地頭直接通過智能手機或平板電腦等移動智能設備與身邊的監(jiān)測節(jié)點交互，經由NFC實時動態(tài)地了解局部種植監(jiān)測信息。該系統(tǒng)可豐富現有物聯網智能農業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)的工作模式，尤其在一些高端農業(yè)種植、個體植株監(jiān)測與觀光農業(yè)領域，有望得到推廣應用。

1 系統(tǒng)設計

本文提出的農業(yè)種植管理系統(tǒng)主要面向智能觀光農業(yè)領域。管理者通過系統(tǒng)獲得溫濕度等種植信息，還可將施肥、噴藥等信息寫入終端節(jié)點。而普通訪問者（如農業(yè)觀光園中的游覽者）通過具有NFC功能的移動智能設備獲取某一節(jié)點周圍局部的掛果時間、農業(yè)肥料噴灑時間、栽培品種、溫濕度、價格等相關信息供其采摘時參考。管理者還可通過NFC接入次數在宏觀層面了解各種植區(qū)的人流及采摘興趣。系統(tǒng)中網絡節(jié)點分為數據采集節(jié)點與數據匯聚節(jié)點。數據采集節(jié)點采集種植區(qū)內的空氣溫濕度、土壤溫度、日光照度與氧氣數據，并通過ZigBee送往數據匯聚節(jié)點。數據匯聚節(jié)點負責將前端數據送往上位機，并周期性地將接收到的上位機下行信息分發(fā)到數據采集節(jié)點。匯聚節(jié)點同樣使用ZigBee信道與采集節(jié)點及上位機進行交互。上位機將采集數據進行存儲顯示，并對網絡進行管理控制。移動智能設備可以通過NFC從數據采集節(jié)點獲得種植信息，并利用設備上已安裝好的相應App來查看。種植信息向節(jié)點的寫入方式可以采用近程與遠程兩種模式，既可以由種植區(qū)管理者在種植的每一個階段用NFC讀寫器將信息寫入節(jié)點，也可以由遠程上位機下達。如果采用NFC讀寫器寫入種植信息，每次寫入的結果還將在下一個輪詢周期內發(fā)往上位機。系統(tǒng)結構如圖1所示。

由于NFC與ZigBee技術處于不同頻率范圍（NFC：13.56 MHz；ZigBee：2.4 GHz），二者在頻率上不會形成干擾。由于NFC為近程點對點協(xié)議，因此在節(jié)點網絡設計過程中可以排除多NFC并行接入單節(jié)點的情況。在設計網絡空間拓撲時，可直接根據ZigBee組網的需求進行布局。溫濕度、光照等數據變化速度相對較為緩和，數據采集節(jié)點及數據匯聚節(jié)點通過ZigBee傳輸數據時可采用分周期輪詢機制。而移動智能設備通過NFC對節(jié)點的訪問具有較大的隨機性。輪詢機制下每個數據采集節(jié)點在接到輪詢指令后都會在指定時間窗口（通常為數秒）內將數據發(fā)出，而通常NFC訪問所消耗的時間僅需數百毫秒。所以為避免二者在時間窗上沖突，可以將NFC網絡傳輸的優(yōu)先級設高。如果同時發(fā)生對節(jié)點資源的請求，則進入NFC數據傳輸模式，優(yōu)先完成NFC數據傳輸。這一方式既保障了NFC方式的數據，也不會對ZigBee傳輸造成明顯影響。

2 硬件設計

由于系統(tǒng)中數據采集節(jié)點既需承擔對種植參數的采集與發(fā)送工作，也需要負責NFC的數據讀寫，因此其設計的優(yōu)劣將直接決定系統(tǒng)的工作性能。在具體設計中，采用微芯公司生產的PIC16F690單片機作為節(jié)點MCU。PIC16F690具有高可靠性、低能耗及低成本等特點，非常符合戶外監(jiān)測系統(tǒng)的應用需求。節(jié)點溫濕度傳感器選用AM2306，該傳感器為單總線數字式傳感器，溫濕度、精度都可以達到0.1%RH的標準。土壤溫度傳感器選用不銹鋼封裝的DS18B20。節(jié)點日光照度傳感器選取美國DAVIS公司生產的6450日光輻照傳感器，其光譜響應范圍覆蓋了400 nm到1 100 nm的區(qū)域，輸出角度響應為一余弦響應曲線。氧氣傳感器采用英國City Technology公司生產的4OXV氧氣電池式氧氣傳感器。4OXV輸出信號經由AD8602高精度放大器放大后供MCU進行A/D采樣。

數據采集節(jié)點NFC部分采用恩智浦半導體（NXP）PN532芯片，PN532是一個高度集成的非接觸讀寫芯片，它包含帶40 KB ROM和1 KB RAM的80C51微控制器內核，用于NFC協(xié)議控制，同時還集成了13.56 MHz的各種主動/被動式非接觸通信方法和協(xié)議。在NFC模式下，典型工作距離約為100 mm。節(jié)點中PN532通過SPI接口與MCU相連。節(jié)點ZigBee部分選用基于TI公司CC2530的DRF-2617透傳模塊。PIC16F690通過USART接口與其連接。為了降低ZigBee傳輸受葡萄藤蔓、大棚支撐物等障礙物的干擾，還采用了信號增益為18 dBi的八木定向天線作為增強ZigBee傳輸的手段。節(jié)點主板與設置安裝如圖2所示。

數據采集節(jié)點共有三種工作模式，即NFC寫、NFC讀與ZigBee采集/傳輸。

在NFC寫模式下，系統(tǒng)管理者可以利用NFC讀寫器，通過PN532將種植信息（如施肥種類/時間、農藥噴灑種類/時間、植株掛果時間）等按照預先設定好的格式寫入節(jié)點的存儲空間中。

在NFC讀模式下，智能設備通過PN532讀取種植信息，此外還可查閱該時刻節(jié)點傳感器采集到的氧氣濃度、溫濕度等棚內環(huán)境實時信息。設計通過綁定讀寫器ID來分辨設備的工作模式與讀寫權限。此外，在移動智能設備配套App中也設置了相應的權限標簽。

在沒有NFC訪問要求時，節(jié)點工作于ZigBee采集/傳輸模式下。當接到上位機通過數據匯聚節(jié)點發(fā)來的輪詢傳輸請求后，節(jié)點先檢查是否有上位機發(fā)來新的種植信息或自身內部存儲中是否有未上傳的種植信息，如果有則執(zhí)行相應更新。完成種植信息交互后，節(jié)點采集傳感器數據，并與周期內NFC接入次數一起發(fā)往上位機。

系統(tǒng)數據匯聚節(jié)點采用與數據采集節(jié)點相同的硬件平臺，但其與數據采集節(jié)點的主要硬件區(qū)別體現在以下方面：

（1）硬件結構中省略了對NFC功能與傳感器采集功能的支持。

（2）節(jié)點使用15 dBi的全向玻璃鋼天線以達到ZigBee信號全向覆蓋的目的。由于該系統(tǒng)的節(jié)點硬件平臺在設計時就考慮了通用性，所以通過移除替換對應模塊就可實現硬件功能改變。在此基礎上通過改寫MCU程序，即可實現數據中轉匯聚功能。上位機通過RS-232連接DRF-2617模塊，該模塊設為Coordinator。系統(tǒng)的ZigBee網絡為雙層網絡架構，初始化時數據采集節(jié)點自動尋找RSSI最優(yōu)的數據匯聚節(jié)點，上位機收集該節(jié)點配對信息。每隔一定時間，網絡重復該操作，從而實現對數據流向及空間覆蓋的規(guī)劃設定。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 上位機軟件設計

上位機負責系統(tǒng)的管理與數據存儲顯示，系統(tǒng)中上位機軟件使用VC++編寫。軟件初始化時寫入網絡中各數據匯聚節(jié)點與數據采集節(jié)點的ZigBee網絡ID。針對每一個數據采集節(jié)點建立對應的文件夾，每日的監(jiān)測數據存儲到以日期編號的文件中。上位機軟件根據節(jié)點網絡分布設定輪詢周期，在每一個輪詢周期中對各節(jié)點的監(jiān)測數據進行查詢。用戶還可通過上位機軟件針對特定數據采集節(jié)點輸入種植信息。通常通過上位機寫入的種植信息對應園區(qū)施用較廣的化肥或農藥等。而利用節(jié)點NFC寫入的種植信息是覆蓋小片區(qū)或單植株的種植信息。上位機軟件還提供簡潔的UI，便于擁有較少電腦操作經驗的系統(tǒng)管理者使用。由于4OXV氧氣傳感器的輸出受溫濕度等影響較大，而6450輻照傳感器的輸出受日照入射角影響，所以必須在二者的直接測量值上進行處理才能得到真實值。4OXV在節(jié)點裝機前都利用變溫氣室進行測量，得到一組離散的數據節(jié)點。之后在上位機軟件中結合節(jié)點溫濕度進行雙二次樣條插值，從而得到真實的氧氣濃度。6450角度余弦誤差則通過利用實時時間引入日照高度角計算值來進行修正。上位機用戶界面如圖3所示。

3.2 移動智能設備App及NFC設計

由于iOS系統(tǒng)尚未成熟實現對NFC的支持，所以系統(tǒng)App設計面向Android平臺。為了可以讓移動智能設備對標簽進行信息交互，就必須使其實現對NFC協(xié)議棧的支持。一個完整的Android-NFC協(xié)議棧包括驅動抽象層（Driver Abstraction Layer，DAL）、邏輯鏈路控制層（Logical Link Control，LLC）、主機控制接口（Host Controller Interface，HCI）、硬件抽象層 （Hardware Abstraction Layer，HAL） 、操作系統(tǒng)抽象層（Operating System Abstraction Layer，OSAL）、論壇參考實現（Forum Reference Implementation，FRI）。為了兼容讀卡器對節(jié)點種植信息的寫入與移動智能設備的接入，系統(tǒng)在NFC訪問中采用點對點模式。當NFC數據經過各層協(xié)議棧處理后，可看作面向上層的API接口，Android將其統(tǒng)一封裝為NFC適配器供應用程序調用（在android.nfc中）。當智能設備擬與系統(tǒng)節(jié)點進行連接并已完成HAL與DAL層的初始配置后，將調用NFC初始化函數對設備的協(xié)議棧進行初始化，由此實現對NFC庫及相關協(xié)議棧層的初始化。在完成后即進入點對點工作模式。當移動智能設備的NFC掃描器被數據采集節(jié)點的NFC觸發(fā)后，就會向App發(fā)送ACTION_TAG_DISCOVERED的Intent，Intent的extras架構中包含NDEF（NFC Data Exchange Format）消息。App接收到該消息后，就會調用連接函數與節(jié)點建立點對點連接，該過程類似一個消息解析過程。之后使用目標設備調用函數接收P2P通信發(fā)起設備的消息并進行響應。之后利用數據傳輸函數對節(jié)點信息進行讀取。讀取完成后調用智能設備上的中止函數釋放NFC連接。在該工作中智能設備為NFC通信的發(fā)起者及控制方。當完成一次NFC讀寫后智能設備的NFC掃描器繼續(xù)工作，方便對下一個節(jié)點的交互。完成NFC讀寫后，將通過API獲取的數據在App中規(guī)格化。在App的UI中我們只定義了一個文本框（TextView）用于顯示接收到的數據，同樣采用線性布局（LinearLayout）設計。文本框位于頁面的中間位置。NFC用戶可以方便地獲取局部種植參數，還可以根據預先寫入節(jié)點的經緯度通過調用百度地圖獲取直觀的節(jié)點位置信息。顯示內容與界面方案如圖4所示。

3.3 ZigBee數據交互設計

系統(tǒng)在進行ZigBee數據交互時采用可變長度容器的方式。上位機在下達輪詢信息時在數據包的標簽中指定匯聚節(jié)點，采集節(jié)點的ID號、數據類型及容器長度。數據類型分為查詢指令與查詢/寫入指令兩種。前者要求指定的數據匯聚節(jié)點反饋其下屬數據采集節(jié)點的監(jiān)測數據。后者不僅要求搜集并發(fā)回監(jiān)測數據，還要求對特定節(jié)點進行種植信息寫入操作。其容器內數據內容由寫入節(jié)點ID、種植操作內容與對應的操作時間組成。當數據包到達數據匯聚節(jié)點后，數據匯聚節(jié)點進行拆包操作，將對應的信息按照輪詢時間間隔及ID號下發(fā)到數據采集節(jié)點，數據采集節(jié)點收到指令后進行對應操作。數據采集節(jié)點上行的數據包可分為監(jiān)測數據數據包與監(jiān)測/種植信息數據包。前者僅含有常規(guī)的監(jiān)測數據。而如果數據采集節(jié)點在兩次輪詢的時間間隔內有NFC寫入信息，則可變長度容器內還含有當次寫入信息。數據匯聚節(jié)點收集完畢自身下屬數據采集節(jié)點的數據后，將其依次加上行標簽上傳到上位機。而如果在某數據采集節(jié)點的輪詢周期內未收到返回信息，則將其上行容器置零。上位機以此判斷該節(jié)點當次數據采集失敗。若上位機在該輪詢周期內未收到數據，也認為當次數據采集失敗，從而進入下一個輪詢周期。

4 測試結果

系統(tǒng)設計完成后在江蘇省昆山市巴城地區(qū)的葡萄種植區(qū)進行了相應測試。在實測過程中節(jié)點按照以上位機位置為圓心的扇形隨機排布，節(jié)點天線之間為視距傳輸。按照匯聚節(jié)點分配扇區(qū)，數據采集節(jié)點圍繞匯聚節(jié)點配置。由于系統(tǒng)工作中采用輪詢機制，且上位機側重的是種植區(qū)種植參數的采集有效性，所以在測試中定義了輪詢響應率（Request Response Rate，RRR）作為評判ZigBee傳輸性能優(yōu)劣的標準。輪詢響應率定義為在特定時間長度內，上位機發(fā)出查詢請求與接收到的有效采集數據之間的比值。該比值與環(huán)境信道情況、上位機-數據匯聚節(jié)點距離（DSU）和數據匯聚節(jié)點-數據采集節(jié)點直接相關（DTS），并能較為簡單、直觀地從數據請求與接收過程中獲得鏈路質量情況。

測試中以單位小時內輪詢響應率為衡量標準。系統(tǒng)初始安裝時，晴好視距條件下各數據采集節(jié)點經由數據匯聚節(jié)點與上位機之間的輪詢響應率都為100%。但在實際使用過程中，環(huán)境影響會使輪詢響應率出現隨機性降低。輪詢響應率為單位時間長度上的統(tǒng)計量，其極小值對應網絡在最惡劣情況下的數據傳輸情況。在實測中發(fā)現，降雨對本系統(tǒng)的輪詢響應率有一定影響。具體表現在高強度降雨會造成較大雨衰等。當出現連續(xù)高強度降雨，且DSU與DTS二者距離都大于1 km時，輪詢響應率會有一定程度的降低。不同DSU與DTS下小時RRR的測量結果如圖5所示。系統(tǒng)測試中小時RRR的最小值出現在2015年8月3日夜間，為67.2%（DTS=1 372 m，DSU=1 684 m）。該時段巴城地區(qū)出現了高強度降雨。而DSU與DTS都處于0.2 km范圍內的節(jié)點，降雨對其輪詢響應率的影響可以忽略。

測試全周期（2015年3月-11月）監(jiān)測結果顯示，在節(jié)點DTS與DSU值都小于800 m的范圍內，全周期RRR均值接近100%。造成RRR波動的主要原因是隨機性的NFC訪問。而在DTS與DSU較大的情況下，RRR值波動主要由環(huán)境因素引起。但節(jié)點全周期RRR均值都大于95%。由結果可以看出，本系統(tǒng)具有較大的采集范圍，由于系統(tǒng)使用了高增益天線，覆蓋半徑最多可達3 km以上。而在惡劣氣象條件下也有較強的可靠性，強降雨條件下邊緣節(jié)點仍可完成60%以上的數據采集傳輸。

數據采集節(jié)點與移動智能設備之間的NFC通過能量耦合的方式實現。NFC所使用的方形環(huán)路天線的最大場強區(qū)位于其中心軸線上。隨著手機-節(jié)點距離的增加或相對角度的加大，NFC能量耦合下降，手機-節(jié)點的NFC連接成功率有所下降。在本系統(tǒng)中，PN532模塊的天線緊貼防水箱的內表面水平放置（X-Y）。測試中以PN532模塊天線的中心為坐標原點，手機沿Z方向以0.5 cm步進移動并在每個位置上多次測量，獲得不同角度下的種植信息數據讀取成功率。測試中使用三星 I9308與SONY M36h手機對數據采集節(jié)點進行讀取，手機根據其NFC天線中心點用萬向節(jié)固定。測試結果如圖6所示。測試表明，在20 mm范圍內，手機可以在任意角度與節(jié)點進行通信。在20 mm至45 mm范圍內，手機如與NFC天線平行對中放置時仍然具有較高的連接成功率。

5 結 語

本文提出一種融合了ZigBee與NFC技術的農業(yè)種植監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可利用ZigBee無線傳感器網絡結合上位機實時查看、更新種植數據，還支持利用移動智能設備直接通過NFC方式從數據采集節(jié)點中獲得種植信息。文中針對系統(tǒng)硬件設計、上位機軟件設計、移動智能設備App開發(fā)、NFC設計及設備數據交互設計進行了討論。測試結果表明，系統(tǒng)具有較大的覆蓋范圍、可靠性高、成本低廉、對移動設備支持較好等優(yōu)點。該系統(tǒng)使對種植監(jiān)測數據的訪問方式從單一遠端訪問變?yōu)榻伺c遠端相結合，實現了對廣域與局部種植信息多層次、多空間的融合利用。該農業(yè)種植監(jiān)測系統(tǒng)對觀光農業(yè)、單植株監(jiān)測及農超對接等需要局部種植信息查詢的場合有直接的應用意義。系統(tǒng)有望未來為農業(yè)物聯網領域提供與移動智能設備集成度好、使用更為靈活的參考技術方案。

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