基于物聯網的智慧農業(yè)系統

張敬增 朱慶偉 于海洋 李道全

摘要：該文設計并實現了一個基于物聯網的智慧農業(yè)生長環(huán)境的溫度濕度信息集成系統。首先進行了系統構架設計，然后進行了設備選型、網絡構建及軟件設計。通過Zigbee無線傳感器節(jié)點實現數據的實時感知、傳遞等功能，并利用CC2530無線單片機實現溫度和濕度等的處理。實驗表明，該系統可實現農業(yè)種植環(huán)境溫濕度等數據的采集。系統具有成本低廉，控制更簡單，功耗低，組網方便等特點。

關鍵詞：智慧農業(yè)；物聯網；傳感器；Zigbee；CC2530

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）29-0259-04

Abstract： This paper designs and implements a temperature and humidity information integration system based on Internet of things （IOT） for intelligent agricultural growth environment. First， the system architecture is designed， then the equipment selection， network construction and software design are carried out. The Zigbee wireless sensor node is used to realize the function of real-time data perception and transmission， and the CC2530 wireless microcontroller is used to process the temperature and humidity. The experiment shows that the system can collect the temperature and humidity of agricultural planting environment. The system has the advantages of low cost， simple control， low power consumption and convenient networking.

Key words： intelligent agriculture； Internet of things； sensors； Zigbee； CC2530

農業(yè)是關乎民生大計的第一產業(yè)，中國的傳統農業(yè)在轉型推進現代化農業(yè)的進程中需要面對切實保障農產品總需求量、轉化農業(yè)構型、提高農產品實用和經濟效益等問題，提高農業(yè)生產效率、農業(yè)資源日益減少的同時利用效率低下、環(huán)保問題突出等阻礙了現代農業(yè)的可持續(xù)推進的需要。所以，對于農業(yè)的物聯網科技的研發(fā)迫在眉睫。物聯網是通過感知節(jié)點信息，并經網絡傳輸，以實現人和人、人和物、物和物整體連接的網絡。物聯網可應用于諸多行業(yè)，如應用到農業(yè)中，即是我們通常所說的智慧農業(yè)。實際上，智慧農業(yè)涵蓋了互聯網、移動互聯、云計算以及物聯網、大數據等各種技術，同時實現了上述技術的有機綜合。它利用安裝在農業(yè)工作現場的各種傳感節(jié)點（環(huán)境溫濕度、土壤水分、二氧化碳、圖像等）獲取各種信息，通過網絡將數據傳至后臺處理中心，再通過各種技術（如大數據、人工智能等）對數據進行處理，便可實現農業(yè)環(huán)境的智能感知、智能預警、智能決策、智能分析和專家實時分析，給出農業(yè)產業(yè)化以更加精細準確的種植條件、便捷的管理和智能解決方案[1]。

本文在農業(yè)物聯網的背景下構建了種植環(huán)境監(jiān)測系統，包括了種植分析硬件的監(jiān)測以及軟件系統開展的研究。主要內容有農業(yè)物聯網監(jiān)控系統傳感器，其中的無線傳感器網絡經過相應的模塊收集到溫度、濕度以及光照強度等數據，通過由無線接收模塊傳遞信息，然后經過后臺管控完成對環(huán)境資料的全部管控，以便對于環(huán)境資料開展管控。論文主要目的是構建出一套立足于物聯網科技的農業(yè)環(huán)境管控平臺，大大地提高現代農業(yè)的科技化、數字化智能力，高效利用土地資源，加強農產品的生產能力和質量。

1 系統總體設計

通過利用CC2530得出溫度、濕度傳感器SHT10的實時數據，同時經過CC2530中ADC取得的光感數據。然后將所有匯集的數據傳輸到LCD屏幕上。在這個過程中其關于溫度、濕度的數據主要是通過CC2530的I/O（P1.0和P1.1）仿造類似于IIC的進程。而其光照感知則利用了內部的AIN0系統。整套系統采用ZigBee技術實現。

1.1 協議介紹

1.1.1 ZigBee技術

ZigBee是一種高可靠的無線數據傳輸網絡，類似于CDMA和GSM網絡。ZigBee數傳輸模塊類似于移動網絡基站。通訊距離從標準的七十五米到幾百米、幾千米，并且支持無限擴展。

ZigBee技術時能夠實現較短區(qū)間的無線通信科技，他的物理層和數據鏈路層協議是IEEE802.15.4協議標準，網絡層和安全層主要通過ZigBee核定，而實際的應用變化則需要依據用戶的需要制定，然后開展對應的開發(fā)調整，所以該技術可以給予用戶以更加便捷、多樣化的組網途徑[2]。

1.1.2 ZigBee特點

ZigBee技術主要在于給予更加經濟、穩(wěn)定、便捷以及移動設施較為簡易、投入較少和能耗較低的無線通信。而這種無線通信主要有這樣幾個特點：數據信息傳輸不高、功耗低、數據傳輸可靠。

1.1.3 ZigBee協議棧結構

ZigBee技術的協議的構架非常簡單，其和藍牙以及另外的網絡結構不一樣，這類的網絡構型一般來說主要有七層，但是ZigBee技術構架只有四層，包括物理層（PHY）、訪問控制層（MAC）、網絡層以及應用層。

在ZigBee中，PHY層以及MAC層利用了IEEE802.15.4的協議標準，而PHY層給予2種服務：也就是利用物理層監(jiān)控實際的連接并實現PHY層信息以及PHY層的控制。PHY層的信息資源能夠經過無線物理信息載體傳輸和收到物理層協議信息部位得到。物理層主要通過半雙工的無線收發(fā)器和接口構成，其通過開啟、閉合射頻收發(fā)器，探測出信道能量波動，并展示出接收數據信息的通路質量、單獨信道評價、擇取信道變化周期、數據的收發(fā)。

媒體訪問控制層構建了關于節(jié)點和附近節(jié)點的穩(wěn)定的信息鏈接通道，能夠實現數據的共享傳輸，大大加強了信息通訊。在協調器的MAC層，可以生成網絡信標，也可同步網絡信標，加強ZigBee設施的關聯以及閉合關聯，設置設備加密。信道通信利用了CSMA/CA信道退避算法，大大避免了信號的碰撞，保障了GTS，允許信標使能以及非信標使能這2種的信息聯通方式，給予2種對等的MAC實體以供給可信賴的信息聯通。

網絡層主要是關于拓撲構架的構建以及確保網絡連接，其功能為設備聯通以及網絡中斷時利用的體系，同時還有關于幀信息運輸過程中利用的安全系統。而且還有設備的路由展現和路由維護和交換。同時，網絡層構建一跳（one—hop）附近設備的尋找和對應連接點資料保存。單獨的ZigBee協調器能夠構建新網絡，給予新加的設備提供短IP等。同時，網絡層還給予一定的函數信息，保障ZigBee的MAC層的穩(wěn)定開展，同時給予應用層以適當的服務連接端口[3]。

應用層主要有3部分組成：應用支持子層（APS）、ZigBee設備對象（ZDO）和應用框架（AF）。APS主要是篩選網絡層的數據，同時把數據傳輸到運行在部位的不同使用端口。APS定義了一個綁定表，能夠制定、加以及減去組數據，構建六十四位長IP（IEEE地址）和十六位短IP（網絡IP）一對一映射，然后達到了數據傳遞的切分與構成，APS聯系著網絡層和應用層，作為二者之間的連接口。而這個接口主要通過兩個服務實體給予：APSDE和APSME。APS數據實體給予網絡里面的節(jié)點以信息傳遞服務，它能夠分開和重新組建的最大數量的信息包。APS管理實體給予安全信息，而節(jié)點的確定，確立和減少組地址，主要對于六十四位IEEE地址和十六位網絡IP的地址映射[4]。

1.2 農業(yè)物聯網種植環(huán)境監(jiān)控系統架構設計

物聯網技術應用在農業(yè)種植監(jiān)測系統中，主要包括以下兩個部分：其一就是通過感知層開展無線數據感知和收集，其二利用網絡傳輸采集到的數據，并進行分析、處理，獲取農作物生長地區(qū)的溫度、濕度等數據，為后續(xù)的控制打下基礎。

基于物聯網技術的農業(yè)種植環(huán)境管控系統結構圖如圖1所示。

基于物聯網科技的農業(yè)種植管控部分主要由以下部分構成[5][6]：

感知層：數據感知和收集，顯示種植過程中的濕度、溫度和光照，自動灌溉系統及時獲取的信息輸送至ZigBee協調器上；

網絡層：ZigBee協調器創(chuàng)建一個新網絡，為新加入的設備分配短地址，設備的路由維護和轉交等。

應用層：此技術能夠進行信息的收集和存儲、數據的處理和監(jiān)控命令的傳輸，給予用戶以研究根據，用戶能夠隨時利用電腦終端監(jiān)控。

2 系統硬件架構設計與設備選擇

農業(yè)種植環(huán)境監(jiān)控系統硬件構建如圖2所示。其中：

1）無線節(jié)點模塊：ZigBee作為IEEE802.11.4協議的聚集，其是具有更加經濟、穩(wěn)定、便捷以及移動設施較為簡易、投入較少和能耗較低的無線通信；

2）傳感及控制模塊：包括溫度傳感器、濕度傳感器、光照強度傳感器；

3）電源板：給予無線節(jié)點區(qū)域以及傳感管理區(qū)域實現聯系控，而且給予系統提供電源。

在上述的系統架構中，主要用MCU作為全部管控中心，電池部位使得其在對系統提供電力和鏈接，利用感知區(qū)域使得其在農業(yè)環(huán)境下開展分析和具體的信息匯集，利用ZigBee無線網絡進行數據和信息的對比，然后設置植物成長數據，全部的硬件區(qū)域通過無線收發(fā)部分實現數據信息的傳輸，然后對于環(huán)境數據開展遠程管控。

2.1 芯片SHT10介紹

SHT10作為一種高集成的溫度、濕度傳感器，給予了全標定下的信息輸出。它利用CMOSens科技，保障了產品能夠在更加穩(wěn)定安全的環(huán)境下運行。傳感器通過單獨的電容性聚合體有關的測量濕度的元件、關于能隙材料合成的測量溫度的元件，安置在一塊芯片上，和十四位的A/D轉換器實現了串行接口電路的連接。

SHT10引腳性質為：

1） VDD，GND SHT10 的供電電壓為 2.4～5.5V。傳感器通上電源后，經過大約十一微秒的等待在進過“休眠”。這個區(qū)間內不需要給予命令提示。使得電源引腳（VDD，GND）區(qū)域能夠加入大約一百nF的電容，用來去除耦濾波。

2） SCK主要被用在微處理器和SHT10的通訊步伐。因為連接還有一部分的完全靜態(tài)邏輯，所以沒有最小SCK頻率。

3） DATA三態(tài)門主要被用于信息的讀取。DATA通過SCK下降沿后期出現變化，同時對于SCK時鐘上升沿認定準確。信息傳輸階段，SCK時鐘處于較高的電平，DATA一定要相對的平穩(wěn)。同時減少信號通道的相互占用，微處理器需要帶動DATA。在較低電平狀態(tài)下，必須要加一個額外的上拉電阻（大約：十歐姆）把信號加大到高電平。而加大電阻一般裝置在微處理器的I/O通路。

2.2 CC2530介紹

CC2530立足在2.4-GHzIEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE上的一種系統解決辦法。其主要的特性就是利用較小的資源投入構建穩(wěn)定性強的網絡節(jié)點。CC2530芯片加入了RF收發(fā)裝置，強化的8051CPU，系統內存在閃存、8-KBRAM以及很多較為強化的功能。目前CC2530包括有4種不一樣的閃存版本：CC2530F32/64/128/256，容量為32KB/64KB/128KB/256KB。運轉形式多樣，然而他能夠在較低的功率下運行。而且CC2530運行的狀態(tài)下相互轉換周期短，能夠大大減低功率耗損。

CC2530主要由一個高效的2.4GHzDSSS（直接序列擴頻）射頻收發(fā)器中心以及以一個8051管理器，有32KB/64KB/128kB等的閃存以及8kB的RAM，還有ADC、定時器、睡眠定時器、上電復位、斷電檢驗裝置和二十一個可編程I/O引腳，這樣就能夠更好地完成信息模塊的微型。CC2530是作為小功率的單片機，其正常的功率損耗為3下電流0.2μA，而在32k晶體時鐘下，電流小于等于1μA。

3 農業(yè)物聯網種植環(huán)境監(jiān)控系統軟件設計

傳感器節(jié)點程序構建下圖3表示，網絡協調器軟件過程如圖4表示。

4 實驗結果

為檢測所構建的傳感器節(jié)點的傳輸距離和運行信息，把溫度、濕度傳感器、感光傳感器依次放置在傳感器節(jié)點對應的端口上，利用串口實驗助手實驗測量信息連接和傳輸。在信息傳輸過程正常沒有干擾的情況下能夠發(fā)現通訊距離約為四百米。

我們建立了簡單的星型網絡，傳感器節(jié)點和協調器節(jié)點距離不超過三百米。第一次數據傳輸后，系統休眠，五分鐘后恢復。然后進行第二次傳輸，持續(xù)測量兩小時，并把數據通過串口傳到電腦上。表1為2018年7月13日測得的青島室外各時刻的相對濕度表、氣溫和光照強度。從表1可以看到，相對濕度變化平穩(wěn)，在3：00稍有升高，從10：00開始經過一段時間光照后直到15：00一直處于下降狀態(tài)，影響室外濕度的因素是前段時間連續(xù)大雨甚至暴雨而導致的空氣中水分含量大。氣溫從上午4：00開始升高至12：00達到最高26℃，后保持一段時間，15：00開始緩慢下降，但氣溫一直維持在25℃左右，變化并不大。根據光照強度可以看出，青島日出大概在早上6時左右，日落時間為19時左右，光照強度在午時左右達到最高值。

5 結束語

本文構建了一個基于物聯網的智慧農業(yè)生長環(huán)境的溫度、濕度等信息集成檢測系統。主要通過利用CC2530獲取溫度、濕度等傳感器節(jié)點的實時數據，同時經過CC2530中ADC取得光感數據，然后將所有匯集的數據傳輸到LCD屏幕上，并通過相應軟件將數據傳輸至電腦?？傮w來說，采用基于Zigbee技術的智慧農業(yè)解決方案，組網方便，成本低廉，控制簡單。

參考文獻：

[1] 孫利民.無線傳感器網絡[J]. 清華大學出版社.2015.

[2] 張拓.無線多點溫度采集系統的設計[D].武漢：武漢理工大學，2013.

[3] 陳旭.基于zigbee的可移動溫度采集系統[D].武漢：武漢科技大學，2016.

[4] 雷純.基于ZigBee 的多點溫度采集系統設計與實現[J].自動化技術與應用，2014，29（2）：43-47.

[5] 王翠茹.基于ZigBee技術的溫度采集傳輸系統[J].儀表技術與傳感器，2013（7）：103-105.

[6] 潘潔，趙翠芹，梁雪，等.基于物聯網技術的考勤系統設計與實現[J].電腦知識與技術，2018（12）：9-10，13.

【通聯編輯：梁書】