基于云服務(wù)器和ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)的茶園遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

何 東，寧文慧

(重慶城市職業(yè)學(xué)院信息工程系，重慶 402160)

2012年中央一號(hào)文件突出強(qiáng)調(diào)部署農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新，提出要把推進(jìn)農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新作為“三農(nóng)”的工作重點(diǎn)。我國(guó)是世界上最大的茶葉種植地和全球第二大茶葉生產(chǎn)地。茶產(chǎn)業(yè)作為我國(guó)傳統(tǒng)特色優(yōu)勢(shì)產(chǎn)業(yè)，對(duì)于促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)發(fā)展、改善農(nóng)民經(jīng)濟(jì)狀況、改善生態(tài)環(huán)境起著重要作用[1]。人工種植、栽培茶葉一直是茶葉生產(chǎn)的傳統(tǒng)方式，由于茶園的分布面積大，不易值守，更需要大量的人力成本，同時(shí)無法讓茶農(nóng)實(shí)時(shí)掌握茶葉的生長(zhǎng)環(huán)境，更不能及時(shí)調(diào)節(jié)茶葉生長(zhǎng)所需的環(huán)境狀況。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和云服務(wù)技術(shù)的快速發(fā)展，為了改變茶葉生產(chǎn)的管理模式，節(jié)約茶園的人力成本，提高茶葉品質(zhì)和產(chǎn)量，筆者提出了一種基于云服務(wù)器和無線傳感網(wǎng)絡(luò)(ZigBee網(wǎng)絡(luò))技術(shù)相結(jié)合的茶園遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通過該系統(tǒng)，用戶可以實(shí)時(shí)了解茶園的環(huán)境參數(shù)，并根據(jù)環(huán)境參數(shù)對(duì)茶園現(xiàn)場(chǎng)的控制設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)控制或由系統(tǒng)自動(dòng)控制，同時(shí)考慮到節(jié)點(diǎn)分散，不易部署電線，所以各個(gè)節(jié)點(diǎn)采用理電池和太陽能電池板供電。

1　茶園遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的總體架構(gòu)

茶園遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要由無線傳感網(wǎng)絡(luò)(采集端)、網(wǎng)關(guān)及控制器、云服務(wù)器、客戶端4個(gè)部分組成。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

茶園遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)對(duì)茶園的環(huán)境參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和智能調(diào)控茶葉生長(zhǎng)環(huán)境。先將采集節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)及協(xié)調(diào)器布設(shè)在茶園各個(gè)檢測(cè)區(qū)域，從而組成一個(gè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)(ZigBee網(wǎng)絡(luò))，采集節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)實(shí)時(shí)采集茶葉所需的空氣溫濕度、土壤濕度、光照強(qiáng)度、土壤酸堿度等參數(shù)，通過形成的網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器匯總后通過串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)及控制器設(shè)備，網(wǎng)關(guān)及控制設(shè)備通過GPRS模塊以無線網(wǎng)絡(luò)的方式將數(shù)據(jù)上傳到所部署的云服務(wù)器，云服務(wù)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析后將數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫(kù)中，用戶通過客戶端就可以實(shí)時(shí)訪問獲取的茶葉培育過程中的環(huán)境參數(shù)，并且還可以對(duì)獲得的參數(shù)進(jìn)行分析后向網(wǎng)關(guān)及控制器設(shè)備發(fā)送指令，從而控制現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)操作(也可以由監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行)，從而改善茶園培育環(huán)境，提高茶葉產(chǎn)量，減少茶園工作人員，降低人力成本。

2　茶園遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的功能及設(shè)計(jì)

2.1無線傳感網(wǎng)絡(luò)(ZigBee網(wǎng)絡(luò))的功能及設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分實(shí)質(zhì)上是一個(gè)無線傳感網(wǎng)絡(luò)，采用ZigBee組網(wǎng)技術(shù)[2]，ZigBee網(wǎng)絡(luò)的主要功能是采集茶園的環(huán)境參數(shù)，并通過協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)包發(fā)送給網(wǎng)關(guān)及控制器設(shè)備。

ZigBee技術(shù)是一種基于IEEE 802.15.4的無線通信協(xié)議[3]，其特點(diǎn)是成本低、功耗低、可靠性高、雙向傳輸、組網(wǎng)靈活方便，并且是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)容量大，理論上最大可支持 6 萬多個(gè)節(jié)點(diǎn)[4]。該ZigBee網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的微處理器均采用德州儀器(TI)公司的 CC2530芯片，該芯片具備低成本、低功耗、安全可靠和整套Z-Stack協(xié)議棧等優(yōu)點(diǎn)。

采集節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)采集傳感器數(shù)據(jù)，然后發(fā)送給路由節(jié)點(diǎn)，路由節(jié)點(diǎn)不僅采集傳感器數(shù)據(jù)，而且也將采集節(jié)點(diǎn)傳送過來的數(shù)據(jù)一起發(fā)送給其他路由節(jié)點(diǎn)或協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)將路由節(jié)點(diǎn)和采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給網(wǎng)關(guān)及控制器設(shè)備。采集節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)的硬件組成相同，但所用軟件不同，硬件主要包括傳感器模塊、CC2530、無線傳輸模塊和電源模塊4個(gè)部分，其中電源可以由鋰電池和太陽能電池板供電，通過太陽能電池板可以節(jié)能，并且減少電線的安裝及部署。協(xié)調(diào)器硬件主要由 CC2530、無線收發(fā)器模塊和串口模塊組成。其具體結(jié)構(gòu)示意圖如圖 2所示，其中虛線框中的部分表示協(xié)調(diào)器與采集節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)2類節(jié)點(diǎn)硬件不同的部分。

圖2　協(xié)調(diào)器與采集節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意Fig.2　The structure of coordinator,acquisition nodes and routing nodes

2.2網(wǎng)關(guān)及控制器的功能及設(shè)計(jì)網(wǎng)關(guān)及控制器的主要功能是通過串口1接收由協(xié)調(diào)器發(fā)送過來的采集數(shù)據(jù)，然后將采集數(shù)據(jù)按通信協(xié)議打包后通過串口2將數(shù)據(jù)發(fā)送給GPRS模塊，同時(shí)串口2還可以接收GPRS模塊傳送過來的數(shù)據(jù)，解析該數(shù)據(jù)后發(fā)送指令控制現(xiàn)場(chǎng)的執(zhí)行設(shè)備。網(wǎng)關(guān)及控制器的處理器選用ARM9，其硬件結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

2.3云服務(wù)器功能該平臺(tái)的云服務(wù)器采用阿里云服務(wù)器。阿里云服務(wù)器是一種處理性能優(yōu)越、安全可靠的計(jì)算服務(wù)，方便用戶建立數(shù)據(jù)中心，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的靈活訪問和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)計(jì)算[5]。

云服務(wù)器端分為控制臺(tái)、web服務(wù)、數(shù)據(jù)庫(kù)3個(gè)部分?？刂婆_(tái)的功能相當(dāng)于云端與外界進(jìn)行溝通的橋梁[6]，控制臺(tái)向下與網(wǎng)關(guān)及控制器設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，通過 TCP/IP協(xié)議將獲取茶園現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析后存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)；控制臺(tái)向上與各種客戶端軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，以便對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的控制設(shè)備發(fā)送控制命令。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器主要是存儲(chǔ)采集的數(shù)據(jù)，以便客戶端可以隨時(shí)進(jìn)行查詢和分析。WEB服務(wù)器端程序部署在 Tomcat 容器中，用 Java 語言編寫，采用MVC分層設(shè)計(jì)模型。數(shù)據(jù)庫(kù)采用MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)。云服務(wù)器與PC端采用B/S模式，與Android客戶端采用C/S模式[7]。

圖3　網(wǎng)關(guān)及控制器結(jié)構(gòu)示意Fig.3　The structure of gateway and controller

2.4客戶端功能客戶端程序分為 WEB 頁面程序和移動(dòng)終端程序。WEB 頁面和移動(dòng)端頁面使用 HTML5+CSS3+Java Script開發(fā)，采用 Express 作為 WEB 應(yīng)用框架，客戶端程序主要是可以隨時(shí)隨地查詢茶園的環(huán)境參數(shù)，并且根據(jù)查詢的參數(shù)進(jìn)行分析，然后手動(dòng)的發(fā)送控制命令控制現(xiàn)場(chǎng)的控制設(shè)備，也可以通過設(shè)定參數(shù)的各種閥值，讓系統(tǒng)自動(dòng)控制現(xiàn)場(chǎng)的控制設(shè)備。同時(shí)，根據(jù)產(chǎn)生的大量歷史數(shù)據(jù)，用于后期進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和控制策略的機(jī)器學(xué)習(xí)，以便更加合理、及時(shí)、高效地控制茶園的環(huán)境參數(shù)。

3　結(jié)語

基于ZigBee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)提供了全新的獲取數(shù)據(jù)的平臺(tái)[8]，同時(shí)結(jié)合太陽能供電，滿足低功耗、長(zhǎng)期無人值守的工作需要，同時(shí)結(jié)合云服務(wù)技術(shù)，可以提供高安全、高可用、靈活擴(kuò)展及成本低的服務(wù)，后期可根據(jù)獲得的大數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而可對(duì)茶園環(huán)境進(jìn)行自動(dòng)化、精準(zhǔn)化和智能化調(diào)控。

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