基于ZigBee的山區(qū)農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹旨昊 張辛欣 牟少敏 屈洪春*

1(棗莊學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院 山東 棗莊 277160) 2(棗莊市山亭區(qū)農(nóng)業(yè)農(nóng)村局 山東 棗莊 277200) 3(山東農(nóng)業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院 山東 泰安 271018)

0 引 言

農(nóng)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ),在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中處于舉足輕重的地位。傳統(tǒng)的農(nóng)田依靠農(nóng)民積累的種植經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行粗放式管理,科技含量低,缺乏科學(xué)、有效、精準(zhǔn)的監(jiān)管。農(nóng)業(yè)農(nóng)村部在印發(fā)的《2020年鄉(xiāng)村產(chǎn)業(yè)工作要點(diǎn)》中明確提出:要促進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新一代信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)融合。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中,設(shè)計(jì)高效的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng),對(duì)于促進(jìn)農(nóng)產(chǎn)品增產(chǎn)增收,發(fā)展“智慧農(nóng)業(yè)”有著重要的意義[1-3]。

近些年,許多學(xué)者針對(duì)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)做了相關(guān)研究。例如張?zhí)旌愕萚4]研究并開發(fā)了一種溫室大棚環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng),潘曉貝等[5]開發(fā)了一套農(nóng)田智能灌溉系統(tǒng),王旭東等[6]研究并設(shè)計(jì)了一種基于WSN的農(nóng)田信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng),程平等[7]設(shè)計(jì)了一種基于STM32單片機(jī)的大棚環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng),王茂勵(lì)等[8]使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)開發(fā)了一種數(shù)字農(nóng)田信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng),劉映江等[9]使用LoRaWAN物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研制了一套農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。這些系統(tǒng)大部分部署在溫室大棚或者簡(jiǎn)單的室外農(nóng)田中,農(nóng)作物生長(zhǎng)環(huán)境較為單一。然而實(shí)際中一些農(nóng)田分布在山區(qū)中,區(qū)域環(huán)境復(fù)雜,地貌高低起伏連綿不斷,被稱為梯田。這種地貌由于其特殊性難以鋪設(shè)電纜,且直接暴露自然環(huán)境下,易受到風(fēng)沙、雨水的侵蝕,給農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了一定的挑戰(zhàn)[10]。

山亭區(qū)隸屬于山東省棗莊市,總面積1 018平方公里。山亭區(qū)是生態(tài)大區(qū),四面環(huán)山,全區(qū)有5 000多座山頭,山區(qū)面積占到全區(qū)總面積的87%。同時(shí)山亭區(qū)也是農(nóng)業(yè)大區(qū)、林果大區(qū),特色林果、優(yōu)質(zhì)小雜糧等農(nóng)產(chǎn)品資源豐富[11-12]。區(qū)中很多農(nóng)田都屬于梯田,圖1展示了山亭區(qū)徐莊鎮(zhèn)山區(qū)農(nóng)田地貌。

本文根據(jù)山亭區(qū)徐莊鎮(zhèn)山區(qū)農(nóng)田實(shí)際地貌,基于ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種山區(qū)農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)可以全天候監(jiān)測(cè)農(nóng)田環(huán)境實(shí)時(shí)數(shù)據(jù),并在手機(jī)端App進(jìn)行可視化展示,為農(nóng)田智能管理提供了參考信息,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制農(nóng)田澆水灌溉功能,降低了務(wù)農(nóng)人員的工作量,促進(jìn)了該鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)向著數(shù)字化、智能化和自動(dòng)化的方向發(fā)展。

1 ZigBee技術(shù)

山區(qū)農(nóng)田地貌高低起伏,傳統(tǒng)有線通信方式難以在這種環(huán)境下鋪設(shè)電纜,且土地中鋪設(shè)的電纜易受到風(fēng)沙雨水的侵蝕,后期不便維護(hù),因此在本系統(tǒng)中信息傳輸采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network)技術(shù)。常見的無(wú)線傳輸技術(shù)包括Wi-Fi、藍(lán)牙、LoRa和ZigBee等。其中Wi-Fi雖然傳送速率高,但是功耗大,供電不便,且傳送距離相對(duì)較近,不合適山區(qū)農(nóng)田環(huán)境;藍(lán)牙組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量上限少,僅適合節(jié)點(diǎn)數(shù)量少的場(chǎng)景,不符合山區(qū)農(nóng)田大面積組網(wǎng)要求;LoRa芯片價(jià)格昂貴,且需要搭設(shè)基站,成本較高[13]。

ZigBee技術(shù)是一種低功耗、低復(fù)雜度、網(wǎng)絡(luò)容量大、組網(wǎng)靈活、低成本、近距離、低速率的雙向無(wú)線通信技術(shù),主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸,非常適合山區(qū)農(nóng)田環(huán)境[14-15]。低功耗是ZigBee最重要的特點(diǎn)之一,ZigBee芯片具有多種電源管理模式,當(dāng)節(jié)點(diǎn)不工作時(shí)可進(jìn)入休眠狀態(tài)[16],極大地降低了系統(tǒng)功耗,延長(zhǎng)了節(jié)點(diǎn)電池使用壽命。系統(tǒng)各終端節(jié)點(diǎn)一旦部署在農(nóng)田中,在使用三節(jié)5號(hào)堿性電池供電情況下,可以在8個(gè)月內(nèi)無(wú)須更換電池,極大方便了后期維護(hù)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)可容納節(jié)點(diǎn)數(shù)量大,最多可以容納6萬(wàn)多網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),組網(wǎng)方式靈活多樣,既可以單跳,又可以通過(guò)路由實(shí)現(xiàn)多跳的數(shù)據(jù)傳輸,滿足了山區(qū)農(nóng)田復(fù)雜環(huán)境下大量部署監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)的要求。同時(shí)ZigBee技術(shù)中常用的由TI公司研發(fā)的CC2530芯片基于8051單片機(jī)內(nèi)核,成本較低,價(jià)格易于接受,有利于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在農(nóng)田進(jìn)行大量布置。雖然ZigBee與其他無(wú)線通信技術(shù)相比,其數(shù)據(jù)傳輸速率較低,大約為250 KB/s,但是對(duì)于傳送溫度、濕度這種簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)已經(jīng)足夠?；谝陨细鞣N原因,本系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)組建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了方便優(yōu)化系統(tǒng),系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)。本文設(shè)計(jì)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由終端節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器、網(wǎng)關(guān)模塊、手機(jī)端App、傳感器模塊、繼電器模塊六部分組成,其整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 山區(qū)農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)各終端節(jié)點(diǎn)分散部署在山區(qū)農(nóng)田中,是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要組成部分。傳感器模塊和各終端節(jié)點(diǎn)直接相連用于采集各類環(huán)境數(shù)據(jù),包括空氣溫濕度、土壤濕度和光照強(qiáng)度等,各終端節(jié)點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)會(huì)通過(guò)ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)傳遞至系統(tǒng)協(xié)調(diào)器中。協(xié)調(diào)器在系統(tǒng)中是唯一的,負(fù)責(zé)組建和維護(hù)整個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò),是系統(tǒng)的“大腦”。由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)屬于一種個(gè)人局域網(wǎng)(Personal Area Network, PAN),因此無(wú)法直接與屬于廣域網(wǎng)(Wide Area Network,WAN)的因特網(wǎng)連接,網(wǎng)關(guān)模塊負(fù)責(zé)將協(xié)調(diào)器通過(guò)GPRS(General Packet Radio Service)技術(shù)連接至因特網(wǎng)。在本系統(tǒng)中,網(wǎng)關(guān)承擔(dān)著遠(yuǎn)程監(jiān)控中心和信息交換的任務(wù),數(shù)據(jù)的預(yù)處理、匯總和遠(yuǎn)程傳輸由網(wǎng)關(guān)模塊負(fù)責(zé)監(jiān)控。系統(tǒng)采集到的各類數(shù)據(jù)再通過(guò)網(wǎng)關(guān)傳遞至云服務(wù)器端,并在云服務(wù)器端進(jìn)行存儲(chǔ)。系統(tǒng)中協(xié)調(diào)器、終端節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)都是基于CC2530芯片,并使用三節(jié)5號(hào)堿性電池進(jìn)行供電,這三者內(nèi)部之間通過(guò)ZigBee進(jìn)行通信,而網(wǎng)關(guān)和云服務(wù)器之間利用內(nèi)置的4G物聯(lián)卡通過(guò)GPRS技術(shù)進(jìn)行通信。智能手機(jī)端App主要用于接收云服務(wù)器存儲(chǔ)的信息,然后在App上進(jìn)行可視化展示,通信的協(xié)議選擇WebSocket。系統(tǒng)中部分終端節(jié)點(diǎn)會(huì)連接繼電器模塊,手機(jī)端App可以通過(guò)云服務(wù)器向繼電器模塊發(fā)送命令,從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)田遠(yuǎn)程澆水與灌溉。

系統(tǒng)程序編寫分成兩部分:CC2530芯片編程和智能手機(jī)App編程。CC2530芯片程序使用IAR Embedded Workbench(簡(jiǎn)稱IAR)開發(fā)軟件進(jìn)行編寫,程序開發(fā)語(yǔ)言為C語(yǔ)言,基于TI公司所推出的 Z-Stack協(xié)議棧編程實(shí)現(xiàn)。IAR軟件中的編譯器和調(diào)試器是完整且容易使用的嵌入式應(yīng)有開發(fā)工具,提供了直觀的界面供用戶使用。Z-Stack是一種半開源的ZigBee協(xié)議棧,同時(shí)是一款免費(fèi)的ZigBee協(xié)議棧,其中內(nèi)嵌了OSAL操作系統(tǒng),使用標(biāo)準(zhǔn)的C語(yǔ)言格式,非常適合于工業(yè)級(jí)應(yīng)用[17]。智能手機(jī)App使用Android Studio開發(fā)工具基于Java語(yǔ)言開發(fā)實(shí)現(xiàn),程序可以運(yùn)行在裝有Android系統(tǒng)的智能手機(jī)上。Android Studio是谷歌公司推出的一個(gè)Android集成開發(fā)工具,是目前使用最為廣泛的Android開發(fā)工具[18]。

2.1 傳感器模塊設(shè)計(jì)

針對(duì)農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)實(shí)際需要,系統(tǒng)選擇空氣溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、光敏傳感器和氣體傳感器4類傳感器對(duì)環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集,系統(tǒng)使用到的各類傳感器如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)中各類傳感器

其中空氣溫濕度傳感器型號(hào)為DHT11,主要用于采集農(nóng)田空氣溫濕度數(shù)據(jù),溫度量程為0～50℃,濕度量程為19%～89%。光敏傳感器用于采集農(nóng)田太陽(yáng)光照強(qiáng)度數(shù)據(jù),型號(hào)為B-LUX-V30B,具有體積小、安裝方便、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。采集到的這兩類數(shù)據(jù)為農(nóng)技人員分析農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)提供了可靠的信息來(lái)源。土壤濕度傳感器用于監(jiān)測(cè)農(nóng)田土壤含水量,為農(nóng)作物澆水灌溉提供參考意見。氣體傳感器型號(hào)為MQ-135,用于監(jiān)測(cè)農(nóng)田空氣中煙霧等特殊氣體成分,當(dāng)農(nóng)田發(fā)生火災(zāi)時(shí)會(huì)及時(shí)發(fā)生警報(bào)。在春秋季節(jié),北方山區(qū)降水量少,空氣濕度低,農(nóng)作物含水量少,地被物干燥,以及由于焚燒秸稈等不良行為,農(nóng)田極易發(fā)生火災(zāi),因此在山區(qū)農(nóng)田及時(shí)發(fā)現(xiàn)火災(zāi)隱患是非常重要的。

為了降低功耗,延長(zhǎng)電池使用壽命,各傳感器每五分鐘采集一次數(shù)據(jù),在春秋山火易發(fā)季節(jié)可以適當(dāng)降低數(shù)據(jù)采集時(shí)間間隔。各終端節(jié)點(diǎn)每次采集數(shù)據(jù)后,會(huì)自動(dòng)進(jìn)入PM2休眠模式,在這種模式下,CC2530穩(wěn)壓器數(shù)字部分關(guān)閉,高頻振蕩器不運(yùn)行。節(jié)點(diǎn)再次工作時(shí),CC2530芯片會(huì)通過(guò)睡眠定時(shí)器進(jìn)行喚醒。利用ZigBee的這個(gè)特點(diǎn),延長(zhǎng)了設(shè)備更換電池的周期,方便了后期的維護(hù)。

2.2 繼電器模塊設(shè)計(jì)

為了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制農(nóng)作物澆水功能,降低務(wù)農(nóng)人員的工作量,在農(nóng)田中某些終端節(jié)點(diǎn)安裝繼電器模塊。繼電器模塊與水泵相連,當(dāng)務(wù)農(nóng)人員在手機(jī)App發(fā)現(xiàn)農(nóng)田土壤含水量較低時(shí),可以在App上發(fā)出澆水指令,該指令會(huì)通過(guò)因特網(wǎng)、網(wǎng)關(guān)、協(xié)調(diào)器依次傳遞至特定終端節(jié)點(diǎn),最后該終端節(jié)點(diǎn)控制水泵實(shí)現(xiàn)農(nóng)田遠(yuǎn)程澆水灌溉,其繼電器模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 繼電器模塊結(jié)構(gòu)

2.3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

ZigBee組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)靈活多樣,支持星型、樹形和網(wǎng)狀型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),既可以單跳,又可以通過(guò)路由實(shí)現(xiàn)多跳數(shù)據(jù)傳輸。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要綜合考慮當(dāng)?shù)貐^(qū)域地貌、ZigBee技術(shù)特點(diǎn)等多種因素。本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在山亭區(qū)徐莊鎮(zhèn)一處梯田進(jìn)行實(shí)地測(cè)試,實(shí)際農(nóng)田地貌和各ZigBee節(jié)點(diǎn)安裝位置如圖5所示。這片區(qū)域地勢(shì)左高右低,共計(jì)40畝左右,分散布置了10個(gè)節(jié)點(diǎn),包括9個(gè)終端節(jié)點(diǎn)和1個(gè)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn),以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的方式對(duì)信息進(jìn)行無(wú)線收發(fā)和控制。常規(guī)ZigBee通信最遠(yuǎn)傳輸距離大約在250米左右,屬于一種短距離通信技術(shù),且傳輸距離越遠(yuǎn),信號(hào)質(zhì)量越差。因此在系統(tǒng)部署時(shí)需要保證每?jī)蓚€(gè)節(jié)點(diǎn)之間距離不超過(guò)100米。綜合考慮,本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇樹形,樹形網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)協(xié)調(diào)器和多個(gè)星形結(jié)構(gòu)連接而成,設(shè)備除了能與自己的父節(jié)點(diǎn)或者子節(jié)點(diǎn)通信外,其他只能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)中的樹形路由完成通信。各節(jié)點(diǎn)之間的拓?fù)溥B接如圖5中虛線所示,選擇最左側(cè)中間節(jié)點(diǎn)作為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn),其他節(jié)點(diǎn)為終端節(jié)點(diǎn)。樹形網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)是可以進(jìn)行中繼路由,通過(guò)這種方式,數(shù)據(jù)傳輸距離可以大幅度提高。然后選擇協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和一處位于山區(qū)較高處的終端節(jié)點(diǎn)作為水泵控制節(jié)點(diǎn),如圖5中標(biāo)記所示。在這兩處節(jié)點(diǎn)中CC2530芯片連接繼電器模塊,通過(guò)控制水泵實(shí)現(xiàn)這片區(qū)域農(nóng)作物的澆水及灌溉。

2.4 手機(jī)端App設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)App負(fù)責(zé)在智能手機(jī)端接收系統(tǒng)采集到的各類環(huán)境數(shù)據(jù),并進(jìn)行可視化展示,同時(shí)App具有遠(yuǎn)程發(fā)送澆水灌溉指令的功能。App基于Java語(yǔ)言在Android Studio軟件上編寫實(shí)現(xiàn),可以運(yùn)行在Android系統(tǒng)智能手機(jī)上。App通過(guò)與云服務(wù)器建立WebSocket通信[19]從而連接到因特網(wǎng),再通過(guò)GPRS技術(shù)與ZigBee網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)關(guān)模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信,其App數(shù)據(jù)通信流程如圖6所示。該App具有三個(gè)功能模塊:數(shù)據(jù)展示、遠(yuǎn)程控制和報(bào)警提示。

圖6 APP數(shù)據(jù)通信流程

App最主要的功能就是數(shù)據(jù)展示,圖7為土壤濕度和空氣溫度數(shù)據(jù)展示界面,展示了7月20日至7月27日一個(gè)星期內(nèi)這兩類數(shù)據(jù)的變化情況。由于各個(gè)節(jié)點(diǎn)采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)已經(jīng)通過(guò)網(wǎng)關(guān)上傳并保存在云服務(wù)器中,因此農(nóng)技人員可以選擇特定時(shí)間段自由地瀏覽和查看歷史數(shù)據(jù)。

(a) 土壤濕度數(shù)據(jù)展示

(b) 空氣溫度數(shù)據(jù)展示

為了使這些數(shù)據(jù)更好地為農(nóng)技人員服務(wù),系統(tǒng)各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)采集到的環(huán)境歷史數(shù)據(jù)可以通過(guò)點(diǎn)擊App下載按鈕自動(dòng)保存至手機(jī)中或者從服務(wù)器端發(fā)送到指定郵箱中,數(shù)據(jù)保存的格式可以為XLS或CSV。這些環(huán)境數(shù)據(jù)可以為后續(xù)農(nóng)田環(huán)境分析或農(nóng)作物長(zhǎng)勢(shì)分析等提供可靠的數(shù)據(jù)來(lái)源。

除了展示采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)以外,App還具有遠(yuǎn)程控制農(nóng)田灌溉功能,App控制界面如圖8所示。農(nóng)技人員可以參考土壤濕度以及空氣溫度等數(shù)據(jù),決定是否打開圖5所示的兩個(gè)水泵對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行澆水灌溉,農(nóng)技人員只需要點(diǎn)擊圖8中所示開關(guān)就可以輕松完成這個(gè)功能。同時(shí)App提供了灌溉定時(shí)功能,農(nóng)技人員可以根據(jù)農(nóng)作物實(shí)際需求控制澆水時(shí)長(zhǎng),避免由于忘記關(guān)閉水泵而造成經(jīng)濟(jì)損失。

圖8 APP遠(yuǎn)程灌溉功能

App最后一個(gè)功能為報(bào)警提示, App打開后會(huì)一直運(yùn)行在Android系統(tǒng)后臺(tái)。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到農(nóng)田發(fā)生火災(zāi)隱患時(shí),會(huì)在智能手機(jī)上通過(guò)鬧鈴和震動(dòng)進(jìn)行強(qiáng)制提示,以便農(nóng)技人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理。

3 系統(tǒng)測(cè)試

為了驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性,將該系統(tǒng)封裝好之后布置在山亭區(qū)徐莊鎮(zhèn)梯田進(jìn)行實(shí)地測(cè)試,測(cè)試節(jié)點(diǎn)如圖9所示。整個(gè)終端節(jié)點(diǎn)封裝在防水盒中,防水盒中包括CC2530芯片、各類傳感器和電池組,圖中左側(cè)為2.4G全向天線,下方為插入農(nóng)田土壤中的土壤濕度傳感器,防水盒各個(gè)出口處使用防水膠水加固。通過(guò)這種封裝,使得系統(tǒng)能夠更好地適應(yīng)戶外農(nóng)田這種復(fù)雜環(huán)境。

圖9 系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)實(shí)地安裝圖

在系統(tǒng)測(cè)試中,主要檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)空氣溫度、土壤濕度、空氣濕度和光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)采集的精確度。選擇圖4中最右端節(jié)點(diǎn)作為實(shí)驗(yàn)測(cè)試節(jié)點(diǎn),因?yàn)榇斯?jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)樹形結(jié)構(gòu)末端,距離協(xié)調(diào)器距離最遠(yuǎn),有較強(qiáng)的代表性,更能夠檢測(cè)系統(tǒng)的魯棒性。通過(guò)比較在智能手機(jī)App端展示的環(huán)境數(shù)據(jù)值和通過(guò)專用儀器在實(shí)地采集的數(shù)據(jù)值,來(lái)判斷該系統(tǒng)的精確性。

本文選擇了7月25日9:00-15:00時(shí)間段通過(guò)兩種方式采集的環(huán)境數(shù)據(jù)值進(jìn)行對(duì)比,數(shù)據(jù)采集間隔為1小時(shí),最終空氣溫度、土壤濕度、空氣濕度和光照強(qiáng)度對(duì)比結(jié)果如圖10所示?？梢钥闯?系統(tǒng)采集空氣溫度值與實(shí)際值浮動(dòng)在0.2 ℃范圍內(nèi),空氣濕度值浮動(dòng)在0.3%范圍內(nèi),土壤濕度浮動(dòng)在2.0%范圍內(nèi),光照強(qiáng)度浮動(dòng)在1%誤差范圍內(nèi)。其中空氣溫度、空氣濕度和光照強(qiáng)度誤差較小;土壤濕度誤差相對(duì)較高,這是因?yàn)檗r(nóng)田中每塊土壤含水量不可能完全相同,而進(jìn)行采集時(shí)只能選擇兩塊距離相近的土壤進(jìn)行對(duì)比,難以避免出現(xiàn)誤差,這屬于一種偶然誤差,但是誤差量仍在系統(tǒng)可接受范圍內(nèi)。為了測(cè)試該系統(tǒng)監(jiān)測(cè)農(nóng)田火災(zāi)的性能,我們?cè)诒Ｕ习踩那闆r下,在測(cè)試節(jié)點(diǎn)周圍燃燒碎紙屑模擬農(nóng)田發(fā)生火災(zāi),同時(shí)測(cè)試節(jié)點(diǎn)需要設(shè)置為工作模式而非休眠模式。測(cè)試結(jié)果表明當(dāng)碎紙屑開始燃燒后,系統(tǒng)會(huì)在10秒內(nèi)檢測(cè)到煙霧并在智能手機(jī)App端發(fā)出警報(bào),具有較高的預(yù)警效率。最終實(shí)地測(cè)試結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)監(jiān)測(cè)結(jié)果較為精確,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)山區(qū)農(nóng)田環(huán)境數(shù)據(jù)有效監(jiān)測(cè),實(shí)用性較強(qiáng)。

(a) 空氣溫度

(b) 土壤濕度

(c) 空氣濕度

(d) 光照強(qiáng)度圖10 系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)與實(shí)地采集數(shù)據(jù)對(duì)比圖

4 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)山區(qū)農(nóng)田特殊地貌和環(huán)境,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于ZigBee的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)按照模塊化進(jìn)行設(shè)計(jì),包括終端節(jié)點(diǎn)、協(xié)調(diào)器、網(wǎng)關(guān)模塊、手機(jī)端App、傳感器模塊和繼電器模塊六部分。該系統(tǒng)通過(guò)空氣溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、光敏傳感器和氣體傳感器對(duì)山區(qū)農(nóng)田環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集,采集到的數(shù)據(jù)可以在手機(jī)端App進(jìn)行可視化展示,為農(nóng)田智能化管理提供了參考信息。同時(shí)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制農(nóng)田澆水功能,實(shí)現(xiàn)了農(nóng)作物灌溉的自動(dòng)化,降低了務(wù)農(nóng)人員的工作量。

本系統(tǒng)在山亭區(qū)徐莊鎮(zhèn)梯田進(jìn)行了實(shí)地測(cè)試,測(cè)試結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠?qū)ι絽^(qū)農(nóng)田環(huán)境數(shù)據(jù)有效監(jiān)測(cè),且成本低、精度高、便于維護(hù),有較強(qiáng)的可用性,為山區(qū)農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)提供了一種解決方案。