基于物聯網的果園環境信息監測系統的設計

王文山，柳平增，臧官勝，高鈺舒，侯加林，3* ，宋振偉

(1.山東農業大學機械與電子工程學院，山東 泰安 271018;2.山東農業大學信息科學與工程學院，山東 泰安 271018;3.山東省園藝機械與裝備重點實驗室，山東泰安 271018;4.山東公路技師學院，山東濟南 250002)

物聯網英文名為The Internet of Things是將所有物品通過各種信息傳感設備，如射頻識別裝置、基于光聲電磁的傳感器、3S技術、激光掃描器等各類裝置與互聯網結合起來，實現數據采集、融合、處理，并通過操作終端，實現智能化識別和管理［1］。物聯網的核心和基礎是網絡通訊，它被稱為繼計算機、互聯網之后，世界信息產業的第三次浪潮。目前，我國正在高度關注、重視物聯網的研究，尤其是在農業、工業、旅游等產業上的具體應用。

我國是一個農業大國，果樹種植具有地域分布廣泛、環境因子不確定等特點，傳統的果樹種植業一般是靠果農的經驗來定性地估計各種環境因子，無法對生產過程中的各種環境信息進行精確測量，實現最優化生產;另一方面，由于果樹種植的區域性特點比較強，不能有效進行環境因子的搜集，難于進行統一集中管理。因而將物聯網技術引入與應用到果園信息管理中，可以提高果園的信息化、智慧化的程度，是在現代農業信息化應用上的重大突破。同時，實現快速、有效的采集和描述影響作物生長環境的時間和空間信息，是實現“精細農業”的基礎［2］。因此，為實現對果園環境因子實時、精確的遠程監測，研制了基于物聯網(The Internet of things)的果園環境信息監測系統。

本系統以MSP430單片機為核心，設計了采集終端與無線網絡架構，具有功耗低、自動化程度高、性能穩定等特點。系統可以實時監測多種環境因子，能夠對風速、風向、空氣溫濕度、光照、二氧化碳濃度、土壤溫濕度、電導率等因子的精確、同步測定，另外還增加了無線網絡視頻監測裝置，實現了對果園的立體式監控。果園環境信息監測系統的設計對實現果樹管理的現代化、精細化有著非常重要的意義。

1 果園環境信息監測系統結構

果園環境信息監測系統主要由數據采集模塊、無線傳感網絡模塊、遠程數據傳輸模塊和數據管理模塊四部分組成。其中數據采集模塊主要完成風速、風向、空氣溫濕度、二氧化碳濃度、土壤溫濕度、電導率以及視頻信息的自動采集;無線傳輸網絡負責將采集到的信息迅速高效可靠地傳輸到總節點;遠程數據傳輸模塊負責將總結點的的監測數據通過GPRS網絡經Internet傳輸到數據庫，供數據管理模塊使用，同時還負責將管理模塊發出的攝像頭云臺控制指令傳送到采集端的控制器，通過控制器來對攝像頭進行遠程控制;數據管理模塊的主要功能是存儲屬性數據，對數據進行錄入、刪除、修改、存儲、檢索和統計等管理。圖1為果園環境信息監測系統結構圖。

圖1 果園環境信息監測系統結構圖Fig.1 Environmental information monitoring system structure of the orchard

2 數據采集終端

數據采集包括兩個部分:環境因子數據采集與視頻數據信息采集。采集終端采用嵌入式系統開發設計，實現了對果園各種環境信息數據的實時采集。所開發的數據采集終端主要有以下特點:系統穩定可靠、功耗低、存儲容量大，容易擴展，運算速度快，可以快速處理復雜的算法和協議。

2.1 數據采集終端硬件設計

數據采集終端采用TI公司生產的MSP430F149型號處理器，利用MSP430出色的內核性能和豐富的外部接口構造一個嵌入式平臺，完成數據采集功能，終端硬件結構如圖2所示。

采集終端所用的處理器MSP430F149具有非常豐富的片上外圍設別，包括基礎時鐘模塊、看門狗定時器、帶有3個捕獲/比較寄存器的16位定時器Timer_A，帶有7個捕獲/比較寄存器的16位定時器Timer_B，2個具有中斷功能的8位并行I/O口，模擬比較器、AD轉換模塊、2通道串行通信接口、以及硬件乘法器。MSP430F149的另一個突出特點是超低功耗，采用16位RISC結構，具有豐富的尋址方式、簡潔的指令內核、較高的處理速度、大量的寄存器，運行溫度范圍為－40－+85℃［3，4］。

本系統中通過微處理器的A/D接口與外部傳感器相連，完成數字量和模擬量的輸入輸出。外接有風速、風向、空氣溫濕度、光照、二氧化碳濃度、土壤溫濕度以及電導率等幾種傳感器來采集果園中的不同環境因子，并把傳感器分別安裝在氣象架合適的位置，從而準確、科學的監測出果園中環境因子的不同參數。

系統中所用的傳感器具有高穩定性、抗干擾能力強、傳送距離遠、測量精度高以及響應速度快等特點，具體性能如下:空氣溫濕度傳感器的溫度測量精度為±0.5℃，濕度測量精度為±4.5%;土壤溫度傳感器的測量精度為±0.2℃;土壤濕度傳感器的測量精度為±3%;風速傳感器的測量精度為±0.3 m/s;風向傳感器的測量精度為±5%;二氧化碳傳感器的測量精度為±10 ppm;電導率傳感器的測量精度為±0.3 dS/m。

2.2 數據采集終端軟件設計

采集端程序使用IAR Embedded Workbench Evaluation for MSP430 4.21開發環境開發，這個軟件是一款非常優秀的IED開發環境，具有強大的編譯能力和調試功能，適用于大量8位、16位以及32位的微處理器和微控制器。

采集端軟件部分主要是由MSP430的A/D通道接受傳感器所采集的數據，進行過處理后，數據由通信端口打包通過CC1100轉發。軟件流程圖如圖3。

2.3 視頻數據采集端

視頻采集模塊可以實現遠程無線監控，主要由攝像頭、控制器、視頻編碼器、3G通信設備四部分組成。該模塊通過帶有云臺的攝像頭來采集視頻信息，利用視頻編碼器將傳來的模擬視頻信號數字化，并壓縮成H.264格式［5］，然后通過3G通信設備接入Internet網，將各類數據發送到指定的服務器端。服務器端將接收到的數據進行處理和保存，用戶將可以通過網頁的形式對視頻信息進行實時的查看。圖3為實現的系統圖。

3 數據傳輸模式

數據傳輸系統由無線傳感網絡和遠程數據傳輸兩個模塊構成。無線傳感網絡覆蓋整個果園環境，把分散的采集終端數據匯集到一個總的節點。遠程數據傳輸用于將總結點的的監測數據通過GPRS網絡傳輸到數據庫。整體系統圖如圖5。

3.1 無線傳感網絡模塊設計

本系統的無線傳感網絡是利用無線收發模塊LSD－RFCC1100組成。LSD－RFCC1100是一種真正單片的UHF收發器，為低功耗無線應用而設計，電路主要設定在315、433、868和915的ISM(工業科學和醫學)和SRD(短距離設備)頻率波段，也可以容設置為300～348MHz、400～464MHz和800～928MHz的其它頻率。CC1100具有很高的靈敏度，可編程控制數據傳輸率和輸出功率，內置頻率補償功能，數據白化功能，RSSI(接收信號強度)監測功能［6］，非常適合本系統組網要求。

系統中無線傳感網絡采用網狀結構，并且整個網絡劃分為若干子網。系統中的每一個信息采集終端都由信息監測中心分配一個網內唯一的地址ID，并且，每一個子網內的ID地址都是一塊連續的地址。轉發節點接收到由信息監測中心發送來的指令之后，首先查看指令中的ID范圍，若在ID在該轉發節點所在子網的ID范圍內，這進行轉發，否則，直接丟點。信息采集終端把采集到的數據加上地址信息打包之后發送給轉發節點，轉發節點同樣要檢查接收到的數據的地址是否來自自己所在的網絡，如果不是，則把數據丟掉，若是，則進行轉發。這樣，通過網絡中的層層轉發，有效減輕了整個網絡的負載，提高了數據的傳輸效率。

3.2 遠程數據傳輸模塊設計

根據目前國內可利用的通信資源和現有的實際情況，同時考慮到系統運行所處野外環境以及建成后便于管理，設計主要采用無線移動通信為主信道的組網方式。遠程數據傳輸主要GPRS模塊來完成。

GPRS模塊采用深圳宏電公司的H7210產品，該終端支持雙頻GSM/GPRS，符合ETSI GSM Phase 2+標準，內嵌TCP/IP協議，采用實時時鐘，為用戶提供高速、時刻在線、透明數據傳輸的虛擬專用數據通信網絡。在使用時需要先安裝SIM卡，獲得移動網中唯一的ID(SIM卡號)［7，8］。

系統中CC1100模塊接收無線傳感器節點發送的數據信息，通過串口與GPRS DTU進行數據交互。當GPRS DTU接收到數據信息后，按照GPRS數據格式進行信息打包，通過無線GPRS網絡發送到數據處理和監測中心，實現數據的遠程傳輸。同時接收來自數據服務器的控制指令，由CC1100模塊發送給各個無線傳感器節點。

4 數據管理

數據管理部分主要是信息監測中心軟件的設計，實現環境信息采集數據以及視頻信息在上位機的顯示。信息監測中心采用Microsoft公司的Microsoft Visual C++6.0進行開發。該開發環境擁有友好的人機界面，使用開放源代碼的MySQL數據庫，大大提高了開發效率。

4.1 信息監測中心功能

信息監測中心軟件具體功能包括:環境變量的設置、初始化整個系統、網絡通訊質量檢測、接收下由GPRS模塊傳送的數據，并且對數據進行解析后顯示在數據顯示窗口中，根據用戶的選擇把一定時間內的數據按照折線圖或者柱狀圖進行直觀地顯示，并可以發送各種采集命令。

4.2 信息監測中心界面

用戶成功登陸系統后，可進入數據查看頁面，采集端采集的環境信息數據按照時間降序排列，方便用戶查看最近數據，也可查詢以前的數據。監測中心設計了視頻信息控制及顯示面，如圖6。

5 實驗數據

通過在實驗室對系統軟硬件的調試以及在使用地的測試，系統總體性能達到了預期的設計目標。采集到的數據可以寫入數據庫，為以后農業專家預警等系統的開發提供依據。表1是2011年07月05日上傳的一段數據，其中由于風速與風向兩個變化很快的氣象要素，故風速風向的數據值為十分鐘內的平均值。

圖6 信息監測中心Fig.6 Information monitoring cente

表1 2011年07月05日上傳的果園環境信息采集數據Table1 Orchard environmental information data in July 05，2011

6 結束語

果園環境信息監測系統已經在山東省煙臺棲霞蘋果園投入試用，該系統在物聯網技術的基礎上實現了多種環境信息數據的實時采集、傳輸和管理的自動化，具有及時、高效、準確、運行成本低等特點。管理人員可以實時準確地掌握果園的各項環境指標，以便采取正確的措施，對果園進行合理的管理。從使用效果看，系統可以及時地提供詳細、準確的環境信息，為區域性管理提供科學及時的決策依據和可靠信息，具有顯著的社會效益和較大的經濟效益。

［1］張進京.物聯網的應用實例與效益［J］.中國信息界，2010(3):73－76

［2］汪懋華.“精細農業”發展與工程技術創新［J］.農業工程學報，1999，56(1):1－8

［3］胡大可.MSP430系列16位單片機原理與應用［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2000

［4］胡大可.MSP430系列單片機C語言程序設計與開發［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2000

［5］游丹丹，張駿驍.無線視頻監測系統的設計與開發［J］.數字技術與應用，2010(11):65

［6］hipcon.CC1100DataSheet［DB/OL］.http://www.chipcon.com/files/CC1100－data－sheet－1－0.Pdf，2005

［7］李 濤，付永生.基于GPRS的數據傳輸［J］.移動通信，2004(7):76－80

［8］崔子謙.GPRS工業數據采集監控系統［J］.農業化研究，2004(11):108－109