基于物聯網的農作物生長監控系統

孔曉紅+宋長源+王亞君

摘要：提出了一種基于物聯網的農作物環境參數監控系統，包括傳感節點的選擇及設計、無線網絡的組成、監控系統功能模塊的實現等。該系統易于擴展，具有較強的實用性和通用性。同時，可以方便地接入Internet網絡，實現產品信息的共享和遠程控制，大大地提高了農業生產信息化程度和自動化水平，滿足現代農業生產控制要求。

關鍵詞：物聯網;無線傳感器網絡;CC2530

中圖分類號：TP277 ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ?文章編號：0439-8114（2014）20-4983-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.20.058

Monitoring System of Crop Growth Based on Internet of Things

KONG Xiao-hong1， SONG Chang-yuan1， WANG Ya-jun2

（1.Henan Institute of Science and Technology， Xinxiang ?453003， Henan， China; 2.Xinxiang University ，Xinxiang ?453003， Henan， China）

Abstract： A system of monitoring environmental parameters of crop based on Internet of things was proposed. It included the selection and design of the sensor nodes， the framework of a wireless network and the realization of function modules of monitoring systems. The system was easy to expanded， with strong practicality and generality. It easily accessed the internet to share products information and remote control. It greatly improved the information degree and automation level of agricultural production， and met the controlling requirements of modern agriculture.

Key words： Internet of things; wireless sensor network; CC2530

與發達國家比較，我國農業生產自動化水平低，生產方式相對落后，導致自然資源和人力資源極大地浪費。目前農業生產引起國家的高度重視，國家在“十二五”發展綱要中提出“農業農村信息化”規劃，發展“智能農業”，提高農業生產的信息化水平。物聯網（Internet of things，IOT）是利用傳感技術、射頻技術（RFID）、信息處理技術、網絡傳輸技術等，對現實世界進行信息采集、處理和傳輸，實現物體“智能化”，從而達到對個體進行信息跟蹤、定位、監控和管理的目的，是現有互聯網應用的延伸。物聯網上的物與物之間或與環境之間進行信息交換和通信，具有了“人工智能”，通過環境信息的反饋與處理，不需要人的干預，能夠自適應的調整自身狀態。該技術已經在農業生產中逐步得到推廣應用[1-4]。

農作物監控涉及到生長的整個過程，本研究結合物聯網技術，通過信息傳感設備和數據采集系統獲取物理世界的信息，結合無線和有線網絡等完成信息的傳送與共享，采用數據處理技術對信息進行提取和加工，對物質世界實現完全感知，提高資源利用率和生產力水平，改善人與自然的關系[1，2]。

1 ?農作物監控系統的設計

本監控系統通過感知設備實時采集農作物生產過程中的狀態信息，將信息進行處理并傳輸給生產者，提供合理的生產建議和預警信息，用以調節農作物的生產環境并對潛在災情采取應對措施。

1.1 ?監控系統的網絡原理

針對農作物生長監控特點，監控系統采用感知層、網絡層、應用層的3層體系架構如圖1所示[1]。感知層用于采集農作物生長信息，通過在農業種植現場部署各種各樣的傳感器、RFID裝置、攝像頭設備等，實時獲取農作物的生長參數、環境參數和現場設施的使用情況;網絡層主要是對感知層采集到的數據信息進行處理和傳遞;應用層通過人機交互接口，將信息網絡層獲得的數據以直觀的形式提交給最終用戶，同時用戶根據現場參數做出判斷并將相應的操作反饋到現場。

基于該架構在被控現場建立一套集視頻、信息采集、數據分析處理為一體的測量平臺，搭建一個集本地無線覆蓋和廣域網接入的網絡系統;網絡層基于網絡資源和實時任務調度理論，實現動態環境中自適應拓撲結構，完成信息傳遞和共享，建立物聯網信息空間和物理空間的關聯模型。

1.2 ?監控系統功能模塊設計

結合農作物生產過程特點，各層次功能模塊如圖2所示。感知層由傳感節點、射頻裝置、EPC編碼技術和視頻攝像等功能模塊組成，主要檢測農作物生長信息如發芽期、成熟期和環境參數如溫度、光照度、土壤含水率等。網絡層利用無線傳感網、3G網絡等無線網絡和現有網絡結合，實現數據的整合、分析和可靠傳輸，同時利用云存儲技術解決大量數據的分布式存儲，保證農業物聯網系統的數據通暢和共享。應用層實現數據分析、視頻監控、生長過程跟蹤、產品信息發布，利用反饋的數據實現現場設備控制等功能。endprint

2 ?監控系統的實現

在監控現場，基于ZigBee 2007/PRO協議組成近距離無線網絡連接，該協議具有更好的互操作性、節點密度管理、數據負荷管理等，網絡通信距離更遠，組網性能更穩定。該網絡還具有低功耗特點，在監控系統功能增加時支持大量的網絡節點擴展，遵循IEEE 802.15.4技術標準。

2.1 ?無線傳感節點的設計

ZigBee傳感節點選用CC2530作為處理器[5]，該芯片集成了RF收發器、增強工業標準的8051MCU、在系統可編程Flash存儲器、8 K RAM、ADC轉換器等功能模塊于一體，是一個完整的SoC系統。CC2530節點電路原理圖如圖3所示。CC2530結合德州儀器的ZigBee協議棧（Z-Stack），大大提高了單片機與無線通信模塊的可靠性，同時減小了節點的體積與質量。

本系統傳感器節點主要完成農作物各種生長環境參數的采集，如溫度、濕度和農藥殘留、病蟲害信息等。由于使用環境的要求，CC2530具有體積小、抗干擾能力強和低功耗等特點。CC2530和其他模塊電路連接如圖4所示。

2.2 ?無線傳感網絡結構

根據功能不同，組成無線傳感器網絡節點包括3類：終端節點、路由器節點和協調器節點。在每個ZigBee局域網中，協調器節點是惟一的，存儲整個網絡的路由信息，并對其他節點進行管理和協調，如設備加入網絡和退出網絡等，在網絡中起著非常重要的作用。本系統采用以協調器為中心的網狀拓撲結構，采用ZigBee無線通信方式，將溫濕度傳感器、光照傳感器、生物制劑監測傳感器等分布于農田各處，采集數據傳送給協調器，由且協調器作為中央處理器啟動執行設備，調節溫度和干燥度等。協調器同時連接網關，將環境數據傳送到主機和網絡顯示并共享信息，也可以人工干預控制過程。

由于無線傳感器終端節點的通信距離比較有限，要求根據農作物種植分布情況布置路由節點，盡可能實現種植區域內無通信盲點。無線傳感器節點可以通過各路由節點、協調器節點向無線網關發送數據，無線傳感器終端節點與路由節點形成的是一個動態自治的多跳網絡。網絡協調器是整個監控系統的核心部分，負責無線網絡內部節點的管理，同時實現ZigBee無線網絡與現有網絡的有機融合，達到了現場參數對用戶是透明的目的。系統結構如圖5所示。

3 ?小結

現代社會發展在農業、能源、金融等方面都遇到了發展的“瓶頸”，在農業產品質量控制等方面不能滿足人們的需求。本研究選擇物聯網技術，通過更智能的終端、覆蓋更全面的網絡，基于ZigBee無線傳感網絡實現農作物生長監控，生產現場由部署3類節點，惟一的ZigBee網絡協調器，作為整個控制中心;ZigBee終端節點采集數據并無線收發，形成節點間能夠自治的組成網絡;在大量的終端節點間布置若干個具有路由功能的節點，實現路由信息管理。該系統可以方便地接入現有網絡，實現作物生長信息的跟蹤、共享和農業設備的遠程控制，大大地提高了農業生產信息化程度和自動化水平，滿足現代農業生產控制要求。同時，該系統具有很好的靈活性及擴展性，還可以滿足產品質量的有效控制，產品信息可以直接在網絡發布，增加產品的銷售渠道和完善物流信息，因此，本監控系統具有較強的實用性和推廣價值。

參考文獻：

[1] 陳 ?勇，曹玉保，王林強.基于物聯網的農業灌溉監控系統設計[J].電子設計工程，2012，20（22）：104-106.

[2] PARK D H ，PARK J W.Wireless sensor network based greenhouse environment monitoring and automatic control system for dew condensation prevention[J].Sensors，2011，11（4）：3640-3651.

[3] 勞鳳丹，余禮根，滕光輝，等.設施農業3G+VPN 遠程監控系統的設計與實現[J].中國農業大學學報，2011，16（2）：155-159.

[4] 戴起偉，曹 ?靜，凡 ?燕，等.面向現代設施農業應用的物聯網技術模式設計[J].江蘇農業學報，2012，28（5）：1173-1180.

[5] 聶洪淼，焦運濤，趙明宇.物聯網技術在精準農業領域應用的研究與設計[J].自動化技術與應用，2012，31（10）：89-93.endprint

2 ?監控系統的實現

在監控現場，基于ZigBee 2007/PRO協議組成近距離無線網絡連接，該協議具有更好的互操作性、節點密度管理、數據負荷管理等，網絡通信距離更遠，組網性能更穩定。該網絡還具有低功耗特點，在監控系統功能增加時支持大量的網絡節點擴展，遵循IEEE 802.15.4技術標準。

2.1 ?無線傳感節點的設計

ZigBee傳感節點選用CC2530作為處理器[5]，該芯片集成了RF收發器、增強工業標準的8051MCU、在系統可編程Flash存儲器、8 K RAM、ADC轉換器等功能模塊于一體，是一個完整的SoC系統。CC2530節點電路原理圖如圖3所示。CC2530結合德州儀器的ZigBee協議棧（Z-Stack），大大提高了單片機與無線通信模塊的可靠性，同時減小了節點的體積與質量。

本系統傳感器節點主要完成農作物各種生長環境參數的采集，如溫度、濕度和農藥殘留、病蟲害信息等。由于使用環境的要求，CC2530具有體積小、抗干擾能力強和低功耗等特點。CC2530和其他模塊電路連接如圖4所示。

2.2 ?無線傳感網絡結構

根據功能不同，組成無線傳感器網絡節點包括3類：終端節點、路由器節點和協調器節點。在每個ZigBee局域網中，協調器節點是惟一的，存儲整個網絡的路由信息，并對其他節點進行管理和協調，如設備加入網絡和退出網絡等，在網絡中起著非常重要的作用。本系統采用以協調器為中心的網狀拓撲結構，采用ZigBee無線通信方式，將溫濕度傳感器、光照傳感器、生物制劑監測傳感器等分布于農田各處，采集數據傳送給協調器，由且協調器作為中央處理器啟動執行設備，調節溫度和干燥度等。協調器同時連接網關，將環境數據傳送到主機和網絡顯示并共享信息，也可以人工干預控制過程。

由于無線傳感器終端節點的通信距離比較有限，要求根據農作物種植分布情況布置路由節點，盡可能實現種植區域內無通信盲點。無線傳感器節點可以通過各路由節點、協調器節點向無線網關發送數據，無線傳感器終端節點與路由節點形成的是一個動態自治的多跳網絡。網絡協調器是整個監控系統的核心部分，負責無線網絡內部節點的管理，同時實現ZigBee無線網絡與現有網絡的有機融合，達到了現場參數對用戶是透明的目的。系統結構如圖5所示。

3 ?小結

現代社會發展在農業、能源、金融等方面都遇到了發展的“瓶頸”，在農業產品質量控制等方面不能滿足人們的需求。本研究選擇物聯網技術，通過更智能的終端、覆蓋更全面的網絡，基于ZigBee無線傳感網絡實現農作物生長監控，生產現場由部署3類節點，惟一的ZigBee網絡協調器，作為整個控制中心;ZigBee終端節點采集數據并無線收發，形成節點間能夠自治的組成網絡;在大量的終端節點間布置若干個具有路由功能的節點，實現路由信息管理。該系統可以方便地接入現有網絡，實現作物生長信息的跟蹤、共享和農業設備的遠程控制，大大地提高了農業生產信息化程度和自動化水平，滿足現代農業生產控制要求。同時，該系統具有很好的靈活性及擴展性，還可以滿足產品質量的有效控制，產品信息可以直接在網絡發布，增加產品的銷售渠道和完善物流信息，因此，本監控系統具有較強的實用性和推廣價值。

參考文獻：

[1] 陳 ?勇，曹玉保，王林強.基于物聯網的農業灌溉監控系統設計[J].電子設計工程，2012，20（22）：104-106.

[2] PARK D H ，PARK J W.Wireless sensor network based greenhouse environment monitoring and automatic control system for dew condensation prevention[J].Sensors，2011，11（4）：3640-3651.

[3] 勞鳳丹，余禮根，滕光輝，等.設施農業3G+VPN 遠程監控系統的設計與實現[J].中國農業大學學報，2011，16（2）：155-159.

[4] 戴起偉，曹 ?靜，凡 ?燕，等.面向現代設施農業應用的物聯網技術模式設計[J].江蘇農業學報，2012，28（5）：1173-1180.

[5] 聶洪淼，焦運濤，趙明宇.物聯網技術在精準農業領域應用的研究與設計[J].自動化技術與應用，2012，31（10）：89-93.endprint

2 ?監控系統的實現

在監控現場，基于ZigBee 2007/PRO協議組成近距離無線網絡連接，該協議具有更好的互操作性、節點密度管理、數據負荷管理等，網絡通信距離更遠，組網性能更穩定。該網絡還具有低功耗特點，在監控系統功能增加時支持大量的網絡節點擴展，遵循IEEE 802.15.4技術標準。

2.1 ?無線傳感節點的設計

ZigBee傳感節點選用CC2530作為處理器[5]，該芯片集成了RF收發器、增強工業標準的8051MCU、在系統可編程Flash存儲器、8 K RAM、ADC轉換器等功能模塊于一體，是一個完整的SoC系統。CC2530節點電路原理圖如圖3所示。CC2530結合德州儀器的ZigBee協議棧（Z-Stack），大大提高了單片機與無線通信模塊的可靠性，同時減小了節點的體積與質量。

本系統傳感器節點主要完成農作物各種生長環境參數的采集，如溫度、濕度和農藥殘留、病蟲害信息等。由于使用環境的要求，CC2530具有體積小、抗干擾能力強和低功耗等特點。CC2530和其他模塊電路連接如圖4所示。

2.2 ?無線傳感網絡結構

根據功能不同，組成無線傳感器網絡節點包括3類：終端節點、路由器節點和協調器節點。在每個ZigBee局域網中，協調器節點是惟一的，存儲整個網絡的路由信息，并對其他節點進行管理和協調，如設備加入網絡和退出網絡等，在網絡中起著非常重要的作用。本系統采用以協調器為中心的網狀拓撲結構，采用ZigBee無線通信方式，將溫濕度傳感器、光照傳感器、生物制劑監測傳感器等分布于農田各處，采集數據傳送給協調器，由且協調器作為中央處理器啟動執行設備，調節溫度和干燥度等。協調器同時連接網關，將環境數據傳送到主機和網絡顯示并共享信息，也可以人工干預控制過程。

由于無線傳感器終端節點的通信距離比較有限，要求根據農作物種植分布情況布置路由節點，盡可能實現種植區域內無通信盲點。無線傳感器節點可以通過各路由節點、協調器節點向無線網關發送數據，無線傳感器終端節點與路由節點形成的是一個動態自治的多跳網絡。網絡協調器是整個監控系統的核心部分，負責無線網絡內部節點的管理，同時實現ZigBee無線網絡與現有網絡的有機融合，達到了現場參數對用戶是透明的目的。系統結構如圖5所示。

3 ?小結

現代社會發展在農業、能源、金融等方面都遇到了發展的“瓶頸”，在農業產品質量控制等方面不能滿足人們的需求。本研究選擇物聯網技術，通過更智能的終端、覆蓋更全面的網絡，基于ZigBee無線傳感網絡實現農作物生長監控，生產現場由部署3類節點，惟一的ZigBee網絡協調器，作為整個控制中心;ZigBee終端節點采集數據并無線收發，形成節點間能夠自治的組成網絡;在大量的終端節點間布置若干個具有路由功能的節點，實現路由信息管理。該系統可以方便地接入現有網絡，實現作物生長信息的跟蹤、共享和農業設備的遠程控制，大大地提高了農業生產信息化程度和自動化水平，滿足現代農業生產控制要求。同時，該系統具有很好的靈活性及擴展性，還可以滿足產品質量的有效控制，產品信息可以直接在網絡發布，增加產品的銷售渠道和完善物流信息，因此，本監控系統具有較強的實用性和推廣價值。

參考文獻：

[1] 陳 ?勇，曹玉保，王林強.基于物聯網的農業灌溉監控系統設計[J].電子設計工程，2012，20（22）：104-106.

[2] PARK D H ，PARK J W.Wireless sensor network based greenhouse environment monitoring and automatic control system for dew condensation prevention[J].Sensors，2011，11（4）：3640-3651.

[3] 勞鳳丹，余禮根，滕光輝，等.設施農業3G+VPN 遠程監控系統的設計與實現[J].中國農業大學學報，2011，16（2）：155-159.

[4] 戴起偉，曹 ?靜，凡 ?燕，等.面向現代設施農業應用的物聯網技術模式設計[J].江蘇農業學報，2012，28（5）：1173-1180.

[5] 聶洪淼，焦運濤，趙明宇.物聯網技術在精準農業領域應用的研究與設計[J].自動化技術與應用，2012，31（10）：89-93.endprint