基于物聯網的設施農業監控系統研究

田敏 費小偉 趙帝植 辛國隆

摘 要：文章主要論述基于物聯網的設施農業監控系統，將設施農業中的傳感器連接到ZigBee網絡中，檢測設施農業溫度、濕度二氧化碳濃度、光照的即時數據，通過手機APP與無線網絡構成的系統完成對設施農業環境的監測與控制。將物聯網技術和ZigBee技術組合，組建無線傳感器網絡，通過ZigBee節點采集環境信息，并通過無線網絡對環境進行監測以及Android技術實現實時監控。

關鍵詞：ZigBee；無線傳感器網絡；Android技術

中國人多地少，如何提高農產品產量和經濟效益迫在眉睫。為了滿足中國人口較多的現狀，合理地使用資源，保護環境，世界各國針對21世紀農業可持續發展問題，觀察分析時勢，做出相應的研究和部署。設施農業是把各種高新工程技術和工業化生產應用在農業生產中。傳統監控方式浪費人力，但隨著通信技術的發展，研究人員將監測數據發送到遠程終端APP界面上顯示。所以，本文采用ZigBee技術和無線傳輸技術以及上位機終端和APP軟件實現了智能遠程監控功能。該系統利用ZigBee技術實現了無線區域傳感器網絡，完成對農田環境溫濕度、氣體濃度、光照強度等信息的采集。測試結果表明該系統耗能少，科技含量高，使用經濟簡單，可以有效地在設施農業中使用[1]。

1 系統總體結構設計

基于物聯網的設施農業監控系統由ZigBee協調器、網關模塊、ZigBee終端節點、上位機、智能手機終端APP構成。系統方案如圖1所示。連接二氧化碳濃度傳感器、溫濕度傳感器、光照傳感器的終端節點將環境數據采集起來，ZigBee終端節點和ZigBee協調器建立網絡，網關接受數據后通過WiFi模塊與手機相連。使用基于Java開發的Android手機客戶端APP，工作者能夠直觀地對溫濕度、二氧化碳濃度、光照信息以及報警數據進行查看。工作者可便捷地查詢實時數據。

2 系統硬件設計

系統硬件由應用網關模塊、ZigBee節點采集模塊、無線傳感器網絡3個部分組成。

2.1 無線傳感網絡

無線傳感器網絡（wireless sensor networks，WSN）是一種無中心節點可自組網的分布式系統。在農田監控區域內將眾多傳感器節點均勻放置。傳感器模塊、控制器模塊、通信模塊和電源模塊用無線通信方式相連，通過分層通信協議和分布式算法協調工作來自組織地構建一個網絡系統，使傳感器各節點互相合作；利用功能多樣的傳感器，比如溫濕度、聲音、亮度、壓力、水質成分、土壤成分等[2]。具體情況如圖2所示。

可見，在設施農業中利用應用網關技術正日益受到國內外眾多研究者的重視。同時，隨著移動互聯網的發展，移動終端在設施農業的監控系統中也日益發揮著重要的作用。只有支持智能終端的設施農業環境監控系統，才能在未來的科技競爭中贏得領先地位。在支持智能終端的設施農業環境監控系統的設計過程中，主要涉及3項關鍵技術：（1）無線傳感器網絡技術：以無線通信方式，使用分層的網絡通信協議以及分布式算法，在傳感器節點之間快速搭建網絡系統，使其具有良好的協作能力。（2）WSN應用網關技術：通過應用網關，WSN可以接入Internet/Intranet，從而將采集到的信息回傳給遠程的終端用戶[3]。這些特性使得WSN的應用范圍非常廣泛，涉及軍事應用、工業監視與控制、環境監測、醫療監護、智能家居/建筑、倉儲/物流管理、交通控制管理、精細農業、消費電子、太空探索、反恐、救災等諸多領域[4]。（3）智能終端上位機軟件設計技術：區別于普通上位機軟件的設計，智能終端與下位機的通訊方式由有線線纜的串行通訊方式更換為由移動互聯網承載的無線通訊或者藍牙、WiFi等短距離通訊技術。

2.2 網關模塊

本文選用了STM32這顆MCU。基于Cortex-M3內核的STM32F103系列芯片基于ARMv7體系結構的32位標準RISC（精簡指令集）處理器，提供很高的代碼效率，它是不需操作系統的ARM，其性能遠高于51系列單片機，但開發過程與51系列單片機一樣簡便，因而在很多應用場合可替代51系列單片機。但是傳統的嵌入式微處理器要么是8位的處理器，性能有限，要么是32位基于ARM的微處理器在使用上需要嵌入式操作系統的支持，比如Linux操作系統，使得系統不夠精煉。這一情況直到ARM公司推出Cortex-M內核才得以改善，它無需操作系統，可以像單片機一樣使用C語言進行編程，極大的減少了開發者的工作量[5]。多樣的片上資源使得STM32F103系列微處理器在多種方面都顯示出了強大的發展潛力（見圖3）。

具體功能設計如下。

（1）數據上報。數據上報功能可以通過直接轉發WSN中傳感器節點的報文實現。程序偽代碼如下：

（2）控制策略下發。下發的控制策略對于網關來說沒有區別，因此網關只需要直接廣播上位機的TCP包即可實現策略下發。程序偽代碼如下。

2.3 ZigBee節點模塊

Zigbee終端節點包括傳感器模塊、處理器模塊、無線通信模塊以及電源模塊。STM32芯片集成了USB轉串口驅動電路塊和處理器模塊，進而簡化了外部電路設計，因此終端節點的設計主要就是設計傳感器模塊。本系統采用DHT11溫濕度傳感器，它是一款含有已校準數字信號輸出的溫濕度復合傳感器，采用單線制串行接口，1個I/O接口就可以同時對溫濕度進行測量[6]。ZigBee節點模塊流程圖如圖4所示。

3 協議轉換方式

3.1 透明傳輸

一種協議轉換方式是在WSN和上位機之間實現數據報的透明傳輸。分析報文可得，WSN內部的通訊方式是：（1）路由幫助傳輸數據。（2）路由，即傳感器節點與網關點對點通信。（3）網關對所有傳感器節點廣播控制策略。

而上位機與網關之間的通訊也是類似的，上位機通過網關獲得目前的監測數據，上位機通過網關下發控制策略。因此可以通過直接轉發數據上報報文給所有連接的客戶端。同時也透明地將客戶端發送的所有策略報文通過ZigBee網絡轉發到所有的WSN節點來實現上位機與WSN之間的透明傳輸。

這種實現方式的優點是實現簡單，網關的MCU處理數據量較小，但也存在一定的缺陷，如無法緩存數據，無法查看歷史數據，無法實時拉取配置等。

3.2 應用層轉換

另一種協議轉換方式是另行實現應用層協議實現協議的轉換功能。網關充當應用服務器的角色向客戶端（上位機）提供服務，網關將客戶端抽象的請求，轉變為具體而明確的要求或者過程調用，從而實現更為復雜的業務需求。這樣做的好處是可以在原有功能的基礎上承載一些更為復雜的業務，如歷史數據分析，閾值警報，配置的持久化存儲，基于Web的遠程管理等，同時對支持業務的擴充也較為方便，且具有較好的安全性能，可以進行上位機-WSN的雙向鑒權，可以確保數據和節點不被惡意的劫持和訪問。但這對網關的MCU處理能力提出了更為嚴苛的要求，同時需要另行設計應用層協議。

4 手機端操作軟件

系統主體單元是手機APP，由于安卓系統開發可以自由定制的操作界面，相比其他系統，安卓操作系統更易上手，智能化也比較好。APP的設計也具有人性化界面的設計包括環境狀態圖形化的顯示。最終用戶通過Android平臺上的上位機軟件接入WSN從而獲取傳感器節點的各種數據，并將控制策略下發到各個傳感器節點。在數據統計方面，要能夠以圖表形式呈現各種數據，并且持久性地保存網關的配置數據，能夠控制傳感器節點的自動調節閾值，并能夠手動打開溫度、濕度、二氧化碳濃度的調節功能。

數據監控功能主要提供對設施農業的4種重要指標：溫度、濕度、二氧化碳濃度、照度的監控功能支持，并能夠以動態折線圖的形式呈現。遠程控制功能主要提供對4種調節器的直接控制功能，允許用戶直接使用App對農作物的生長進行調節而無需達到預先設定的閾值。遠程控制功能的優先級高于自動調節功能。參數調整功能允許對預設的網關地址和端口進行調整以支持網關的公網部署，NAT穿透等其他方式應用。同時參數調整功能可以對傳感器觸發自動調節功能的各項指標閾值進行調整（見圖5）。

5 結語

本系統實現了通過Android平臺上的上位機軟件快速接入WSN，具有兼容性好、可擴展性強、使用方便等優點。通過智能終端獲取傳感器節點的各種數據，并以圖表形式呈現各種數據，進行數據分析，并支持直接將控制策略下發到各個傳感器節點、控制傳感器節點的自動調節閾值，并能夠手動打開溫度、濕度、二氧化碳濃度的調節功能，具有較強的實用價值。

[參考文獻]

[1]廖允成，王立祥.設施農業與中國農業現代化建設[J].農業現代化研究，1999（1）：5-8.

[2]盧闖，彭秀媛，宣鍇，等.物聯網在設施農業中的應用研究[J].農業網絡信息，2011（9）：10-13.

[3]甘勇，王華，常亞軍，等.基于ARM平臺的Zigbee網關設計[J].通信技術，2009（1）：199-201.

[4]Lee J S，Su Y W，Shen C C.A comparative study of wireless protocols：Bluetooth， UWB，ZigBee，and Wi-Fi[J].IEEE，2007（7）：46-51

[5]孫書鷹，陳志佳，寇超.新一代嵌入式微處理器STM32F103開發與應用[J].網絡新媒體技術，2010（12）：59-63.

[6]劉同法.ARM Cortex-M3內核微控制器快速入門與應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2009.

Research of Facility Agriculture Monitoring System Based on Internet of Things

Tian Min， Fei Xiaowei， Zhao Dizhi， Xin Guolong

（College of Information Science and Technology，Shihezi University，Shihezi 832003，China）

Abstract： This article reviews a facilities agricultural monitoring system base upon Internet of Things（IoT），which connect sensor of the farmland to net of ZigBee，and detect the real-time data of temperature，humidity，carbon dioxide and illuminance in the farmland，get through mobile software and wireless network to achieve monitor and control environment of the farmland.Through linking LOT technology and ZigBee technology to establish wireless sensor network，meanwhile collection of environment information by node of ZigBee，and using wireless network to monitor environment as well as realize rea-time monitoring by Android technology.

Key words： ZigBee； wireless sensor network； Android technology