基于物聯網技術的農業環境監測系統研究與設計

李敏

摘要：對農業生產環境進行實時監測，能及時獲知農作物生產狀態，對指導農業科學生產，提高生產效率，改善農村生產生活環境，促進農業增產增收具有重要意義。提出了基于物聯網技術的農業環境監測系統方案，設計了基于ZigBee技術的無線傳感器網絡、基于嵌入式技術的網絡服務中心，實現了對農業生產環境參數的實時監測，為農業生產的智能化提供參考，為農業生產過程中的科學管理提供了有力支持。

關鍵詞：物聯網；嵌入式；農業環境監測；ZigBee技術；無線傳感器

中圖分類號： S126；TP277文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）05-0387-04

當前我國正掀起“美麗家園” 新農村建設的高潮，農業智能化、現代化是新農村建設的重要內容。基于物聯網的智能農業是在現代信息技術支撐下的新的農業形態，基于物聯網技術的農業生產環境監測系統，通過對農業環境監測，即對農業生產過中的農作物生長情況、溫度、濕度、光照度、土壤營養等進行實時監測與控制，能有效改善農作物生產環境，提高產量與質量[1]。物聯網技術在農業生產中的應用，極將大提升農業生產效率與質量，同時有效降低生產成本，促進農村生產生活環境的改善。

1系統總體方案設計

1.1系統整體性分析

基于物聯網技術的農業環境監測系統由感知層、網絡層和應用層組成[2]。感知層包括信息采集、協同處理、智能組網和信息服務。網絡層的功能是實現感知數據和控制信息傳遞，建立感知層與應用層的信息交互橋梁。應用層主要是通過分析處理感知數據，為用戶提供各種特定服務或應用。

農業生產環境主要包括溫濕度、光照度、CO2濃度等。為了實時測量這些信息，感知設備一般都是部署于遠郊溫室、大田、野外現場。由于農業對象的多樣性、多變性和地勢的復雜性等特點，需要部署數量龐大的傳感器，而且傳統的傳感器有線組網方式，設備投入大，不適應大范圍應用。

另外在通信方面，通常采用B/S、C/S的PC方式或者短信SMS的方式進行遠程數據通信。前者過于依賴固定的PC機和傳統網絡，不能實時進行監測；后者無法滿足信息多樣化、高質量、大數量的要求。

鑒于以上分析，本研究提出以無線傳感器網絡、嵌入式為技術特點的物聯網農業環境監測系統的設計思想。通過無線傳感器網絡和無線通信方式對農業對象進行信息的采集和傳輸、存儲和處理。并且用戶可以通過智能手機的客戶端隨時查看各種信息以及對各種生產參數進行調整與控制。基于物聯網技術的農業環境信息監測系統的基本功能包括農業生產環境參數的采集、短距離無線組網與數據傳輸、數據處理以及數據庫管理、遠程設備的狀態監測與調控、智能手機終端的監測應用等。

1.2系統方案及體系結構設計

監測系統總體框架設計如圖1所示，系統主要由無線傳感網絡節點和網絡服務中心（中央服務器）組成。每個無線傳感網絡節點主要由電源管理模塊、傳感器模塊、信號處理電路、嵌入式處理器、ZigBee模塊、RS232串口模塊等組成，用于采集并發送各路傳感器數字信號。網絡服務中心則擁有平臺軟件和ZigBee協調器，用于接收和保存數據、參數分析、數據處理等[3]。

2系統硬件設計

2.1傳感器節點設計

傳感器網絡由2種節點組成如圖2所示，分別是末梢節點和匯聚節點（也叫基站節點）。末梢節點對環境信息進行測量釆集并通過無線網絡將數據發送給匯聚節點，匯聚節點是連接末梢節點與網絡中心之間的聯接橋梁，其功能是將數據匯集并發送給網絡中心，同時將網絡中心的配置要求發送給末梢節點[4]。

2.2溫濕度信息采集電路設計

溫濕度采集電路如圖3所示，U3、U4、U5是用于探測溫濕度的數字傳感器DS18B20，每一次命令和數據的傳輸都是由主機啟動的寫時序開始，此時從設備都處在偵聽狀態，數據和命令的傳輸順序都是低位在先。在讀取DS18B20檢測到的溫度數據時，主機在發出寫命令后，再啟動讀時序完成數據接收[5]。

2.3控制與通信模塊設計

運用ZigBee技術將各個傳感器之間的信息進行無線傳輸，本系統采用TI（德州儀器）公司的ZigBee無線收發芯片CC2530和它內置的高性能851CPU內核作為無線傳感器節

點的通信中心和控制中心，技術成熟、控制質量好、功耗小、成本低廉[6]。ZigBee模塊的接口電路如圖4所示，RX、TX與單片機的UART相連，RST置低電平至少200 ns可讓ZigBee 模塊復位重啟。

2.4網絡服務中心

網絡服務中心的主要功能是感知層與匯聚節點間的通信、數據分析處理、存儲以及網絡接入并提供應用服務，因此其處理芯片應具有良好的數據處理性能，并擁有廣泛的硬件擴展接口。本系統采用三星公司的S3C6410處理器芯片，此芯片基于ARM11技術，功能強大，網絡服務核心部件組成如圖5所示。

3系統軟件設計與實現

3.1無線傳感器網絡節點程序設計

無線傳感器網絡系統由傳感器末梢節點和匯聚節點組成[7]。大量傳感器末梢節點隨機部署在監測區域內，通過ZigBee自組網技術構成網絡，每個末梢節點都分配1個唯一的節點地址。傳感器采集的各種參數數據沿著末梢節點逐跳傳輸，經過多跳后路由到匯聚節點，最后通過互聯網或移動通信網絡到達網絡服務中心。無線傳感網絡具體工作過程是，在系統上電后，節點進行初始化，開始按照事先約定的協議進行數據采集和傳送[8]。如果接收到網絡中心的指令，末梢節點就對數據進行解析處理，并按要求修改相關配置。匯聚節點的功能是聯通末梢節點與網絡中心之間的數據傳輸路徑，同時監管ZigBee模塊和PC機串口通信模塊，確保兩模塊間的通信暢通。

3.2網絡服務中心程序設計

網絡服務中心程序設計詳見圖6。

3.3客戶端手機監測端軟件設計

客戶端手機檢測端軟件設計詳見圖7。

4系統測試

4.1實物原型

數據采集節點和主機通信模塊分別如圖8、圖9所示。

4.2節點測試

利用串口調試軟件對各傳感器節點的數據采集、傳輸情況進行測試。（1）將測試程序代碼分別下載到末梢節點和基站節點，末梢節點的默認上傳周期為1 s。（2）將基站節點與PC機的串口相連，打開串口調試工具，并將波特率設置為 9 600。（3）運行程序就可以看到串口收到基站節點發送的數據，如圖10所示。基站節點有數據寫入了串口設備，其中前2條指令為指令1：01 01 26 28 04 13 14 7B和指令2：01 02 04 26 32 13 1E 8F。末梢節點與基站節點的通信協議為：指令碼+節點地址+數據長度+數據+驗證碼。指令1表示節點1采集到的溫度為19.2℃，濕度為38. 4%，指令2表示節點2當前的溫度為19. 3℃，濕度為38. 5%。基部節點的數據更新速度為1 s。以上測試說明，無線傳感器網絡的節點數據采集及傳輸運行正常。

4.3嵌入式網絡中心通信測試

嵌入式網絡中心的任務是為遠程客戶端提供應用服務，進行數據傳輸，具備遠程網絡通信的能力。（1）將嵌入式網絡中心連接到路由器上，并通過PC+串口終端的方式對其進行操作。（2）修改ethO-setting文件中的網絡設置，并重新啟動網卡設備。（3）開啟同一路由器的PC的通信軟件，設定服務器地址和端口以及通信方式。（4）輸入測試內容“hello”，并發送，嵌入式網絡中心的通信界面如圖11所示，網絡中心成功接收到了局域網的客戶端的數據。該模塊通過監聽UDP SOCKET的方式，獲取了客戶端發送的測試信息，并成功地解析和顯示了數據和客戶端的IP地址和通信端口。

4.4客戶端通信測試

通過系統軟硬件的設計，移動智能設備即可以查看各數據采集節點采集回的數據，如圖12為移動終端收到來自其中一個節點的傳感數據。

5結論

通過對系統傳感器節點、網絡中心以及客戶端進行測試，說明該系統軟硬件的設計合理，系統的基本功能都得以實現。

參考文獻：

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