基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)

張敬增 朱慶偉 于海洋 李道全

摘要：該文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)生長環(huán)境的溫度濕度信息集成系統(tǒng)。首先進(jìn)行了系統(tǒng)構(gòu)架設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行了設(shè)備選型、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建及軟件設(shè)計(jì)。通過Zigbee無線傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時感知、傳遞等功能，并利用CC2530無線單片機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度和濕度等的處理。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)種植環(huán)境溫濕度等數(shù)據(jù)的采集。系統(tǒng)具有成本低廉，控制更簡單，功耗低，組網(wǎng)方便等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：智慧農(nóng)業(yè)；物聯(lián)網(wǎng)；傳感器；Zigbee；CC2530

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）29-0259-04

Abstract： This paper designs and implements a temperature and humidity information integration system based on Internet of things （IOT） for intelligent agricultural growth environment. First， the system architecture is designed， then the equipment selection， network construction and software design are carried out. The Zigbee wireless sensor node is used to realize the function of real-time data perception and transmission， and the CC2530 wireless microcontroller is used to process the temperature and humidity. The experiment shows that the system can collect the temperature and humidity of agricultural planting environment. The system has the advantages of low cost， simple control， low power consumption and convenient networking.

Key words： intelligent agriculture； Internet of things； sensors； Zigbee； CC2530

農(nóng)業(yè)是關(guān)乎民生大計(jì)的第一產(chǎn)業(yè)，中國的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)在轉(zhuǎn)型推進(jìn)現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的進(jìn)程中需要面對切實(shí)保障農(nóng)產(chǎn)品總需求量、轉(zhuǎn)化農(nóng)業(yè)構(gòu)型、提高農(nóng)產(chǎn)品實(shí)用和經(jīng)濟(jì)效益等問題，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、農(nóng)業(yè)資源日益減少的同時利用效率低下、環(huán)保問題突出等阻礙了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的可持續(xù)推進(jìn)的需要。所以，對于農(nóng)業(yè)的物聯(lián)網(wǎng)科技的研發(fā)迫在眉睫。物聯(lián)網(wǎng)是通過感知節(jié)點(diǎn)信息，并經(jīng)網(wǎng)絡(luò)傳輸，以實(shí)現(xiàn)人和人、人和物、物和物整體連接的網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)可應(yīng)用于諸多行業(yè)，如應(yīng)用到農(nóng)業(yè)中，即是我們通常所說的智慧農(nóng)業(yè)。實(shí)際上，智慧農(nóng)業(yè)涵蓋了互聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)、云計(jì)算以及物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等各種技術(shù)，同時實(shí)現(xiàn)了上述技術(shù)的有機(jī)綜合。它利用安裝在農(nóng)業(yè)工作現(xiàn)場的各種傳感節(jié)點(diǎn)（環(huán)境溫濕度、土壤水分、二氧化碳、圖像等）獲取各種信息，通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳至后臺處理中心，再通過各種技術(shù)（如大數(shù)據(jù)、人工智能等）對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，便可實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)環(huán)境的智能感知、智能預(yù)警、智能決策、智能分析和專家實(shí)時分析，給出農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化以更加精細(xì)準(zhǔn)確的種植條件、便捷的管理和智能解決方案[1]。

本文在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的背景下構(gòu)建了種植環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，包括了種植分析硬件的監(jiān)測以及軟件系統(tǒng)開展的研究。主要內(nèi)容有農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)傳感器，其中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過相應(yīng)的模塊收集到溫度、濕度以及光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)，通過由無線接收模塊傳遞信息，然后經(jīng)過后臺管控完成對環(huán)境資料的全部管控，以便對于環(huán)境資料開展管控。論文主要目的是構(gòu)建出一套立足于物聯(lián)網(wǎng)科技的農(nóng)業(yè)環(huán)境管控平臺，大大地提高現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的科技化、數(shù)字化智能力，高效利用土地資源，加強(qiáng)農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)能力和質(zhì)量。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

通過利用CC2530得出溫度、濕度傳感器SHT10的實(shí)時數(shù)據(jù)，同時經(jīng)過CC2530中ADC取得的光感數(shù)據(jù)。然后將所有匯集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絃CD屏幕上。在這個過程中其關(guān)于溫度、濕度的數(shù)據(jù)主要是通過CC2530的I/O（P1.0和P1.1）仿造類似于IIC的進(jìn)程。而其光照感知則利用了內(nèi)部的AIN0系統(tǒng)。整套系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

1.1 協(xié)議介紹

1.1.1 ZigBee技術(shù)

ZigBee是一種高可靠的無線數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，類似于CDMA和GSM網(wǎng)絡(luò)。ZigBee數(shù)傳輸模塊類似于移動網(wǎng)絡(luò)基站。通訊距離從標(biāo)準(zhǔn)的七十五米到幾百米、幾千米，并且支持無限擴(kuò)展。

ZigBee技術(shù)時能夠?qū)崿F(xiàn)較短區(qū)間的無線通信科技，他的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議是IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，網(wǎng)絡(luò)層和安全層主要通過ZigBee核定，而實(shí)際的應(yīng)用變化則需要依據(jù)用戶的需要制定，然后開展對應(yīng)的開發(fā)調(diào)整，所以該技術(shù)可以給予用戶以更加便捷、多樣化的組網(wǎng)途徑[2]。

1.1.2 ZigBee特點(diǎn)

ZigBee技術(shù)主要在于給予更加經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定、便捷以及移動設(shè)施較為簡易、投入較少和能耗較低的無線通信。而這種無線通信主要有這樣幾個特點(diǎn)：數(shù)據(jù)信息傳輸不高、功耗低、數(shù)據(jù)傳輸可靠。

1.1.3 ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

ZigBee技術(shù)的協(xié)議的構(gòu)架非常簡單，其和藍(lán)牙以及另外的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不一樣，這類的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)型一般來說主要有七層，但是ZigBee技術(shù)構(gòu)架只有四層，包括物理層（PHY）、訪問控制層（MAC）、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層。

在ZigBee中，PHY層以及MAC層利用了IEEE802.15.4的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，而PHY層給予2種服務(wù)：也就是利用物理層監(jiān)控實(shí)際的連接并實(shí)現(xiàn)PHY層信息以及PHY層的控制。PHY層的信息資源能夠經(jīng)過無線物理信息載體傳輸和收到物理層協(xié)議信息部位得到。物理層主要通過半雙工的無線收發(fā)器和接口構(gòu)成，其通過開啟、閉合射頻收發(fā)器，探測出信道能量波動，并展示出接收數(shù)據(jù)信息的通路質(zhì)量、單獨(dú)信道評價、擇取信道變化周期、數(shù)據(jù)的收發(fā)。

媒體訪問控制層構(gòu)建了關(guān)于節(jié)點(diǎn)和附近節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定的信息鏈接通道，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的共享傳輸，大大加強(qiáng)了信息通訊。在協(xié)調(diào)器的MAC層，可以生成網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)，也可同步網(wǎng)絡(luò)信標(biāo)，加強(qiáng)ZigBee設(shè)施的關(guān)聯(lián)以及閉合關(guān)聯(lián)，設(shè)置設(shè)備加密。信道通信利用了CSMA/CA信道退避算法，大大避免了信號的碰撞，保障了GTS，允許信標(biāo)使能以及非信標(biāo)使能這2種的信息聯(lián)通方式，給予2種對等的MAC實(shí)體以供給可信賴的信息聯(lián)通。

網(wǎng)絡(luò)層主要是關(guān)于拓?fù)錁?gòu)架的構(gòu)建以及確保網(wǎng)絡(luò)連接，其功能為設(shè)備聯(lián)通以及網(wǎng)絡(luò)中斷時利用的體系，同時還有關(guān)于幀信息運(yùn)輸過程中利用的安全系統(tǒng)。而且還有設(shè)備的路由展現(xiàn)和路由維護(hù)和交換。同時，網(wǎng)絡(luò)層構(gòu)建一跳（one—hop）附近設(shè)備的尋找和對應(yīng)連接點(diǎn)資料保存。單獨(dú)的ZigBee協(xié)調(diào)器能夠構(gòu)建新網(wǎng)絡(luò)，給予新加的設(shè)備提供短IP等。同時，網(wǎng)絡(luò)層還給予一定的函數(shù)信息，保障ZigBee的MAC層的穩(wěn)定開展，同時給予應(yīng)用層以適當(dāng)?shù)姆?wù)連接端口[3]。

應(yīng)用層主要有3部分組成：應(yīng)用支持子層（APS）、ZigBee設(shè)備對象（ZDO）和應(yīng)用框架（AF）。APS主要是篩選網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)，同時把數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭\(yùn)行在部位的不同使用端口。APS定義了一個綁定表，能夠制定、加以及減去組數(shù)據(jù)，構(gòu)建六十四位長IP（IEEE地址）和十六位短IP（網(wǎng)絡(luò)IP）一對一映射，然后達(dá)到了數(shù)據(jù)傳遞的切分與構(gòu)成，APS聯(lián)系著網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，作為二者之間的連接口。而這個接口主要通過兩個服務(wù)實(shí)體給予：APSDE和APSME。APS數(shù)據(jù)實(shí)體給予網(wǎng)絡(luò)里面的節(jié)點(diǎn)以信息傳遞服務(wù)，它能夠分開和重新組建的最大數(shù)量的信息包。APS管理實(shí)體給予安全信息，而節(jié)點(diǎn)的確定，確立和減少組地址，主要對于六十四位IEEE地址和十六位網(wǎng)絡(luò)IP的地址映射[4]。

1.2 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)種植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)業(yè)種植監(jiān)測系統(tǒng)中，主要包括以下兩個部分：其一就是通過感知層開展無線數(shù)據(jù)感知和收集，其二利用網(wǎng)絡(luò)傳輸采集到的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分析、處理，獲取農(nóng)作物生長地區(qū)的溫度、濕度等數(shù)據(jù)，為后續(xù)的控制打下基礎(chǔ)。

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)種植環(huán)境管控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

基于物聯(lián)網(wǎng)科技的農(nóng)業(yè)種植管控部分主要由以下部分構(gòu)成[5][6]：

感知層：數(shù)據(jù)感知和收集，顯示種植過程中的濕度、溫度和光照，自動灌溉系統(tǒng)及時獲取的信息輸送至ZigBee協(xié)調(diào)器上；

網(wǎng)絡(luò)層：ZigBee協(xié)調(diào)器創(chuàng)建一個新網(wǎng)絡(luò)，為新加入的設(shè)備分配短地址，設(shè)備的路由維護(hù)和轉(zhuǎn)交等。

應(yīng)用層：此技術(shù)能夠進(jìn)行信息的收集和存儲、數(shù)據(jù)的處理和監(jiān)控命令的傳輸，給予用戶以研究根據(jù)，用戶能夠隨時利用電腦終端監(jiān)控。

2 系統(tǒng)硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)與設(shè)備選擇

農(nóng)業(yè)種植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)硬件構(gòu)建如圖2所示。其中：

1）無線節(jié)點(diǎn)模塊：ZigBee作為IEEE802.11.4協(xié)議的聚集，其是具有更加經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定、便捷以及移動設(shè)施較為簡易、投入較少和能耗較低的無線通信；

2）傳感及控制模塊：包括溫度傳感器、濕度傳感器、光照強(qiáng)度傳感器；

3）電源板：給予無線節(jié)點(diǎn)區(qū)域以及傳感管理區(qū)域?qū)崿F(xiàn)聯(lián)系控，而且給予系統(tǒng)提供電源。

在上述的系統(tǒng)架構(gòu)中，主要用MCU作為全部管控中心，電池部位使得其在對系統(tǒng)提供電力和鏈接，利用感知區(qū)域使得其在農(nóng)業(yè)環(huán)境下開展分析和具體的信息匯集，利用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)和信息的對比，然后設(shè)置植物成長數(shù)據(jù)，全部的硬件區(qū)域通過無線收發(fā)部分實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的傳輸，然后對于環(huán)境數(shù)據(jù)開展遠(yuǎn)程管控。

2.1 芯片SHT10介紹

SHT10作為一種高集成的溫度、濕度傳感器，給予了全標(biāo)定下的信息輸出。它利用CMOSens科技，保障了產(chǎn)品能夠在更加穩(wěn)定安全的環(huán)境下運(yùn)行。傳感器通過單獨(dú)的電容性聚合體有關(guān)的測量濕度的元件、關(guān)于能隙材料合成的測量溫度的元件，安置在一塊芯片上，和十四位的A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)了串行接口電路的連接。

SHT10引腳性質(zhì)為：

1） VDD，GND SHT10 的供電電壓為 2.4～5.5V。傳感器通上電源后，經(jīng)過大約十一微秒的等待在進(jìn)過“休眠”。這個區(qū)間內(nèi)不需要給予命令提示。使得電源引腳（VDD，GND）區(qū)域能夠加入大約一百nF的電容，用來去除耦濾波。

2） SCK主要被用在微處理器和SHT10的通訊步伐。因?yàn)檫B接還有一部分的完全靜態(tài)邏輯，所以沒有最小SCK頻率。

3） DATA三態(tài)門主要被用于信息的讀取。DATA通過SCK下降沿后期出現(xiàn)變化，同時對于SCK時鐘上升沿認(rèn)定準(zhǔn)確。信息傳輸階段，SCK時鐘處于較高的電平，DATA一定要相對的平穩(wěn)。同時減少信號通道的相互占用，微處理器需要帶動DATA。在較低電平狀態(tài)下，必須要加一個額外的上拉電阻（大約：十歐姆）把信號加大到高電平。而加大電阻一般裝置在微處理器的I/O通路。

2.2 CC2530介紹

CC2530立足在2.4-GHzIEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE上的一種系統(tǒng)解決辦法。其主要的特性就是利用較小的資源投入構(gòu)建穩(wěn)定性強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。CC2530芯片加入了RF收發(fā)裝置，強(qiáng)化的8051CPU，系統(tǒng)內(nèi)存在閃存、8-KBRAM以及很多較為強(qiáng)化的功能。目前CC2530包括有4種不一樣的閃存版本：CC2530F32/64/128/256，容量為32KB/64KB/128KB/256KB。運(yùn)轉(zhuǎn)形式多樣，然而他能夠在較低的功率下運(yùn)行。而且CC2530運(yùn)行的狀態(tài)下相互轉(zhuǎn)換周期短，能夠大大減低功率耗損。

CC2530主要由一個高效的2.4GHzDSSS（直接序列擴(kuò)頻）射頻收發(fā)器中心以及以一個8051管理器，有32KB/64KB/128kB等的閃存以及8kB的RAM，還有ADC、定時器、睡眠定時器、上電復(fù)位、斷電檢驗(yàn)裝置和二十一個可編程I/O引腳，這樣就能夠更好地完成信息模塊的微型。CC2530是作為小功率的單片機(jī)，其正常的功率損耗為3下電流0.2μA，而在32k晶體時鐘下，電流小于等于1μA。

3 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)種植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)程序構(gòu)建下圖3表示，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器軟件過程如圖4表示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為檢測所構(gòu)建的傳感器節(jié)點(diǎn)的傳輸距離和運(yùn)行信息，把溫度、濕度傳感器、感光傳感器依次放置在傳感器節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的端口上，利用串口實(shí)驗(yàn)助手實(shí)驗(yàn)測量信息連接和傳輸。在信息傳輸過程正常沒有干擾的情況下能夠發(fā)現(xiàn)通訊距離約為四百米。

我們建立了簡單的星型網(wǎng)絡(luò)，傳感器節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)距離不超過三百米。第一次數(shù)據(jù)傳輸后，系統(tǒng)休眠，五分鐘后恢復(fù)。然后進(jìn)行第二次傳輸，持續(xù)測量兩小時，并把數(shù)據(jù)通過串口傳到電腦上。表1為2018年7月13日測得的青島室外各時刻的相對濕度表、氣溫和光照強(qiáng)度。從表1可以看到，相對濕度變化平穩(wěn)，在3：00稍有升高，從10：00開始經(jīng)過一段時間光照后直到15：00一直處于下降狀態(tài)，影響室外濕度的因素是前段時間連續(xù)大雨甚至暴雨而導(dǎo)致的空氣中水分含量大。氣溫從上午4：00開始升高至12：00達(dá)到最高26℃，后保持一段時間，15：00開始緩慢下降，但氣溫一直維持在25℃左右，變化并不大。根據(jù)光照強(qiáng)度可以看出，青島日出大概在早上6時左右，日落時間為19時左右，光照強(qiáng)度在午時左右達(dá)到最高值。

5 結(jié)束語

本文構(gòu)建了一個基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)生長環(huán)境的溫度、濕度等信息集成檢測系統(tǒng)。主要通過利用CC2530獲取溫度、濕度等傳感器節(jié)點(diǎn)的實(shí)時數(shù)據(jù)，同時經(jīng)過CC2530中ADC取得光感數(shù)據(jù)，然后將所有匯集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絃CD屏幕上，并通過相應(yīng)軟件將數(shù)據(jù)傳輸至電腦。總體來說，采用基于Zigbee技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)解決方案，組網(wǎng)方便，成本低廉，控制簡單。

參考文獻(xiàn)：

[1] 孫利民.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[J]. 清華大學(xué)出版社.2015.

[2] 張拓.無線多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2013.

[3] 陳旭.基于zigbee的可移動溫度采集系統(tǒng)[D].武漢：武漢科技大學(xué)，2016.

[4] 雷純.基于ZigBee 的多點(diǎn)溫度采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2014，29（2）：43-47.

[5] 王翠茹.基于ZigBee技術(shù)的溫度采集傳輸系統(tǒng)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2013（7）：103-105.

[6] 潘潔，趙翠芹，梁雪，等.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的考勤系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電腦知識與技術(shù)，2018（12）：9-10，13.

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