基于ZigBee物聯網的智能農業環境監控系統研究

喻琨 陳政 汪輝 敬美香

摘 要：為了解決我國傳統農業長期以來存在高種植成本、高難度經營管理的問題，利用目前物聯網技術在農作物生長的實時檢測和智能管理方面的應用，從而使得物聯網技術參與到農業管理中來進而有效地促進了農業的快速發展。文章分析了B/S（Browser/Server）、Java和JavaScript語言在MyEclipse開發環境中的關鍵技術，提出采用Tomcat軟件來發布信息并完成數據存儲和查詢功能。用戶可以在局域網（LAN）中訪問監控中心，當檢測到的數據超過設定的閾值范圍時，將由監控中心發出的控制指令，通過以太網傳輸到主控制芯片，然后控制繼電器的開關操作，把農田環境參數和農作物生長信息這些收集來的資料放到數據庫里保存，讓其成為現代農業發展的一個基礎信息庫，從而實現農作物生長環境的實時監測，在農產品的數量和質量上實現雙高，引進現代化的技術投入農業生產。

關鍵詞：ZigBee物聯網 智能農業傳感器 無線傳輸數據采集

中圖分類號：F252.23? 文獻標識碼：A

文章編號：1004-4914（2022）02-022-03

一、引言

我國的農業生產規模小，耕地高度分散。我國自古以來都是一個農業大國，人多地少，主要經濟形式是自給自足的小農經濟，男耕女織是長期以來形成的農業生產模式。如何提高單位面積耕地的利用效率和產量是中國農業面臨的關鍵問題[1]。與此同時，伴隨著我國經濟的快速增長，資源短缺，土壤退化，環境退化等一系列問題逐漸出現。對于我國的農業而言，由于生產技術落后，基礎設施落后以及長期以來科技含量低，在近幾十年的生產過程中，農業生產的效率和管理水平尚未得到全面提高。

為了促使傳統農業向現代農業的轉變發展，必須解決土壤退化、科技含量低、資源短缺等一系列復雜問題。而是否能及時解決這些問題對解決農產品產量和質量問題具有決定性的作用。因此，迫切需要根據農業發展的實際需要，掌握農業領域的相關技術，提高農業信息化程度，加快現代農業建設的步伐[2]，增加農業生產和收入。

物聯網（IoT）技術已應用于農業生產和科學研究，可以改變農業生產和管理水平的模式，加速我國農業現代化的發展，并實現智能農業。可以看出，在物聯網等信息技術的影響下，傳統農業將在短時間內發生巨大變化。

二、系統方案設計

（一）系統需求分析

在農業種植領域，我國長期采用傳統農業生產方式。傳統農業生產方式的不足在于農業生產效率低下，管理水平落后。為了解決傳統農業生產方式不足的問題，所以提出并實施了基于物聯網的農業監控系統（SASIOT）項目，該項目具有實時監控和智能管理的優勢[3]。對于智能農業，農田環境的主要監測參數是土壤的溫度和濕度、環境的溫度和濕度、降雨量、風速大小、二氧化碳的濃度、水環境的酸堿值等。在農田環境參數的采集方面，由于農田地理條件的復雜性和采集參數的多樣性，需要在野外部署很多傳感器，這些傳感器通常需要在野外移動，當面對能量耗盡和其他故障的時候無法正常工作[4]。過去，監控系統的設計主要基于有線模式。對于大片農田，其應用受到局限，無法滿足網絡的動態需求。因此，具有實時監控和智能管理功能的農業監控系統的研究與設計，對于促進我國農業的快速發展，彌補傳統農業生產方式的不足，提高農業生產經濟效益具有重要意義。該系統付諸實踐后，可以大大提高農產品質量，提高農業生產效率和管理水平，并在該地區農業經濟發展中發揮重要作用。

（二）系統方案和架構設計

ZigBee和WiFi共同組成的混合網絡用于實現SASIOT功能。如圖1所示，是SASIOT系統的總體結構，主要由三部分組成，分別是監控中心模塊、農田實時監控模塊、農田信息采集模塊。

農田信息獲取模塊是一個ZigBee無線監控網絡，由土壤溫度和濕度傳感器以及小型氣象站組成。它主要負責收集作物種植區的土壤溫度和濕度數據，環境溫度和濕度數據，降雨量多少，風速大小，二氧化碳濃度和水環境酸堿值的數據。每一個ZigBee監控網絡主要由兩部分組成：一個是負責農田土壤參數獲取的土壤溫度和濕度數據采集節點;另一個是具有雙重功能的網關節點，它具有兩個功能。首先，作為網絡協調員，ZigBee監控網絡可以自動建立和維護，同時可以收集數據。其次，它可以實現農田環境參數的采集和顯示。

監控中心模塊主要負責顯示土壤的溫度、濕度以及環境的溫度、濕度，降雨量多少，風速大小，二氧化碳濃度，水環境的酸堿值，并實時視頻監控并顯示作物生長地區的作物，為農業經營者科學種植提供了有效依據。

基于物聯網的農業監控系統將無線傳感器網絡（WSN）和無線視頻監控網絡與Internet集成在一起。根據物聯網的三層架構，系統可以分為三部分：系統感知層，系統傳輸層和系統應用層。

系統的整個工作過程如下：首先，通過在農田中部署傳感器節點，小型氣象站和高清視頻監視節點，收集農田環境參數并實時監視作物生長狀況。其次，將收集的數據或實地圖像收集到無線網絡中網關（協調器網關）和無線網關通過WSN和無線視頻監控網絡。最后，無線網關（協調器網關）將數據轉發到監視中心進行存儲。系統注冊后，農業經理或普通用戶可以登錄到Web服務器，以獲取有關農田環境參數和作物生長狀況的實時信息。在監控中心的前端界面中，可以通過直方圖，刻度盤和曲線的形式顯示環境演變過程。與此同時，還可以控制傳感節點和無線網關（協調器網關）。

三、系統軟件的設計與實現

（一）系統軟件的設計

該軟件系統主要從三個方面開發和設計相關程序，包括監控中心的相關程序，傳感節點的傳感終端程序，以及協調器網關的網關應用程序[5]。

（二）傳感節點

WSN節點的程序設計主要包括傳感器節點程序和網關節點程序兩個主要部分，主要負責農田感測區中數據的收集和傳輸。每一個結點只有一個結點地址，用來記錄該結點的信息。傳感器結點根據默認配置收集并發送數據。如果結點是從監視中心接收到配置指令，就會對接收到的指令進行分析和處理，然后根據接收到的指令修改配置信息從而進行工作。傳感器節點將根據特定時間段將獲取的數據發送到網關節點，這就是一個明顯的例子。網關節點主要用于傳感器結點與監視中心之間的數據傳輸。等到系統加電和初始化后，將實時監視ZigBee模塊和串行模塊。如果監視數據，則將解析數據。解析后，一方面將數據寫入串行端口，另一方面將數據通過zigBee模塊發送。傳感器節點程序和網關節點程序的流程圖分別顯示在圖3和圖4中。

TDR-3用于設計土壤濕度傳感器。輸出電壓到實際土壤含水量的轉換如公式（1）所示：

式中θv表示土壤水分含量，VOUT是指傳感器輸出電壓值。

式中Y是CO2的濃度，X是傳感器的輸出電壓。

E-201-C-9型pH電極用于設計水環境的pH傳感器。傳感器的輸出電壓與pH的實際值線性相關。

式中Y1表示水環境pH值，X1是水環境pH的傳感器輸出電壓值。

選擇DS-2CD5A24FWD-IZ（H）（S）型高清攝像機作為農業環境監控節點，該節點可以采集受監控區域的實時視頻數據，并壓縮采集的視頻數據，同時支持RS232接口。下行鏈路消息的基本格式如表1所示。

標頭采用固定格式，具有兩個字節的長度，即0X90EB。

（三）監控中心系統分析

根據實際需要，選擇MyEclipse作為監控中心的開發平臺。通過基于B/S架構的HTML（超文本標記語言），它具有很強的互操作性。JAVA不僅是一種編程語言，還是一個應用程序。

為了查詢數據庫中的歷史數據，必須連接數據庫。只有完成數據庫連接后，才能訪問數據庫。表2中顯示了080F0205的節點地址的歷史信息。[6]

四、結論

根據我國農業的實際應用需求，基于IoT體系結構，設計了一種可以實時收集和共享農業環境信息的農業監控系統。該系統可以收集農田的環境參數并實時監測農作物的生長。監控中心的Web服務器可以存儲收集到的信息，為農業的發展提供信息支持，對農業非常重要。

研究并實現了基于物聯網的農業監控系統。但仍然存在一定的局限，需要不斷地改進和提高。

[基金項目：2021年度湖南省社會科學成果評審委員會一般課題《“互聯網+”背景下湖南省智慧養老服務問題研究》（編號：XSP21YBC618）]

參考文獻：

[1] 宋艷.基于物聯網技術的智能農業種植系統設計[J].現代電子技術，2013，36（24）：38-39.

[2] 宋艷，程改蘭.基于物聯網技術的農業種植環境監控系統設計[J].電子設計工程，2014，22（08）：101-103

[3] 鄭婷婷.基于物聯網的智慧農業控制管理系統[D].西安工程大學碩士論文，2018.

[4] 龔燕飛，聶宏林.基于農業物聯網技術的農業種植環境監控系統設計與實現[J].電子設計工程，2016，24（13）：52-55.

[5] 羅嘉龍，劉衛星，陳正銘，林佳煜.基于ZigBee物聯網技術的智能農業灌溉系統設計[J].電腦知識與技術，2018，14（30）：186-189.

[6] 張博文.基于物聯網的智慧農業監控系統研究[D].長江大學碩士論文，2017.

（作者單位：1.長沙衛生職業學院信息中心 湖南長沙 410000;2.湖南工學院計算機與信息科學學院 湖南衡陽 421002;3.長沙民政職業技術學院 湖南長沙 410004;4.湖南交通工程學院經濟管理學院 湖南衡陽 421001）

[作者簡介：喻琨（1980—），男，湖南長沙人，長沙衛生職業學院信息中心主任，實驗師職稱，主要從事教育信息化研究;陳政（1988—），男，湖南常寧人，湖南工學院計算機與信息科學學院講師、碩士，主要從事信息工程管理研究;通訊作者：汪輝（1983—），男，湖南常寧人，湖南交通工程學院電氣與信息工程學院副教授、碩士，主要從事計算機科學與農業信息工程研究;敬美香（1998—），女，湖南邵東人，湖南交通工程學院經濟管理學院講師、碩士，主要從事農業信息工程研究。]

（責編：若佳）