李強(qiáng) 王春山 王愛新 郭濤

摘要：該文簡單介紹了當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的最新發(fā)展，研究設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)田數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)融合了嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以及3G技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)田信息的采集與傳輸，具有響應(yīng)快，低成本，低功耗的顯著特點(diǎn)，該系統(tǒng)對進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的應(yīng)用研究有一定借鑒意義。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；ZigBee；農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化；農(nóng)田數(shù)據(jù)采集

中圖分類號：TP393文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044(2012)24-5899-03

The Application of Internet of Things Technology in Agricultural Modernization

LI Qiang，WANG Chun-shan，WANG Ai-xin，GUO Tao

（The College of Information Science &Technology, Agriculture University of Hebei, Baoding 071001,China）

Abstract: This paper briefly introduces the latest development of the Internet of Things（IOT）technology，research and design field infor mation acquisition system based on the IOT. The system include the technology of embedded system, ZigBee and 3G technology, to achieve the farmland information collection and transmission. The design has characteristics of low construction、low cost、high scalablity.It is meaningful to research the application of Internet of things in agricultural modernization.

Key words: internet of things;ZigBee; agricultural modernization；field information acquisition

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分。其英文名稱是“The Internet of things”。我國已將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)列入到“十二五”發(fā)展規(guī)劃當(dāng)中，根據(jù)規(guī)劃，“十二五”期間，我國主要致力于物聯(lián)網(wǎng)核心技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化、關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)研究與制定、產(chǎn)業(yè)鏈條建立與完善、重大應(yīng)用示范與推廣等方面，力爭到2015年，初步形成創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)、應(yīng)用牽引、協(xié)同發(fā)展、安全可控的物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展格局。同時(shí)，以推進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)進(jìn)步及物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)業(yè)為導(dǎo)向，以特色農(nóng)業(yè)、汽車生產(chǎn)、電力設(shè)施、石油化工、光學(xué)制造、家居照明、海洋港口等一批特色產(chǎn)業(yè)基地為依托，打造一批物聯(lián)網(wǎng)特色產(chǎn)業(yè)聚集區(qū)。目前公認(rèn)的物聯(lián)網(wǎng)定義是通過智能傳感器、射頻識別（RFID）、激光掃描儀、全球定位系統(tǒng)（GPS）、遙感等信息傳感設(shè)備及系統(tǒng)和其他基于“物一物”通信模式（M2M）的短距無線自組織網(wǎng)絡(luò)，按照約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種巨大智能網(wǎng)絡(luò)。目前物聯(lián)網(wǎng)的核心技術(shù)是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（ZigBee），該協(xié)議具有低成本，低功耗，協(xié)議簡單，安全可靠，自動(dòng)組網(wǎng)等特點(diǎn)，

當(dāng)前我國正處在加快改造傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)、走中國特色農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化道路的關(guān)鍵時(shí)刻。要推進(jìn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的改造，就需要著力改善農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施和裝備條件，大力加強(qiáng)農(nóng)業(yè)科技進(jìn)步和人才隊(duì)伍建設(shè)，健全現(xiàn)代農(nóng)業(yè)經(jīng)營制度，完善現(xiàn)代農(nóng)業(yè)支持保護(hù)體系，辦好全國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)，有計(jì)劃、有步驟地扎實(shí)推進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)，為促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展提供有力支撐。如何將當(dāng)今最前沿的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器技術(shù)和信息技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)中，是我們需要認(rèn)真研究的重要課題。

該文研究設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的智能農(nóng)田數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，用以探索物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化中的應(yīng)用解決方案。該系統(tǒng)通過智能傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將農(nóng)田土壤的溫、濕度等數(shù)據(jù)采集、匯總，并通過3G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控平臺進(jìn)行分析處理。

1總體設(shè)計(jì)

根據(jù)農(nóng)田數(shù)據(jù)采集的需要，該文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括無線傳感器監(jiān)控節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和監(jiān)控中心等三大部分構(gòu)成，其中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的監(jiān)控節(jié)點(diǎn)為ZigBee PRO網(wǎng)絡(luò)的路由器和普通節(jié)點(diǎn)，被隨機(jī)放置在農(nóng)田數(shù)據(jù)的采集區(qū)域用來采集和傳輸相關(guān)參數(shù)，如土壤的溫度、濕度等，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)由監(jiān)控主機(jī)、ZigBee PRO網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器和3G模塊組成，負(fù)責(zé)接收各節(jié)點(diǎn)采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)，再通過移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)最新技術(shù)-3G上傳至監(jiān)控中心，監(jiān)控中心對采集到數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。

2硬件設(shè)計(jì)部分

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（ZigBee PRO）中，主要由三種設(shè)備構(gòu)成：網(wǎng)關(guān)（協(xié)調(diào)器），全功能設(shè)備（路由器），精簡功能設(shè)備（節(jié)點(diǎn)）。網(wǎng)關(guān)是網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)中心和管理中心,負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的初始化和實(shí)時(shí)管理，在初始化過程中，協(xié)調(diào)器通過隨機(jī)地址分配的方式，為加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)分配地址，建立通信鏈路，并在網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行過程中，監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的流量和運(yùn)行情況，完成網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的管理。全功能設(shè)備是網(wǎng)絡(luò)中的中繼節(jié)點(diǎn)，它既可以作為中繼設(shè)備，又可以作為終端節(jié)點(diǎn)使用，負(fù)責(zé)在規(guī)模較大的網(wǎng)絡(luò)中起中繼作用，并且在ZigBee PRO網(wǎng)絡(luò)中，通過RSSI（Received Signal Strength Indication）的監(jiān)測，通過三邊定位算法，完成對無線傳感器節(jié)點(diǎn)的定位。而這三種設(shè)備的功能區(qū)分，主要是通過編譯器下載到節(jié)點(diǎn)中的相對應(yīng)的ZigBee PRO協(xié)議棧的功能角色對應(yīng)的相關(guān)程序進(jìn)行區(qū)分，對于在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中所有網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、路由器節(jié)點(diǎn)和普通節(jié)點(diǎn)，其核心硬件設(shè)計(jì)都是相同的。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的所有無線傳感器節(jié)點(diǎn)核心結(jié)構(gòu)是相同的，都是由TI公司的ZigBee（SOC）芯片CC2531、和相關(guān)外圍電路構(gòu)成。對于監(jiān)控節(jié)點(diǎn)又添加了農(nóng)田數(shù)據(jù)采集模塊，由SHT10溫濕度傳感器和相關(guān)外圍電路組成。其中：TI公司的CC2531包含一個(gè)高性能2.4GHz，采用DSSS（直接序列擴(kuò)頻技術(shù)）的射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級小巧高效的8051控制器，集成符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz的RF無線電收發(fā)機(jī)，其內(nèi)部有128位AES加密的安全處理器，同時(shí)該芯片帶有USB 2.0全速接口，使用3.3 V供電，由于該接口為全速設(shè)備，因此USB的D+信號線通過電阻上拉。

本系統(tǒng)中，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)被設(shè)計(jì)為通過USB接口可以直接與監(jiān)控主機(jī)連接通信。溫濕度傳感器采用瑞士盛世瑞恩SHT10，濕度測量范圍：0~100%；溫度測量范圍：-40~123.8攝氏度。監(jiān)控節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

3軟件設(shè)計(jì)部分

3.1監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)各監(jiān)控節(jié)點(diǎn)與無線網(wǎng)關(guān)之間的數(shù)據(jù)通信，是基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的Z-Stack協(xié)議棧開發(fā)。ZigBee PRO協(xié)議棧是在IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上建立的，定義了協(xié)議的MAC和PHY層。ZigBee設(shè)備應(yīng)該包括IEEE802.15.4（該標(biāo)準(zhǔn)定義了RF射頻以及與相鄰設(shè)備之間的通信）的PHY和MAC層，以及ZigBee堆棧層：網(wǎng)絡(luò)（NWK）、應(yīng)用層和安全服務(wù)提供層。系其中Z-Stack的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖3所示。本系統(tǒng)采用Ti公司的無線傳感器芯片CC2531，TI公司為該芯片的Z-Stack協(xié)議棧寫好了協(xié)議部分的代碼，即節(jié)點(diǎn)間的通信問題，開發(fā)人員無需關(guān)心。開發(fā)人員只需將主要精力投入在應(yīng)用層開發(fā)即可，省去了開發(fā)底層通信協(xié)議的繁瑣工作。Z-Stack以操作系統(tǒng)的形式給出，系統(tǒng)中所有的操作被定義任務(wù)或事件實(shí)現(xiàn)。

3.2網(wǎng)關(guān)與上位機(jī)通信設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

在本監(jiān)控系統(tǒng)中，監(jiān)控網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控主機(jī)之間的通信是通過CC2531自帶的USB2.0全速接口實(shí)現(xiàn)。該接口最大傳輸速率可達(dá)12Mb/s,數(shù)據(jù)傳輸率較普通串口通信有了很大的提高。

CC2531的USB接口通過兩種模式實(shí)現(xiàn)通信功能：一是作為HID（人機(jī)工程接口設(shè)備）出現(xiàn)；一是通過CDC類，實(shí)現(xiàn)USB轉(zhuǎn)換成虛擬串口形式通信。針對這兩種模式，TI公司都給出了相應(yīng)的協(xié)議棧樣例程序?qū)崿F(xiàn)。其中對于HID模式，TI公司模擬的是鍵盤和

鼠標(biāo)這兩種標(biāo)準(zhǔn)HID設(shè)備的通信過程，用戶如需使用，直接通過IAR編譯協(xié)議棧程序，下載至CC2531中即可。本系統(tǒng)由于在使用USB進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，使用的不是HID的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，所以需要在原有的協(xié)議?；A(chǔ)上實(shí)現(xiàn)自定義HID設(shè)備的接口應(yīng)用，需對源程序進(jìn)行改動(dòng)實(shí)現(xiàn)。

HID設(shè)備連接到USB主機(jī)后，主機(jī)通過發(fā)送Get_Descriptor請求讀取HID設(shè)備的描述符，描述符對雙方通信是否成功至關(guān)重要，HID設(shè)備除了支持USB設(shè)備的5種標(biāo)準(zhǔn)描述符之外，還支持HID設(shè)備特有的3種描述符。這些描述符是：USB標(biāo)準(zhǔn)描述符：設(shè)備、配置、接口、端點(diǎn)和字符串描述符。HID特有的描述符：HID、報(bào)表（Report）和實(shí)體（Physical）描述符。這里，我們主要是對HID的描述符進(jìn)行重新設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。幾個(gè)主要類型描述符摘要如下：

1）設(shè)備描述符

deviceDesc: ; Device descriptor

DB deviceDescEnd - deviceDesc ;描述符長度

DB DESC_TYPE_DEVICE;類型

DW 0200H;版本號

DW 0451H;設(shè)備廠商（Texas Instruments）

DW16A9H;產(chǎn)品型號（CC2531 HID）.

.. ...

2）配置描述符

DB configDescEnd - configDesc ;描述符長度

DB DESC_TYPE_CONFIG;類型

DB 03H;接口數(shù)量（3個(gè)）

DB 01H;描述符標(biāo)識

... ...

3）接口描述符

DB DESC_TYPE_INTERFACE;類型DB 02H;接口編號DB 00H;備用編號DB 01H;端點(diǎn)數(shù)量

DB 03H;接口使用的類（HID）

... ...

4）端點(diǎn)描述符

DB DESC_TYPE_ENDPOINT ;類型

DB 83H;端點(diǎn)地址

DB EP_ATTR_INT ;響應(yīng)方式（中斷）

DW 0008H ;最大數(shù)據(jù)包長度

... ...

5）報(bào)告描述符

報(bào)表描述符定義了執(zhí)行設(shè)備功能的數(shù)據(jù)格式和使用方法，較其他描述符，相對復(fù)雜，這里定義為功能設(shè)備每次傳輸8位數(shù)據(jù)。

DB 0005H, 0001H;通用桌面

DB 0009H, 0000H;自定義應(yīng)用

DB 0015H, 0000H;邏輯最小值

DB 0025H, 0001H;邏輯最大值

DB 0095H, 0001H;傳送數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)

DB 0075H, 0008H;數(shù)據(jù)長度... ...

4結(jié)論

該文簡單介紹了當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的最新發(fā)展，研究設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)田數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)融合了嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以及3G技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)田信息的采集與傳輸，具有響應(yīng)快，低成本，低功耗的顯著特點(diǎn)，該系統(tǒng)對進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的應(yīng)用研究有一定借鑒意義。

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