李敏

摘要：對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能及時(shí)獲知農(nóng)作物生產(chǎn)狀態(tài)，對(duì)指導(dǎo)農(nóng)業(yè)科學(xué)生產(chǎn)，提高生產(chǎn)效率，改善農(nóng)村生產(chǎn)生活環(huán)境，促進(jìn)農(nóng)業(yè)增產(chǎn)增收具有重要意義。提出了基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方案，設(shè)計(jì)了基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、基于嵌入式技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中心，實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化提供參考，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中的科學(xué)管理提供了有力支持。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；嵌入式；農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)；ZigBee技術(shù)；無(wú)線傳感器

中圖分類號(hào)： S126；TP277文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)：1002-1302（2016）05-0387-04

當(dāng)前我國(guó)正掀起“美麗家園” 新農(nóng)村建設(shè)的高潮，農(nóng)業(yè)智能化、現(xiàn)代化是新農(nóng)村建設(shè)的重要內(nèi)容?；谖锫?lián)網(wǎng)的智能農(nóng)業(yè)是在現(xiàn)代信息技術(shù)支撐下的新的農(nóng)業(yè)形態(tài)，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)，即對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)中的農(nóng)作物生長(zhǎng)情況、溫度、濕度、光照度、土壤營(yíng)養(yǎng)等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與控制，能有效改善農(nóng)作物生產(chǎn)環(huán)境，提高產(chǎn)量與質(zhì)量[1]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用，極將大提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率與質(zhì)量，同時(shí)有效降低生產(chǎn)成本，促進(jìn)農(nóng)村生產(chǎn)生活環(huán)境的改善。

1系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1系統(tǒng)整體性分析

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成[2]。感知層包括信息采集、協(xié)同處理、智能組網(wǎng)和信息服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)層的功能是實(shí)現(xiàn)感知數(shù)據(jù)和控制信息傳遞，建立感知層與應(yīng)用層的信息交互橋梁。應(yīng)用層主要是通過(guò)分析處理感知數(shù)據(jù)，為用戶提供各種特定服務(wù)或應(yīng)用。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境主要包括溫濕度、光照度、CO2濃度等。為了實(shí)時(shí)測(cè)量這些信息，感知設(shè)備一般都是部署于遠(yuǎn)郊溫室、大田、野外現(xiàn)場(chǎng)。由于農(nóng)業(yè)對(duì)象的多樣性、多變性和地勢(shì)的復(fù)雜性等特點(diǎn)，需要部署數(shù)量龐大的傳感器，而且傳統(tǒng)的傳感器有線組網(wǎng)方式，設(shè)備投入大，不適應(yīng)大范圍應(yīng)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(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信。前者過(guò)于依賴固定的PC機(jī)和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，不能實(shí)時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；后者無(wú)法滿足信息多樣化、高質(zhì)量、大數(shù)量的要求。

鑒于以上分析，本研究提出以無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、嵌入式為技術(shù)特點(diǎn)的物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想。通過(guò)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線通信方式對(duì)農(nóng)業(yè)對(duì)象進(jìn)行信息的采集和傳輸、存儲(chǔ)和處理。并且用戶可以通過(guò)智能手機(jī)的客戶端隨時(shí)查看各種信息以及對(duì)各種生產(chǎn)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整與控制。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)環(huán)境信息監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本功能包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境參數(shù)的采集、短距離無(wú)線組網(wǎng)與數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)庫(kù)管理、遠(yuǎn)程設(shè)備的狀態(tài)監(jiān)測(cè)與調(diào)控、智能手機(jī)終端的監(jiān)測(cè)應(yīng)用等。

1.2系統(tǒng)方案及體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)如圖1所示，系統(tǒng)主要由無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中心（中央服務(wù)器）組成。每個(gè)無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要由電源管理模塊、傳感器模塊、信號(hào)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(fā)送各路傳感器數(shù)字信號(hào)。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中心則擁有平臺(tái)軟件和ZigBee協(xié)調(diào)器，用于接收和保存數(shù)據(jù)、參數(shù)分析、數(shù)據(jù)處理等[3]。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

傳感器網(wǎng)絡(luò)由2種節(jié)點(diǎn)組成如圖2所示，分別是末梢節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)（也叫基站節(jié)點(diǎn)）。末梢節(jié)點(diǎn)對(duì)環(huán)境信息進(jìn)行測(cè)量釆集并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)是連接末梢節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)中心之間的聯(lián)接橋梁，其功能是將數(shù)據(jù)匯集并發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中心，同時(shí)將網(wǎng)絡(luò)中心的配置要求發(fā)送給末梢節(jié)點(diǎn)[4]。

2.2溫濕度信息采集電路設(shè)計(jì)

溫濕度采集電路如圖3所示，U3、U4、U5是用于探測(cè)溫濕度的數(shù)字傳感器DS18B20，每一次命令和數(shù)據(jù)的傳輸都是由主機(jī)啟動(dòng)的寫時(shí)序開(kāi)始，此時(shí)從設(shè)備都處在偵聽(tīng)狀態(tài)，數(shù)據(jù)和命令的傳輸順序都是低位在先。在讀取DS18B20檢測(cè)到的溫度數(shù)據(jù)時(shí)，主機(jī)在發(fā)出寫命令后，再啟動(dòng)讀時(shí)序完成數(shù)據(jù)接收[5]。

2.3控制與通信模塊設(shè)計(jì)

運(yùn)用ZigBee技術(shù)將各個(gè)傳感器之間的信息進(jìn)行無(wú)線傳輸，本系統(tǒng)采用TI（德州儀器）公司的ZigBee無(wú)線收發(fā)芯片CC2530和它內(nèi)置的高性能851CPU內(nèi)核作為無(wú)線傳感器節(jié)

點(diǎn)的通信中心和控制中心，技術(shù)成熟、控制質(zhì)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(jī)的UART相連，RST置低電平至少200 ns可讓ZigBee 模塊復(fù)位重啟。

2.4網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中心

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中心的主要功能是感知層與匯聚節(jié)點(diǎn)間的通信、數(shù)據(jù)分析處理、存儲(chǔ)以及網(wǎng)絡(luò)接入并提供應(yīng)用服務(wù)，因此其處理芯片應(yīng)具有良好的數(shù)據(jù)處理性能，并擁有廣泛的硬件擴(kuò)展接口。本系統(tǒng)采用三星公司的S3C6410處理器芯片，此芯片基于ARM11技術(shù)，功能強(qiáng)大，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)核心部件組成如圖5所示。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由傳感器末梢節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)組成[7]。大量傳感器末梢節(jié)點(diǎn)隨機(jī)部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)，通過(guò)ZigBee自組網(wǎng)技術(shù)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)末梢節(jié)點(diǎn)都分配1個(gè)唯一的節(jié)點(diǎn)地址。傳感器采集的各種參數(shù)數(shù)據(jù)沿著末梢節(jié)點(diǎn)逐跳傳輸，經(jīng)過(guò)多跳后路由到匯聚節(jié)點(diǎn)，最后通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)或移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)到達(dá)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中心。無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)具體工作過(guò)程是，在系統(tǒng)上電后，節(jié)點(diǎn)進(jìn)行初始化，開(kāi)始按照事先約定的協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和傳送[8]。如果接收到網(wǎng)絡(luò)中心的指令，末梢節(jié)點(diǎn)就對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理，并按要求修改相關(guān)配置。匯聚節(jié)點(diǎn)的功能是聯(lián)通末梢節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)中心之間的數(shù)據(jù)傳輸路徑，同時(shí)監(jiān)管ZigBee模塊和PC機(jī)串口通信模塊，確保兩模塊間的通信暢通。

3.2網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中心程序設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中心程序設(shè)計(jì)詳見(jiàn)圖6。

3.3客戶端手機(jī)監(jiān)測(cè)端軟件設(shè)計(jì)

客戶端手機(jī)檢測(cè)端軟件設(shè)計(jì)詳見(jiàn)圖7。

4系統(tǒng)測(cè)試

4.1實(shí)物原型

數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和主機(jī)通信模塊分別如圖8、圖9所示。

4.2節(jié)點(diǎn)測(cè)試

利用串口調(diào)試軟件對(duì)各傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集、傳輸情況進(jìn)行測(cè)試。（1）將測(cè)試程序代碼分別下載到末梢節(jié)點(diǎn)和基站節(jié)點(diǎn)，末梢節(jié)點(diǎn)的默認(rèn)上傳周期為1 s。（2）將基站節(jié)點(diǎn)與PC機(jī)的串口相連，打開(kāi)串口調(diào)試工具，并將波特率設(shè)置為 9 600。（3）運(yùn)行程序就可以看到串口收到基站節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，如圖10所示?；竟?jié)點(diǎn)有數(shù)據(jù)寫入了串口設(shè)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(jié)點(diǎn)與基站節(jié)點(diǎn)的通信協(xié)議為：指令碼+節(jié)點(diǎn)地址+數(shù)據(jù)長(zhǎng)度+數(shù)據(jù)+驗(yàn)證碼。指令1表示節(jié)點(diǎn)1采集到的溫度為19.2℃，濕度為38. 4%，指令2表示節(jié)點(diǎn)2當(dāng)前的溫度為19. 3℃，濕度為38. 5%?；抗?jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)更新速度為1 s。以上測(cè)試說(shuō)明，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采集及傳輸運(yùn)行正常。

4.3嵌入式網(wǎng)絡(luò)中心通信測(cè)試

嵌入式網(wǎng)絡(luò)中心的任務(wù)是為遠(yuǎn)程客戶端提供應(yīng)用服務(wù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具備遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)通信的能力。（1）將嵌入式網(wǎng)絡(luò)中心連接到路由器上，并通過(guò)PC+串口終端的方式對(duì)其進(jìn)行操作。（2）修改ethO-setting文件中的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，并重新啟動(dòng)網(wǎng)卡設(shè)備。（3）開(kāi)啟同一路由器的PC的通信軟件，設(shè)定服務(wù)器地址和端口以及通信方式。（4）輸入測(cè)試內(nèi)容“hello”，并發(fā)送，嵌入式網(wǎng)絡(luò)中心的通信界面如圖11所示，網(wǎng)絡(luò)中心成功接收到了局域網(wǎng)的客戶端的數(shù)據(jù)。該模塊通過(guò)監(jiān)聽(tīng)UDP SOCKET的方式，獲取了客戶端發(fā)送的測(cè)試信息，并成功地解析和顯示了數(shù)據(jù)和客戶端的IP地址和通信端口。

4.4客戶端通信測(cè)試

通過(guò)系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)，移動(dòng)智能設(shè)備即可以查看各數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)采集回的數(shù)據(jù)，如圖12為移動(dòng)終端收到來(lái)自其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳感數(shù)據(jù)。

5結(jié)論

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)中心以及客戶端進(jìn)行測(cè)試，說(shuō)明該系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)合理，系統(tǒng)的基本功能都得以實(shí)現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

[1]孫彥景，丁曉慧，于滿，等. 基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)信息化系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)研究與發(fā)展，2011，48（增刊2）：326-331.

[2]柳平增，畢樹生，薛新宇，等. 基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程智能控制系統(tǒng)研究[J]. 計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2011，19（9）：2154-2156.

[3]He X C，Yung N H. Curvature scale space corner detector with adaptive threshold and dynamic region of support[C]. Proceedings of the 17th International Conference on Pattern Recognition，2004：791-794.

[4]田立勤，林闖，張琪，等. 物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)拓?fù)淇煽啃栽O(shè)計(jì)與優(yōu)化分析[J]. 軟件學(xué)報(bào)，2014，25（8）：1625-1639.

[5]王浩，李玉，秘明睿，等. 一種基于監(jiān)督機(jī)制的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)安全數(shù)據(jù)融合方法[J]. 儀器儀表學(xué)報(bào)，2013，34（4）：817-824.

[6]韓麗英. 基于NFC系統(tǒng)的SWP接口設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D]. 北京：北京郵電大學(xué)，2010：145-179.

[7]柳平增，孟祥偉，田盼，等. 基于物聯(lián)網(wǎng)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)信息感知系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 計(jì)算機(jī)工程與科學(xué)，2012，34（3）：137-141.

[8]劉洋，張鋼，韓璐. 基于物聯(lián)網(wǎng)與云計(jì)算服務(wù)的農(nóng)業(yè)溫室智能化平臺(tái)研究與應(yīng)用[J]. 計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，2013，30（11）：3331-3335.趙文星，吳至境，劉德力，等. 基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的果園環(huán)境智能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]. 江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，44（5）：391-394.