◆方 露 李斌勇 閻澤誠 李文皓 高家奇 齊佳昕 廖懷凱

基于物聯網的大田環(huán)境智能監(jiān)測體系

◆方 露 李斌勇 閻澤誠 李文皓 高家奇 齊佳昕 廖懷凱

(成都信息工程大學網絡空間安全學院 四川 610225)

針對大田農作物環(huán)境安全、農田管理技術匱乏、農作物產量停滯不前等現狀，本文提出了基于物聯網的大田智能監(jiān)測方案。圍繞該監(jiān)測方案，闡述了面向大田管理的物聯網絡拓撲設計思路，并結合Zigbee傳感網絡技術和Web網絡技術，設計出大田監(jiān)測的處理流程。在此基礎上，本文分別從系統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測、數據采集、智能控制等角度，論述了詳細的功能設計方案。最后從物聯層次實現入手，重點對感知層、ZigBee組網和PC端數據處理三方面進行了詳細設計。為大田農作物環(huán)境安全的實時監(jiān)測及預警處理，提供了可行支持。

物聯網；智能監(jiān)測；Zigbee

0 引言

隨著“感知地球”概念的提出，作為第三代網絡的物聯網，是新一代網絡信息技術的重要組成部分，也是“二進制”時代的重要發(fā)展階段。它以電子信息為基礎，以物聯網安全為特色，加以創(chuàng)新和發(fā)展，兼容了物聯網的信息化特點，把各種傳感器和控制元件結合實際情況與我們人和各種事物進行了連接，因此形成了一個巨大的產業(yè)鏈。

近年來，由于天氣變化異常、農田管理技術匱乏、化肥農藥濫用等因素導致農作物產量下降。面對這些不利因素，大田農作物迫切需要構建智能化、物聯化的管理體系，以實現農業(yè)的高效化、生態(tài)化、優(yōu)質化和安全化，為現代農業(yè)發(fā)展提供技術保障。

1 總體設計

1.1 總體設計思想

大田智能監(jiān)測系統(tǒng)主要完成對大田環(huán)境的監(jiān)測和管理，結合高精度傳感器節(jié)點來采集農作物生長環(huán)境中的光照、溫度、濕度、風速、降雨量、二氧化碳濃度、酸堿度等環(huán)境數據，并且通過無線、有線等方式將環(huán)境數據傳輸至數據庫服務器進行存儲管理。從而實現大田管理的自動預報提醒，為自動合理灌溉、自動合理施肥等提供決策支持，最終達到節(jié)省人力、物力和財力、合理灌溉、精準施肥、提高工作效率、提高產量等眾多目的。系統(tǒng)用戶可以通過WEB頁面或者時移動客戶端等方式遠程實時查看環(huán)境情況，也可以查看環(huán)境歷史數據，并可通過遠程操作解決某些突發(fā)狀況。

1.2 網絡拓撲設計

系統(tǒng)主要包括：采集環(huán)境數據的多個傳感器節(jié)點、匯集傳感器節(jié)點、采集數據的協調器節(jié)點、Zigbee網絡與TCP/IP網絡轉換的PC機、數據庫服務器、提供HTTP接口和動態(tài)網頁服務的WEB服務器、用戶數據查看的PC機和手機移動客戶端。

為保障大田的智能監(jiān)測，系統(tǒng)硬件設施之間應構建科學合理的物聯通信網絡拓撲結構，具體構建方案如下：

（1）傳感器節(jié)點與協調器節(jié)點間通過Zigbee網絡通信；

（2）協調器節(jié)點與網關PC機通過串口通信；

（3）網關PC機與數據庫服務器通過Socket套接字通信；

（4）WEB服務器直接通過JDBC（Java DataBase Connectivity standard）、ODBC（Open DataBase Connectivity）等應用程序接口訪問數據庫；

（5）移動應用客戶端通過WEB服務器提供的HTTP形式網絡接口獲取數據。

具體連接方式如圖1所示。

協調器在選擇通道和PAN ID組建網絡后，其功能將相當于一個路由器。協調器節(jié)點加入網絡，并為其路由數據。終端節(jié)點向協調器發(fā)送數據信息。協調器通過串口將收到的數據上傳至PC端，客戶端軟件對協調器傳來的數據進行處理，以顯示在PC或者移動終端上，并且將采集的環(huán)境數據存入數據庫保存。

圖1 物聯拓撲網絡設計圖

1.3 監(jiān)測流程設計

圖2 監(jiān)測流程設計圖

傳感器節(jié)點完成環(huán)境數據采集后，通過ZigBee的方式傳輸至協調器節(jié)點，協調器節(jié)點通過串口通信，將數據傳輸至PC機暫存。PC機后續(xù)通過Socket套接字與數據庫服務器通信，將數據傳輸至數據庫服務器。用戶通過動態(tài)頁面、移動客戶端兩種形式對大田作物生長環(huán)境信息進行實時查看及監(jiān)測。其中，移動客戶端通過調用WEB服務器開放的HTTP形式接口從數據庫獲取所需信息。其監(jiān)測流程圖如2所示。

2 功能設計

2.1 環(huán)境監(jiān)測

環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)建立在遙感、遙測等無線傳感網絡技術手段以及計算機的控制和輔助數據采集、傳輸、分析和處理上，可以通過監(jiān)控器設備實時監(jiān)控或者查看視頻錄像，在監(jiān)控中心或者遠程終端（手機或PC）上隨時查看作物的環(huán)境情況和生長狀況。實現大范圍監(jiān)測、長期無人監(jiān)測、復雜事件監(jiān)測以及同步監(jiān)測功能，突破人工巡檢和單點監(jiān)測的局限性；與人工巡檢的方式不同，無線傳感網可以長期部署在惡劣的天氣狀況下，無需人工維護或配置，不依賴任何基礎設施，感知數據可以通過無線鏈路傳回監(jiān)控中心；避免感知數據相對于環(huán)境變化的滯后，使得數據及時得到反饋，及時采取措施。

2.2 數據采集

環(huán)境數據采集建立在物聯網、精確的傳感器、大數據、云計算等先進的信息技術的基礎上。數據采集包括地面上的數據采集和地面下的數據采集。地面上環(huán)境數據采集有：溫濕度、光照強度、風速、風向、二氧化碳濃度、降雨量等環(huán)境數據。地面下的數據：土壤的酸堿度、土壤溫度、水位、土壤養(yǎng)分等數據。傳感器節(jié)點完成環(huán)境數據采集后，通過ZigBee的方式傳輸至協調器節(jié)點，協調器節(jié)點通過串口通信，將數據傳輸并暫存至PC機。

2.3 智能控制

系統(tǒng)根據監(jiān)測的不同類型的土壤含水量的不同，所種植的農作物的不同，所需的灌溉方式不同等差別，通過監(jiān)測系統(tǒng)以及數據采集系統(tǒng)與灌溉預報軟件的結合，獲得農作物的最佳灌溉時間和最適灌溉量，達到實時合理灌溉，節(jié)約用水的目的。根據農作物種植參數數據庫和大田信息數據庫的綜合分析，實施對農作物合理施肥、噴灑農藥等相關操作。

3 物聯層次設計

3.1 感知層

感知層是物聯網的的核心部分，其定義了物理無線信道和MAC子層之間的接口，提供物理層數據服務和物理層管理服務，并進行數據采集。該系統(tǒng)主要用到溫濕度傳感器、光敏傳感器、位置傳感器、頁面?zhèn)鞲衅?、酸堿度傳感器、煙霧傳感器等

圖3 數據采集流程

傳感器采集數據流程如圖3，一開始便設置儲存地址指針，然后開啟中斷。在采樣時間到來之后配時鐘，用延時的方式等待信號。之后開始AD轉換，當模擬信號全部轉換成數字信號后，將轉換數據存入儲存區(qū)，再次設置儲存地址指針，以此往復循環(huán)。

3.2 ZigBee組網

Zigbee與傳統(tǒng)無線傳輸不同，采用的是組網方式，通過匯聚節(jié)點來接收網絡節(jié)點的信息，再發(fā)送給終端，這樣傳輸速度高，而且Zigbee功率很低。如圖4所示，通過Zigbee組網能夠有效地解決許多傳輸上的問題。ZigBee協議花費較低，并且可以有很高的容錯率，本次的系統(tǒng)需要能夠進行長時間運行且可以有較低功耗的傳輸協議，速率也非?？?，而且可以有較大的覆蓋面積。一個End Device節(jié)點只能和Co-ordinator節(jié)點進行通訊。如果需要在兩個End Device節(jié)點之間進行通訊必須通過Co-ordinator節(jié)點進行信息的轉發(fā)。

圖4 ZigBee拓撲圖

3.3 PC端數據處理

由傳感器（溫度傳感器和光敏電阻）采集空氣中的各種數據：溫度、光照等，然后直接發(fā)送給終端（模塊直接傳輸），終端采集數據，并且將數據通過ZigBee傳輸給同一網絡中的協調器。協調器采集終端發(fā)送的數據，通過串口，將收到的數據發(fā)送給PC機，由PC機接收后進行處理，將生成的模擬數據無線傳輸到PC端，然后先存儲到本地的數據庫中，之后的WEB調用以及HTTP接口進行數據的發(fā)送，都采用的是本地數據庫的數據。另一端的數據通過Socket套接字，將Json數據傳輸到數據庫服務器端，進行動態(tài)存儲。

圖5 數據處理設計

3.4 系統(tǒng)實現

圖6 大田管理界面

如圖6所示為大田管理界面，根據需求將大田分為幾個不同的區(qū)域，用戶可在此頁面查看各個大田的詳情況或修改大田的相關信息，以便對各個大田進行統(tǒng)一管理進而精確地掌握各個大田的情況。

如圖7所示為大田數據監(jiān)測界面，用戶可查看各個大田的實時數據和歷史數據，為用戶提供溫濕度、光照強度等各項大田環(huán)境數據的實時監(jiān)測支持，并及時提供預警處理，確保大田農作物的安全生長。

圖7 大田數據監(jiān)測分析

4 結束語

基于物聯網技術的大田農作物的監(jiān)測、管理系統(tǒng)，主要通過各類傳感器采集大田環(huán)境數據，以及時監(jiān)測農作物生長環(huán)境情況。通過Zigbee組網傳輸數據到PC，存儲在數據庫中，根據數據庫中預置專家意見來采取相應措施使，以實現大田的高效優(yōu)質、安全化管理。隨著物聯網技術水平不斷提高，當物聯網技術對大田農作物達到可控階段時將會更好地為現代農業(yè)服務。此外，對于物聯網大田監(jiān)測系統(tǒng)的安全問題，由于傳感器節(jié)點大多都是小巧便于攜帶而且部署在無人值守的環(huán)境中，容易受到拆卸、損壞等物理方面的攻擊，導致相關數據采集不到或是內部數據被竊而給應用業(yè)務帶來風險。

[1]田宏武，鄭文剛，李寒.大田農業(yè)節(jié)水物聯網技術應用現狀與發(fā)展趨勢[J].農業(yè)工程學報，2016.

[2]張向飛.基于農業(yè)物聯網的數據智能傳輸與大田監(jiān)測應用[D].東華大學，2016.

[3]趙金勝.大田物聯網水肥一體化技術[J].農業(yè)與技術，2016.

[4]新疆生產建設兵團：集成物聯網應用系統(tǒng) 推進大田種植棉花精準生產[J].農業(yè)工程技術，2015.

[5]童領，陳曙光，王俊嶺，紀然然，彭晶晶，薛強.基于物聯網的大田作物視頻監(jiān)測系統(tǒng)[J].農業(yè)與技術，2014.

國家自然科學青年基金項目(71701026)、四川省科技計劃項目(2018GZ0307)、四川省教育廳重點項目(17ZA0069)、成都市科技局軟科學項目(2016-RK00-00089-ZF)、成都信息工程大學科研基金資助項目(KYTZ201618)。