徐鎮(zhèn)輝，謝淑麗

信息技術(shù)的快速發(fā)展，改變了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)依靠經(jīng)驗(yàn)種植的生產(chǎn)管理方式.目前，我國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在設(shè)施農(nóng)業(yè)應(yīng)用方面已經(jīng)取得了顯著成效［1?2］.

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測是發(fā)展設(shè)施農(nóng)業(yè)的基礎(chǔ)，建立溫室大棚環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，采集大棚環(huán)境數(shù)據(jù)和作物生長狀況，對大棚農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和精細(xì)化管理，保證溫室大棚作物始終處于最適合的生長環(huán)境中，不僅有利于提高大棚農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，也有利于提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)，增加生產(chǎn)效益.

ZigBee 是一種無線傳感網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，具有高可靠、高速度、低功耗、低成本和靈活組網(wǎng)等特征［3?4］，可用于農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng).基于ZigBee 和GPRS 的大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，能夠有效解決環(huán)境信息采集和傳輸過程布線困難、成本高、不穩(wěn)定等問題［5?9］，云平臺服務(wù)具有可擴(kuò)展性強(qiáng)、安全性高、性價(jià)比高等特點(diǎn)［10］.本文設(shè)計(jì)了基于ZigBee 和云平臺的大棚環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，充分發(fā)揮ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和云服務(wù)的優(yōu)勢，搭建云服務(wù)器，開發(fā)移動(dòng)客戶端，降低了系統(tǒng)的開發(fā)成本，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性［9］，部署靈活，便于操作.

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由大棚采集端、云平臺和移動(dòng)客戶端組成，系統(tǒng)總體框架設(shè)計(jì)如圖1所示.

圖1 大棚環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)框架

大棚采集端主要由采集節(jié)點(diǎn)、ZigBee 協(xié)調(diào)器、STM32 主控節(jié)點(diǎn)、GPRS 通信模塊等組成，大棚可以根據(jù)面積大小設(shè)置一個(gè)或多個(gè)采集節(jié)點(diǎn)，采集節(jié)點(diǎn)通過ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)將空氣溫濕度、土壤溫濕度、CO2濃度、光照強(qiáng)度等傳感器數(shù)據(jù)傳送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器匯集大棚節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)并通過串口通信傳送給主控節(jié)點(diǎn)［9］，主控節(jié)點(diǎn)對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理并通過GPRS無線通信將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器云平臺.云平臺包括服務(wù)器和MySQL 數(shù)據(jù)庫，服務(wù)器接收和處理大棚數(shù)據(jù)并存儲到云數(shù)據(jù)庫，提供客戶端請求服務(wù)并對數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進(jìn)行操作.移動(dòng)客戶端與服務(wù)器進(jìn)行交互，實(shí)時(shí)監(jiān)測大棚環(huán)境狀態(tài)，并依據(jù)設(shè)定的閾值及時(shí)發(fā)出警報(bào)通知信息.

2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在移動(dòng)客戶端實(shí)時(shí)監(jiān)測大棚內(nèi)空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度等環(huán)境指標(biāo)，拍照采集主要種植環(huán)節(jié)的作物生長狀況，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理和報(bào)警提示，主要功能如下：

實(shí)時(shí)環(huán)境監(jiān)測.提供各個(gè)大棚的實(shí)時(shí)環(huán)境數(shù)據(jù)，以動(dòng)態(tài)折線圖的形式顯示近1 小時(shí)內(nèi)空氣溫度、空氣濕度、CO2濃度、光照強(qiáng)度等環(huán)境指標(biāo)的變化情況.

環(huán)境閾值設(shè)置.根據(jù)不同的作物或不同的生長時(shí)期，設(shè)置適合生長的環(huán)境指標(biāo)最大值和最小值.

歷史數(shù)據(jù)查詢.提供各個(gè)大棚選定時(shí)間內(nèi)的歷史環(huán)境數(shù)據(jù)查詢，可以選擇近1 天、3天、5 天及選定時(shí)間段的歷史數(shù)據(jù).

天氣信息查詢.提供當(dāng)天及后面6 天的天氣信息查詢，方便用戶對比查看天氣情況.

生長記錄管理.記錄農(nóng)作物種植過程重要節(jié)點(diǎn)信息，包括育種、施種、松土、除草、施肥、除蟲、采摘等重要種植環(huán)節(jié)，便于今后種植過程改進(jìn)和農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)溯源.

預(yù)警通知提示.當(dāng)環(huán)境數(shù)據(jù)超出設(shè)定閾值范圍，能夠發(fā)出聲音、任務(wù)欄提示等警報(bào)信息，以便工作人員及時(shí)采取相應(yīng)措施.

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)部分主要包括采集節(jié)點(diǎn)、主控節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)通信等部分，主要體現(xiàn)在大棚采集端.

3.1 采集節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

采集節(jié)點(diǎn)主要功能是對大棚內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，它由CC2530 核心模塊、各種傳感器、電源模塊、無線發(fā)射模塊等構(gòu)成.CC2530芯片集成了增強(qiáng)型8051 單片機(jī)，支持Z?STACK協(xié)議棧，主要用于ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)組建與數(shù)據(jù)傳輸.系統(tǒng)采用的傳感器包括DHT11 空氣溫濕度傳感器、MH?Z14A 二氧化碳濃度傳感器、BH1750FVI 光照強(qiáng)度傳感器、FDR 型土壤濕度傳感器.采集節(jié)點(diǎn)采用電池供電，系統(tǒng)設(shè)定工作周期，定時(shí)喚醒采集節(jié)點(diǎn)，收集環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù)，在非工作時(shí)間采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)入休眠狀態(tài)，減少電池功耗.

3.2 主控節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

主控節(jié)點(diǎn)是大棚采集端的控制核心，主要負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)的收集、分析、處理和發(fā)送，系統(tǒng)采用STM32F103 增強(qiáng)型控制芯片，該系列芯片使用ARM32 位Cortex?M3 微控制器，最高工作頻率72 MHz，內(nèi)置高速閃存和SRAM 存儲器，具有I2C、USART、USB 等多種通信 接口，以及多個(gè)定時(shí)器、模數(shù)/數(shù)模轉(zhuǎn)換器，支持多路串行通信和睡眠、停機(jī)、待機(jī)三種省電模式［11］，定時(shí)器設(shè)定采樣周期，定時(shí)喚醒STM32給采集節(jié)點(diǎn)發(fā)送采樣信號.STM32 數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)處理能力強(qiáng)，功耗低，可以滿足采集層設(shè)計(jì)要求.STM32 主控節(jié)點(diǎn)通過串口與協(xié)調(diào)器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，是傳感器數(shù)據(jù)和各種控制指令到云服務(wù)器的中轉(zhuǎn).

3.3 網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)

大棚采集端的網(wǎng)絡(luò)通信包括ZigBee 通信模塊和GPRS 無線傳輸模塊.ZigBee 通信模塊包括協(xié)調(diào)器、路由器、終端三種類型基本節(jié)點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)采用CC2530 芯片，帶有RF 收發(fā)器，具有組網(wǎng)能力強(qiáng)、功耗低、抗干擾強(qiáng)、成本低的特點(diǎn).協(xié)調(diào)器作為中心節(jié)點(diǎn)，負(fù)責(zé)組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，路由器既可傳輸數(shù)據(jù)也可以中繼信號，終端節(jié)點(diǎn)用來收發(fā)數(shù)據(jù).節(jié)點(diǎn)間可以相互協(xié)調(diào)自動(dòng)組成一個(gè)星形無線網(wǎng)絡(luò)，傳輸距離可以從節(jié)點(diǎn)間幾十米，擴(kuò)展到上百米，能夠滿足農(nóng)業(yè)大棚數(shù)據(jù)傳輸要求.終端節(jié)點(diǎn)作為采集節(jié)點(diǎn)，工作時(shí)自動(dòng)搜尋ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)，與協(xié)調(diào)器綁定連接，采用點(diǎn)播方式周期性向協(xié)調(diào)器傳送數(shù)據(jù)［9］.

GPRS 無線傳輸模塊采用SIMCOM 公司的SIM900A，支持GSM/GPRS 雙頻通訊，具有傳輸距離遠(yuǎn)、性能穩(wěn)定、通信可靠、資源利用率高等特點(diǎn)，僅在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時(shí)才占用信道資源.GPRS 模塊通過AT 指令與云端服務(wù)器建立連接，主控節(jié)點(diǎn)通過GPRS 模塊定期向遠(yuǎn)程服務(wù)器傳送數(shù)據(jù)，由于傳輸數(shù)據(jù)量小，對速度要求不高，符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求.

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 大棚采集端軟件設(shè)計(jì)

采集節(jié)點(diǎn)通電初始化后，選擇信道加入ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)并向協(xié)調(diào)器注冊網(wǎng)絡(luò)地址信息，然后周期性采集和存儲大棚環(huán)境信息，并將采集數(shù)據(jù)發(fā)送到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器接收到采集數(shù)據(jù)后采集節(jié)點(diǎn)清除環(huán)境信息.為便于獲取各個(gè)終端采集數(shù)據(jù)，ZigBee 協(xié)調(diào)器與采集節(jié)點(diǎn)采用自定義通信協(xié)議格式對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝打包，數(shù)據(jù)包內(nèi)容包括標(biāo)識位（起始位）、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位、終止位等，標(biāo)識位用于表示采集節(jié)點(diǎn)設(shè)備信息，數(shù)據(jù)位包含一個(gè)或多個(gè)傳感器數(shù)據(jù)信息，不同傳感器數(shù)據(jù)用“_”進(jìn)行分隔，數(shù)據(jù)長度根據(jù)采集的傳感器信息而變化，終止位用“#”標(biāo)識，采集節(jié)點(diǎn)流程圖見圖2.

圖2 采集節(jié)點(diǎn)流程圖

當(dāng)協(xié)調(diào)器收到采集節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)信息時(shí)，根據(jù)數(shù)據(jù)包標(biāo)識位識別采集節(jié)點(diǎn)信息，并將采集的傳感器數(shù)據(jù)存儲到數(shù)組中.主控節(jié)點(diǎn)STM32 初始化后，讀取存儲器中的服務(wù)器IP地址、端口號等配置信息，通過GPRS 連接遠(yuǎn)程服務(wù)器.STM32 定時(shí)器設(shè)定采樣周期，每5 min 向協(xié)調(diào)器發(fā)送查詢命令，喚醒采集節(jié)點(diǎn)，接收到協(xié)調(diào)器返回?cái)?shù)據(jù)后，將數(shù)據(jù)打包并發(fā)送給服務(wù)器，如果檢測發(fā)送失敗則重新連接服務(wù)器再次發(fā)送.

4.2 服務(wù)器云端軟件設(shè)計(jì)

服務(wù)器云平臺是大棚采集端和移動(dòng)客戶端的中心樞紐，負(fù)責(zé)接收和存儲大棚的環(huán)境數(shù)據(jù)，對移動(dòng)客戶端的請求進(jìn)行及時(shí)響應(yīng)，并對MySQL 數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)進(jìn)行操作.由于云平臺擴(kuò)展性強(qiáng)，用戶可以直接在網(wǎng)絡(luò)上申請軟硬件資源，不受空間限制，并可以根據(jù)用戶需求變化及時(shí)調(diào)整平臺資源.此外，相比傳統(tǒng)單個(gè)服務(wù)器，云平臺可靠性更強(qiáng)、性價(jià)比更高，當(dāng)某個(gè)物理節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，云平臺可以自動(dòng)啟用備用節(jié)點(diǎn)，用戶不需要維護(hù)硬件設(shè)備，只需進(jìn)行專業(yè)軟件部署和服務(wù)更新，能有效降低維護(hù)成本.因此，服務(wù)器采用阿里云服務(wù)器（ECS），用Java 作為開發(fā)語言，后臺用Spring Boot 框架搭建，該框架內(nèi)置Tomcat 容器，支持關(guān)系型數(shù)據(jù)庫和非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，自動(dòng)配置的starter 項(xiàng)目對象模型（pomS）簡化了Maven配置，可以創(chuàng)建獨(dú)立的Spring 應(yīng)用程序，并生成可執(zhí)行的JAR 和WAR 文件，使得項(xiàng)目程序的搭建和開發(fā)過程更加簡便.服務(wù)器對每個(gè)業(yè)務(wù)處理程序進(jìn)行封裝并提供相應(yīng)接口，系統(tǒng)提供了用戶注冊insertUserInfo、獲取環(huán)境數(shù)據(jù)getEnvironmentData、設(shè)置環(huán)境閾值SetSensor?Value、添加生長記錄insertGrowthRecord 等一系列接口.部分API 接口如表1 所示.

表1 部分API 接口信息

本系統(tǒng)選用MySQL 數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)中心，存儲系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)，用戶可以進(jìn)行身份驗(yàn)證、數(shù)據(jù)查詢、閾值設(shè)置等相關(guān)操作.

4.3 移動(dòng)客戶端設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)面向用戶群體相對固定，客戶端程序用Android Studio 集成工具開發(fā)，利用客戶端APP 程序能更好地實(shí)現(xiàn)預(yù)警信息接收、作物生長狀況拍照記錄等實(shí)時(shí)處理功能，用戶可以使用Android 手機(jī)作為客戶端發(fā)送HTTP 請求與服務(wù)器進(jìn)行信息交互.

4.3.1 主界面設(shè)計(jì)

程序登錄界面用于完成用戶身份驗(yàn)證，APP 主題框架使用Material Design 風(fēng)格設(shè)計(jì)，分別實(shí)現(xiàn)側(cè)滑菜單、底部導(dǎo)航欄、標(biāo)題欄伸縮功能，窗口左上角圖標(biāo)引導(dǎo)用戶調(diào)出隱藏的左側(cè)邊菜單，DrawerLayout 調(diào)用onSupportNavi?gateUp（）方法展開菜單內(nèi)容，APP 主界面和左側(cè)菜單及歷史數(shù)據(jù)查詢界面如圖3 和圖4 所示.主界面直觀顯示空氣溫度、空氣濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度、土壤溫度、土壤濕度等環(huán)境指標(biāo)數(shù)值，并對異常指標(biāo)作出標(biāo)識.底部導(dǎo)航欄引導(dǎo)用戶進(jìn)入實(shí)時(shí)監(jiān)測、歷史數(shù)據(jù)查詢、生長記錄等功能模塊，導(dǎo)航欄控件BottomNaviga?tionView 通過調(diào)用setupWithNavController（）方法實(shí)現(xiàn)內(nèi)容關(guān)聯(lián)，調(diào)用setLabelVisibilityMode（）方法設(shè)置導(dǎo)航欄顯示標(biāo)簽信息.伸縮標(biāo)題欄通過布局CoordinatorLayout、AppBarLayout 和標(biāo)題欄Toolbar 等實(shí)現(xiàn)頂部欄動(dòng)態(tài)伸縮效果.

圖3 主界面

圖4 左側(cè)菜單及歷史數(shù)據(jù)查詢界面

主界面上端的滾動(dòng)提示欄實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示大棚環(huán)境的異常指標(biāo)，后臺以通知消息形式及時(shí)提醒用戶，當(dāng)Service 服務(wù)捕獲異常數(shù)據(jù)時(shí)，通過NotificationCompat 通知提示用戶進(jìn)行處理，調(diào)用setVibrate（）、setLights（）、setPriority（）等方法設(shè)置震動(dòng)、燈光和消息提醒.管理員用戶可以根據(jù)權(quán)限設(shè)置各環(huán)境指標(biāo)閾值，閾值設(shè)置界面如圖5 所示.

圖5 閾值設(shè)置界面

4.3.2 數(shù)據(jù)圖表繪制

在移動(dòng)端APP 用第三方圖表工具M(jìn)PAnd?roidChart 繪制環(huán)境歷史數(shù)據(jù)圖，并實(shí)現(xiàn)圖表縮放、拖動(dòng)、平移等操作功能.通過設(shè)置LineData?set 數(shù)據(jù)集、Chart 圖表樣式和坐標(biāo)軸格式繪制環(huán)境數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖，用LineChart 類繪制折線圖，顯示各環(huán)境指標(biāo)狀態(tài)信息.用日期對話框控件DatePickerDialog 選擇所需日期區(qū)間查詢歷史數(shù)據(jù)，用工具類Calendar 創(chuàng)建日歷對象，并設(shè)置格式類型SimpleDateFormat 查詢指定時(shí)間區(qū)間數(shù)據(jù).主要代碼如下：

4.3.3 本地?cái)?shù)據(jù)存儲

為減輕服務(wù)器負(fù)擔(dān)，提高數(shù)據(jù)查詢顯示效果，在移動(dòng)端APP 創(chuàng)建SQLite 輕量級本地?cái)?shù)據(jù)庫，存儲近期環(huán)境狀態(tài)信息和系統(tǒng)基本信息，用Android 數(shù)據(jù)庫框架LitePal 創(chuàng)建和管理數(shù)據(jù)庫，按照對象關(guān)系映射（ORM）模式建立相關(guān)數(shù)據(jù)表和操作數(shù)據(jù)，利用父類LitePal?Support 創(chuàng)建environment、history 等實(shí)體類（數(shù)據(jù)表），調(diào)用save、updateAll、deleteAll 和find 等相關(guān)方法，實(shí)現(xiàn)對各種環(huán)境數(shù)據(jù)的增、改、刪、查操作.

5 系統(tǒng)測試

本系統(tǒng)安裝在某農(nóng)業(yè)大棚內(nèi)進(jìn)行測試，大棚內(nèi)放置終端采集節(jié)點(diǎn)和ZigBee 協(xié)調(diào)器，GPRS 無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸較為穩(wěn)定，云平臺服務(wù)器能正常接收大棚采集端上傳的環(huán)境數(shù)據(jù).Android 移動(dòng)端APP 響應(yīng)速度較快，能夠較為準(zhǔn)確地實(shí)時(shí)獲取大棚空氣溫度、空氣濕度、光照強(qiáng)度、土壤溫度、土壤濕度和CO2濃度等環(huán)境狀態(tài)數(shù)據(jù).根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，白天各環(huán)境指標(biāo)隨著時(shí)間變化數(shù)值有比較明顯改變，當(dāng)數(shù)據(jù)超過閾值時(shí)，客戶端能及時(shí)發(fā)出警報(bào)通知，方便用戶查看處理.管理員用戶可以根據(jù)作物生長習(xí)性靈活設(shè)置各環(huán)境指標(biāo)閾值.

由于作物多樣性和種植環(huán)境復(fù)雜性，以及大棚空間大小和傳感器有效范圍差異性，傳感器放置位置會(huì)在一定程度上影響測試結(jié)果，如空氣溫濕度傳感器不能放置于陽光直射、潮濕和噴淋區(qū)域；光照傳感器應(yīng)盡量放置在大棚中央位置，避免天窗陽光直射和側(cè)面遮擋影響；CO2濃度傳感器應(yīng)放置在大棚一定高度處，注意避開煙囪、排風(fēng)管道等，以確保能夠采集準(zhǔn)確數(shù)據(jù).采集節(jié)點(diǎn)可根據(jù)大棚區(qū)域大小分組放置，利用ZigBee 無線傳感器靈活組網(wǎng)等特點(diǎn)，對生長環(huán)境指標(biāo)要求比較高的作物，可增加相應(yīng)傳感器數(shù)量，并通過多點(diǎn)測量取平均值方式減少誤差，每個(gè)ZigBee 采集節(jié)點(diǎn)所搭載傳感器個(gè)數(shù)也可根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行調(diào)整.

6 結(jié)語

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用不斷創(chuàng)新，為智慧農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)和發(fā)展提供更加精細(xì)化管理、智能化數(shù)據(jù)分析和決策支持.本文針對遠(yuǎn)程大棚農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測問題，充分發(fā)揮ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和云服務(wù)的優(yōu)勢，設(shè)計(jì)了大棚采集端、云平臺和移動(dòng)客戶端，在阿里云搭建服務(wù)器，采用流行的Spring Boot 的服務(wù)架構(gòu)，開發(fā)Android 移動(dòng)端APP，支持用戶移動(dòng)端訪問服務(wù)器.測試表明，本設(shè)計(jì)能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程大棚環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，便利性好，采用云平臺拓展性強(qiáng)，有利于降低成本，提高大棚農(nóng)業(yè)管理水平.