物聯網技術在精準農業環境監測系統中的應用研究

張軍國，賴小龍，楊睿茜，呂靜霞

（北京林業大學工學院，北京 100083）

精準農業是當今世界農業發展的趨勢，中國作為一個農業大國，對于精準農業的需求更為迫切，怎樣合理經濟地以少投入獲得多回報，這不僅是可持續發展的要求，更是社會進步的體現。農田的環境監測是支撐精準農業技術的關鍵，實時、方便、有效地采集農業環境參數是實現精準農業的重要基礎[1]。

傳統的農田環境監測系統多采用有線組網的方式或者直接采用人工實地檢測獲得環境數據，這兩者都具有局限性。有線組網方式缺乏靈活性，受地理環境的限制，線路資源損耗較大，難以實現遠距離監測；人工實地檢測更耗費人力、物力，且獲取的數據量有限，此外受主觀因素限制，測量結果難免出現誤差。新興的物聯網技術為農田信息獲取提供了一個嶄新的思路。本文基于物聯網技術構建了精準農業環境監測系統，研究人員在總控制室就能對農田進行遠程實時監控，根據空氣溫濕度、光照強度、土壤濕度和土壤pH值等農情信息做出正確決策，滿足精準農業自動化、經濟化、準確化的要求。

1 物聯網概述

物聯網（The Internet of Things）是通過無線射頻識別（RFID，Radio FrequencyIdentification）、傳感器、全球定位系統（GPS，Global Position in System）等各種設備，利用無線網絡進行信息交換和通信，實現智能化識別、定位、監控和管理的巨大網絡[2]。它是一種綜合性的動態全球網絡，通過基礎配置和可互操作的協議，使用智能接口和無縫集成進入信息網絡[3]。

物聯網在實物聯網體系結構中包括三個層次——感知層、網絡層、應用層。其中感知層的主要功能是全面感知，信息感知可以通過RFID射頻標簽技術或者傳感網技術實現；網絡層的主要功能是實現感知數據和控制信息的雙向傳遞，通過各種電信網絡與互聯網的融合，將物體的信息實時準確地傳遞出去；應用層主要是利用經過分析處理的感知數據，為用戶提供豐富的特定服務[4]。

2 基于物聯網技術的精準農業環境監測系統

2.1 精準農業內涵

隨著近年來無線網絡傳感器技術的發展，精準農業（precision agriculture）已成為農業科學工作者關注的熱點。精準農業是指根據作物生長的土壤性狀來調節對作物的投入，以最少的或最節省的投入達到同等收入或更高的收入并改善環境。結合無線傳感器網絡技術，將傳統農業模式轉變為以信息網絡為中心的精準農業模式，農田的耕種可以實現自動化、網絡化、智能化[5]。從而有效地降低成本并提高產量，具有實際應用價值。

環境監測作為精準農業中的基礎環節，能直接獲得作物生長的土壤性狀相關參數，為精準農業的執行過程提供最直觀的依據，是精準農業實現過程中不可或缺的組成部分。而作物生長的土壤性狀相關參數通常包括空氣溫濕度、光照強度、土壤濕度和土壤PH值等[6-8]。

2.2 基于物聯網技術的精準農業環境監測系統體系結構

物聯網技術是一種全新的信息處理和獲取方式，目前基于物聯網構建環境監測系統的研究成為熱點，本文基于物聯網技術構建的精準農業環境監測系統的體系結構如圖1所示。

圖1 系統體系結構圖

傳感層采用無線傳感網絡的方式，由大量部署在農田信息采集區域的自組織傳感節點（包含普通節點和傳感節點）組成。普通傳感節點進行環境參數的采集后通過Zigbee無線傳輸至簇首節點，簇首節點進行簡單的數據融合，打包，通過Zigbee無線傳輸將農情信息傳送到匯聚節點。

網絡層由網關節點、GPRS/3G網和Internet組成，將環境參數傳送至監測端。網關節點包含匯聚節點和網關部分，匯聚節點部分接收傳感層發送的信息，將其進行數據融合等處理后傳送至網關部分，由網關部分通過GPRS/3G模塊將信息傳至Internet，然后遠程監測端就可以通過Internet讀取農田環境信息了。此外，網關部分也可以通過各種通信方式直接和本地監測端通信。

應用層由遠程監測端組成，當監測端設備接入Internet時，生產者和技術研究人員就可以在任何時候、任何地點監測所采集的農情信息，對作物生長情況進行實時跟蹤和分析，以及根據環境變化采取相應措施，實現精準農業的要求[9-11]。

3 基于物聯網技術的精準農業環境監測系統的硬件設計

節點是組成基于物聯網技術的精準農業環境監測系統的基本單位，包括傳感節點和網關節點。傳感節點是監測系統傳感層的基本組成單元，網關節點則是網絡層的硬件基礎，它們的硬件設計對整個系統的功能、性能都至關重要。本文分別對傳感節點和網關節點進行了硬件設計。

3.1 傳感節點設計

傳感節點通過傳感器部分采集農情信息，經由處理單元進行簡單轉換、處理，由無線收發模塊傳給上級節點。結合其功能特點，傳感節點的結構框如圖2示。

傳感節點的微處理器單元和無線傳輸單元采用CHIPCON公司的CC2430芯片，它是一款基于ZigBee協議，集成了80C51內核處理器的芯片和ZigBee無線收發模塊，是一種比較成熟的無線傳感器節點解決方案。

圖2 傳感節點結構示意圖

本系統中濕度、溫度測量采用錦州陽光科技有限公司的TDR-3A型土壤溫濕度傳感器，該傳感器集溫度和濕度測量于一體，具有密封、防水、精度高的特征，是測量土壤溫濕度的理想儀器。光強測量采用TAOS公司推出的第二代光強數字轉換芯片TSL2561，它可直接通過I2C總線協議由微控制器訪問，微控制器則通過對其內部的16個寄存器的讀寫來實現對TSL2561的控制。光纖pH值傳感器用于測量土壤pH值，基于pH值的變化將導致光纖傳感探頭中光頻譜特性變化這一原理，經放大電路和A/D轉換器能得到數字輸出，然而這種方法的缺點是在土壤干燥時誤差較大。

此外，外部時鐘電路用于控制整個系統的運行頻率；串行通信接口作為程序調試和下載接口；復位電路用來恢復系統死機或程序跑飛等意外情況；電源模塊負責整個節點的能量供應。

3.2 網關節點設計

網關節點兼具匯聚節點和網關的功能，一方面收集無線傳感器網絡發來的農情信息，另一方面將這些信息經過初步的處理，通過無線收發模塊（如GPRS模塊、3G模塊等）以及3G網和GPRS網與互聯網進行數據的交換，通過互聯網，網關可以發送農情信息到遠程監測中心并且接收遠程監測中心發來的命令。具體結構框如圖3所示。

圖3 網關節點結構示意圖

因網關節點的數據處理工作任務繁重，對資源需求較高，而且要求成熟的網絡協議支持，故采用三星公司的ARM9處理器S3C2410。該處理器采用0.18μm制造工藝的32位微控制器，擁有獨立的16 KB指令Cache和16 KB數據Cache，MMU，支持TFT的LCD控制器，NAND閃存控制器，3路UART，4路DMA，4路帶PWM的Timer，I/O口，RTC，8路10位ADC，Touch Screen接口，IIC-BUS接口，IIS-BUS接口，2個USB主機，1個USB設備，SD主機和MMC接口，2路SPI，最高可運行在203 MHz。

網關節點通過CC2430接收傳感節點采集到的農情信息，并發送控制信息。通過GPRS網絡并入互聯網，實現與遠程監測中心的通信。本系統中GPRS模塊采用SIM5218，它支持下行速率達7.2 Mbps和上行速率為5.76 Mbps的數據傳輸服務，同時還具有豐富的接口包括UART、USB2.0、GPIO、I2C、GPIO、GPS、攝像頭傳感器和內嵌SIM卡等。如需傳輸圖像，音頻等信息，則采用3G模塊傳輸，選用芯訊通無線科技（上海）有限公司研發的3G無線傳輸芯片：TD-SCDMA Module系列中的SIM4200。

此外，RS485總線接口用于必要時與本地監測端的通信。JTAG調試接口和串行調試接口主要負責程序的燒寫、調試，FLASH用于掉電下的程序數據存儲，SRAM主要用于在線的仿真，電源單元負責整個過程的能量供應。

4 基于物聯網技術的精準農業環境監測系統的軟件設計

系統的軟件設計內容主要包含：ZigBee協議棧，GPRS/3G協議棧的程序編寫以及傳感節點和網關節點的軟件設計。基于ZigBee技術GPRS/3G技術已較為成熟，本系統采用現成的協議棧程序，而主要工作重心放在傳感節點和網關節點的軟件設計上。又由于傳感節點和網關節點的功能特點，工作任務有所差異，因此分開討論。

4.1 傳感節點的主程序設計

傳感節點相當于網關節點的子節點，自組織式聯網，是物聯網傳感層中的基層環節，直接與物聯網的目標測量相關聯，將農情信息轉換為有效的開關量進行傳遞，主要工作有：等待網關節點喚醒、采集農情信息、發送數據、進入休眠等，具體工作流程如圖4所示。

傳感節點通常情況下處于休眠模式，當接收到上級節點的命令被喚醒后，便馬上發送請求加入網絡，等待網關節點的應答成功加入網絡后，開始進行農情信息如土壤溫濕度、光強、pH值等的采集并傳輸給命令發送端節點，上級節點發送應答位，確定接收成功后，傳感節點又轉入休眠狀態，這樣循環往復。

4.2 網關節點的主程序設計

網關節點主要負責建立并管理網絡，允許或拒絕任何一個傳感節點入網，并將各傳感節點的數據收集發送至互聯網，監控端通過互聯網進行數據的讀取、記錄。網關節點一直在工作狀態，不會休眠。它的工作過程一般分為：等待監測命令，建立網絡，加入節點，等待數據信息，發送數據。網關節點的具體工作流程如圖5所示。

圖4 傳感節點工作流程

圖5 網關節點工作流程

在建立網絡時，網關節點會不斷地搜索空的信道，如果搜索到某一信道，被另一網關節點占用，則重新搜索，直到搜到空信道，其立即做相應標識，準備建立自己的網絡。當一個傳感節點要求加入網絡時，它會發送請求，網關節點根據自己的資源需求決定是否加入傳感節點，如果選擇加入此節點，則給它分配一個網絡地址，構成新網絡。同時傳達監測命令給下級節點，等待接收數據，接收成功后發送至遠程檢測端和本地監測站。

5 結束語

精準農業是當今世界農業發展的潮流，環境監測是支撐精準農業技術的關鍵，相比于傳統的農田環境監測方式的局限性，基于物聯網技術的環境監測則滿足了精準農業快速、精確、連續測量的要求。本文基于物聯網技術，提出了精準農業的環境監測系統，簡述了該系統的體系結構，研究了系統傳感層的基本單元——基于CC2430的傳感節點，和系統網絡層的基礎——基于S3C2410的網關節點，對它們的硬件設計及軟件設計進行了詳細闡述。然而，物聯網技術在精準農業中的應用還存在很多有待解決的問題。比如：數據傳輸實時性、數據傳輸安全性等問題還有待進一步的優化。

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