作物生長環境信息無線監測系統的設計與實現

賀芳+翁紹捷+唐榮年+肖乾虎

摘要：針對熱帶作物生長環境監測的現狀，設計了一個基于ZigBee/RS232的作物生長環境信息無線監測系統。該系統由ZigBee傳感器網絡、數據采集模塊和上位機組成，采用組態軟件處理數據。系統能夠監測環境溫濕度、土壤溫濕度、光照度和CO2濃度；能夠將采集到的數據以圖形、表格等形式實時顯示、存儲，數據存儲后可以在不同數據庫間共享。試驗結果表明該系統運行穩定，傳輸數據準確，適用于農田或溫室作物生長環境信息的監測。

關鍵詞：ZigBee傳感器網絡；作物生長環境信息；監測；

中圖分類號：S126文獻標志碼：A文章編號：1002-1302（2014）11-0435-03

海南省屬于熱帶季風氣候，農田可以終年種植。但熱帶作物的傳統種植方式極大地影響了農業生產效率。加上作物種植的分散性使得海南農業無法實現最優的資源配置。針對海南現階段的農業生產現狀，研究一種適合小規模種植、成本低廉的現代化生產模式十分必要[1-2]。目前，基于無線傳感器網絡的監控系統在農業領域得到了越來越多的重視。應用于作物生長環境信息采集的無線監測系統也有待進一步的推廣。無線監測系統避免了復雜的布線，方便在中等面積的農田上穩定監測，應用靈活。無線監測系統有多種無線通信方式，包括ZigBee技術，藍牙技術、Wi-Fi、RFID和紅外線數據通訊等[3]。其中ZigBee技術因其低功耗、低成本、低復雜度等特點在短距離無線通訊方面脫穎而出，被認為是最適合用于工業控制領域的無線通訊方式[4]。

對農作物生長影響最大就是氣候環境，能反應氣候環境的因素包括環境溫濕度、光照、土壤溫度和土壤水分等，在溫室環境下，還有CO2濃度等。作物生長環境信息無線監測系統監測的變量包括環境溫濕度、土壤溫度、土壤水分、光照和CO2濃度。根據農作物的基本生長規律，選擇合適的傳感器。溫度傳感器量程需-20～60℃，環境濕度、土壤濕度傳感器量程需0～100%，光照度傳感器量程需為0～50000lx，CO2濃度傳感器量程需0～5000μmol/mol。同時今后的農業信息系統要逐步融合物聯網技術，所以對農田監測系統的各環節的設計都要切合物聯網技術的發展[5-6]，處理數據既要便于直觀分析，又要方便二次開發。

1系統的總體組成

本監測系統可分為三部分：無線傳感器網絡部分、數據采集部分和數據處理部分。傳感器與傳感器之間、傳感器與數據采集模塊之間的通訊都是基于ZigBee技術的無線通訊；ZigBee無線傳感器的特點之一就是能通過自組織的方式快速形成一個局域網。數據采集模塊與上位機之間則是串口通信，支持RS-232和RS-485接口。無線監測系統的總體組成框圖如圖1所示。

布置在大田里的傳感器將采集到的環境參數傳送給數據采集模塊。各傳感器節點之間可以相互轉發數據。即傳感器節點不僅具有采集和發送功能，也起到路由的作用[5]。因此可以保證監測系統能夠對足夠遠的距離進行監測。由數據采集模塊對各傳感器節點的數據進行匯集，并通過RS232串口或者RS-485串口與上位機進行通訊。系統的上位機為PC機，裝有組態軟件，在組態軟件中建立與數據采集模塊相匹配的工程，最終將數據直觀地顯示出來。

2系統的設計與實現

2.1硬件

系統底層放置了環境溫濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器、光照傳感器以及CO2傳感器。中間由數據采集模塊將數據集中并上傳給PC機。系統選擇的傳感器和數據采集模塊是北京昆侖海岸傳感技術有限公司生產的JZH-15-12系列傳感器和KL-N4600數據采集模塊。在空曠環境下，JZH-15-12系列傳感器的通信距離≥800m，可根據大田的實際情況，合理放置傳感器。KL-N4600是集ZigBee無線通信和協議轉換于一體的數據采集產品，它可下掛64個傳感器節點，同時可將ZigBee無線網絡虛擬成RS-485網絡并把通訊協議轉換成標準的ModbusRTU協議。監測系統的結構示意圖如圖2所示。

KL-N4600和傳感器之間組建成ZigBee無線局域網，之后通過RS232串口將數據傳送給上位機。上位機借助組態軟件將數據處理后顯示。監測系統在實驗基地布置情況如圖3所示。

2.2軟件

系統使用組態王來實現數據顯示界面的設計。整個監測界面根據功能分解原理來設計。主界面功能菜單包括實時曲線、歷史曲線、實時報表、歷史報表和事件報警等（圖4）。通過實時曲線可以查看0.5h內的農田環境信息，及時掌握環境變化情況。歷史曲線調用了組態王中的歷史曲線控件，此控件功能完善，可以隨時查找歷史記錄，包括變量在某一時期的最大最小值和平均值等。在實時報表界面和歷史報表界面的左側設置了工具欄，可對報表進行查詢、頁面設置、保存和打印。組態王還可以將保存的數據導入其他數據庫，其他應用程序也可以訪問組態王的數據庫，以實現對數據更有效的利用[7]。事件報警則會記錄系統出現的異常情況并給出警報。

作為常用的工控軟件，組態王與不同下位機結合的過程中遇到的問題有許多共性，例如：（1）使用組態王新建設備時要正確填寫設備地址。（2）新建變量時，需根據通訊協議確定變量所在寄存器的功能碼及存儲地址，并對照組態王支持的硬件設備及其協議列表選擇寄存器。組態王規定，變量存儲地址如果不是從0x0000開始，地址換算成十進制后需要+1才是通道號。寄存器一欄應填寫寄存器+通道號。

2.3系統實現

首先對傳感器和數據采集模塊進行疲勞測試，在長達2周的不間斷使用期間，數據一直上傳穩定，準確度高。部分數據的歷史曲線如圖5所示。顯示界面上部分為各變量的曲線化顯示，可以直觀地看到具體時間段內各變量的變化趨勢。在歷史曲線的兩側和上方都有游標，可以查詢任意時刻的某一變量值。曲線下方的功能區可實現顯示或隱藏某變量曲線，設置查詢區間，自定義曲線顏色粗細，放大或縮小曲線以及隨時添加變量等功能。

圖6和圖7列出了以報表形式存儲的數據。在歷史報表的前3行給出了對應變量的平均值以及最大、最小值，反映了各變量的基本情況。從數據的記錄情況來看，監測系統完全能保證數據的準確度。其次對各傳感器節點在不同距離和環境下進行了反復測試。試驗發現，傳感器節點在有障礙物時通訊信號容易被阻擋，在空闊地帶通訊距離可達800m以上。

3結論

本研究設計的作物生長環境信息無線監測系統為農田環境信息監測提供了一種簡單實用成本低廉的方案。在實現系統可靠、穩定、功能完善的前提下，盡可能地減小了系統操作的復雜度，保證了系統具有良好的應用前景。

參考文獻：

[1]楊選民，張海輝，薛少平.基于無線傳感器網絡的精準農業環境監控系統[J].科技信息，2012（1）：73.

[2]王亞男.田間信息的遠程獲取與無線傳輸系統的研究[D].哈爾濱：東北農業大學，2013.

[3]周怡頲，凌志浩，吳勤勤.ZigBee無線通信技術及其應用探討[J].自動化儀表，2005，26（6）：5-9.

[4]虞志飛，鄔家煒.ZigBee技術及其安全性研究[J].計算機技術與發展，2008，18（8）：144-147.

[5]許崢，史智興，張云飛，等.基于ZigBee的農田信息采集傳輸系統設計研究[J].安徽農業科學，2013，41（6）：2772-2774.

[6]張猛，房俊龍，韓雨.基于ZigBee和Internet的溫室群環境遠程監控系統設計[J].農業工程學報，2013，29（增刊1）：171-176.

[7]王冰，王世明.組態王相關數據庫研究[J].計算機工程與設計，2008，29（4）：1025-1027.endprint

摘要：針對熱帶作物生長環境監測的現狀，設計了一個基于ZigBee/RS232的作物生長環境信息無線監測系統。該系統由ZigBee傳感器網絡、數據采集模塊和上位機組成，采用組態軟件處理數據。系統能夠監測環境溫濕度、土壤溫濕度、光照度和CO2濃度；能夠將采集到的數據以圖形、表格等形式實時顯示、存儲，數據存儲后可以在不同數據庫間共享。試驗結果表明該系統運行穩定，傳輸數據準確，適用于農田或溫室作物生長環境信息的監測。

關鍵詞：ZigBee傳感器網絡；作物生長環境信息；監測；

中圖分類號：S126文獻標志碼：A文章編號：1002-1302（2014）11-0435-03

海南省屬于熱帶季風氣候，農田可以終年種植。但熱帶作物的傳統種植方式極大地影響了農業生產效率。加上作物種植的分散性使得海南農業無法實現最優的資源配置。針對海南現階段的農業生產現狀，研究一種適合小規模種植、成本低廉的現代化生產模式十分必要[1-2]。目前，基于無線傳感器網絡的監控系統在農業領域得到了越來越多的重視。應用于作物生長環境信息采集的無線監測系統也有待進一步的推廣。無線監測系統避免了復雜的布線，方便在中等面積的農田上穩定監測，應用靈活。無線監測系統有多種無線通信方式，包括ZigBee技術，藍牙技術、Wi-Fi、RFID和紅外線數據通訊等[3]。其中ZigBee技術因其低功耗、低成本、低復雜度等特點在短距離無線通訊方面脫穎而出，被認為是最適合用于工業控制領域的無線通訊方式[4]。

對農作物生長影響最大就是氣候環境，能反應氣候環境的因素包括環境溫濕度、光照、土壤溫度和土壤水分等，在溫室環境下，還有CO2濃度等。作物生長環境信息無線監測系統監測的變量包括環境溫濕度、土壤溫度、土壤水分、光照和CO2濃度。根據農作物的基本生長規律，選擇合適的傳感器。溫度傳感器量程需-20～60℃，環境濕度、土壤濕度傳感器量程需0～100%，光照度傳感器量程需為0～50000lx，CO2濃度傳感器量程需0～5000μmol/mol。同時今后的農業信息系統要逐步融合物聯網技術，所以對農田監測系統的各環節的設計都要切合物聯網技術的發展[5-6]，處理數據既要便于直觀分析，又要方便二次開發。

1系統的總體組成

本監測系統可分為三部分：無線傳感器網絡部分、數據采集部分和數據處理部分。傳感器與傳感器之間、傳感器與數據采集模塊之間的通訊都是基于ZigBee技術的無線通訊；ZigBee無線傳感器的特點之一就是能通過自組織的方式快速形成一個局域網。數據采集模塊與上位機之間則是串口通信，支持RS-232和RS-485接口。無線監測系統的總體組成框圖如圖1所示。

布置在大田里的傳感器將采集到的環境參數傳送給數據采集模塊。各傳感器節點之間可以相互轉發數據。即傳感器節點不僅具有采集和發送功能，也起到路由的作用[5]。因此可以保證監測系統能夠對足夠遠的距離進行監測。由數據采集模塊對各傳感器節點的數據進行匯集，并通過RS232串口或者RS-485串口與上位機進行通訊。系統的上位機為PC機，裝有組態軟件，在組態軟件中建立與數據采集模塊相匹配的工程，最終將數據直觀地顯示出來。

2系統的設計與實現

2.1硬件

系統底層放置了環境溫濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器、光照傳感器以及CO2傳感器。中間由數據采集模塊將數據集中并上傳給PC機。系統選擇的傳感器和數據采集模塊是北京昆侖海岸傳感技術有限公司生產的JZH-15-12系列傳感器和KL-N4600數據采集模塊。在空曠環境下，JZH-15-12系列傳感器的通信距離≥800m，可根據大田的實際情況，合理放置傳感器。KL-N4600是集ZigBee無線通信和協議轉換于一體的數據采集產品，它可下掛64個傳感器節點，同時可將ZigBee無線網絡虛擬成RS-485網絡并把通訊協議轉換成標準的ModbusRTU協議。監測系統的結構示意圖如圖2所示。

KL-N4600和傳感器之間組建成ZigBee無線局域網，之后通過RS232串口將數據傳送給上位機。上位機借助組態軟件將數據處理后顯示。監測系統在實驗基地布置情況如圖3所示。

2.2軟件

系統使用組態王來實現數據顯示界面的設計。整個監測界面根據功能分解原理來設計。主界面功能菜單包括實時曲線、歷史曲線、實時報表、歷史報表和事件報警等（圖4）。通過實時曲線可以查看0.5h內的農田環境信息，及時掌握環境變化情況。歷史曲線調用了組態王中的歷史曲線控件，此控件功能完善，可以隨時查找歷史記錄，包括變量在某一時期的最大最小值和平均值等。在實時報表界面和歷史報表界面的左側設置了工具欄，可對報表進行查詢、頁面設置、保存和打印。組態王還可以將保存的數據導入其他數據庫，其他應用程序也可以訪問組態王的數據庫，以實現對數據更有效的利用[7]。事件報警則會記錄系統出現的異常情況并給出警報。

作為常用的工控軟件，組態王與不同下位機結合的過程中遇到的問題有許多共性，例如：（1）使用組態王新建設備時要正確填寫設備地址。（2）新建變量時，需根據通訊協議確定變量所在寄存器的功能碼及存儲地址，并對照組態王支持的硬件設備及其協議列表選擇寄存器。組態王規定，變量存儲地址如果不是從0x0000開始，地址換算成十進制后需要+1才是通道號。寄存器一欄應填寫寄存器+通道號。

2.3系統實現

首先對傳感器和數據采集模塊進行疲勞測試，在長達2周的不間斷使用期間，數據一直上傳穩定，準確度高。部分數據的歷史曲線如圖5所示。顯示界面上部分為各變量的曲線化顯示，可以直觀地看到具體時間段內各變量的變化趨勢。在歷史曲線的兩側和上方都有游標，可以查詢任意時刻的某一變量值。曲線下方的功能區可實現顯示或隱藏某變量曲線，設置查詢區間，自定義曲線顏色粗細，放大或縮小曲線以及隨時添加變量等功能。

圖6和圖7列出了以報表形式存儲的數據。在歷史報表的前3行給出了對應變量的平均值以及最大、最小值，反映了各變量的基本情況。從數據的記錄情況來看，監測系統完全能保證數據的準確度。其次對各傳感器節點在不同距離和環境下進行了反復測試。試驗發現，傳感器節點在有障礙物時通訊信號容易被阻擋，在空闊地帶通訊距離可達800m以上。

3結論

本研究設計的作物生長環境信息無線監測系統為農田環境信息監測提供了一種簡單實用成本低廉的方案。在實現系統可靠、穩定、功能完善的前提下，盡可能地減小了系統操作的復雜度，保證了系統具有良好的應用前景。

參考文獻：

[1]楊選民，張海輝，薛少平.基于無線傳感器網絡的精準農業環境監控系統[J].科技信息，2012（1）：73.

[2]王亞男.田間信息的遠程獲取與無線傳輸系統的研究[D].哈爾濱：東北農業大學，2013.

[3]周怡頲，凌志浩，吳勤勤.ZigBee無線通信技術及其應用探討[J].自動化儀表，2005，26（6）：5-9.

[4]虞志飛，鄔家煒.ZigBee技術及其安全性研究[J].計算機技術與發展，2008，18（8）：144-147.

[5]許崢，史智興，張云飛，等.基于ZigBee的農田信息采集傳輸系統設計研究[J].安徽農業科學，2013，41（6）：2772-2774.

[6]張猛，房俊龍，韓雨.基于ZigBee和Internet的溫室群環境遠程監控系統設計[J].農業工程學報，2013，29（增刊1）：171-176.

[7]王冰，王世明.組態王相關數據庫研究[J].計算機工程與設計，2008，29（4）：1025-1027.endprint

摘要：針對熱帶作物生長環境監測的現狀，設計了一個基于ZigBee/RS232的作物生長環境信息無線監測系統。該系統由ZigBee傳感器網絡、數據采集模塊和上位機組成，采用組態軟件處理數據。系統能夠監測環境溫濕度、土壤溫濕度、光照度和CO2濃度；能夠將采集到的數據以圖形、表格等形式實時顯示、存儲，數據存儲后可以在不同數據庫間共享。試驗結果表明該系統運行穩定，傳輸數據準確，適用于農田或溫室作物生長環境信息的監測。

關鍵詞：ZigBee傳感器網絡；作物生長環境信息；監測；

中圖分類號：S126文獻標志碼：A文章編號：1002-1302（2014）11-0435-03

海南省屬于熱帶季風氣候，農田可以終年種植。但熱帶作物的傳統種植方式極大地影響了農業生產效率。加上作物種植的分散性使得海南農業無法實現最優的資源配置。針對海南現階段的農業生產現狀，研究一種適合小規模種植、成本低廉的現代化生產模式十分必要[1-2]。目前，基于無線傳感器網絡的監控系統在農業領域得到了越來越多的重視。應用于作物生長環境信息采集的無線監測系統也有待進一步的推廣。無線監測系統避免了復雜的布線，方便在中等面積的農田上穩定監測，應用靈活。無線監測系統有多種無線通信方式，包括ZigBee技術，藍牙技術、Wi-Fi、RFID和紅外線數據通訊等[3]。其中ZigBee技術因其低功耗、低成本、低復雜度等特點在短距離無線通訊方面脫穎而出，被認為是最適合用于工業控制領域的無線通訊方式[4]。

對農作物生長影響最大就是氣候環境，能反應氣候環境的因素包括環境溫濕度、光照、土壤溫度和土壤水分等，在溫室環境下，還有CO2濃度等。作物生長環境信息無線監測系統監測的變量包括環境溫濕度、土壤溫度、土壤水分、光照和CO2濃度。根據農作物的基本生長規律，選擇合適的傳感器。溫度傳感器量程需-20～60℃，環境濕度、土壤濕度傳感器量程需0～100%，光照度傳感器量程需為0～50000lx，CO2濃度傳感器量程需0～5000μmol/mol。同時今后的農業信息系統要逐步融合物聯網技術，所以對農田監測系統的各環節的設計都要切合物聯網技術的發展[5-6]，處理數據既要便于直觀分析，又要方便二次開發。

1系統的總體組成

本監測系統可分為三部分：無線傳感器網絡部分、數據采集部分和數據處理部分。傳感器與傳感器之間、傳感器與數據采集模塊之間的通訊都是基于ZigBee技術的無線通訊；ZigBee無線傳感器的特點之一就是能通過自組織的方式快速形成一個局域網。數據采集模塊與上位機之間則是串口通信，支持RS-232和RS-485接口。無線監測系統的總體組成框圖如圖1所示。

布置在大田里的傳感器將采集到的環境參數傳送給數據采集模塊。各傳感器節點之間可以相互轉發數據。即傳感器節點不僅具有采集和發送功能，也起到路由的作用[5]。因此可以保證監測系統能夠對足夠遠的距離進行監測。由數據采集模塊對各傳感器節點的數據進行匯集，并通過RS232串口或者RS-485串口與上位機進行通訊。系統的上位機為PC機，裝有組態軟件，在組態軟件中建立與數據采集模塊相匹配的工程，最終將數據直觀地顯示出來。

2系統的設計與實現

2.1硬件

系統底層放置了環境溫濕度傳感器、土壤溫濕度傳感器、光照傳感器以及CO2傳感器。中間由數據采集模塊將數據集中并上傳給PC機。系統選擇的傳感器和數據采集模塊是北京昆侖海岸傳感技術有限公司生產的JZH-15-12系列傳感器和KL-N4600數據采集模塊。在空曠環境下，JZH-15-12系列傳感器的通信距離≥800m，可根據大田的實際情況，合理放置傳感器。KL-N4600是集ZigBee無線通信和協議轉換于一體的數據采集產品，它可下掛64個傳感器節點，同時可將ZigBee無線網絡虛擬成RS-485網絡并把通訊協議轉換成標準的ModbusRTU協議。監測系統的結構示意圖如圖2所示。

KL-N4600和傳感器之間組建成ZigBee無線局域網，之后通過RS232串口將數據傳送給上位機。上位機借助組態軟件將數據處理后顯示。監測系統在實驗基地布置情況如圖3所示。

2.2軟件

系統使用組態王來實現數據顯示界面的設計。整個監測界面根據功能分解原理來設計。主界面功能菜單包括實時曲線、歷史曲線、實時報表、歷史報表和事件報警等（圖4）。通過實時曲線可以查看0.5h內的農田環境信息，及時掌握環境變化情況。歷史曲線調用了組態王中的歷史曲線控件，此控件功能完善，可以隨時查找歷史記錄，包括變量在某一時期的最大最小值和平均值等。在實時報表界面和歷史報表界面的左側設置了工具欄，可對報表進行查詢、頁面設置、保存和打印。組態王還可以將保存的數據導入其他數據庫，其他應用程序也可以訪問組態王的數據庫，以實現對數據更有效的利用[7]。事件報警則會記錄系統出現的異常情況并給出警報。

作為常用的工控軟件，組態王與不同下位機結合的過程中遇到的問題有許多共性，例如：（1）使用組態王新建設備時要正確填寫設備地址。（2）新建變量時，需根據通訊協議確定變量所在寄存器的功能碼及存儲地址，并對照組態王支持的硬件設備及其協議列表選擇寄存器。組態王規定，變量存儲地址如果不是從0x0000開始，地址換算成十進制后需要+1才是通道號。寄存器一欄應填寫寄存器+通道號。

2.3系統實現

首先對傳感器和數據采集模塊進行疲勞測試，在長達2周的不間斷使用期間，數據一直上傳穩定，準確度高。部分數據的歷史曲線如圖5所示。顯示界面上部分為各變量的曲線化顯示，可以直觀地看到具體時間段內各變量的變化趨勢。在歷史曲線的兩側和上方都有游標，可以查詢任意時刻的某一變量值。曲線下方的功能區可實現顯示或隱藏某變量曲線，設置查詢區間，自定義曲線顏色粗細，放大或縮小曲線以及隨時添加變量等功能。

圖6和圖7列出了以報表形式存儲的數據。在歷史報表的前3行給出了對應變量的平均值以及最大、最小值，反映了各變量的基本情況。從數據的記錄情況來看，監測系統完全能保證數據的準確度。其次對各傳感器節點在不同距離和環境下進行了反復測試。試驗發現，傳感器節點在有障礙物時通訊信號容易被阻擋，在空闊地帶通訊距離可達800m以上。

3結論

本研究設計的作物生長環境信息無線監測系統為農田環境信息監測提供了一種簡單實用成本低廉的方案。在實現系統可靠、穩定、功能完善的前提下，盡可能地減小了系統操作的復雜度，保證了系統具有良好的應用前景。

參考文獻：

[1]楊選民，張海輝，薛少平.基于無線傳感器網絡的精準農業環境監控系統[J].科技信息，2012（1）：73.

[2]王亞男.田間信息的遠程獲取與無線傳輸系統的研究[D].哈爾濱：東北農業大學，2013.

[3]周怡頲，凌志浩，吳勤勤.ZigBee無線通信技術及其應用探討[J].自動化儀表，2005，26（6）：5-9.

[4]虞志飛，鄔家煒.ZigBee技術及其安全性研究[J].計算機技術與發展，2008，18（8）：144-147.

[5]許崢，史智興，張云飛，等.基于ZigBee的農田信息采集傳輸系統設計研究[J].安徽農業科學，2013，41（6）：2772-2774.

[6]張猛，房俊龍，韓雨.基于ZigBee和Internet的溫室群環境遠程監控系統設計[J].農業工程學報，2013，29（增刊1）：171-176.

[7]王冰，王世明.組態王相關數據庫研究[J].計算機工程與設計，2008，29（4）：1025-1027.endprint