基于物聯網的智能農業監控系統

張仕臻

( 湖北工業大學電氣與電子工程學院， 湖北 武漢 430068)

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基于物聯網的智能農業監控系統

張仕臻

( 湖北工業大學電氣與電子工程學院， 湖北 武漢 430068)

基于物聯網三層結構模型和相關技術，設計搭建了適用于農業生產環境實時監測和控制的智能化系統。闡述了系統設計思想、軟硬件架構以及系統存在的缺點和應用前景。從技術層面上為農業生產過程提供了量化的決策依據。

物聯網； 智能農業； ZigBee； 監控

現代農業中，應用物聯網技術可以實時地收集溫度、濕度、風力、大氣、降雨量等信息，精準地獲取土壤水分、壓實程度、電導率、pH值、氮素等土壤信息，可以幫助農民進行管理決策。物聯網也可以應用在溫室智能控制方面，提高農業綜合效益，實現農業生產的標準化、數字化、網絡化[1]。

1　系統設計思想

筆者設計的系統目的在于能夠在現場或遠程對農作物的生長環境進行實時監控，并在無人工操作時能夠分時段在不同場景中根據不同農作物生長需要自動調節環境狀態。

整個系統基于物聯網技術設計。物聯網技術綜合了傳感器技術、嵌入式技術、現代網絡及無線通信技術等，能夠通過各類集成化的微型傳感器，實時監測和采集各種被測對象的信息，這些信息通過無線方式被發送，并以自組多跳的網絡方式傳送到用戶終端[2]。

在本系統中采用物聯網技術有以下優點：1)減少農作物生長環境監測及控制成本；2)實現信息自動實時采集、自組織傳輸和智能控制；3)監控系統組網靈活，可擴展性強；4)全天候實時監控農作物生長及環境參數變化，對農作物生長所需各種環境信息進行收集、分析及優化。

系統的設計目的是實現對農作物生長環境和生長過程的全天候監視，以及根據農作物生長環境進行實時智能控制；并將環境信息、控制過程實時保存至數據庫；將水源、土壤等關乎產品安全的重要信息存儲到數據庫中，便于監督和研究。

2　系統整體架構

2.1系統結構模型分析

根據系統架構，在物聯網技術層面上可以將系統分為三大部分：感知層、傳輸層、應用層。感知層主要包括底層節點和傳感器及受控設備，負責數據的采集和受控設備的動作。傳輸層負責自組網以及信息的傳遞。應用層負責數據處理、指令下達、數據發布。

感知層包括各種傳感器設備和受控設備，以及相應的ZigBee節點設備。傳感器設備用于采集環境數據；受控設備用于調節農作物生長環境；ZigBee網關和節點設備自動組網，用于對所有的傳感器和控制設備的數據進行傳輸。

網絡層包括網關管理和信息管理模塊。網關管理主要對網關進行管理，傳輸協議解析等；信息管理是指進行數據交換、存儲、發布等管理。

應用層主要實現管理和控制功能，用于監測、控制、查詢、決策分析等。

2.2系統整體架構設計

本文設計的智能農業監控及溯源系統中，在底層即溫室大棚內部，當網關(協調器)上電后，搜索其他節點進行自動組網，底層網絡通過網關與服務器相連，可以將數據寫入服務器的數據庫中。網絡訪問是基于B/S架構，值班室的工作機可以通過有線網絡或者wifi訪問服務器的監控系統，對整個系統進行監控。

圖 1　系統整體架構

3　ZigBee節點硬件設計

根據農作物的生長環境，本系統主要對大棚溫室內部空氣溫濕度、土壤溫濕度、光照強度、CO2濃度等數據進行采集和控制。這些由傳感器和相應的受控設備完成。通過傳感器和節點的匹配，就可進行數據的采集和通訊。節點設備是基于ZigBee無線傳輸協議開發的。ZigBee在功耗方面優于Bluetooth，在組網的靈活性上優于wifi，在價格等方面優于網絡供應商提供的各種制式的無線網絡，具有較大的市場應用前景和開發潛力。

ZigBee網絡至少需要一個協調器(Coordinator)和若干終端節點(End Device)來實現。協調器作為ZigBee無線傳感器網絡的網關，在上電時進行同信道節點自組網后，將終端節點上傳的數據統一上傳給數據庫服務器。根據具體功能不同，終端節點搭載的傳感器和受控設備也不一樣。圖2是溫濕度傳感器節點的硬件結構。

圖 2　溫濕度傳感器節點原理圖

溫濕度傳感器節點采用TI公司的CC2530F256芯片，單個芯片上整合ZigBee射頻(RF)前端、內存和微控制器[3]。溫濕度傳感器采用的是AOSONG公司的AM2301溫濕度傳感器。CC2530F256讀取傳感器采集的溫濕度值，通過LCD5110液晶屏顯示以及發送給協調器。兩個LED顯示工作狀態，JTAG接口用于下載程序，Button按鍵可以通過程序來指定功能。圖3是溫濕度傳感器節點的實物圖。

1-SMA型天線接口，接2.4GHz天線；2-CC2530開發板；3-電源開關；4-USB電源接口；5-LCD5110液晶；6-RS232串口；7-溫濕度傳感器；8-指示燈圖 3　溫濕度傳感器節點實物圖

4　系統軟件平臺設計

監控系統的軟件平臺設計，包含了四個功能模塊，分別是認證/權限模塊、信息查詢模塊、設備控制模塊和管理員設置模塊(圖4)。

圖 4　軟件系統模塊

認證/權限模塊，包括了登錄認證和權限分配的功能。登錄過程使用用戶名和密碼進行登錄認證，只要與數據庫中給出的人員帳密信息匹配即可登錄。權限分配則是實現不同職責對應不同權限的工作管理方式。

信息查詢模塊包含了設備信息查詢以及監測數據的查詢。設備信息查詢可以查看各設備及其節點的當前狀態、各設備節點的網絡拓撲結構等。檢測數據的查詢包括兩方面，一是對當前數據進行實時監測，二是對歷史數據進行查詢。圖5為測試場景下的監控界面。

圖 5　測試場景下的監控界面

設備控制模塊包括設備狀態設置和設備控制操作。設備狀態控制實現的功能包括設備的添加、停用、更替等。設備控制即對現有設備進行開關、調節等操作。

管理員設置模塊分為權限設置和日志管理。權限設置是設置不同類型的權限身份。系統會將每天的登錄、查詢、操作等所有動作自動保存到日志，也會將設備異常情況記錄保存到日志。

5　結論

本系統實現了農業生產環境條件的智能化監控，對農業生產環節提供了大量的決策依據，從而促使農業生產更為科學化、規范化。系統基于模塊化設計，因而改變底層節點上搭載的傳感器等設備，可以應用于其他環境的智能監控。但是，由于市面上很多設備并未有統一的接口，因此功能的擴展需要進行二次開發。

[1]陳一飛.農業復雜大系統的智能控制與農業物聯網關系探討[J].農業網絡信息，2012(2)：8-12.

[2]林元乖,龍順宇,楊偉.基于物聯網技術的智能農業應用系統[J]. 物聯網技術, 2013(3)：71-74

[3]Texas Instruments. A True System-on-Chip Solution for 2.4-GHz IEEE 802.15.4 and ZigBee Applications[EB/OL]. (2015-03-19)http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/cc2530.pdf.

[責任編校： 張巖芳]

Intelligent Agriculture Monitoring System Based on the Internet of Things

ZHANG Shizhen

(SchoolofElectricalandElectronicEngin.,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

Based on three-layer structure model and technologies on Internet of things, the agricultural intelligent system is designed to realize a real-time detection and control in agricultural environment. It describes the design concept, the structures of hardware and software, the existing shortcomings and the prospects. It provides a quantitative basis for decision making in the agricultural producing process technically.

Internet of Things; intelligent agriculture; ZigBee; monitoring

2015-03-19

武漢市科技攻關計劃項目(2013011001010463)

張仕臻(1989-)， 男，湖北十堰人，湖北工業大學碩士研究生，研究方向為系統工程

1003-4684(2016)04-0086-03

S126;TN929.5;TP277

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