基于Zig Bee與物聯網網關的現代茶葉種植環境監測系統設計

吳琦　張漢卿　張紅偉　霍修坤

摘要：針對現代茶葉種植中存在的問題，文章基于無線傳感與通信技術的發展，設計了一個應用于現代茶葉種植環境中的監測系統。該系統綜合運用多傳感器數據采集技術、ZigBee自組網技術、物聯網網關技術和GPRS網絡，實現了對茶葉生長環境中溫濕度、光照強度、土壤水分等對于農作物生長極為重要的環境數據的監測和控制。系統中各部分的硬件根據系統需求、數據傳輸質量、成本等方面的要求選型，使系統在低成本、低功耗和高性能三者之間達到合理平衡，從而實現現代農業信息化。

關鍵詞：ZigBee；物聯網網關；GPRS；現代農業信息化

現代社會對農業發展的需求在不斷增大，使得實現農業的現代化管理成為一個很重要的問題。近幾年來也存在不少的人致力于現代農業信息化管理方面的研究，提出并設計了一系列的設想，但由于成本，或是網絡覆蓋以及技術難度方面的問題，導致在推廣方面存在很多問題，從而制約了現代農業的發展。與此同時，茶葉作為農產品中經濟效應比較好的產物，且生長受環境的影響比較大，所以對于茶葉種植環境的檢測成為農業生產中很重要的一個問題。但是隨著目前ZigBee自組網技術的發展，ZigBee以其低功耗、低成本、高安全性的特性，尤其是其強大的組網能力，使得對于茶葉生長環境數據的采集與傳輸變成了可能。而且隨著現代無線通信技術的發展，基站在一些相對偏遠農村的覆蓋，低成本的公網實現了將物聯網數據與互聯網數據的連接，使得技術人員方便對茶葉種植環境數據的檢測，使得能夠及時根據茶葉的生長情況對大棚進行相應的控制，保證茶葉的正常生長，提高其經濟效應。本系統設計建立在低成本、低功耗的基礎上，便于推廣，對現代化茶葉種植有著重大的作用。

1 系統總體結構

本茶葉種植環境監測系統由4部分構成，包括數據采集，物聯網網關，GPRS數據傳輸和在線數據監測部分。如圖1所示，采集部分主要功能是采集茶園內部的溫度、濕度、光照強度等數據，并通過ZigBee自組網絡將各自的采節點集到的監測數據傳送給ZigBee協調器統一轉發。再通過網關傳送到互聯網，物聯網網關主要功能是對數據的匯聚、打包和傳送，是本系統的核心部分，網關采用STM32F407ZGT6作為主控芯片，利用MG323GPRS模塊實現了無線傳感網與互聯網兩種異構網絡的互通，使得技術人員能夠在線監測茶園環境數據及時做出相應處理。

2 硬件實現方案

2.1 傳感器數據采集設計方案

2.1.1 數據采集

傳感器數據采集模塊主要實現了將茶園內分散于大棚不同位置的環境數據的感知工作。本系統設計以ZigBee自組網形成的無線傳感網實現對大棚環境數據的采集。采集模塊需要對茶園環境溫濕度、土壤水分、光照強度的數據進行監測，分別使用了SHT10溫濕度傳感器、光合有效傳感器和土壤濕度傳感器完成。

系統所采用的溫濕度傳感器型號為SHT10，該產品具有長期的穩定性和極高的可靠性的特點。其溫度測量范圍-40～120℃，濕度測量范圍0～100RH%，且價格便宜，能滿足使用需求。土壤水分含量傳感器使用的是ECH20，該傳感器采用了新技術和耐用材料，測量精度高且價格低廉，可以對不同土壤深度、多處樣地的水分含量進行長期連續監測。

2.1.2 ZigBee節點

一般來說，茶園中采集到的數據可以通過總線的方式傳送到網關，由于茶園內鋪設線纜的工程量比較大，且不容易維護，所以利用無線的方式將數據采集器與網關進行互連。ZigBee在成本、傳輸距離、字節開銷、協議復雜程度等方面都有自己的優勢，所以選擇ZigBee作為大棚環境數據無線傳送的方式。此處的ZigBee模塊系統采用TI公司的CC2530，它能夠以非常低的成本建立強大的網絡節點，具有不同的運行模式，使它尤其適用于超低功耗要求的系統。圖2為ZigBee節點圖。ZigBee協議根據ZigBee在網絡中的作用，將ZigBee網絡設備分成了3種，分別是協調器，路由器，終端設備。路由器主要起路由的作用，負責維護網絡路徑、搜索設備加入網絡和數據傳輸。終端設備作為數據終端，不需要對數據進行轉發。數據采集節點中應用了ZigBee的路由和終端功能，協調器在網關中使用。

2.2 網關結構

茶園的規模較大，則需要在茶園內部署大量的傳感器，由此采集到的數據較多，且數據格式比較復雜，要經過一系列的處理才能實現數據與互聯網的連接。而且由于茶園生產基地一般由很多茶園組成，如果將每個茶園的數據獨立地與網絡進行通信，施工成本較高，在本系統中，物聯網網關是實現傳感網與互聯網互通的關鍵，在整個系統中處于核心位置，實現將傳感網中數據的匯聚，處理和打包上傳。

網關主控芯片采用意法半導體公司的STM32F407ZGT6。STM32是一款基于Cortex-M4內核、高性能、低成本、低功耗的微控制器，它具有3個USART接口和2～'UART接口，滿足擴展設計要求。CC2530通過串口與STM32連接，作為協調器使用。

圖3為系統網關的硬件設計圖，其中ZigBee協調器負責與位于茶園內的采集控制器通信，將采集控制器到的數據通過串口傳送至STM32，STM32處理器對數據作出處理之后，經過GPRS網絡進行數據通信。協調器是無線傳感網絡的主控制器，主要負責建立網絡，為設備分配網絡地址和管理網絡。

2.3 GPRS通信

目前主要的無線通信技有GSM，GPRS，3G，4G，由于農業物聯網監測傳輸的數據對速度的要求不大，而且沒有圖像數據，基于成本的考慮，選擇數據速率不高的GPRS網絡進行將數據傳輸到互聯網。

本系統的GPRS模塊使用華為公司的MG323。模塊內部自帶TCP/IP協議，支持RS232串口，方便主控芯片STM32與其進行串口連接以及快速便捷地實現數據的透明傳輸。MG323是通過AT指令進行控制的，通過AT指令可以對模塊進行各種參數的設置，數據的查詢和發送。

3 在線數據監測

在監測系統中，為了使茶葉種植區技術人員及時了解到茶葉生長環境信息，需要在監測系統服務端移植一個支持cGI和腳本功能的Boa服務器，Boa服務器是一種單任務的服務器，支持CGI。服務器端的主要功能是負責處理用戶參數、處理采集回來的數據，并為用戶查詢數據庫數據提供接口。

系統監測平臺基于B/S架構，無需安裝客戶端，方便在移動設備上進行數據請求與操作。頁面數據的顯示使用Aiax來實現，AiaxN直接與MySQL server進行通信。Aiax相比傳統HTML可以給用戶提供更好的體驗，其可以同時多個數據庫的狀態圖表，便于數據間的比較，且不需要重新加載，可以設置自動刷新時間。圖4為在線監測網站的總體設計結構。

4 結語

茶葉對生長環境的要求比較高，無論是光照，空氣溫濕度，土壤水分，都對茶葉品質的高低有著很大的影響，基于這樣的背景，文章設計了一個適合應用于茶葉種植環境的監測系統，是物聯網技術在現代農業應用中的延伸，本系統采用無線通信的方式將無線傳感網與互聯網平臺進行連接，實現了種植環境的在線監測，保證了茶葉的正常生長及其經濟效應，在保證系統穩定可靠的情況下，系統各個模塊的硬件都基于成本的考慮，保證了該系統的推廣，對茶葉種植農業的發展有著很重要的作用。