基于物聯網的設施農業遠程智能化信息監測系統的開發

施苗苗+宋建成+田慕琴

摘要：作為新一代信息技術的重要組成部分，物聯網的應用和推廣已成為現代設施農業的發展趨勢。針對現有農田、果林等大面積栽培種植區域土地利用率低、人力物力浪費嚴重等問題，開發一套基于物聯網的設施農業遠程智能化信息監測系統，設計無線局域網ZigBee與無線廣域網GPRS多網絡融合的通信模式，構建底層無線傳感網絡（WSN），以采集農田作物生長及環境信息。基于組態軟件設計信息中心顯示界面，開發智能信息監測軟件，以遠程、實時監測現場農作物生長狀態，集參數監測、網絡通信、數據分析及圖表顯示為一體，突破地域限制，提高數據的共享性。結果表明，該系統性能穩定，在信息無線采集與傳輸、遠程環境監測以及智能化分析等方面均滿足實際需求，同時具有很高的實時性與可擴展性。

關鍵詞：設施農業；物聯網；無線傳感網絡（WSN）；無線局域網；無線廣域網

中圖分類號： S126；TP277.2 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2016）11-0392-04

基于德國工業4.0國家發展戰略，我國提出了“感知中國”的物聯網發展戰略，“設施農業物聯網” 就是物聯網發展戰略中最重要的應用方向之一。在現代農業領域，通過將物聯網應用到農業的各個方面，實現“感知農業”。設施農業物聯網分為3個層次，即信息感知層、通信與網絡傳輸層、應用服務層。信息感知層主要利用各種傳感器節點，獲取農業資源與環境參數，如土壤水分、溫度、濕度、肥力、營養元素、作物長勢等信息。在通信與網絡傳輸層，傳感器獲得的數據通過有線或無線方式以多種通信協議在局域網、廣域網傳播和發布，使得不同時空分布的地域能共享信息。在應用服務層完成數據融合、知識挖掘，以便于農業生產決策控制。由此可見，物聯網技術在農業方面的應用研究已成為一個重要研究方向[1-2]。近年來，我國農業走過了一條高投入、高產出、高速度、高資源環境代價的道路。雖然在農業基礎建設方面取得了顯著成效，然而面對未來人們的生活需求和農業發展，還存在一些問題：（1）農業產業化水平低，仍以傳統經驗生產為主，缺乏量化指標和配套集成技術；（2）監測與控制都采用人工管理，管理水平滯后，存在測控精度低、勞動強度大等弊端，缺乏安全監管，增加成本、浪費資源，且難達到預期效果，導致種植環境惡劣，影響作物產量和品質[3-4]。本研究針對傳統農業向現代農業轉型時期出現的問題，采用以傳感器節點、傳感器網絡、互聯網和智能信息處理為核心的物聯網技術，開發了一套適合農田、果林等大面積栽培種植區域、實時性強、可靠性高的遠程信息采集監測系統。該系統采用ZigBee與GPRS多融合網絡的通訊模式，構建無線傳感網絡（WSN）；結合農業生產實際，采用組態王設計信息中心界面，實現了對現場農作物的遠程監測。

1 系統總體方案設計

基于物聯網的設施農業遠程智能化信息監測系統是通過傳感器、無線通信、信息融合與處理、專家系統等關鍵技術，采集作物生長所需的各種必要參數，進行參數融合和數據挖掘，在搭建的物聯網軟硬件平臺上，實現遠程監測和智能管理。

1.1 系統架構

本系統主要由感知層、網絡層、應用層組成（圖1）。（1）感知層。感知層是設施農業物聯網的底層，也是基礎層。主要用來獲取作物生長實時的環境監測數據。感知層的各節點為智能傳感器節點，它通過各種傳感器獲取實時信息并自行組網傳遞到上層網關接入點。感知層主要采集土壤溫濕度、空氣溫濕度、光照度、土壤pH值等重要環境參數。（2）網絡層。網絡層主要負責整個系統的數據傳輸，它建立在局域網、移動網絡、互聯網之上，主要包括信息存儲查詢、網絡管理等功能。網絡層將接收到感知層的各類數據通過網絡傳輸至信息處理中心，由應用層進行處理，同時將應用層發出的命令信息送達感知層，進行環境調節。（3）應用層。應用層位于本系統頂層，主要實現傳感器數據查詢、數據分析、數據挖掘以及基于感知數據的應用和決策。

1.2 網絡組成

本系統采用無線局域網ZigBee與無線廣域網GPRS的多網絡融合方式，構建無線傳感網絡（WSN），解決農田、果林等大面積栽培種植區域網絡布線困難、傳感器分布混亂等問題（圖2）。

ZigBee無線局域網采用網狀（mesh）拓撲結構，包含1個協調器（coordinator）、一系列的路由（router） 和終端設備（end device）。網狀拓撲具有更加靈活的信息路由規則，路由節點之間可以直接通信。一旦1個路由路徑出現問題，信息可以自動沿著其他路由路徑進行傳輸，提高系統數據傳送的可靠性，降低了數據的丟包率。網狀拓撲利用自組網、多跳級的通信特點，可以組成極為復雜的傳輸網絡，這就突破了大面積區域組網的通信限制，有效提高了通信效率[5-6]。

信息采集終端將數據傳至ZigBee中心節點后，中心節點將收到的數據通過ZigBee-GPRS網關發送至GPRS模塊，GPRS模塊對數據進行TCP/IP封裝，再發送至信息中心。信息中心對數據進行分析處理后進行相應決策處理，實現對現場農作物的遠程智能監測。

2 系統硬件方案設計

2.1 系統硬件組成

基于物聯網的設施農業遠程智能化信息處理系統硬件模塊由6個部分組成，即傳感器模塊、核心模塊、電源模塊、無線模塊、網關和信息中心（圖3）。

（1）傳感器模塊。包括空氣溫濕度、土壤溫濕度、土壤含水量、土壤pH值、光照度等傳感器，主要完成農業現場的環境和養分參數實時采集。（2）以西門子PLC S7-200作為節點的核心模塊。擴展模擬量采集模塊EM231，其作用是把采集到的各種參數進行打包處理，通過RS485發送給ZigBee，經無線網關再發送給遠程信息中心。（3）無線模塊完成數據信息的發送，同時完成對數據包過濾和地址識別功能。（4）網關完成ZigBee協議轉GPRS、GPRS連接Internet的任務。它是農作物種植現場局域網連接Internet廣域網的橋梁。主要功能是處理、存儲、轉發由ZigBee網絡智能節點采集并發送的數據信息。（5）遠程信息中心主要接收現場數據，按時段將數據存入Access數據庫，方便用戶進行歷史查詢。通過數據記錄、圖表顯示及數據庫調用等手段，實現遠程智能監測、數據融合及知識挖掘。

2.2 系統硬件設計

2.2.1 ZigBee節點模塊 ZigBee節點模塊是構建WSN的基礎，負責與網關通信，將信息采集模塊的數據轉發到ZigBee-GPRS網關，或接收網關數據命令后發送到所有終端節點，從而實現對農作物生長環境的監測。根據實際要求，本系統采用F8914作為ZigBee節點，實現現場與網關的通信。該模塊最高數據傳輸速率可達250 kb/s，采用2.4GHz IEEE 802.15.4 RF收發器，接收靈敏度高、通信誤碼率低、抗干擾能力強；具有通用串口功能，可直接連接串口設備。該節點組網靈活，可以滿足網狀拓撲的需求。

2.2.2 網關 網關是局域網轉廣域網的媒介，可以將ZigBee轉換成通用分組無線業務GPRS，通過移動基站實現無線近距離傳輸向無線遠程傳輸的轉變，擴展通信距離。本系統網關采用模塊化設計，支持TCP server功能，可以配置和建立一個新的ZigBee子網，能夠作為網絡中的協調器和路由使用，參與構成Mesh網絡，解決了ZigBee協議和GPRS協議的通信問題。網關硬件結構見圖4。

2.2.3 傳感器 傳感器是信息采集與監測的終端執行者，它將農作物生長環境信息等物理量轉化為相應的電信號，以便網絡傳輸和信息處理。根據需要，系統選用電信號類型為 4～20 mA的電流型傳感器。采用EM231模塊或F8914模塊完成模擬量和數字量之間的轉換。為滿足農業現場作物生長需要，傳感器選型信息見表1。（1）空氣溫濕度傳感器用于監測農業現場空氣溫度、濕度，安裝在田間及果林中；（2）土壤溫濕度、土壤pH值、土壤含鹽量傳感器安裝在作物根部生長的土壤中，用于測量作物生長環境的土壤溫度、濕度、pH值及含鹽量變化情況，通過對這些量的監測，可以使農戶了解土壤的肥沃程度，及時對土地的營養成分進行調整；（3）光照度傳感器用于檢測作物生長光照度是否滿足最基本需要或是否達到作物生長最佳狀態；（4）露點傳感器用于檢測水蒸汽凝結成露的溫度，根據露點溫度可以預報是否發生霜凍，提醒農戶及時處理，使農作物免受損害。

3 無線網絡組建及信息中心設計

3.1 ZigBee網絡

ZigBee網絡是系統網絡層的基礎，是連接感知層和應用層的橋梁。ZigBee支持網絡協調器、全功能設備（FFD）和精簡功能設備（RFD），一般具有星形、樹形、網狀3種拓撲結構，不同拓撲結構決定了系統成本、網絡容量、通信質量和功能實現等。精簡功能設備由于省去內存和其他電路，降低了ZigBee部件成本，但是只能傳送信息給FFD或從FFD接收信息，相互之間不能通信[7-8]。根據大面積種植區域的實際情況，系統設計的智能節點為網絡協調器及全功能設備，ZigBee網絡由智能節點組成，同時具備終端節點（ZE）、路由節點（ZR）和協調器節點（ZC）的功能，不再包含精簡功能設備。

ZigBee網絡的工作模式分為信標和非信標模式，信標模式實現了網絡中所有設備的同步工作和休眠；而非信標模式則只允許ZE進行周期性休眠。本系統采用非信標模式，實現ZE節點周期性休眠，降低系統能耗。ZE節點周期性醒來與父節點握手以確認自己仍處在網絡中，從休眠模式轉入數據傳輸模式一般只需要15 ms[9]。

農田面積廣闊，傳感器節點部署規模大[10]，為了對不同空間角度的信息進行采集，提高信息監測精度和信噪比，系統采用網絡容量大，通信質量高的網狀拓撲結構組建WSN。將智能節點部署在農業現場的適當位置后，選擇其中1個節點擔任協調器節點任務，上電后首先初始化硬件及ZigBee協議棧，發起網絡信標，建立網絡；然后其他節點啟動后通過查找網絡加入，獲取64位物理地址與16位網絡地址的正確映射，從而完成終端節點的加入和網絡組建，組網設計流程見圖5。整個網絡設備的配置過程依靠AT指令完成。重要參數的設置方法：（1）網絡號發送指令AT+PID=<數字字符串>，網絡號范圍0～65 535；（2）網絡物理信道發送AT+CHA=<數字字符串>，物理信道范圍為11～26；（3）設備類型發送 AT+TYP=<數字字符>，0=協調器，1=路由器，2=終端設備；（4）網絡地址發送AT+NID=<數字字符串>，網絡地址范圍0～65 527，65 535為隨機地址，協調器加入網絡后，網絡地址固定為0，其他節點不能設置為0；（5）透傳地址，即數據發送目的地址，發送AT+TID=<數字字符串>，0～65 527 為指定地址，65 535為廣播地址。

3.2 GPRS網絡

GPRS網絡是網絡層的重要組成部分，它接收ZigBee網絡發送的數據，轉發到信息監測中心，實現農作物生長環境的遠程監測，拓展監測距離，突破地域限制。本系統采用的GPRS數傳模塊在與ZigBee構成Mesh網狀時，作為協調器網關使用，發起建立近距離局域網。局域網組網成功后，GPRS接收來自ZigBee節點數據的同時，利用移動基站建立遠程GPRS網絡連接。GPRS連接遠程服務器流程見圖6，其中主中心IP地址或域名的擴展AT命令為AT+IPAD=xxx，IP地址必須為數據中心公網IP，若為內網可通過設置路由進行端口映射或下載花生殼內網版軟件進行域名解析解決；端口建議設置在1 024以上；APN設置為CMNET；SIM卡號碼為 AT+PHON=“11位手機號碼”。

GPRS模塊通過數據中心的IP地址以及端口號等參數，向數據中心發起TCP或UDP通信請求進行PPP撥號。在得到中心響應后，GPRS即認為與中心握手成功，然后就保持通信連接一直存在，如果通信連接中斷，GPRS立即重新與中心握手。一旦接收來自節點的數據，GPRS模塊就立即把節點數據封裝在一個TCP/UDP數據包里，發送給數據中心。

3.3 信息中心設計

中央信息處理中心由中心PC、Kingview6.55、數據庫等組成，其主要功能有：（1）數據顯示與查詢，包括實時數據、歷史數據的圖形、報表、曲線顯示和查詢；（2）數據存儲，以日報表、月報表、年報表的形式進行歷史數據的存儲，便于用戶調用；（3）系統管理，包括用戶權限管理、設備管理、信息維護管理；（4）WEB界面發布，能夠使用戶無論身在何處，只要通過互聯網就能夠了解農業現場狀態，突破地域限制；（5）安全報警，一旦超出設定的專家閾值范圍，中心界面以紅色進行警示。

4 系統性能測試

系統性能測試包括ZigBee節點間、ZigBee與GPRS通信可靠性，系統讀取數據的準確度的測試。測試方案是將空氣溫度、濕度、光照度等傳感器接入ZigBee節點，部署在測試場所，形成無線傳感網絡，實現數據采集；再將采集到的數據通過GPRS遠程發送到組態王信息中心。系統測試實測界面見圖7。

系統測試數據實時刷新，現隨機選取測試過程中某一時刻的部分環境參數測試值，與實際值進行比較（表2）。

將測試場所各種環境參數的實際值作為標準，測試值與標準比較，誤差均未超過1%，測試結果表明ZigBee節點可以準確地將傳感器信息通過GPRS傳到中央信息中心，網絡傳輸可靠；信息中心能夠準確實時顯示現場環境數據，生成報表及曲線，滿足遠程監測的目的。

5 結論

構建設施農業物聯網3層架構，集信息采集、傳輸、識別應用為一體，實現種植區域統一配置，統一管理。設計無線局域網ZigBee與無線廣域網GPRS多網絡融合通信模式，搭建底層無線傳感網絡，解決農田不同空間角度傳感器部署困難的問題，實現農田環境信息無線近距離采集與遠程傳輸。利用Kingview 6.55搭建上位機平臺，結合WEB網絡發布，提高數據的實時共享性，實現對農田種植環境的遠程監測。

參考文獻：

[1]董芳敏. 農業物聯網技術及應用[M]. 北京：中國農業出版社，2012.

[2]Zhao J C，Zhang J F，Feng Y，et al.The study and application of the IOT technology in agriculture[C]//2010 3rd IEEE International Conference on Computer Science and Information Technology. 2010：462-465.

[3]戴起偉，凡 燕，曹 靜，等. 物聯網技術與江蘇智能農業產業發展[J]. 江蘇農業科學，2011，39（5）：1-3.

[4]葛文杰，趙春江. 農業物聯網研究與應用現狀及發展對策探討[J]. 農業機械學報，2014，45（7）：222-230.

[5]Wheeler A. Commercial applications of wireless sensor networks using zigBee[J]. IEEE Communications Magazine，2007，45（4）：70-77.

[6]Huang Y K，Pang A C，Hsiu P C，et al.Distributed throughput optimization for zigBee cluster-tree networks[J]. IEEE Transactions on Parallel & Distributed Systems，2002，13（3）：260-274.

[7]胡 衡，梁嵐珍. 基于ZigBee和ARM的溫室大棚多點溫度采集系統的設計[J]. 江蘇農業科學，2014，42（7）：416-419.

[8]徐亞峰，劉煥強，顧曉峰，等. 基于ZigBee和GPRS的遠程水質監測系統的設計與實現[J]. 江蘇農業科學，2013，41（3）：328-331.

[9]Azevedo J，Santos F，Rodrigues M，et al. Sleeping zigBee networks at the application layer[J]. Iet Wireless Sensor Systems，2013，4（1）：35-41.

[10]馬國俊. 物聯網核心技術及其在農業領域的應用[J]. 江蘇農業科學，2012，40（11）：390-392.