大田種植區域內氣象環境監測系統研究

周 鵬，燕 斌，田 晨，許愛霞，程 濤

(1.江蘇農牧科技職業學院 農業物聯網系，江蘇 泰州 225300； 2.靖江市氣象局，江蘇 靖江 214500；3.泰州市姜堰區農業委員會，江蘇 泰州 225500)

大田農業是指大面積種植農作物的大規模農業生產。小麥、水稻、玉米等在我國有著大面積種植范圍的，均可稱為大田農作物。農作物的生長離不開水，長時間干旱將對農作物產生不利的影響，甚至導致植株的死亡，而降水過多也容易造成農作物爛根等疾病。監測系統可以監測大田的降雨情況，當降雨時間過短，可實施人工灌溉，當降雨時間過長時，則應做好農田的排水措施。降雪量偏大的地區，如果覆蓋在小麥上的冰雪層融化而氣溫又長期穩定在零下時，就有可能對冬小麥產生凍害。監測系統可對降雪進行監控，可對冬小麥等農作物實施搶收搶管。待天晴雪融后，可進行培土壅根、覆蓋保苗，增施有機肥和鉀肥等暖性肥料，以增強農作物的抗寒能力[1]。

1 系統設計

大田氣象環境監測系統的網絡結構遵循物聯網的三層基本結構[2]。感知層通過傳感器節點，采集大田氣象環境信息，并將數據匯聚至網關節點做濾波、融合等處理[3]后送服務器。用戶借助計算機網絡或移動數據網絡訪問服務器中保存的數據。用戶在應用層實現大田氣象環境信息的接收和發送控制命令[4]。

大田氣象環境監測系統分為傳感器節點、網關和服務器三大部分，整個系統的體系結構如圖1所示。該系統的具體實施需要完成各種節點硬件平臺、節點應用程序、Web Service設計，其中硬件平臺的設計包括傳感器節點和網關節點的設計[5]。

圖1 大田氣象環境監測系統

由于大田種植區域面積較大，因此大田中數據采集節點與服務器之間不便采用傳統有線傳輸、藍牙、Zigbee或Wifi等數據傳輸方式[6]。而采用NRF24L01+PA的大功率無線通訊進行信息傳輸是一種較為合理可行的數據傳輸方案[7]。

NRF24L01+PA的大功率無線通訊距離在2 300 m左右，如需將傳感器節點收集到的數據共享到更廣的區域內則需要借助其他技術手段，如以太網、GPRS等。以太網技術在眾多領域均有應用，且軟硬件技術成熟，適合遠距離、數據量大及高傳輸速率的應用場合，在網關節點上配置NRF24L01+PA及網卡模塊的方案可以解決大田缺乏計算機網絡基礎設施的情況下，可靠傳輸大田氣象信息數據的問題。

2 硬件設計

傳感器節點主要包含數據采集單元和數據傳輸模塊。傳感器節點采用STC公司型號為STC12C5A60S2的單片機為核心，雨雪、風速、風向、土壤濕度、光照等傳感器將測量的數據送至STC12C5A60S2經必要處理后以無線傳輸的方式傳送至網關節點。

網關節點主要由數據傳輸模塊、數據處理單元和網卡模塊組成，實現的功能主要包括接收傳感器節點發送的數據，將基于自定義協議的數據轉換成符合TCP/IP協議的數據。轉換完成后，通過網卡模塊把數據發送到計算機。

2.1 傳感器節點硬件平臺的設計

雨雪傳感器節點主要由雨雪傳感器及STC12C5A60S2單片機構成，土壤濕度傳感器節點主要由土壤濕度傳感器及STC12C5A60S2單片機構成。雨雪傳感器和土壤濕度傳感器都是將探頭所接觸介質的電導率變化轉化為電壓變化并送至STC12C5A60S2單片機做A/D轉換，根據測量值可獲取降雨、降雪及土壤濕度數據。單片機獲取數據后通過NRF24L01+PA無線傳輸模塊將數據傳輸至網關節點。

風速、風向傳感器節點主要由風速、風向傳感器及STC12C5A60S2單片機構成。風速、風向傳感器的輸出為模擬電壓值，風速、風向的變化轉化為電壓變化并送至STC12C5A60S2單片機做A/D轉換，根據測量值可獲取風速、風向數據。單片機獲取數據后通過NRF24L01+PA無線傳輸模塊將數據傳輸至網關節點。

光照傳感器節點主要由BH1750FVI光照傳感器及STC12C5A60S2單片機構成，兩者采用IIC總線方式進行數據傳輸。BH1750FVI光照傳感器負責采集大田的光照數據并將數據通過NRF24L01+PA無線傳輸模塊轉發至網關節點。

2.2 網關節點硬件平臺的設計

網關節點主要由ENC28J60網卡模塊、NRF24L01+PA無線傳輸模塊及STM32F103單片機構成，ENC28J60帶有SPI接口，通過該接口可以將其與STM32F103進行連接(圖2)。NRF24L01+PA無線傳輸模塊與網關節點采用串口連接，用于與其他傳感器節點進行數據通信，對各傳感器節點轉發的數據做數據融合后，ENC28J60模塊將處理好的數據借助計算機網絡傳輸至計算機[8]。

圖2 CC2530與網卡芯片ENC28J60的連接

3 軟件設計

3.1 傳感器節點程序的設計

大田氣象環境監測系統中的雨雪傳感器、土壤濕度傳感器、風速、風向傳感器節點都是輸出模擬電壓數據經STC12C5A60S2單片機采集后由NRF24L01+PA無線傳輸模塊轉發至網關節點。因此傳感器節點的程序主要包括單片機AD采集與NRF24L01數據傳輸兩部分(圖3)。

圖3 AD采集與NRF24L01數據傳輸程序流程

3.2 網關應用程序的設計

網關節點需要與其他多個傳感器節點進行數據通信，通信部分程序流程圖如圖3所示。為保證網關節點接收到數據后能識別出不同類型傳感器節點發送過來的數據，需要自定義一套通信協議。約定節點發送的指令/數據格式為幀頭+節點編號+模塊ID+命令/數據(ParamH+ParamL)+幀尾，其中網關節點的幀頭為CC EE，傳感器節點的幀頭為EE CC；節點編號從01～FF；模塊ID號從01～FF；幀尾為FF。根據自定義通信協議定義的數據包結構體如下：

typedef struct

{ uint8 Header_1;

uint8 Header_2;

uint8 NodeSeq; //

節點編號

uint8 NodeID; //

模塊ID(00表示網關)

uint8 Command; uint8 Data[10];

uint8 Tailer;

}UART_Format;

網關節點需要實現的另一個功能是將其接收到的基于自定義通信協議的數據包轉換成TCP/IP數據包。而在嵌入式設備上直接移植TCP/IP協議棧不僅工作量大而且難度高，因此改變思路移植一些經過改進的適用于嵌入式系統的TCP/IP協議棧則能起到事半功倍的效果。一些著名的輕量級TCP/IP協議棧有瑞典計算機科學研究院的Adam Dunkels等開發的LwIP協議棧和uIP協議棧等。當然還可以使用硬件協議棧即選擇自帶硬件TCP/IP協議棧的網卡芯片，如W5500以太網芯片。本設計采用的方案是在嵌入式微控制器上移植uIP協議棧[9]。

4 Web Service設計

如何將網關節點匯聚并經濾波、融合過的數據提供給眾多用戶訪問也是大田種植區域內氣象環境監測系統研究的重點。Web Service通過為用戶提供一組網頁有效地解決了上述問題。Web應用程序一般都是B/S架構，即瀏覽器/服務器(Browser/Server)架構。B/S結構的程序開發、部署簡單，用戶易學易用，且網關升級時也不影響應用集成。根據大田氣象環境監測系統的需求及特點，構建如圖4所示的Web Service服務器[10]。

圖4 Web和應用程序服務器

大田氣象環境監測系統的前臺采用JSP語言編寫，通過JSP程序將數據庫中的內容讀出來顯示在主頁上，接收網關節點從客戶端輸入的氣象信息并寫入數據庫。當后臺數據庫中的內容改變時，前臺頁面顯示的信息也應隨之變化。后臺模塊主要通過數據庫實現，負責存儲網關節點從客戶端輸入的信息并進行編號，同時管理員也可通過數據庫實行動態管理。

5 小結

本系統采用NRF24L01+PA無線傳輸模塊和以太網相結合的通信方式實現對大田氣象環境信息的監測。測試結果顯示，大田氣象環境監測系統能穩定、可靠地運行，實現了設計目標。本系統不僅適用于對大田氣象環境的監控，還可用于其他眾多場合，具有廣泛的應用前景。

[1] 伍丹，高紅菊，梁棟，等.無線傳感器網絡農田環境監測管理平臺設計[J]. 農機化研究，2014(9)：138-141.

[2] 鄭紀業，阮懷軍，封文杰，等.農業物聯網體系結構與應用領域研究進展[J].中國農業科學，2017，50(4)：657-668.

[3] 宋慶恒.基于多傳感器數據融合的蔬菜大棚控制系統設計[J].農機化研究，2015(4)：211-214.

[4] 李明河，郭建忠，王健.基于GPRS的村鎮污水處理遠程監控系統設計[J].控制工程，2017，24(4)：799-803.

[5] 周鵬，燕斌.TinyOS在MSP430F149上的移植與應用[J].自動化儀表，2016 (8)：13-15，20.

[6] 許童羽，王建東，須暉，等.基于ZigBee與WiFi的北方日光溫室群監控系統設計[J].中國農機化學報，2016，37(1)：59-64.

[7] 左湘文，薛箏箏，肖建輝.基于51單片機的氣象數據無線傳輸系統的設計開發[J].氣象科技，2015，43(5)：829-832,879.

[8] 安葳鵬，屈星龍，李長青. 基于.ENC28J60以太網接口的礦用監控分站設計[J].測控技術，2016，35(11)：91-94.

[9] 蔣萊. 幾個主流TCP/IP協議棧介紹[J]. 計算機與網絡，2016(8)：46.

[10] 趙鐵松，王曉云，李偉，等.基于B/S架構和開源WebGIS平臺的氣象觀測站網可視化系統[J].氣象科技，2013，41(1)：57-61，96.