基于云服務器和ZigBee無線傳感網(wǎng)絡的茶園遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設計

何 東，寧文慧

(重慶城市職業(yè)學院信息工程系，重慶 402160)

2012年中央一號文件突出強調(diào)部署農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新，提出要把推進農(nóng)業(yè)科技創(chuàng)新作為“三農(nóng)”的工作重點。我國是世界上最大的茶葉種植地和全球第二大茶葉生產(chǎn)地。茶產(chǎn)業(yè)作為我國傳統(tǒng)特色優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)，對于促進農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展、改善農(nóng)民經(jīng)濟狀況、改善生態(tài)環(huán)境起著重要作用[1]。人工種植、栽培茶葉一直是茶葉生產(chǎn)的傳統(tǒng)方式，由于茶園的分布面積大，不易值守，更需要大量的人力成本，同時無法讓茶農(nóng)實時掌握茶葉的生長環(huán)境，更不能及時調(diào)節(jié)茶葉生長所需的環(huán)境狀況。

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術、網(wǎng)絡技術和云服務技術的快速發(fā)展，為了改變茶葉生產(chǎn)的管理模式，節(jié)約茶園的人力成本，提高茶葉品質(zhì)和產(chǎn)量，筆者提出了一種基于云服務器和無線傳感網(wǎng)絡(ZigBee網(wǎng)絡)技術相結合的茶園遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設計。通過該系統(tǒng)，用戶可以實時了解茶園的環(huán)境參數(shù)，并根據(jù)環(huán)境參數(shù)對茶園現(xiàn)場的控制設備進行相應控制或由系統(tǒng)自動控制，同時考慮到節(jié)點分散，不易部署電線，所以各個節(jié)點采用理電池和太陽能電池板供電。

1　茶園遠程監(jiān)控系統(tǒng)的總體架構

茶園遠程監(jiān)控系統(tǒng)主要由無線傳感網(wǎng)絡(采集端)、網(wǎng)關及控制器、云服務器、客戶端4個部分組成。系統(tǒng)總體架構如圖1所示。

茶園遠程監(jiān)控系統(tǒng)主要實現(xiàn)對茶園的環(huán)境參數(shù)實時監(jiān)測和智能調(diào)控茶葉生長環(huán)境。先將采集節(jié)點、路由節(jié)點及協(xié)調(diào)器布設在茶園各個檢測區(qū)域，從而組成一個無線傳感網(wǎng)絡(ZigBee網(wǎng)絡)，采集節(jié)點和路由節(jié)點實時采集茶葉所需的空氣溫濕度、土壤濕度、光照強度、土壤酸堿度等參數(shù)，通過形成的網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器匯總后通過串口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關及控制器設備，網(wǎng)關及控制設備通過GPRS模塊以無線網(wǎng)絡的方式將數(shù)據(jù)上傳到所部署的云服務器，云服務器對數(shù)據(jù)進行解析后將數(shù)據(jù)保存到數(shù)據(jù)庫中，用戶通過客戶端就可以實時訪問獲取的茶葉培育過程中的環(huán)境參數(shù)，并且還可以對獲得的參數(shù)進行分析后向網(wǎng)關及控制器設備發(fā)送指令，從而控制現(xiàn)場執(zhí)行設備執(zhí)行相應操作(也可以由監(jiān)控系統(tǒng)自動執(zhí)行)，從而改善茶園培育環(huán)境，提高茶葉產(chǎn)量，減少茶園工作人員，降低人力成本。

2　茶園遠程監(jiān)控系統(tǒng)的功能及設計

2.1無線傳感網(wǎng)絡(ZigBee網(wǎng)絡)的功能及設計該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分實質(zhì)上是一個無線傳感網(wǎng)絡，采用ZigBee組網(wǎng)技術[2]，ZigBee網(wǎng)絡的主要功能是采集茶園的環(huán)境參數(shù)，并通過協(xié)調(diào)器將數(shù)據(jù)包發(fā)送給網(wǎng)關及控制器設備。

ZigBee技術是一種基于IEEE 802.15.4的無線通信協(xié)議[3]，其特點是成本低、功耗低、可靠性高、雙向傳輸、組網(wǎng)靈活方便，并且是一種新興的短距離、低速率無線網(wǎng)絡技術，網(wǎng)絡節(jié)點容量大，理論上最大可支持 6 萬多個節(jié)點[4]。該ZigBee網(wǎng)絡各個節(jié)點的微處理器均采用德州儀器(TI)公司的 CC2530芯片，該芯片具備低成本、低功耗、安全可靠和整套Z-Stack協(xié)議棧等優(yōu)點。

采集節(jié)點主要負責采集傳感器數(shù)據(jù)，然后發(fā)送給路由節(jié)點，路由節(jié)點不僅采集傳感器數(shù)據(jù)，而且也將采集節(jié)點傳送過來的數(shù)據(jù)一起發(fā)送給其他路由節(jié)點或協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器負責將路由節(jié)點和采集節(jié)點的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送給網(wǎng)關及控制器設備。采集節(jié)點和路由節(jié)點的硬件組成相同，但所用軟件不同，硬件主要包括傳感器模塊、CC2530、無線傳輸模塊和電源模塊4個部分，其中電源可以由鋰電池和太陽能電池板供電，通過太陽能電池板可以節(jié)能，并且減少電線的安裝及部署。協(xié)調(diào)器硬件主要由 CC2530、無線收發(fā)器模塊和串口模塊組成。其具體結構示意圖如圖 2所示，其中虛線框中的部分表示協(xié)調(diào)器與采集節(jié)點和路由節(jié)點2類節(jié)點硬件不同的部分。

圖2　協(xié)調(diào)器與采集節(jié)點和路由節(jié)點結構示意Fig.2　The structure of coordinator,acquisition nodes and routing nodes

2.2網(wǎng)關及控制器的功能及設計網(wǎng)關及控制器的主要功能是通過串口1接收由協(xié)調(diào)器發(fā)送過來的采集數(shù)據(jù)，然后將采集數(shù)據(jù)按通信協(xié)議打包后通過串口2將數(shù)據(jù)發(fā)送給GPRS模塊，同時串口2還可以接收GPRS模塊傳送過來的數(shù)據(jù)，解析該數(shù)據(jù)后發(fā)送指令控制現(xiàn)場的執(zhí)行設備。網(wǎng)關及控制器的處理器選用ARM9，其硬件結構示意圖如圖3所示。

2.3云服務器功能該平臺的云服務器采用阿里云服務器。阿里云服務器是一種處理性能優(yōu)越、安全可靠的計算服務，方便用戶建立數(shù)據(jù)中心，可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的靈活訪問和數(shù)據(jù)存儲計算[5]。

云服務器端分為控制臺、web服務、數(shù)據(jù)庫3個部分?？刂婆_的功能相當于云端與外界進行溝通的橋梁[6]，控制臺向下與網(wǎng)關及控制器設備進行數(shù)據(jù)通訊，通過 TCP/IP協(xié)議將獲取茶園現(xiàn)場環(huán)境的參數(shù)數(shù)據(jù)進行解析后存儲到數(shù)據(jù)庫內(nèi)；控制臺向上與各種客戶端軟件進行數(shù)據(jù)通訊，以便對現(xiàn)場的控制設備發(fā)送控制命令。數(shù)據(jù)庫服務器主要是存儲采集的數(shù)據(jù)，以便客戶端可以隨時進行查詢和分析。WEB服務器端程序部署在 Tomcat 容器中，用 Java 語言編寫，采用MVC分層設計模型。數(shù)據(jù)庫采用MySQL數(shù)據(jù)庫。云服務器與PC端采用B/S模式，與Android客戶端采用C/S模式[7]。

圖3　網(wǎng)關及控制器結構示意Fig.3　The structure of gateway and controller

2.4客戶端功能客戶端程序分為 WEB 頁面程序和移動終端程序。WEB 頁面和移動端頁面使用 HTML5+CSS3+Java Script開發(fā)，采用 Express 作為 WEB 應用框架，客戶端程序主要是可以隨時隨地查詢茶園的環(huán)境參數(shù)，并且根據(jù)查詢的參數(shù)進行分析，然后手動的發(fā)送控制命令控制現(xiàn)場的控制設備，也可以通過設定參數(shù)的各種閥值，讓系統(tǒng)自動控制現(xiàn)場的控制設備。同時，根據(jù)產(chǎn)生的大量歷史數(shù)據(jù)，用于后期進行數(shù)據(jù)分析和控制策略的機器學習，以便更加合理、及時、高效地控制茶園的環(huán)境參數(shù)。

3　結語

基于ZigBee技術的無線傳感網(wǎng)絡提供了全新的獲取數(shù)據(jù)的平臺[8]，同時結合太陽能供電，滿足低功耗、長期無人值守的工作需要，同時結合云服務技術，可以提供高安全、高可用、靈活擴展及成本低的服務，后期可根據(jù)獲得的大數(shù)據(jù)進行分析，從而可對茶園環(huán)境進行自動化、精準化和智能化調(diào)控。

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[4] 胡亞敏，張建鋒，武珊珊，等.基于阿里云的便攜式多功能農(nóng)田信息采集系統(tǒng)設計[J].中國農(nóng)機化學報，2016，37(9)：146-150.

[5] 高玉芹.基于ZigBee和模糊控制決策的自動灌溉系統(tǒng)的設計[J].節(jié)水灌溉，2010(8)：52-55.

[6] 余景華.基于云服務器的無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設計[J].中小企業(yè)管理與科技，2017(24)：195-196.

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[8] 趙子健.基于ZigBee的無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計與研究[J].微處理機，2007，38(4)：91-95.