基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)田滴灌遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉育辰，李江全，左乾坤

（石河子大學(xué) 機(jī)械電氣工程學(xué)院，石河子 832000）

近年來，農(nóng)田滴灌逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)灌溉模式成為農(nóng)田灌溉的主要方式。目前農(nóng)田滴灌有線控制自動(dòng)化已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，實(shí)現(xiàn)了對農(nóng)田的節(jié)水灌溉，并節(jié)約了人力資源。

在農(nóng)田滴灌應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)田間環(huán)境信息和電磁閥工作狀態(tài)的遠(yuǎn)程獲取，并控制電磁閥工作，使農(nóng)戶免去有線自動(dòng)化控制設(shè)施的安裝、維護(hù)費(fèi)用，依據(jù)農(nóng)田種植環(huán)境信息完成對農(nóng)田的節(jié)水灌溉任務(wù)，實(shí)現(xiàn)智能化精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)[1]。為此文中設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)田滴灌遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)田滴灌遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，采用物聯(lián)網(wǎng)體系經(jīng)典的3層架構(gòu)，依次為感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和應(yīng)用層，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。

圖1 農(nóng)田滴灌遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of remote monitoring and control system for agriculture drip irrigation

1.2 系統(tǒng)工作原理

農(nóng)田安裝的多個(gè)感知節(jié)點(diǎn)利用ZigBee技術(shù)組成無線傳感網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)監(jiān)測田間作物生長環(huán)境信息和田間設(shè)備工作狀態(tài)信息，將采集到的信息發(fā)送至匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)接收傳感器采集的信息并通過內(nèi)置的3G模塊傳輸至3G網(wǎng)絡(luò)[3]。3G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸至監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)。用戶端電腦、手機(jī)通過互聯(lián)網(wǎng)訪問監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)獲取田間信息，發(fā)送控制指令遠(yuǎn)程控制田間電磁閥工作。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 感知層硬件

感知層是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集處理和傳輸控制。感知層分為感知節(jié)點(diǎn)、控制節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示[4]。

圖2 感知層節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure of perception layer node

2.1.1 感知節(jié)點(diǎn)

感知節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集農(nóng)田環(huán)境信息。采用D058-B型光照強(qiáng)度傳感器、SHT10型溫度傳感器、FDS100型濕度傳感器、YS1120B型風(fēng)速傳感器和TDR-3型土壤水分傳感器等作為農(nóng)田感知節(jié)點(diǎn)的傳感單元；選用PIC18F6722單片機(jī)作為感知節(jié)點(diǎn)控制器的處理單元；選用ZigBee 2530無線通信模塊作為通信單元[3-4]。感知節(jié)點(diǎn)集成了空氣溫濕度、光照和土壤水分等傳感器，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示。

2.1.2 控制節(jié)點(diǎn)

控制節(jié)點(diǎn)用于控制田間電磁閥的工作。選用PIC18F6722單片機(jī)作為控制節(jié)點(diǎn)控制器的處理單元，選用ZigBee 2530無線通信模塊作為通信單元，以實(shí)現(xiàn)電磁閥開/關(guān)控制及電磁閥狀態(tài)信息反饋，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2（b）所示。

2.1.3 匯聚節(jié)點(diǎn)

匯聚節(jié)點(diǎn)傳輸感知節(jié)點(diǎn)和控制節(jié)點(diǎn)的信息，完成感知層與網(wǎng)絡(luò)層的連接。系統(tǒng)采用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行組網(wǎng)，各感知節(jié)點(diǎn)采集的信息通過周圍控制節(jié)點(diǎn)進(jìn)行中繼轉(zhuǎn)發(fā)，最終將數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)，并傳輸至3G網(wǎng)絡(luò)。

選用S3C2440單片機(jī)作為匯聚節(jié)點(diǎn)控制器的處理單元；選用ZigBee 2530無線通信模塊作為無線傳輸單元；選用EM560無線3G模塊作為網(wǎng)絡(luò)傳輸單元。其硬件結(jié)構(gòu)如圖2（c）所示。

2.2 網(wǎng)絡(luò)層硬件

網(wǎng)絡(luò)層是感知層與應(yīng)用層的橋梁。該系統(tǒng)選用基于GSM的CDMA200接入技術(shù)[5]，接收匯聚節(jié)點(diǎn)EM560無線3G模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并進(jìn)行處理，再將數(shù)據(jù)通過基站傳輸?shù)奖O(jiān)控中心計(jì)算機(jī)。監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)位于連隊(duì)管理機(jī)房，主要用于田間信息采集、轉(zhuǎn)換處理、數(shù)據(jù)庫記錄以及報(bào)表統(tǒng)計(jì)。

2.3 應(yīng)用層硬件

移動(dòng)終端手機(jī)用戶通過手機(jī)實(shí)時(shí)掌握田間環(huán)境與電磁閥狀態(tài)信息，控制田間電磁閥工作。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 感知層軟件設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)單片機(jī)程序基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)，使用C語言編寫。依據(jù)該系統(tǒng)功能需求，在實(shí)際農(nóng)田環(huán)境下，節(jié)點(diǎn)數(shù)量少、部署間隔遠(yuǎn)，節(jié)點(diǎn)硬件資源有限，故采用定時(shí)讀取數(shù)據(jù)方式獲取農(nóng)田環(huán)境信息。

3.1.1 感知節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

感知節(jié)點(diǎn)上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，加入ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)，周期性采集農(nóng)田環(huán)境信息并存儲(chǔ)，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至匯聚節(jié)點(diǎn)，然后清空感知節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息。若在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，匯聚節(jié)點(diǎn)未接收到感知節(jié)點(diǎn)采集的相關(guān)信息，則該感知節(jié)點(diǎn)處于異常狀態(tài)，進(jìn)行異常處理。

3.1.2 控制節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

控制節(jié)點(diǎn)用于周期性地查看是否有匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送的控制指令，若有則執(zhí)行指令實(shí)現(xiàn)電磁閥啟、閉控制；否則正常執(zhí)行電磁閥狀態(tài)采集任務(wù)，將電磁閥工作狀態(tài)傳送至匯聚節(jié)點(diǎn)。其信息采集與數(shù)據(jù)傳輸?shù)某绦蛟O(shè)計(jì)與感知節(jié)點(diǎn)類似。控制節(jié)點(diǎn)工作流程如圖3所示 （該圖去掉虛線框部分，剩下的為感知節(jié)點(diǎn)工作流程）。初始化中：time為時(shí)間變量，記錄感知節(jié)點(diǎn)工作時(shí)間；send＝0為未發(fā)送數(shù)據(jù)；val-sensor作為存儲(chǔ)傳感器采集的環(huán)境信息單元。

圖3 控制節(jié)點(diǎn)流程Fig.3 Flow chart of control node

3.1.3 匯聚節(jié)點(diǎn)程序設(shè)計(jì)

匯聚節(jié)點(diǎn)上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，建立傳感網(wǎng)絡(luò)；控制節(jié)點(diǎn)和感知節(jié)點(diǎn)加入傳感網(wǎng)絡(luò)時(shí)，向匯聚節(jié)點(diǎn)注冊自身的網(wǎng)絡(luò)地址和物理地址、父節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)地址等信息；匯聚節(jié)點(diǎn)再將這些信息通過接入網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)至移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，并結(jié)合節(jié)點(diǎn)的位置信息直觀地繪制出網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，待網(wǎng)絡(luò)工作穩(wěn)定后，再向控制節(jié)點(diǎn)發(fā)送鄰居表請求。監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)在獲得各控制節(jié)點(diǎn)的鄰居表信息后，建立起更為完善的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)感知到某個(gè)節(jié)點(diǎn)或鏈路發(fā)生變化，將向監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)報(bào)告，監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)據(jù)此動(dòng)態(tài)更新網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌瑥亩鴮?shí)時(shí)反映網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行情況[6]。

3.2 網(wǎng)絡(luò)層軟件設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)層軟件由田間監(jiān)測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)和監(jiān)控中心系統(tǒng)組成。其中，數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成2個(gè)任務(wù)：管理傳感器節(jié)點(diǎn)；把采集到的田間環(huán)境數(shù)據(jù)按照相應(yīng)協(xié)議規(guī)則，通過傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給田間監(jiān)測系統(tǒng)。田間監(jiān)測系統(tǒng)負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)由數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)收集的田間環(huán)境數(shù)據(jù)，至監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)，并根據(jù)相應(yīng)規(guī)則，轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)的信息至數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)[7]。

采用這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以解決多個(gè)監(jiān)測區(qū)域同時(shí)上傳田間環(huán)境數(shù)據(jù)的問題，而且可以在多個(gè)傳感網(wǎng)之間建立網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，使單個(gè)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)正常運(yùn)行，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

3.3 應(yīng)用層軟件設(shè)計(jì)

3.3.1 功能設(shè)計(jì)

應(yīng)用層軟件包括客戶端PC軟件和移動(dòng)終端手機(jī)APP，為用戶提供感知層信息，通過網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制電磁閥。

該系統(tǒng)按功能分為數(shù)據(jù)顯示模塊、閥門控制模塊、作業(yè)統(tǒng)計(jì)模塊、警報(bào)監(jiān)聽模塊和用戶管理模塊。其中，數(shù)據(jù)顯示模塊用于實(shí)時(shí)顯示農(nóng)田的環(huán)境信息參數(shù)及農(nóng)田環(huán)境歷史數(shù)據(jù)；閥門控制模塊用于遠(yuǎn)程控制田間的控制節(jié)點(diǎn)工作，驅(qū)動(dòng)電磁閥對農(nóng)田進(jìn)行滴灌；作業(yè)統(tǒng)計(jì)模塊用于記錄農(nóng)田的灌溉次數(shù)、灌溉時(shí)間、灌溉用水量；警報(bào)監(jiān)聽模塊對傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)警參數(shù)設(shè)置，超過設(shè)定值時(shí)進(jìn)行報(bào)警；用戶管理負(fù)責(zé)識(shí)別用戶身份，給予用戶相關(guān)使用權(quán)限。

3.3.2 PC端功能設(shè)計(jì)

用戶獲取數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程控制請求，通過http協(xié)議發(fā)送請求數(shù)據(jù)至監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)前端服務(wù)接口[8]，檢查用戶請求是否正確，正確則向監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)管理模塊發(fā)送請求數(shù)據(jù)，管理模塊根據(jù)請求進(jìn)行相應(yīng)處理，將結(jié)果返回給用戶。用戶請求處理流程如圖4所示。

3.3.3 手機(jī)端功能設(shè)計(jì)

手機(jī)客戶端運(yùn)行的Android 4.0操作系統(tǒng)基于Android studio平臺(tái)采用Java語言開發(fā)[9]。田間設(shè)備與用戶APP間的數(shù)據(jù)通信，采用無數(shù)據(jù)點(diǎn)透傳方式[10]，設(shè)備上報(bào)數(shù)據(jù)協(xié)議見表1。其中，包長度len是從命令開始一直到校驗(yàn)和的字節(jié)長度（包括命令和校驗(yàn)和）；dev_status是需要透傳數(shù)據(jù)，可設(shè)置任意長度。

圖4 用戶請求處理流程Fig.4 Flow chart of user request processing

表1 設(shè)備上報(bào)數(shù)據(jù)協(xié)議Tab.1 Device reporting data protocol

APP接收到數(shù)據(jù)后，需要將16進(jìn)制byte轉(zhuǎn)換為string，接收到的dataMap字典中有對應(yīng)設(shè)備名稱的key，對應(yīng)值即傳輸數(shù)據(jù)。用戶可通過給設(shè)備設(shè)置定時(shí)任務(wù)，讓設(shè)備在預(yù)定的日期、時(shí)間執(zhí)行某些農(nóng)田灌溉任務(wù)。

4 系統(tǒng)功能測試

為驗(yàn)證遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的功能，將系統(tǒng)安裝在某地5號泵房。該泵房已安裝計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，可為140 hm2棉田實(shí)施自動(dòng)化灌溉。

為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，測試其系統(tǒng)功能，測試時(shí)在田間安裝了3個(gè)感知節(jié)點(diǎn)（分別安裝風(fēng)速傳感器、雨量傳感器、光照強(qiáng)度傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器和土壤水分傳感器），2個(gè)控制節(jié)點(diǎn) （可控制8個(gè)電磁閥的啟閉）以及1個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)（安裝3G模塊）。各節(jié)點(diǎn)通過ZigBee的數(shù)傳模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，再將數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)利用安裝的3G模塊發(fā)射3G信號，通過安裝在住宅區(qū)附近的信號塔將田間數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程發(fā)送至服務(wù)器，存儲(chǔ)在后臺(tái)數(shù)據(jù)庫。試驗(yàn)現(xiàn)場如圖5所示。

圖5 試驗(yàn)現(xiàn)場Fig.5 Experimental field

使用手機(jī)APP進(jìn)行測試，點(diǎn)擊數(shù)據(jù)顯示按鈕可顯示當(dāng)前監(jiān)測實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如圖6所示；點(diǎn)擊設(shè)備控制按鈕，在控制界面選擇電磁閥節(jié)點(diǎn)，可以控制電磁閥打開/關(guān)閉，如圖7所示。

圖6 數(shù)據(jù)顯示界面Fig.6 Display data interface

圖7 控制界面Fig.7 Control interface

可以在現(xiàn)場觀察到用戶通過手機(jī)選擇相應(yīng)電磁閥發(fā)送開啟指令后，田間對應(yīng)編號的電磁閥開啟，水流通過，電磁閥打開時(shí)間比發(fā)送指令時(shí)間平均延遲8 s，滿足灌溉控制要求。

5 結(jié)語

基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)田滴灌遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可使農(nóng)戶通過移動(dòng)終端手機(jī)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)采集顯示農(nóng)田土壤水分等相關(guān)環(huán)境參數(shù)，并且可以根據(jù)作物實(shí)際生長需要，通過手機(jī)開啟以及關(guān)閉電磁閥進(jìn)行遠(yuǎn)程灌溉。通過在農(nóng)田應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以做到既滿足作物生長發(fā)育的需要，又可提高農(nóng)場職工農(nóng)業(yè)信息化管理水平。

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