基于Zigbee和Android技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王睿

摘要??? 針對(duì)我國當(dāng)前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀，本文提出了基于Zigbee和Android技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的需求和總體架構(gòu)。系統(tǒng)的感知層采用Zigbee技術(shù)將農(nóng)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的終端設(shè)備和傳感器組網(wǎng)，系統(tǒng)的應(yīng)用層采用Android平臺(tái)開發(fā)環(huán)境監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)分析、遠(yuǎn)程控制等終端應(yīng)用，智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)能過程性管控農(nóng)作物的生長過程，能自動(dòng)改善生長環(huán)境，實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的智能化。

【關(guān)鍵詞】智慧農(nóng)業(yè) 環(huán)境監(jiān)測(cè) 農(nóng)業(yè)Android 終端應(yīng)用

物聯(lián)網(wǎng)最初由美國麻省理工學(xué)院自動(dòng)標(biāo)識(shí)中心提出，后來在國際電信聯(lián)盟發(fā)布的《ITU互聯(lián)網(wǎng)報(bào)告2005：物聯(lián)網(wǎng)》明確指出物聯(lián)網(wǎng)通信時(shí)代已經(jīng)到來。物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)，通過視頻識(shí)別、紅外線感應(yīng)器等傳感設(shè)備，進(jìn)行信息的通信，實(shí)現(xiàn)智能化的跟蹤、檢測(cè)、和定位等功能的網(wǎng)絡(luò)。在我國，物聯(lián)網(wǎng)被列入國家五大新興戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)之一，物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)發(fā)展速度，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、節(jié)能環(huán)保、商貿(mào)流通、交通能源、公共安全、社會(huì)事業(yè)、城市管理、安全生產(chǎn)等領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，本文主

要研究物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中的應(yīng)用。

1 系統(tǒng)需求

我國一直是農(nóng)業(yè)大國，但是與美國、德國等發(fā)達(dá)國家相比，大多數(shù)地方都還是精耕細(xì)作的小農(nóng)經(jīng)營模式，生產(chǎn)方式落后，生產(chǎn)產(chǎn)量不高，甚至在天氣、氣候等多種不穩(wěn)定因素下，連基本產(chǎn)量都無法保證。將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，建立智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)，增加農(nóng)業(yè)硬件的基礎(chǔ)設(shè)施、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的過程控制，改變農(nóng)業(yè)發(fā)展粗放方式，才能提高我國的整體農(nóng)業(yè)水平。

智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)需要有監(jiān)測(cè)和控制功能。實(shí)時(shí)采集空氣濕度、空氣溫度、二氧化碳、土壤濕度、土壤溫度、光照等數(shù)據(jù)，了解農(nóng)作物的生長環(huán)境。在現(xiàn)場(chǎng)安裝水閥、燈具、風(fēng)機(jī)等設(shè)備，當(dāng)外界環(huán)境的變化超過設(shè)定的閾值，能及時(shí)啟動(dòng)和停止控制系統(tǒng)，自動(dòng)調(diào)節(jié)農(nóng)作物的生長環(huán)境，如打開風(fēng)機(jī)、水閥等動(dòng)作。

智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)還需要實(shí)時(shí)地?cái)z像監(jiān)控。由于傳感器只是采集數(shù)據(jù)，有時(shí)僅僅憑借數(shù)據(jù)并不能準(zhǔn)確全面了解生長環(huán)境，在現(xiàn)場(chǎng)安裝攝像頭，進(jìn)行視頻的錄制和采集，根據(jù)視頻信息更加準(zhǔn)確了解現(xiàn)場(chǎng)。

用戶能在終端遠(yuǎn)程查看采集的數(shù)據(jù)和視頻，能根據(jù)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，分析可能發(fā)生蟲害、冰雹等災(zāi)害的概率，以便做好防范措施。還可以將拍攝的農(nóng)作物病狀圖片遠(yuǎn)程與專家溝通，建立視頻會(huì)議進(jìn)行確診。

2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

通過對(duì)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的需求分析，智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)包括終端設(shè)備、通信系統(tǒng)、服務(wù)器、移動(dòng)端。終端設(shè)備主要包括環(huán)境采集器和控制器，通信系統(tǒng)指各設(shè)備之間數(shù)據(jù)的傳遞。服務(wù)器和移動(dòng)端主要為用戶提供各種應(yīng)用服務(wù)。智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)功能包括傳感器數(shù)據(jù)采集、視頻控制、環(huán)境監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制、預(yù)測(cè)分析，如圖1所示。

在田間安裝光照、濕度、溫度、二氧化碳的傳感器和視頻監(jiān)控設(shè)備，傳感器將采集的數(shù)據(jù)通過Zigbee技術(shù)發(fā)送至網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝，并將封包數(shù)據(jù)發(fā)送給傳輸層，通過傳輸層遠(yuǎn)距離傳輸，將數(shù)據(jù)發(fā)送至智慧農(nóng)業(yè)的服務(wù)平臺(tái)。通過服務(wù)平臺(tái)，用戶可以在手機(jī)終端、電腦等設(shè)備上查看采集的數(shù)據(jù)，預(yù)警設(shè)置、遠(yuǎn)程控制設(shè)備、預(yù)測(cè)分析等管理，從而方便管理，輔助決策。

3 Zigbee傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

Zigbee是一種新興的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要用在短距離范圍之內(nèi)，傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間，Zigbee網(wǎng)絡(luò)主要包括協(xié)調(diào)器、路由器、終端結(jié)點(diǎn)。在ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)中，有且只有一個(gè)全功能型的協(xié)調(diào)器，是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的控制中心，管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。

本項(xiàng)目底層采用Zigbee為核心設(shè)計(jì)傳感節(jié)點(diǎn)，搭建傳感網(wǎng)絡(luò)。啟動(dòng)協(xié)調(diào)器后，會(huì)自動(dòng)網(wǎng)絡(luò)掃描，尋找沒有協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)的頻道，確立相對(duì)安靜沒有干擾的頻道作為自己網(wǎng)絡(luò)頻道，并向周圍發(fā)送Beacon信號(hào)，當(dāng)其他傳感設(shè)備開啟后，會(huì)自動(dòng)搜索并連接到網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)發(fā)出Beacon產(chǎn)生自己的子節(jié)點(diǎn)，從而一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)就建立起來，網(wǎng)絡(luò)之間各個(gè)子節(jié)點(diǎn)之間能夠通信，節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器之間也可以通信。

信息采集過程：Zigbee節(jié)點(diǎn)連接傳感器，Zigbee啟動(dòng)組網(wǎng)成功后，Zigbee節(jié)點(diǎn)會(huì)將傳感器采集的空氣濕度、空氣溫度、二氧化碳、土壤濕度、土壤溫度、光照等現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)定時(shí)傳送至Zigbee協(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器經(jīng)過網(wǎng)關(guān)統(tǒng)一轉(zhuǎn)發(fā)，經(jīng)過3G/4G通訊網(wǎng)絡(luò)，將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器處理后保存到數(shù)據(jù)庫。

信息控制過程：Zigbee節(jié)點(diǎn)連接控制器，首先關(guān)閉水閥、打開光照燈等控制命令通過服務(wù)器發(fā)送至Zigbee協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器再通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至各個(gè)Zigbee節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)收到命令后，通過控制器控制各項(xiàng)設(shè)備。Zigbee節(jié)點(diǎn)工作流程圖如圖2所示。

4 Android終端軟件設(shè)計(jì)

隨著3G/4G網(wǎng)絡(luò)的普及使用，手機(jī)移動(dòng)終端作為通訊網(wǎng)絡(luò)的終端，同時(shí)也已經(jīng)成為互聯(lián)網(wǎng)的終端，通過手機(jī)終端應(yīng)用來監(jiān)測(cè)和控制農(nóng)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)成為了一種趨勢(shì)。根據(jù)用戶的需求可以開發(fā)出各種農(nóng)業(yè)APP終端應(yīng)用。移動(dòng)端訪問數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析匯總，在APP應(yīng)用中能顯示傳感器信息，設(shè)置閾值，超值提醒，在線查看視頻，遠(yuǎn)程控制，專家診斷等功能。

本項(xiàng)目采用java技術(shù)，使用MyEclipse、Android、mysql為開發(fā)平臺(tái)，包括服務(wù)端和移動(dòng)端。服務(wù)端主要是獲取并解析傳感器采集的數(shù)據(jù)信息和控制設(shè)備的狀態(tài)，同時(shí)可以向控制設(shè)備發(fā)送控制指令。移動(dòng)端通過瀏覽頁面或者點(diǎn)擊按鈕，向服務(wù)端發(fā)起請(qǐng)求，服務(wù)端進(jìn)行邏輯處理后，如果僅僅是顯示數(shù)據(jù)，服務(wù)器將數(shù)據(jù)封裝成json格式傳給移動(dòng)端，移動(dòng)端對(duì)json數(shù)據(jù)進(jìn)行解析并顯示，如果是控制指令，服務(wù)器將指令傳給智能網(wǎng)關(guān)，再傳遞給終端控制節(jié)點(diǎn)使設(shè)備做出控制動(dòng)作。服務(wù)端流程圖如圖3所示。

圖4是手機(jī)的APP頁面，風(fēng)扇、水泵、熒光燈和嗡鳴報(bào)警器能手動(dòng)設(shè)置為打開和關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)檢測(cè)的環(huán)境數(shù)據(jù)偏離標(biāo)準(zhǔn)值，手動(dòng)遠(yuǎn)程控制風(fēng)扇、水泵、熒光燈等設(shè)備調(diào)節(jié)生長環(huán)境。使用科學(xué)手段對(duì)生產(chǎn)過程進(jìn)行過程化管控，能確保農(nóng)業(yè)的產(chǎn)量和質(zhì)量。

5 結(jié)束語

本文在分析了我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)具有的功能和整體架構(gòu)，在硬件方面使用Zigbee技術(shù)進(jìn)行組網(wǎng)，軟件方面使用MyEclipse和Android平臺(tái)開發(fā)服務(wù)端和移動(dòng)端，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)生長環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和顯示，生長環(huán)境的調(diào)節(jié)和控制、數(shù)據(jù)的分析和預(yù)測(cè)等功能。

參考文獻(xiàn)

[1]管繼剛.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用[J].通訊管理與技術(shù)，2010，6（03）：24-27.

[2]王衛(wèi)紅，程國興.基于云服務(wù)技術(shù)的智能農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)與控制系統(tǒng)[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2018.6，46（03）：209-304.

[3]邵小龍.智能農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].西安理工大學(xué)，2016.

[4]王軍祥.基于Android的移動(dòng)終端智能農(nóng)業(yè)管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].智能計(jì)算機(jī)與應(yīng)用，2017.12.7（06）：145-147.