智慧農業物聯網系統

張震宇 余林 黃文慶 季于東 孫克仲

摘 要：我國傳統農業正在加快向現代農業轉型，而智慧農業將成為現代農業未來發展的趨勢。“智慧農業”指充分運用現代信息技術成果，集成應用計算機與網絡技術、物聯網技術、大數據云平臺等，實現農業可視化遠程診斷、遠程控制、災變預警等智能管理，通過無線傳感器實時對農業生產現場的溫濕度、光照、CO2濃度等參數進行采集，遠程監控農業生產環境，同時將采集的參數和獲取的信息進行數字化轉換和匯總后，經傳輸網絡實時上傳到相關農業智能管理系統中，對農作物生長環境進行有效持續的監控并驅動電機等設備對環境實施相應的調控措施。同時，隨著大數據和Android技術的發展，通過云平臺和便攜式移動終端與物聯網技術、WiFi技術，可以讓人們從遠端獲知農作物的生長環境情況。

關鍵詞：ZigBee;WiFi;Android;大數據云平臺;智能語音

1 設計需求分

我國是農業大國，傳統農業在國際市場上的優勢主要依賴于豐富的自然資源和低廉的勞動力成本。但我國傳統的農作物管理方式極易受環境影響，很大程度上限制了農作物的產量和質量，因此農業經營者的利潤縮水嚴重。利用ZigBee技術能夠對農作物生長環境包括溫濕度、光照、CO2濃度等數據進行網絡化監測，通過WiFi傳輸，人們可方便地從手機APP和大數據云平臺上查看農作物的生長情況。對農作物進行24小時監控，一旦發現異常，便可迅速有效采取措施以提高農作物的產量，此外，智能化監控還可以降低勞動力成本，大幅提高農業經營者的收益。尤其在突發狀況下，農業經營者如果能夠及早發現并采取措施，將有力減少經濟損失。傳統的農業管理缺乏人性化設計，隨著智能語音技術的發展，通過對環境參數的語音播報提醒可以彌補這一不足，讓生產者方便地獲知作物的生長環境信息。基于這一需求，本文結合ZigBee組網、WiFi通信、大數據云平臺、智能語音技術，設計了一種 “智能”“便捷”的農業管理系統。

2 特色與創新

2.1 太陽能供電及追蹤系統

為了有效利用農業的光能優勢，我們為作品的功能部分設計了太陽能鋰電池供電模塊，太陽能面板能夠根據光線的變化旋轉葉面達到最佳采光效果，很大程度上提升了自然資源的利用率和監測節點放置的自由度。太陽能PCB設計如圖1所示，太陽板追蹤演示如圖2所示。

2.2 大數據云平臺

ZigBee節點通過農業傳感器將采集到的環境參數經WiFi傳輸到大數據云平臺，平臺綜合分析這些數據后畫出變化曲線，方便農業管理者了解農作物環境的變化情況，宏觀掌握農作物的生存情況。此外，管理者還可以通過后臺查看環境參數的歷史數據。云平臺界面如圖3所示。

2.3 Android界面

Android界面具有良好的人機交互性，利用這一平臺人們只用一部手機就可以輕松獲取農業大棚中的作物生長環境指數。Android界面如圖4所示。

2.4 語音播報LED點陣

智能語音可便捷有效地實時反饋農業大棚作物的生長環境情況，因此大棚經營者可輕松獲取有效信息，以便對不同生長情況及時采取相應措施，而點陣顯示也讓大棚的管理更加簡潔，具有現代感。點陣顯示如圖5所示。

3 功能設計

3.1 傳感器節點

ZigBee節點由太陽能供電并與多種傳感器相連，可將多個監測點的環境數據源源不斷地發往ZigBee協調器，節點上的電機可以根據當前的環境參數采取加濕、換氣、補光、遮陽等調控措施。傳感器框圖如圖6所示。

3.2 控制節點控制框圖如圖7所示。

3.3 網關節點

協調器通過WiFi將數據傳輸至服務器，大數據云平臺和手機從服務器上接收遠端大棚作物環境參數，LED點陣也可從服務器上接收數據，通過語音播報和智能顯示屏顯示當前的環境參數。網關框圖如圖8所示。

4 系統實現

4.1 系統感知層

SHT20溫濕度傳感器實物如圖9所示，B-LUX-V30B環境光傳感器如圖10所示，土壤濕度傳感器如圖11所示，CO2濃度傳感器如圖12所示。

4.2 系統傳輸層

4.2.1 ZigBee模塊

ZigBee模塊如圖13所示，蜜蜂一旦發現花粉，就會用飛翔和抖動翅膀的方式向同伴傳遞花粉所在位置、距離、方向等信息，因此每個蜜蜂就成為了通信點，最終構成一個群體通信網絡，ZigBee由此而來。ZigBee無線網絡是IEEE802.15.4協議網絡，由四層網絡體系結構組成，分為物理層、數據鏈路層、網絡層、應用層。我們之所以選擇ZigBee，原因在于其功耗低，在工作模式下，ZigBee節點非常省電，電池工作時間長，可保證系統長期穩定運行，易于持續收集從環境采集的數據，且組網簡單，易于調試。

4.2.2 WiFi模塊

CC3200 WiFi模塊如圖14所示。針對物聯網應用的SimpleLink CC3200是一款集成了高性能ARM Cortex-M4 MCU的無線MCU，可使客戶能夠用單個集成電路（IC）開發全部應用。借助片上WiFi、互聯網穩健耐用的安全協議，無需經驗即可實現快速開發。CC3200支持最新的ZigBee協議，相比以前的協議棧具有更好的互操作性，且低成本，功耗低，更安全可靠，支持網狀網絡，能夠實現更遠的通信距離。

4.3 系統控制層

4.3.1 主控芯片

產品選擇的系統控制層芯片為stm32f103c8t6，作為32位

的主控芯片不僅具有比51內核芯片更強大的運算能力，其內置FLASH還能夠快速存儲更多數據。此外stm32f103c8t6的48引腳相對于同系列的其他芯片引腳更少，更加小型化。stm32f103c8t6實物如圖15所示。

4.3.2 電機驅動

當環境參數超過閾值時，風扇、水泵和補光燈可自動進行調控，進行排氣、加濕、補光等操作。風扇、植物補光燈、水泵如圖16～圖18所示。

4.4 用戶界面

Android是在Linux內核的基礎上，由Google公司于前幾年推出的一款操作系統，其組成包括應用軟件、操作系統、中間件、用戶友好界面應用軟件。Android界面如圖19所示。

4.5 軟件開發環境

2013年10月，Keil公司（ARM公司之一）正式推出Keil MDK v5，該版本使用μVision5 IDE集成開發環境，是目前針對ARM微控制器，尤其是ARM Cortex-M內核微控制器的最佳集成開發工具。MDK5編譯環境如圖20所示。

Eclipse是一個開放源代碼的軟件開發項目，專注為高度集成的工具開發提供全功能的、具有商業品質的工業平臺。Eclipse開發環境如圖21所示。

Altium Designer是原Protel軟件開發商Altium公司推出的一體化電子產品開發系統，主要運行在Windows操作系統，為設計者提供全新的設計解決方案，提高設計開發效率。ZigBee節點與協調器PCB板如圖22所示。