基于ZigBee網(wǎng)絡與嵌入式3S技術的農(nóng)田信息監(jiān)測系統(tǒng)設計

潘 壇 徐 歡 夏至波 蔡紹碩

（1.中南民族大學計算機科學學院，湖北 武漢 430074；2.武漢市春曉曲農(nóng)業(yè)科技有限公司，湖北 武漢 430211；3.上海株山農(nóng)業(yè)科技有限公司，上海 201699；4.武漢建春科技有限公司，湖北 武漢 430056；5.青島海紋智慧農(nóng)業(yè)科技有限公司，山東 青島 266001）

為了解決傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)不能基于農(nóng)田信息高效采集監(jiān)測來有效調(diào)節(jié)農(nóng)作物生長環(huán)境導致生產(chǎn)效率的問題，為了發(fā)展精準農(nóng)業(yè)來可控管理作物的生長和產(chǎn)量。文章設計了一款新型農(nóng)田信息監(jiān)測系統(tǒng)，既可利用ZigBee網(wǎng)絡和傳感器實現(xiàn)大規(guī)模環(huán)境參數(shù)的采集，又可以利用3S（地理信息系統(tǒng)、遙感技術、全球定位系統(tǒng)）技術實現(xiàn)信息化高效管理。

1 農(nóng)田信息監(jiān)測系統(tǒng)的技術構成

在新型農(nóng)田信息監(jiān)測系統(tǒng)中，首先需要利用各類傳感器來進行農(nóng)田的空氣溫濕度數(shù)值、土壤溫濕度數(shù)值環(huán)境、土壤的PH值等參數(shù)采集，再通過GPS定位模塊實現(xiàn)精準的定位后將傳感器搭載在采用業(yè)界標準的增強型8051 CPU的CC2530單片機上，由于該單片機適應2.4-GHz IEEE 802.15.4 的RF 收發(fā)器，使得采集節(jié)點與網(wǎng)關節(jié)點之間可采用ZigBee網(wǎng)絡進行通信，在使用Z-stack通信協(xié)議棧中，ZigBee網(wǎng)絡共有16位地網(wǎng)絡短地址，可在最大值0xFFF（65536）下滿足65536個設備地對多節(jié)點采集的要求。

接著ZigBee網(wǎng)關節(jié)點再通過GPRS DTU無線傳輸模塊，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，利用GSM 移動通信網(wǎng)絡的短信息和GPRS業(yè)務為用戶搭建了一個超遠距離的數(shù)據(jù)傳輸平臺，將數(shù)據(jù)發(fā)送到遠程服務器上；最后遠程服務器利用Internet訪問Web GIS站點中的空間數(shù)據(jù)。由于Web GIS是一種瀏覽器/服務器（B/S）結(jié)構，也是Internet技術應用于GIS開發(fā)的產(chǎn)物，因此GIS通過Web功能得以擴展，能夠真正成為一種大眾使用的工具，應用于農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測中地成本較低，且使用便捷性和易操作性均可大眾化、平民化。

2 農(nóng)田信息監(jiān)測系統(tǒng)的功能設計

整個系統(tǒng)的，如圖1所示，具備以下功能：

圖1 農(nóng)田信息監(jiān)測系統(tǒng)

（1）環(huán)境參數(shù)采集：根據(jù)農(nóng)業(yè)需求，需要采集的農(nóng)田環(huán)境參數(shù)有空氣溫濕度、土壤溫濕度以及土壤PH值，終端定時采集環(huán)境參數(shù)，并通過ZigBee網(wǎng)絡發(fā)送到ZigBee網(wǎng)關節(jié)點。

（2）GPS定位：為了實現(xiàn)精準的農(nóng)田信息監(jiān)測，在采集到環(huán)境參數(shù)的同時需要采集到相應的地理位置信息，通過GPS定位模塊，獲取地理位置信息，并將地理信息通過ZigBee網(wǎng)絡發(fā)送到網(wǎng)關節(jié)點。

（3）GPRS遠程通信：在ZigBee網(wǎng)關節(jié)點獲得終端采集的環(huán)境參數(shù)之后，需要利用GPRS/GSM網(wǎng)絡實現(xiàn)遠距離通信，將網(wǎng)關節(jié)點的數(shù)據(jù)發(fā)送到終端服務器。

（4）GIS地理信息獲取：在服務器獲得終端節(jié)點的環(huán)境參數(shù)之后，利用Internet訪問Web GIS，獲得對應地理位置的地理信息。

3 系統(tǒng)的基本架構與功能實現(xiàn)

底層采集節(jié)點硬件設計采用CC2530單片機作為終端的核心。如圖2所示，CC2530單片機的工作電壓在2V–3.6V之間，可以通過干電池或者是紐扣電池實現(xiàn)電源的供給，摒棄傳統(tǒng)的電源布線，讓整個系統(tǒng)更加簡潔。然后通過CC2530單片機的IO實現(xiàn)設備的接入，接入空氣溫濕度傳感器，土壤溫濕度傳感器以及土壤PH值，用來監(jiān)測農(nóng)田的環(huán)境參數(shù)，再利用GPS定位模塊獲取定位信息，將定位到的地理位置信息進行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成經(jīng)緯度數(shù)據(jù)。獲取到地理位置信息和環(huán)境參數(shù)之后，采集節(jié)點將參數(shù)信息進行打包，利用ZigBee無線傳感網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)從終端節(jié)點發(fā)送到ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點。

圖2 底層采集節(jié)點硬件

中層通信網(wǎng)絡硬件設計采用ZigBee網(wǎng)絡的短距離無線傳輸以及GPRS網(wǎng)絡的長距離傳輸。如圖3所示，系統(tǒng)采用CC2530單片機與GPRS DTU之間采用串口進行通信，檢測節(jié)點與網(wǎng)關節(jié)點之間采用ZigBee網(wǎng)絡通信，ZigBee網(wǎng)絡通信采用Zstack協(xié)議棧，由于Zstack協(xié)議棧網(wǎng)絡具有能夠自組網(wǎng)的特點，且協(xié)議棧規(guī)定了ZigBee網(wǎng)絡至少包括一個終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點，因此ZigBee協(xié)調(diào)器可創(chuàng)建網(wǎng)絡，使得各采集終端節(jié)點通過加入網(wǎng)絡實現(xiàn)無線通信。本系統(tǒng)采用ZigBee廣播方式通信，多個ZigBee終端節(jié)點將獲取到的地理位置信息和環(huán)境參數(shù)進行數(shù)據(jù)幀的打包，通過廣播的方式發(fā)送到ZigBee協(xié)調(diào)器，一個ZigBee協(xié)調(diào)器廣播接收接收多個終端數(shù)據(jù)，實現(xiàn)一對多通信。ZigBee協(xié)調(diào)器模塊的CC2530單片機網(wǎng)關通過串口和GPRS DTU收發(fā)器CH-D3G2Q2連接，將ZigBee協(xié)調(diào)器獲取到的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到GPRS DTU通信模塊，網(wǎng)關節(jié)點利用GPRS發(fā)送模塊，將地理位置信息和環(huán)境參數(shù)發(fā)送到遠程服務器，服務器節(jié)點利用GPRS接收模塊，進行數(shù)據(jù)的接收，將GPRS接收模塊接收到的數(shù)據(jù)通過上位機傳輸?shù)絇C端。

圖3 中層通信網(wǎng)絡硬件設計

而上層服務器系統(tǒng)的設計則涵括訪問Web GIS系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫設計以及上位機設計。在上位機的設計中，上位機與GPRS接收模塊相連，通過上位機串口接收來自終端的環(huán)境參數(shù)以及地理位置信息，將接收到的信息存入數(shù)據(jù)庫中，然后通過上位機界面實施監(jiān)測農(nóng)田的環(huán)境參數(shù)。Web GIS客戶端通過融合Internet技術與GIS技術形成的一種空間信息管理和發(fā)布系統(tǒng)，與向客戶端提供信息和服務的瀏覽器/服務器（B/S）結(jié)構互為組合，從而形成獲得各種空間信息和應用的功能。另外根據(jù)終端采集節(jié)點發(fā)送的地理位置參數(shù)，通過上位機軟件對數(shù)據(jù)的解析獲得具體的地理位置信息，在Web GIS端獲取對應的地理空間信息，實現(xiàn)農(nóng)田信息的監(jiān)測。

4 結(jié)語

實現(xiàn)穩(wěn)定可靠持續(xù)地農(nóng)田信息監(jiān)測是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展地關鍵一步，文章利用ZIgBee網(wǎng)絡及嵌入式3S技術實現(xiàn)了一種農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測的新方法、新思路，通過局部實驗證明了系統(tǒng)的設計合理，除了常規(guī)的溫濕度、PH值、氣候參數(shù)和農(nóng)作物生長狀況等數(shù)據(jù)的可以有效獲取，還能在大規(guī)模的運用中，對獲取的地理數(shù)據(jù)、空間數(shù)據(jù)可視化綜合管理與分析，為農(nóng)業(yè)管理及決策部門提供有效的依據(jù)。另外，本系統(tǒng)的涵蓋性高，亦可以廣泛運用于其他環(huán)境的場景監(jiān)測中。