基于ZigBee的山區農田環境監測系統設計

曹旨昊 張辛欣 牟少敏 屈洪春*

1(棗莊學院信息科學與工程學院 山東 棗莊 277160) 2(棗莊市山亭區農業農村局 山東 棗莊 277200) 3(山東農業大學信息科學與工程學院 山東 泰安 271018)

0 引 言

農業是國民經濟的基礎,在國民經濟發展中處于舉足輕重的地位。傳統的農田依靠農民積累的種植經驗進行粗放式管理,科技含量低,缺乏科學、有效、精準的監管。農業農村部在印發的《2020年鄉村產業工作要點》中明確提出:要促進互聯網、物聯網、人工智能等新一代信息技術與農業融合。將物聯網技術應用于農業領域中,設計高效的農田環境監測系統,對于促進農產品增產增收,發展“智慧農業”有著重要的意義[1-3]。

近些年,許多學者針對農業環境監測做了相關研究。例如張天恒等[4]研究并開發了一種溫室大棚環境監控系統,潘曉貝等[5]開發了一套農田智能灌溉系統,王旭東等[6]研究并設計了一種基于WSN的農田信息監測系統,程平等[7]設計了一種基于STM32單片機的大棚環境監測系統,王茂勵等[8]使用物聯網技術開發了一種數字農田信息監測系統,劉映江等[9]使用LoRaWAN物聯網技術研制了一套農田環境監測系統。這些系統大部分部署在溫室大棚或者簡單的室外農田中,農作物生長環境較為單一。然而實際中一些農田分布在山區中,區域環境復雜,地貌高低起伏連綿不斷,被稱為梯田。這種地貌由于其特殊性難以鋪設電纜,且直接暴露自然環境下,易受到風沙、雨水的侵蝕,給農田環境監測系統的設計帶來了一定的挑戰[10]。

山亭區隸屬于山東省棗莊市,總面積1 018平方公里。山亭區是生態大區,四面環山,全區有5 000多座山頭,山區面積占到全區總面積的87%。同時山亭區也是農業大區、林果大區,特色林果、優質小雜糧等農產品資源豐富[11-12]。區中很多農田都屬于梯田,圖1展示了山亭區徐莊鎮山區農田地貌。

本文根據山亭區徐莊鎮山區農田實際地貌,基于ZigBee無線傳感器網絡技術設計并實現了一種山區農田環境監測系統。系統可以全天候監測農田環境實時數據,并在手機端App進行可視化展示,為農田智能管理提供了參考信息,同時實現了遠程控制農田澆水灌溉功能,降低了務農人員的工作量,促進了該鄉鎮農業向著數字化、智能化和自動化的方向發展。

1 ZigBee技術

山區農田地貌高低起伏,傳統有線通信方式難以在這種環境下鋪設電纜,且土地中鋪設的電纜易受到風沙雨水的侵蝕,后期不便維護,因此在本系統中信息傳輸采用無線傳感器網絡(Wireless Sensor Network)技術。常見的無線傳輸技術包括Wi-Fi、藍牙、LoRa和ZigBee等。其中Wi-Fi雖然傳送速率高,但是功耗大,供電不便,且傳送距離相對較近,不合適山區農田環境;藍牙組網節點數量上限少,僅適合節點數量少的場景,不符合山區農田大面積組網要求;LoRa芯片價格昂貴,且需要搭設基站,成本較高[13]。

ZigBee技術是一種低功耗、低復雜度、網絡容量大、組網靈活、低成本、近距離、低速率的雙向無線通信技術,主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設備之間的數據傳輸,非常適合山區農田環境[14-15]。低功耗是ZigBee最重要的特點之一,ZigBee芯片具有多種電源管理模式,當節點不工作時可進入休眠狀態[16],極大地降低了系統功耗,延長了節點電池使用壽命。系統各終端節點一旦部署在農田中,在使用三節5號堿性電池供電情況下,可以在8個月內無須更換電池,極大方便了后期維護。ZigBee網絡可容納節點數量大,最多可以容納6萬多網絡節點,組網方式靈活多樣,既可以單跳,又可以通過路由實現多跳的數據傳輸,滿足了山區農田復雜環境下大量部署監測節點的要求。同時ZigBee技術中常用的由TI公司研發的CC2530芯片基于8051單片機內核,成本較低,價格易于接受,有利于無線傳感器網絡節點在農田進行大量布置。雖然ZigBee與其他無線通信技術相比,其數據傳輸速率較低,大約為250 KB/s,但是對于傳送溫度、濕度這種簡單的數據已經足夠。基于以上各種原因,本系統采用ZigBee技術組建無線傳感器網絡。

2 系統設計

為了方便優化系統,系統采用模塊化設計。本文設計的環境監測系統由終端節點、協調器、網關模塊、手機端App、傳感器模塊、繼電器模塊六部分組成,其整體結構如圖2所示。

圖2 山區農田環境監測系統結構圖

系統各終端節點分散部署在山區農田中,是監測系統的主要組成部分。傳感器模塊和各終端節點直接相連用于采集各類環境數據,包括空氣溫濕度、土壤濕度和光照強度等,各終端節點采集到的數據會通過ZigBee無線傳感網絡傳遞至系統協調器中。協調器在系統中是唯一的,負責組建和維護整個ZigBee網絡,是系統的“大腦”。由于ZigBee網絡屬于一種個人局域網(Personal Area Network, PAN),因此無法直接與屬于廣域網(Wide Area Network,WAN)的因特網連接,網關模塊負責將協調器通過GPRS(General Packet Radio Service)技術連接至因特網。在本系統中,網關承擔著遠程監控中心和信息交換的任務,數據的預處理、匯總和遠程傳輸由網關模塊負責監控。系統采集到的各類數據再通過網關傳遞至云服務器端,并在云服務器端進行存儲。系統中協調器、終端節點和網關都是基于CC2530芯片,并使用三節5號堿性電池進行供電,這三者內部之間通過ZigBee進行通信,而網關和云服務器之間利用內置的4G物聯卡通過GPRS技術進行通信。智能手機端App主要用于接收云服務器存儲的信息,然后在App上進行可視化展示,通信的協議選擇WebSocket。系統中部分終端節點會連接繼電器模塊,手機端App可以通過云服務器向繼電器模塊發送命令,從而實現農田遠程澆水與灌溉。

系統程序編寫分成兩部分:CC2530芯片編程和智能手機App編程。CC2530芯片程序使用IAR Embedded Workbench(簡稱IAR)開發軟件進行編寫,程序開發語言為C語言,基于TI公司所推出的 Z-Stack協議棧編程實現。IAR軟件中的編譯器和調試器是完整且容易使用的嵌入式應有開發工具,提供了直觀的界面供用戶使用。Z-Stack是一種半開源的ZigBee協議棧,同時是一款免費的ZigBee協議棧,其中內嵌了OSAL操作系統,使用標準的C語言格式,非常適合于工業級應用[17]。智能手機App使用Android Studio開發工具基于Java語言開發實現,程序可以運行在裝有Android系統的智能手機上。Android Studio是谷歌公司推出的一個Android集成開發工具,是目前使用最為廣泛的Android開發工具[18]。

2.1 傳感器模塊設計

針對農田環境監測實際需要,系統選擇空氣溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、光敏傳感器和氣體傳感器4類傳感器對環境數據進行實時采集,系統使用到的各類傳感器如圖3所示。

圖3 系統中各類傳感器

其中空氣溫濕度傳感器型號為DHT11,主要用于采集農田空氣溫濕度數據,溫度量程為0～50℃,濕度量程為19%～89%。光敏傳感器用于采集農田太陽光照強度數據,型號為B-LUX-V30B,具有體積小、安裝方便、抗干擾能力強等特點。采集到的這兩類數據為農技人員分析農作物長勢提供了可靠的信息來源。土壤濕度傳感器用于監測農田土壤含水量,為農作物澆水灌溉提供參考意見。氣體傳感器型號為MQ-135,用于監測農田空氣中煙霧等特殊氣體成分,當農田發生火災時會及時發生警報。在春秋季節,北方山區降水量少,空氣濕度低,農作物含水量少,地被物干燥,以及由于焚燒秸稈等不良行為,農田極易發生火災,因此在山區農田及時發現火災隱患是非常重要的。

為了降低功耗,延長電池使用壽命,各傳感器每五分鐘采集一次數據,在春秋山火易發季節可以適當降低數據采集時間間隔。各終端節點每次采集數據后,會自動進入PM2休眠模式,在這種模式下,CC2530穩壓器數字部分關閉,高頻振蕩器不運行。節點再次工作時,CC2530芯片會通過睡眠定時器進行喚醒。利用ZigBee的這個特點,延長了設備更換電池的周期,方便了后期的維護。

2.2 繼電器模塊設計

為了實現遠程控制農作物澆水功能,降低務農人員的工作量,在農田中某些終端節點安裝繼電器模塊。繼電器模塊與水泵相連,當務農人員在手機App發現農田土壤含水量較低時,可以在App上發出澆水指令,該指令會通過因特網、網關、協調器依次傳遞至特定終端節點,最后該終端節點控制水泵實現農田遠程澆水灌溉,其繼電器模塊結構如圖4所示。

圖4 繼電器模塊結構

2.3 網絡拓撲結構設計

ZigBee組網拓撲結構靈活多樣,支持星型、樹形和網狀型拓撲結構,既可以單跳,又可以通過路由實現多跳數據傳輸。網絡拓撲結構設計需要綜合考慮當地區域地貌、ZigBee技術特點等多種因素。本文所設計的系統在山亭區徐莊鎮一處梯田進行實地測試,實際農田地貌和各ZigBee節點安裝位置如圖5所示。這片區域地勢左高右低,共計40畝左右,分散布置了10個節點,包括9個終端節點和1個協調器節點,以點對點的方式對信息進行無線收發和控制。常規ZigBee通信最遠傳輸距離大約在250米左右,屬于一種短距離通信技術,且傳輸距離越遠,信號質量越差。因此在系統部署時需要保證每兩個節點之間距離不超過100米。綜合考慮,本系統網絡拓撲結構選擇樹形,樹形網絡由一個協調器和多個星形結構連接而成,設備除了能與自己的父節點或者子節點通信外,其他只能通過網絡中的樹形路由完成通信。各節點之間的拓撲連接如圖5中虛線所示,選擇最左側中間節點作為協調器節點,其他節點為終端節點。樹形網絡的優點是可以進行中繼路由,通過這種方式,數據傳輸距離可以大幅度提高。然后選擇協調器節點和一處位于山區較高處的終端節點作為水泵控制節點,如圖5中標記所示。在這兩處節點中CC2530芯片連接繼電器模塊,通過控制水泵實現這片區域農作物的澆水及灌溉。

2.4 手機端App設計

本系統App負責在智能手機端接收系統采集到的各類環境數據,并進行可視化展示,同時App具有遠程發送澆水灌溉指令的功能。App基于Java語言在Android Studio軟件上編寫實現,可以運行在Android系統智能手機上。App通過與云服務器建立WebSocket通信[19]從而連接到因特網,再通過GPRS技術與ZigBee網絡中網關模塊進行數據通信,其App數據通信流程如圖6所示。該App具有三個功能模塊:數據展示、遠程控制和報警提示。

圖6 APP數據通信流程

App最主要的功能就是數據展示,圖7為土壤濕度和空氣溫度數據展示界面,展示了7月20日至7月27日一個星期內這兩類數據的變化情況。由于各個節點采集到的環境數據已經通過網關上傳并保存在云服務器中,因此農技人員可以選擇特定時間段自由地瀏覽和查看歷史數據。

(a) 土壤濕度數據展示

(b) 空氣溫度數據展示

為了使這些數據更好地為農技人員服務,系統各個終端節點采集到的環境歷史數據可以通過點擊App下載按鈕自動保存至手機中或者從服務器端發送到指定郵箱中,數據保存的格式可以為XLS或CSV。這些環境數據可以為后續農田環境分析或農作物長勢分析等提供可靠的數據來源。

除了展示采集到的環境數據以外,App還具有遠程控制農田灌溉功能,App控制界面如圖8所示。農技人員可以參考土壤濕度以及空氣溫度等數據,決定是否打開圖5所示的兩個水泵對農作物進行澆水灌溉,農技人員只需要點擊圖8中所示開關就可以輕松完成這個功能。同時App提供了灌溉定時功能,農技人員可以根據農作物實際需求控制澆水時長,避免由于忘記關閉水泵而造成經濟損失。

圖8 APP遠程灌溉功能

App最后一個功能為報警提示, App打開后會一直運行在Android系統后臺。當系統檢測到農田發生火災隱患時,會在智能手機上通過鬧鈴和震動進行強制提示,以便農技人員及時發現和處理。

3 系統測試

為了驗證本文所設計的系統的可靠性和穩定性,將該系統封裝好之后布置在山亭區徐莊鎮梯田進行實地測試,測試節點如圖9所示。整個終端節點封裝在防水盒中,防水盒中包括CC2530芯片、各類傳感器和電池組,圖中左側為2.4G全向天線,下方為插入農田土壤中的土壤濕度傳感器,防水盒各個出口處使用防水膠水加固。通過這種封裝,使得系統能夠更好地適應戶外農田這種復雜環境。

圖9 系統終端節點實地安裝圖

在系統測試中,主要檢測系統對空氣溫度、土壤濕度、空氣濕度和光照強度等數據采集的精確度。選擇圖4中最右端節點作為實驗測試節點,因為此節點在網絡樹形結構末端,距離協調器距離最遠,有較強的代表性,更能夠檢測系統的魯棒性。通過比較在智能手機App端展示的環境數據值和通過專用儀器在實地采集的數據值,來判斷該系統的精確性。

本文選擇了7月25日9:00-15:00時間段通過兩種方式采集的環境數據值進行對比,數據采集間隔為1小時,最終空氣溫度、土壤濕度、空氣濕度和光照強度對比結果如圖10所示。可以看出,系統采集空氣溫度值與實際值浮動在0.2 ℃范圍內,空氣濕度值浮動在0.3%范圍內,土壤濕度浮動在2.0%范圍內,光照強度浮動在1%誤差范圍內。其中空氣溫度、空氣濕度和光照強度誤差較小;土壤濕度誤差相對較高,這是因為農田中每塊土壤含水量不可能完全相同,而進行采集時只能選擇兩塊距離相近的土壤進行對比,難以避免出現誤差,這屬于一種偶然誤差,但是誤差量仍在系統可接受范圍內。為了測試該系統監測農田火災的性能,我們在保障安全的情況下,在測試節點周圍燃燒碎紙屑模擬農田發生火災,同時測試節點需要設置為工作模式而非休眠模式。測試結果表明當碎紙屑開始燃燒后,系統會在10秒內檢測到煙霧并在智能手機App端發出警報,具有較高的預警效率。最終實地測試結果表明所設計的系統監測結果較為精確,能夠實現對山區農田環境數據有效監測,實用性較強。

(a) 空氣溫度

(b) 土壤濕度

(c) 空氣濕度

(d) 光照強度圖10 系統采集數據與實地采集數據對比圖

4 結 語

本文針對山區農田特殊地貌和環境,設計并實現了一種基于ZigBee的農田環境監測系統。系統按照模塊化進行設計,包括終端節點、協調器、網關模塊、手機端App、傳感器模塊和繼電器模塊六部分。該系統通過空氣溫濕度傳感器、土壤濕度傳感器、光敏傳感器和氣體傳感器對山區農田環境數據進行實時采集,采集到的數據可以在手機端App進行可視化展示,為農田智能化管理提供了參考信息。同時實現了遠程控制農田澆水功能,實現了農作物灌溉的自動化,降低了務農人員的工作量。

本系統在山亭區徐莊鎮梯田進行了實地測試,測試結果表明所設計的系統能夠對山區農田環境數據有效監測,且成本低、精度高、便于維護,有較強的可用性,為山區農田環境監測提供了一種解決方案。