基于物联网的果园环境信息监测系统的设计

王文山，柳平增，臧官胜，高钰舒，侯加林，3* ，宋振伟

(1.山东农业大学机械与电子工程学院，山东 泰安 271018;2.山东农业大学信息科学与工程学院，山东 泰安 271018;3.山东省园艺机械与装备重点实验室，山东泰安 271018;4.山东公路技师学院，山东济南 250002)

物联网英文名为The Internet of Things是将所有物品通过各种信息传感设备，如射频识别装置、基于光声电磁的传感器、3S技术、激光扫描器等各类装置与互联网结合起来，实现数据采集、融合、处理，并通过操作终端，实现智能化识别和管理［1］。物联网的核心和基础是网络通讯，它被称为继计算机、互联网之后，世界信息产业的第三次浪潮。目前，我国正在高度关注、重视物联网的研究，尤其是在农业、工业、旅游等产业上的具体应用。

我国是一个农业大国，果树种植具有地域分布广泛、环境因子不确定等特点，传统的果树种植业一般是靠果农的经验来定性地估计各种环境因子，无法对生产过程中的各种环境信息进行精确测量，实现最优化生产;另一方面，由于果树种植的区域性特点比较强，不能有效进行环境因子的搜集，难于进行统一集中管理。因而将物联网技术引入与应用到果园信息管理中，可以提高果园的信息化、智慧化的程度，是在现代农业信息化应用上的重大突破。同时，实现快速、有效的采集和描述影响作物生长环境的时间和空间信息，是实现“精细农业”的基础［2］。因此，为实现对果园环境因子实时、精确的远程监测，研制了基于物联网(The Internet of things)的果园环境信息监测系统。

本系统以MSP430单片机为核心，设计了采集终端与无线网络架构，具有功耗低、自动化程度高、性能稳定等特点。系统可以实时监测多种环境因子，能够对风速、风向、空气温湿度、光照、二氧化碳浓度、土壤温湿度、电导率等因子的精确、同步测定，另外还增加了无线网络视频监测装置，实现了对果园的立体式监控。果园环境信息监测系统的设计对实现果树管理的现代化、精细化有着非常重要的意义。

1 果园环境信息监测系统结构

果园环境信息监测系统主要由数据采集模块、无线传感网络模块、远程数据传输模块和数据管理模块四部分组成。其中数据采集模块主要完成风速、风向、空气温湿度、二氧化碳浓度、土壤温湿度、电导率以及视频信息的自动采集;无线传输网络负责将采集到的信息迅速高效可靠地传输到总节点;远程数据传输模块负责将总结点的的监测数据通过GPRS网络经Internet传输到数据库，供数据管理模块使用，同时还负责将管理模块发出的摄像头云台控制指令传送到采集端的控制器，通过控制器来对摄像头进行远程控制;数据管理模块的主要功能是存储属性数据，对数据进行录入、删除、修改、存储、检索和统计等管理。图1为果园环境信息监测系统结构图。

图1 果园环境信息监测系统结构图Fig.1 Environmental information monitoring system structure of the orchard

2 数据采集终端

数据采集包括两个部分:环境因子数据采集与视频数据信息采集。采集终端采用嵌入式系统开发设计，实现了对果园各种环境信息数据的实时采集。所开发的数据采集终端主要有以下特点:系统稳定可靠、功耗低、存储容量大，容易扩展，运算速度快，可以快速处理复杂的算法和协议。

2.1 数据采集终端硬件设计

数据采集终端采用TI公司生产的MSP430F149型号处理器，利用MSP430出色的内核性能和丰富的外部接口构造一个嵌入式平台，完成数据采集功能，终端硬件结构如图2所示。

采集终端所用的处理器MSP430F149具有非常丰富的片上外围设别，包括基础时钟模块、看门狗定时器、带有3个捕获/比较寄存器的16位定时器Timer_A，带有7个捕获/比较寄存器的16位定时器Timer_B，2个具有中断功能的8位并行I/O口，模拟比较器、AD转换模块、2通道串行通信接口、以及硬件乘法器。MSP430F149的另一个突出特点是超低功耗，采用16位RISC结构，具有丰富的寻址方式、简洁的指令内核、较高的处理速度、大量的寄存器，运行温度范围为－40－+85℃［3，4］。

本系统中通过微处理器的A/D接口与外部传感器相连，完成数字量和模拟量的输入输出。外接有风速、风向、空气温湿度、光照、二氧化碳浓度、土壤温湿度以及电导率等几种传感器来采集果园中的不同环境因子，并把传感器分别安装在气象架合适的位置，从而准确、科学的监测出果园中环境因子的不同参数。

系统中所用的传感器具有高稳定性、抗干扰能力强、传送距离远、测量精度高以及响应速度快等特点，具体性能如下:空气温湿度传感器的温度测量精度为±0.5℃，湿度测量精度为±4.5%;土壤温度传感器的测量精度为±0.2℃;土壤湿度传感器的测量精度为±3%;风速传感器的测量精度为±0.3 m/s;风向传感器的测量精度为±5%;二氧化碳传感器的测量精度为±10 ppm;电导率传感器的测量精度为±0.3 dS/m。

2.2 数据采集终端软件设计

采集端程序使用IAR Embedded Workbench Evaluation for MSP430 4.21开发环境开发，这个软件是一款非常优秀的IED开发环境，具有强大的编译能力和调试功能，适用于大量8位、16位以及32位的微处理器和微控制器。

采集端软件部分主要是由MSP430的A/D通道接受传感器所采集的数据，进行过处理后，数据由通信端口打包通过CC1100转发。软件流程图如图3。

2.3 视频数据采集端

视频采集模块可以实现远程无线监控，主要由摄像头、控制器、视频编码器、3G通信设备四部分组成。该模块通过带有云台的摄像头来采集视频信息，利用视频编码器将传来的模拟视频信号数字化，并压缩成H.264格式［5］，然后通过3G通信设备接入Internet网，将各类数据发送到指定的服务器端。服务器端将接收到的数据进行处理和保存，用户将可以通过网页的形式对视频信息进行实时的查看。图3为实现的系统图。

3 数据传输模式

数据传输系统由无线传感网络和远程数据传输两个模块构成。无线传感网络覆盖整个果园环境，把分散的采集终端数据汇集到一个总的节点。远程数据传输用于将总结点的的监测数据通过GPRS网络传输到数据库。整体系统图如图5。

3.1 无线传感网络模块设计

本系统的无线传感网络是利用无线收发模块LSD－RFCC1100组成。LSD－RFCC1100是一种真正单片的UHF收发器，为低功耗无线应用而设计，电路主要设定在315、433、868和915的ISM(工业科学和医学)和SRD(短距离设备)频率波段，也可以容设置为300～348MHz、400～464MHz和800～928MHz的其它频率。CC1100具有很高的灵敏度，可编程控制数据传输率和输出功率，内置频率补偿功能，数据白化功能，RSSI(接收信号强度)监测功能［6］，非常适合本系统组网要求。

系统中无线传感网络采用网状结构，并且整个网络划分为若干子网。系统中的每一个信息采集终端都由信息监测中心分配一个网内唯一的地址ID，并且，每一个子网内的ID地址都是一块连续的地址。转发节点接收到由信息监测中心发送来的指令之后，首先查看指令中的ID范围，若在ID在该转发节点所在子网的ID范围内，这进行转发，否则，直接丢点。信息采集终端把采集到的数据加上地址信息打包之后发送给转发节点，转发节点同样要检查接收到的数据的地址是否来自自己所在的网络，如果不是，则把数据丢掉，若是，则进行转发。这样，通过网络中的层层转发，有效减轻了整个网络的负载，提高了数据的传输效率。

3.2 远程数据传输模块设计

根据目前国内可利用的通信资源和现有的实际情况，同时考虑到系统运行所处野外环境以及建成后便于管理，设计主要采用无线移动通信为主信道的组网方式。远程数据传输主要GPRS模块来完成。

GPRS模块采用深圳宏电公司的H7210产品，该终端支持双频GSM/GPRS，符合ETSI GSM Phase 2+标准，内嵌TCP/IP协议，采用实时时钟，为用户提供高速、时刻在线、透明数据传输的虚拟专用数据通信网络。在使用时需要先安装SIM卡，获得移动网中唯一的ID(SIM卡号)［7，8］。

系统中CC1100模块接收无线传感器节点发送的数据信息，通过串口与GPRS DTU进行数据交互。当GPRS DTU接收到数据信息后，按照GPRS数据格式进行信息打包，通过无线GPRS网络发送到数据处理和监测中心，实现数据的远程传输。同时接收来自数据服务器的控制指令，由CC1100模块发送给各个无线传感器节点。

4 数据管理

数据管理部分主要是信息监测中心软件的设计，实现环境信息采集数据以及视频信息在上位机的显示。信息监测中心采用Microsoft公司的Microsoft Visual C++6.0进行开发。该开发环境拥有友好的人机界面，使用开放源代码的MySQL数据库，大大提高了开发效率。

4.1 信息监测中心功能

信息监测中心软件具体功能包括:环境变量的设置、初始化整个系统、网络通讯质量检测、接收下由GPRS模块传送的数据，并且对数据进行解析后显示在数据显示窗口中，根据用户的选择把一定时间内的数据按照折线图或者柱状图进行直观地显示，并可以发送各种采集命令。

4.2 信息监测中心界面

用户成功登陆系统后，可进入数据查看页面，采集端采集的环境信息数据按照时间降序排列，方便用户查看最近数据，也可查询以前的数据。监测中心设计了视频信息控制及显示面，如图6。

5 实验数据

通过在实验室对系统软硬件的调试以及在使用地的测试，系统总体性能达到了预期的设计目标。采集到的数据可以写入数据库，为以后农业专家预警等系统的开发提供依据。表1是2011年07月05日上传的一段数据，其中由于风速与风向两个变化很快的气象要素，故风速风向的数据值为十分钟内的平均值。

图6 信息监测中心Fig.6 Information monitoring cente

表1 2011年07月05日上传的果园环境信息采集数据Table1 Orchard environmental information data in July 05，2011

6 结束语

果园环境信息监测系统已经在山东省烟台栖霞苹果园投入试用，该系统在物联网技术的基础上实现了多种环境信息数据的实时采集、传输和管理的自动化，具有及时、高效、准确、运行成本低等特点。管理人员可以实时准确地掌握果园的各项环境指标，以便采取正确的措施，对果园进行合理的管理。从使用效果看，系统可以及时地提供详细、准确的环境信息，为区域性管理提供科学及时的决策依据和可靠信息，具有显著的社会效益和较大的经济效益。

［1］张进京.物联网的应用实例与效益［J］.中国信息界，2010(3):73－76

［2］汪懋华.“精细农业”发展与工程技术创新［J］.农业工程学报，1999，56(1):1－8

［3］胡大可.MSP430系列16位单片机原理与应用［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2000

［4］胡大可.MSP430系列单片机C语言程序设计与开发［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2000

［5］游丹丹，张骏骁.无线视频监测系统的设计与开发［J］.数字技术与应用，2010(11):65

［6］hipcon.CC1100DataSheet［DB/OL］.http://www.chipcon.com/files/CC1100－data－sheet－1－0.Pdf，2005

［7］李 涛，付永生.基于GPRS的数据传输［J］.移动通信，2004(7):76－80

［8］崔子谦.GPRS工业数据采集监控系统［J］.农业化研究，2004(11):108－109