基于物联网的设施农业监控系统研究

田敏 费小伟 赵帝植 辛国隆

摘 要：文章主要论述基于物联网的设施农业监控系统，将设施农业中的传感器连接到ZigBee网络中，检测设施农业温度、湿度二氧化碳浓度、光照的即时数据，通过手机APP与无线网络构成的系统完成对设施农业环境的监测与控制。将物联网技术和ZigBee技术组合，组建无线传感器网络，通过ZigBee节点采集环境信息，并通过无线网络对环境进行监测以及Android技术实现实时监控。

关键词：ZigBee；无线传感器网络；Android技术

中国人多地少，如何提高农产品产量和经济效益迫在眉睫。为了满足中国人口较多的现状，合理地使用资源，保护环境，世界各国针对21世纪农业可持续发展问题，观察分析时势，做出相应的研究和部署。设施农业是把各种高新工程技术和工业化生产应用在农业生产中。传统监控方式浪费人力，但随着通信技术的发展，研究人员将监测数据发送到远程终端APP界面上显示。所以，本文采用ZigBee技术和无线传输技术以及上位机终端和APP软件实现了智能远程监控功能。该系统利用ZigBee技术实现了无线区域传感器网络，完成对农田环境温湿度、气体浓度、光照强度等信息的采集。测试结果表明该系统耗能少，科技含量高，使用经济简单，可以有效地在设施农业中使用[1]。

1 系统总体结构设计

基于物联网的设施农业监控系统由ZigBee协调器、网关模块、ZigBee终端节点、上位机、智能手机终端APP构成。系统方案如图1所示。连接二氧化碳浓度传感器、温湿度传感器、光照传感器的终端节点将环境数据采集起来，ZigBee终端节点和ZigBee协调器建立网络，网关接受数据后通过WiFi模块与手机相连。使用基于Java开发的Android手机客户端APP，工作者能够直观地对温湿度、二氧化碳浓度、光照信息以及报警数据进行查看。工作者可便捷地查询实时数据。

2 系统硬件设计

系统硬件由应用网关模块、ZigBee节点采集模块、无线传感器网络3个部分组成。

2.1 无线传感网络

无线传感器网络（wireless sensor networks，WSN）是一种无中心节点可自组网的分布式系统。在农田监控区域内将众多传感器节点均匀放置。传感器模块、控制器模块、通信模块和电源模块用无线通信方式相连，通过分层通信协议和分布式算法协调工作来自组织地构建一个网络系统，使传感器各节点互相合作；利用功能多样的传感器，比如温湿度、声音、亮度、压力、水质成分、土壤成分等[2]。具体情况如图2所示。

可见，在设施农业中利用应用网关技术正日益受到国内外众多研究者的重视。同时，随着移动互联网的发展，移动终端在设施农业的监控系统中也日益发挥着重要的作用。只有支持智能终端的设施农业环境监控系统，才能在未来的科技竞争中赢得领先地位。在支持智能终端的设施农业环境监控系统的设计过程中，主要涉及3项关键技术：（1）无线传感器网络技术：以无线通信方式，使用分层的网络通信协议以及分布式算法，在传感器节点之间快速搭建网络系统，使其具有良好的协作能力。（2）WSN应用网关技术：通过应用网关，WSN可以接入Internet/Intranet，从而将采集到的信息回传给远程的终端用户[3]。这些特性使得WSN的应用范围非常广泛，涉及军事应用、工业监视与控制、环境监测、医疗监护、智能家居/建筑、仓储/物流管理、交通控制管理、精细农业、消费电子、太空探索、反恐、救灾等诸多领域[4]。（3）智能终端上位机软件设计技术：区别于普通上位机软件的设计，智能终端与下位机的通讯方式由有线线缆的串行通讯方式更换为由移动互联网承载的无线通讯或者蓝牙、WiFi等短距离通讯技术。

2.2 网关模块

本文选用了STM32这颗MCU。基于Cortex-M3内核的STM32F103系列芯片基于ARMv7体系结构的32位标准RISC（精简指令集）处理器，提供很高的代码效率，它是不需操作系统的ARM，其性能远高于51系列单片机，但开发过程与51系列单片机一样简便，因而在很多应用场合可替代51系列单片机。但是传统的嵌入式微处理器要么是8位的处理器，性能有限，要么是32位基于ARM的微处理器在使用上需要嵌入式操作系统的支持，比如Linux操作系统，使得系统不够精炼。这一情况直到ARM公司推出Cortex-M内核才得以改善，它无需操作系统，可以像单片机一样使用C语言进行编程，极大的减少了开发者的工作量[5]。多样的片上资源使得STM32F103系列微处理器在多种方面都显示出了强大的发展潜力（见图3）。

具体功能设计如下。

（1）数据上报。数据上报功能可以通过直接转发WSN中传感器节点的报文实现。程序伪代码如下：

（2）控制策略下发。下发的控制策略对于网关来说没有区别，因此网关只需要直接广播上位机的TCP包即可实现策略下发。程序伪代码如下。

2.3 ZigBee节点模块

Zigbee终端节点包括传感器模块、处理器模块、无线通信模块以及电源模块。STM32芯片集成了USB转串口驱动电路块和处理器模块，进而简化了外部电路设计，因此终端节点的设计主要就是设计传感器模块。本系统采用DHT11温湿度传感器，它是一款含有已校准数字信号输出的温湿度复合传感器，采用单线制串行接口，1个I/O接口就可以同时对温湿度进行测量[6]。ZigBee节点模块流程图如图4所示。

3 协议转换方式

3.1 透明传输

一种协议转换方式是在WSN和上位机之间实现数据报的透明传输。分析报文可得，WSN内部的通讯方式是：（1）路由帮助传输数据。（2）路由，即传感器节点与网关点对点通信。（3）网关对所有传感器节点广播控制策略。

而上位机与网关之间的通讯也是类似的，上位机通过网关获得目前的监测数据，上位机通过网关下发控制策略。因此可以通过直接转发数据上报报文给所有连接的客户端。同时也透明地将客户端发送的所有策略报文通过ZigBee网络转发到所有的WSN节点来实现上位机与WSN之间的透明传输。

这种实现方式的优点是实现简单，网关的MCU处理数据量较小，但也存在一定的缺陷，如无法缓存数据，无法查看历史数据，无法实时拉取配置等。

3.2 应用层转换

另一种协议转换方式是另行实现应用层协议实现协议的转换功能。网关充当应用服务器的角色向客户端（上位机）提供服务，网关将客户端抽象的请求，转变为具体而明确的要求或者过程调用，从而实现更为复杂的业务需求。这样做的好处是可以在原有功能的基础上承载一些更为复杂的业务，如历史数据分析，阈值警报，配置的持久化存储，基于Web的远程管理等，同时对支持业务的扩充也较为方便，且具有较好的安全性能，可以进行上位机-WSN的双向鉴权，可以确保数据和节点不被恶意的劫持和访问。但这对网关的MCU处理能力提出了更为严苛的要求，同时需要另行设计应用层协议。

4 手机端操作软件

系统主体单元是手机APP，由于安卓系统开发可以自由定制的操作界面，相比其他系统，安卓操作系统更易上手，智能化也比较好。APP的设计也具有人性化界面的设计包括环境状态图形化的显示。最终用户通过Android平台上的上位机软件接入WSN从而获取传感器节点的各种数据，并将控制策略下发到各个传感器节点。在数据统计方面，要能够以图表形式呈现各种数据，并且持久性地保存网关的配置数据，能够控制传感器节点的自动调节阈值，并能够手动打开温度、湿度、二氧化碳浓度的调节功能。

数据监控功能主要提供对设施农业的4种重要指标：温度、湿度、二氧化碳浓度、照度的监控功能支持，并能够以动态折线图的形式呈现。远程控制功能主要提供对4种调节器的直接控制功能，允许用户直接使用App对农作物的生长进行调节而无需达到预先设定的阈值。远程控制功能的优先级高于自动调节功能。参数调整功能允许对预设的网关地址和端口进行调整以支持网关的公网部署，NAT穿透等其他方式应用。同时参数调整功能可以对传感器触发自动调节功能的各项指标阈值进行调整（见图5）。

5 结语

本系统实现了通过Android平台上的上位机软件快速接入WSN，具有兼容性好、可扩展性强、使用方便等优点。通过智能终端获取传感器节点的各种数据，并以图表形式呈现各种数据，进行数据分析，并支持直接将控制策略下发到各个传感器节点、控制传感器节点的自动调节阈值，并能够手动打开温度、湿度、二氧化碳浓度的调节功能，具有较强的实用价值。

[参考文献]

[1]廖允成，王立祥.设施农业与中国农业现代化建设[J].农业现代化研究，1999（1）：5-8.

[2]卢闯，彭秀媛，宣锴，等.物联网在设施农业中的应用研究[J].农业网络信息，2011（9）：10-13.

[3]甘勇，王华，常亚军，等.基于ARM平台的Zigbee网关设计[J].通信技术，2009（1）：199-201.

[4]Lee J S，Su Y W，Shen C C.A comparative study of wireless protocols：Bluetooth， UWB，ZigBee，and Wi-Fi[J].IEEE，2007（7）：46-51

[5]孙书鹰，陈志佳，寇超.新一代嵌入式微处理器STM32F103开发与应用[J].网络新媒体技术，2010（12）：59-63.

[6]刘同法.ARM Cortex-M3内核微控制器快速入门与应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009.

Research of Facility Agriculture Monitoring System Based on Internet of Things

Tian Min， Fei Xiaowei， Zhao Dizhi， Xin Guolong

（College of Information Science and Technology，Shihezi University，Shihezi 832003，China）

Abstract： This article reviews a facilities agricultural monitoring system base upon Internet of Things（IoT），which connect sensor of the farmland to net of ZigBee，and detect the real-time data of temperature，humidity，carbon dioxide and illuminance in the farmland，get through mobile software and wireless network to achieve monitor and control environment of the farmland.Through linking LOT technology and ZigBee technology to establish wireless sensor network，meanwhile collection of environment information by node of ZigBee，and using wireless network to monitor environment as well as realize rea-time monitoring by Android technology.

Key words： ZigBee； wireless sensor network； Android technology