用于观光农业的混合型无线传感器网络节点设计

许培培， 万雪芬， 杨 义， 韩 芳， 蒋学芹， 户晨飞,

(1东华大学 信息科学与技术学院，上海 201620；2 华北科技学院 计算机学院，河北 廊坊 065201)

用于观光农业的混合型无线传感器网络节点设计

许培培1， 万雪芬2， 杨 义1， 韩 芳1， 蒋学芹1， 户晨飞1,2

(1东华大学 信息科学与技术学院，上海 201620；2 华北科技学院 计算机学院，河北 廊坊 065201)

【目的】设计用于观光农业中游客服务与田间种植管理通用的混合型无线传感器网络节点。【方法】设计该节点的硬件结构及基于Android系统的移动智能设备APP；利用ZigBee与上位机通信来实现种植环境监测和设备控制。【结果】支持用户使用基于近场通信和蓝牙技术的节点田间快速接入功能，通过移动设备为游客和种植管理者提供园内位置定位、种植信息查看、环境参数监测等服务。【结论】该混合型无线传感器网络节点使用灵活、方便、快捷、功能扩展性好，可为观光农业提供较为灵活的多业务工程化支持。

观光农业； 移动智能设备； 无线传感器网络； 近场通信； 蓝牙技术

无线传感器网络是智能农业的重要支撑手段[1-2]，近年来已在农业相关领域内得到了广泛应用[3-5]。无线传感器网络具有布设方便、使用灵活、规模伸缩性强等优点[6-7]。利用基于无线传感器网络的技术改变农业生产模式，有助于产生规模化效益[8-9]。但是传统的农业无线传感器网络多用于对具体种植参数远程监测及农业设备的远程控制[10-12]，结构也多基于节点-上位机模式[13-15]。而移动智能设备的蓬勃发展有望为该领域带来新的变革。首先移动设备在农业无线传感器网络中的应用，有望将传统的结构即“节点-上位机监测控制”模式变为“中心-现场有机结合”的监控方式。系统使用者不仅可以使用上位机实现传统的控制功能，而且能够利用移动设备通过附近的某个节点进行田间接入，进而通过该节点获得局部的监测数据或对附近的设备进行直接控制,由此增加使用的灵活性和实效性。另外通过移动设备的引入，可以进一步丰富农业无线传感器网络的附加功能。

本文提出了一种可用于观光农业的无线传感器网络的混合型节点设计，该节点可以实现农业种植信息监测与控制，并能够供移动设备接入；其通过ZigBee与上位机交互，且可结合基于Android的APP通过近场通信(Near field communication，NFC)及蓝牙技术连接移动智能设备提供田间种植服务与观光服务，从而实现对种植者及游客的多种业务支持。

1 节点整体设计

节点在设计中需兼顾游览观光、远距离监测控制和田间接入的需求。节点在没有外部移动设备接入时为常规工作模式。在这种模式下，节点通过ZigBee通信模块接收由上位机发来的指令，并根据具体指令执行数据收集与设备控制。节点接收到数据收集指令后读取其上所接传感器的数据及在该轮询周期内的移动设备接入次数，并将数据按照原路径通过ZigBee发往上位机。在设备控制指令下，节点通过PWM输出或逻辑输出控制外围设备，并监测设备参数，其后将控制结果发回上位机。

支持田间移动设备接入为节点的重要功能。为方便移动设备快速接入节点，在节点上使用融合NFC和蓝牙技术的设计。节点NFC标签中含有节点标识、节点周围种植环境、蓝牙设备等信息供移动设备读取。移动设备使用者先将手机靠近NFC标签，通过对应的APP读取节点NFC标签中信息，之后将NFC标签中编码规格化的信息通过查阅APP的内建数据库转化为具体的种植数据及设备参数。移动设备还根据设备参数自动获得认证从而快速连接节点的蓝牙模块，实现速连接入。连接后即可实现节点周围的环境参数实时查看及节点外部机电设备的现场控制。使用该方案不仅方便快捷，而且在人流密度较大的观光场所中利用NFC覆盖范围小(<10 cm)的特性能有效避免蓝牙多接入出现的冲突。节点所对应的APP分为田间管理者APP和面向游客的APP，两者都可以根据节点NFC标签中的信息进行观光园内位置定位、作物种植信息查询等，但两者区别在于仅田间管理者APP可进行设备控制及对NFC标签信息进行维护。系统总体结构如图1所示。

图1 系统结构图Fig.1 Diagram of system structure

2 节点硬件设计

节点的硬件设计不仅需要满足系统的功能需求，而且还要尽可能地符合结构简单、可靠性好的要求。在设计中选择微芯公司出品、采用nanoWatt XLP 技术的PIC16(L)F1947微控制器作为节点的MCU。在PIC16(L)F1947的USART1接口上使用RSM485连接各RS-485设备，在其USART2接口上连接串口设备。节点中还使用PIC16(L)F1947的内部温度传感器对系统核心板电路部分的工作温度进行监测，由此避免异常的环境温度恶化对系统造成的损害。

在对土壤参数的测量中，采用RS-485接口的Hydra II土壤传感器，通过其可获得土壤体积含水量、土壤电导率和土壤温度等参数。日光辐照数据通过Davis公司出品的6450日光辐照传感器采集，该传感器依照每1.67 mV的电压输出对应1 W·m-2日光辐照的比例关系将日光辐照数据转化为电压输出以供PIC16(L)F1947进行A/D采集。环境温湿度数据与灌溉水路温度分别由AM2306和铠装DS18B20采集。两者都通过1-Wire接口与PIC16(L)F1947连接。节点也可通过RS-485总线连入SM5386B风速传感器与SM5387B风向传感器，由此获得风速/风向数据。为了使节点功能与成本具有一定的弹性，上述传感器都可根据实际需要进行选配增减。用户只需简单地设定节点上的拨码开关即可实现对节点传感器的接入配置。节点中的PIC16(L)F1947还可为外部设备提供PWM与逻辑电平控制信号，两者都通过与带有电机驱动或继电器的Plug-In模组卡连接受控设备。节点中共提供5路PWM输出，其中3路为增强型全桥PWM，剩余2路为标准PWM/逻辑控制。每一路都可通过上位机发来的设备控制指令单独控制。当每次数据采集及控制命令完成后，节点还要将该次的传感器数据与设备状态量存储在节点的数据空间中。在节点中共存储最近的15次数据以备移动设备接入后查看。因为现有农业传感器供电电平多样，所以节点采用太阳能-DC/DC-LDO方式为节点提供不间断的多电压供电支持。40 W多晶硅太阳能板的输出通过连接铅酸蓄电池的太阳能控制器后输出12 V的电压，经由LM2596进行DC/DC变换后获得5 V电压，再通过TPS73033与TPS73030提供稳定的3.3、3.0 V电压。

PIC16(L)F1947的RS-485总线与USART2端口上分别连接DRF-2619C型ZigBee通信模块与RN4020蓝牙模块。DRF-2619C基于CC2530F256，实测通信距离最远可达1 600 m，在具体设计中可根据需求将其设定为Router或Coordinator模式。由于在部分场地中节点与上位机距离较远，还为这些节点额外配用了2.4G/18 dBi的引向天线以增加传输距离，较大幅度地增强ZigBee的传输效果。RN4020蓝牙模块内置Bluetooth 低功耗4.1 协议栈，通过UART 实现ASCII 命令接口API。由于节点多布设在田间，而游客通道距离节点有一定距离，所以节点所用蓝牙模块需要有较大的通信距离，RN4020近100 m的通信距离可以较好地满足需要。在布设中，节点与NFC标签的平均距离约5 m。节点所用标签为NXP出品的NTAG216芯片。该标签易于识读，保密性与抗干扰性较强，在标签内可以提供近900字节的存储空间，可以满足节点标识信息存储的需求。节点功能结构图如图2所示。

图2 节点及功能结构Fig.2 Node and function structure

节点在工作中分别设置高/低2个系统中断响应上位机发来的信息与移动设备接入操作。节点还需要监测其供电与芯片温度，发生异常后须向上位机发送警告信息。其余时间内，节点处于休眠状态以优化能量利用。在上位机与节点通过ZigBee进行交互时，上位机下行对节点的调用指令格式、节点上行数据及警告格式如图3所示。节点的工作程序结构流程框架如图4所示。

图3 上位机与节点信息交互格式Fig.3 Information exchange format between computer and node

图4 节点程序结构流程框架Fig.4 Framework of structural flow of node program

3 用于节点接入的Android APP设计与实现

用于用户节点接入的APP在设计中不仅需要充分考虑应用场景，还需要充分利用移动设备自身的特点，融合NFC和蓝牙技术，实现用户接入节点的快速性、便捷性，并保证其可以对节点实现可靠操作。此外对游客来说，其通常不愿花费较长时间来学习APP的使用，所以界面应尽可能简单易用。由于NFC的功能是在Android API 9+以上加入的，用户所使用的移动设备中系统版本也应为Android 2.3或者更高的版本。该APP的主要核心功能为NFC标签直读、蓝牙自动连接、种植信息/价格显示推送、种植环境参数实时显示、节点机电设备控制、园内位置定位。在APP开发中，田间管理者APP与游客APP采用相同的后台架构和类似的界面布局风格。区别在于游客APP的界面上没有机电设备控制与NFC标签维护选项。移动端APP及结构如图5所示。

图5 移动端APP工作流程Fig.5 Workflow of mobile APP

3.1 读取/更改NFC标签信息及定位操作

图6为移动端APP部分界面，可实时显示相应的信息。读取NFC标签信息是指NFC设备对无源的NFC标签信息读取，该操作主要针对的是NDEF格式的数据，它是NFC数据交换的一种二进制格式，由1个或者多个NDEF记录组成，记录内容可以是URL、MIME或者NFC自定义的数据类型。在本系统中读取的是写入标签中的蓝牙设备的MAC地址和PIN匹配码。读取NFC标签的步骤如下：定义标签对象、获取NDEF消息、NDEF消息解析、解析后的NDEF数据显示及UI交互操作。当完成标签读取后，APP可通过查阅其内建的种植数据定义，并将标签内规格化的信息转换为可供用户识读的产品内容信息，并通过UI界面呈现给用户。在田间管理者对标签中的信息进行维护时，通过预先定义的BlutoothConnectConfigWriter.java开启前台调度系统，检测NFC的标签类型，随后APP则利用getNdefMsg_from_RTD_TEXT()函数来获取写入的NDEF信息，通过WriteTask函数将对应的信息写入到NFC标签中。写入的过程中，还通过UI提示用户在NFC标签信息更新完成前将移动终端始终靠近NFC标签，以便写入数据。此外通过标签还获得了该节点在园内位置的唯一的ID信息，在本设计中调用百度地图的API实现定位功能。通过匹配ID及经纬度信息，为用户找到其对应的园内具体位置，并通过图层标记操作显示在导游图上。NFC标签中内容如图7所示。

图6 移动端APP用户界面(UI)Fig.6 User interface (UI) of mobile APP

图7 NFC标签中内容Fig.7 Information of NFC tag

3.2 基于NFC标签的蓝牙接入及手机-节点交互

在蓝牙连接中，移动设备在扫描NFC标签，成功读取标签消息之后，即可实现与指定蓝牙模块的快速连接。与传统的移动设备与蓝牙模块连接的方法相比，省去了传统的搜索蓝牙设备、选择连接设备、输入PIN匹配码的繁琐步骤，提高了连接的速度，节约了连接的时间。在获取到解析成功的MAC地址和PIN匹配码后，将开启一个蓝牙连接的线程，判断蓝牙设备的连接状态，若没有连接，则开始配对。利用读取标签信息的PIN匹配码的信息来设置自动配对的值，在配对成功后，APP界面将会成功跳转到读取种植信息/环境参数显示的界面。由于蓝牙设备在实现通信时，均是以客户端、服务端的模式通信，而在该设计中，移动设备始终是客户端。当节点与移动智能设备实现连接后，不再响应上位机的指令。

接入节点之后，移动设备可以读取各个环境参数的信息，并绘制环境参数变化的曲线。在移动设备与节点的交互中，节点收到种植环境参数查询指令后，将实时传感器读数与之前存储的15次监测值一起发给移动设备。当接收到的数据符合该形式，则截取数据包的特定位置上的字符串，并通过数据格式转化来获得并显示所采集到的传感器数据。为了方便用户监测环境参数的变化趋势，在APP中设计多个按钮，点击即可查看各个环境参数变化的曲线图。在该界面上，绘制的环境参数的变化曲线每秒刷新1次，较快的刷新速度能够使用户及时准确地发现其变化，并做出相应的控制。同样对节点上设备的控制也由用户通过点击UI界面上特定的按钮实现。在移动设备连入节点后，移动设备与节点之间的控制指令及信息交互格式与前述上位机与节点之间的交互格式类似，但是由于此时的蓝牙连接是唯一的，连接架构为P2P，所以在设计的节点-移动设备交互格式中，省略了前述交互格式中节点网内地址和上位机地址。

4 系统测试

系统完成后于河北省秦皇岛市昌黎县进行了现场测试。测试中共布设11个节点，其中5个布设在园林中，其余布设于蔬菜温室内。节点与上位机之间的距离为200～500 m。上位机采用华北工控EMB3870低功耗嵌入式工控板，软件基于C#设计。节点ZigBee模块采用基于CC2530的DRF-2618A。对应地在上位机采用2.4 G/14 dBi的全向玻璃钢天线。每1个节点所对应的NFC标签与节点距离约3～5 m。系统轮询周期为220 s。在实测中发现，虽然大多数节点与上位机的无线电视距传输通道内都存在部分障碍物(植物枝叶或大棚支架薄膜等)，但是节点与上位机之间在各种气象条件下都可以进行较好的命令与数据交互。即便天气为中到大雨，也能保证信道增益可弥补雨衰对信号的损耗。

由于游客或田间管理者所使用的移动智能设备对节点的访问是高度随机的，在部分情况下会与上位机-节点之间的信息交互过程产生冲突。研究中发现，冲突出现的最主要时间段是节点采集传感器数据的时段。通过分析节点发往上位机的轮询间隔内移动智能设备接入次数还发现，通常游客或田间管理者对节点的访问时间小于1个轮询间隔，且较少出现对节点连续性的占用。所以在设计中采用可容纳2～3个轮询周期数据的缓存能较好地解决上述冲突问题。研究还针对节点与配套APP的使用体验对游客进行了问卷调查。问卷调查重点针对游客游览时间、兴趣度(5分制)与人均消费这3个与游客游园体验密切关联的问题。在问卷调查中共计回收有效问卷754份，其中291份为使用NFC接入游客，其余为普通游客。NFC接入游客组的人均游览时间(3 h 21 min)、人均兴趣度(4.71分)与人均消费(154.64元)比普通游客组(3 h 37 min、4.53分、114.32元)都有一定程度的提升。问卷调查结果表明该方式有效地提高了游客游园的兴趣度。尤其是通过该节点对游客实现了种植过程信息与田间管理实时信息的公开化、透明化，较大程度地促进了游客在游园过程中对农产品的消费，进而提高了园区收入。系统的测试结果表明，该节点不仅可以较好地服务于常规农业数据的采集与设备控制，更能有效地服务观光农业游客、提高园区营收。

5 结论

针对使用移动设备访问无线传感器网络节点的需求，本文提出了一种可用于农业观光领域的无线传感器网络节点设计。设计包括节点的硬件结构及软件APP。该节点不仅可以利用传统ZigBee方式与上位机交互监测信息与控制信息，还可为用户提供基于NFC技术与蓝牙技术的节点交互功能。由此可满足对农业田间管理的远场/近场综合性管理需求。此外还可通过节点对移动设备的支持，为游客提供商业信息推广、园内定位等游园功能，且实现种植过程对游客的透明化。该系统具有使用灵活、功能伸缩性好、通用化程度高、配置便捷与使用方便等特点，在观光农业领域预期会有较好的应用前景。

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【责任编辑 霍 欢】

A design of hybrid wireless sensor network nodes for tourism-agriculture

XU Peipei1, WAN Xuefen2, YANG Yi1, HAN Fang1, JIANG Xueqin1, HU Chenfei1, 2

(1 College of Information Science and Technology, Donghua University, Shanghai 201620, China;
2 College of Computer, North China Institute of Science and Technology, Langfang 065201, China)

【Objective】 To design hybrid wireless sensor network nodes for the field managements and tourist services of tourism-agriculture. 【Method】 Node hardware structure and mobile APP based on Android system for smart devices were designed. The planting environment was monitored and equipments were controlled by communication between host computer and ZigBee.【Result】 Tourists and field managers could quickly access the nodes in the field based on near field communication(NFC) and bluetooth techniques, and could get location, planting information, environmental monitoring and other services via the mobile devices.【Conclusion】 The hybrid wireless sensor network nodes are flexible, convenient and fast with good expansibility, and can more flexibly support multi-service engineering in tourism-agriculture.

tourism-agriculture; mobile smart device; wireless sensor network; NFC; bluetooth

2016- 06- 18优先出版时间：2017-01-10

许培培(1992— )，女，硕士研究生，E-mail：1530279026@qq.com；通信作者：杨 义(1978—)，男，副教授，博士， E-mail：yiyang@dhu.edu.cn

国家自然科学基金(11572084，61201249)；中央高校基本科研业务费(3142012051)

TN709； S237

A

1001- 411X(2017)02- 0118- 07

优先出版网址：http://www.cnki.net/kcms/detail/44.1110.s.20170110.1424.042.html

许培培， 万雪芬， 杨 义， 等.用于观光农业的混合型无线传感器网络节点设计[J].华南农业大学学报，2017,38(2):118- 124.