一种农田环境远程监测系统设计与实现方法

蔡绍堂，麻硕琪，乐英高，3，任小洪，曹 莉

（1.人工智能四川省重点实验室，四川 自贡 643000；2.四川理工学院机械工程学院，四川 自贡 643000；3.材料腐蚀与防护四川省重点实验室，四川 自贡 643000）

引言

在农业生产中温湿度、土壤酸碱度、水含量、无机盐等诸多环境因素都至关重要，它们都直接影响到农产品生长质量［1］。在对农业生产环境信息采集过程中常伴随着信息类型复杂、实时变化、采集面广泛、空间结构复杂等障碍因素，当物联网技术被广泛的运用于现代化农业生产中后，事实证明物联网技术很好地克服了环境信息采集障碍，对提升农业产品质量、节省劳动力、改善农业生态环境都存在重要意义［2］。

农业物联网是指通过部署在农产品生长环境中的各类型传感器检测环境信息，对信息按特定网络协议传输，并对所采集的相关信息作出智能分析，进而调控决策，再通过智能调控系统进行优化生产［3-4］。农业物联网将农业系统中动植物、环境要素、生产工具等生物生命体和机械部件与互联网连接，实现信息交换与通信，以实现对农业生产过程中智能化识别、定位、跟踪、监测和管理的一种新型网络［5-6］。目前国内外许多学者都对农业物联网做了大量的研究。李兴霞［7］通过GPRS网络技术对农业环境进行远程监控，并建立数据分析处理服务中心，平台基于B／S模式与Arc－GIS图像处理服务，对该系统进行维护与优化。朱绍明等人［8］设计了基于ARM9嵌入式的数据采集装置，装置由CPU芯片S3C2440、GPRS模块、传感器模块、电源模块等组成；并通过GPRS模块与移动设备进行无线通信，实现了远程监测的功能。蒋圆圆等人［9］讨论了通过ZigBee技术对农田环境数据采集终端进行数据传输，通过Internet与GPRS实现控制中心与监测现场通信。刘刚等人［10］提出了基于WIA－PA无线传感网络标准，并结合STM32开发出一套应对干扰和障碍物能力较强的农业环境监测系统。

为了进一步提高农业灌区智能化水平，建立更适合农作物生产的稳定环境，实现精准灌溉，降低生产成本，本文将无线传感网络（Wireless Sensor Networks）与智能农业灌区相结合，设计了一套能实时采集、传输、监控灌区农作物生长环境数据的农业灌区智能监测系统。该系统具体对农业灌区的水质、土壤酸碱度、空气温湿度、土壤湿度、灌溉用水量等与农业生产相关的信息做了监测，利用ZigBee无线通信协议和上位机进行通信、数据传输，为智能农业灌区环境监测提供了新的监测方法。

1 农田环境总体系统设计

实现灌区信息准确化、精细化、智能化是农业灌区环境监测系统的设计根本，通过收集农业灌区环境参数（温湿度、pH值、光照强度等），并且将实时数据反馈至数据处理中心或者远程监控用户，网络通过数据进行自分析、自决策以给予执行机构，为农作物生长提供最优生长环境［11-12］。智能农田灌溉物联网系统结构如图1所示，前端信息的采集与传输是面向农田环境的传感器网络监测系统中最重要的一环［13］，这是整个系统设计的根本，根据国内外研究经验，找到一个合适的网络部署方法和节点低功耗方法，监测系统由无线传感器监测网络和远程数据中心两部分组成。

图1 智能农田灌区系统结构示意图

无线传感器监测网络由分布在农田中的多个智能传感器节点组成。首先，主控中心接收灌区的相关信息，并通过显示屏直观地显示出来；然后，数据库储存所有采集信息，系统分析得出综合环境参数，移动用户可以用移动设备对农田灌区信息进行实时监控。传感节点硬件设计架构图如图2所示。其中包括温度传感器DS18B20、温湿度传感器 SHT11、光照传感器 HA2003等。传感节点硬件设计主要包括各传感器模块与接口设计和通信模块与接口设计等，例如土壤温湿度模块、环境温湿度传感器模块、环境光照强度模块、系统无线通信模块、摄像头接口、显示屏和电源设计等。

图2 传感节点硬件设计架构图

2 农田环境传感网络硬件设计

农田环境无线远程监控系统硬件设计主要包括网关节点设计和普通传感节点设计两个部分组成。

2.1 网关节点设计

网关节点的硬件架构如图3所示。主控芯片为STM32F103ZET6，其主要作为微控制器对网关节点系统各部份进行协调控制，稳压接口一端连接稳压模块，主要是将系统电压维持在3.3 V，以保障电路安全。上位机接口连接操控液晶显示屏供显示操控。锂电池模块向整个网管系统中的各节点与硬件操控系统提供稳定能源。USB转串口与J－LINK模块方便与上位机进行通讯，方便控制软件调试。利用无线通信模块基于Zig-Bee网络协议结合CC2530片上系统联系整个网络中的网关节点。整个网关节点系统硬件设计实现了农田灌区环境信息的采集和上传，并且实时储存上传信息，同时各个网关节点可通过手机移动用户或者利用操控液晶屏进行调控。

图3 网关节点硬件设计架构图

2.2 传感器节点硬件设计

普通传感节点硬件结构包括传感模块、通信模块、数据存储模块、数据传输模块、电源模块和接口模块等组成［14-16］无线传感网络中通用传感器节点硬件结构。传感节点也称为源节点，本设计中，源节点传感器主要包括温度传感器DS18B20、温湿度传感器SHT11、光照传感器HA2003、CCD成像装置等。通信单元主要通过无线通信片上系统CC2530实现，数据传输至网关节点主要是根据ZigBee无线通信协议实现，数据储存单元连接STM32外接数据储存设备。各功能模块协同工作实现源节点正常工作，源节点处于无线传感网络构架的最底层，在接受由网关节点或者移动用户传来的命令后对农田灌区的环境信息做指向性实时采集，即需要什么信息则及时采集所需相关信息。基于智能农业灌溉系统的实际需求，设计的传感节点至少需要实现以下功能：

（1）实时采集农业灌溉区域各项环境信息，包括土壤温湿度信息、空间环境温湿度信息、农业灌溉区光照强度信息、灌区灌渠水流量、土壤酸碱度信息、农产品生长图像。同时为保证网络故障发生率低，需要实时监测各节点能源信息，防止因能源不足造成节点失效。

（2）通过液晶屏实时监测传感器节点信息。传统无线传感系统采取的工作模式一般是由源节点采集信息传输至网关节点，网关节点进行数据汇总传输至监控中心上位机，本设计考虑其灌区所采集信息空间结构复杂，且传感器节点受各种干扰因素较大，因此在传感节点设计了带液晶显示屏的嵌入式装置，更直观地反映各传感节点的工作状态、信息采集效果，简化了监控操作难度，可以做到快速地现场局部调整。

（3）多路径无线传输传感节点收集数据。无线传感网络数据传输的特点之一是可以实现多路由传输，以至于如果一个节点失效也不妨碍其他节点进行实时传输数据。农业灌区环境信息经由设计的多路由传输方式，各个传感节点之间建立网络，实现农业灌区环境信息多路由传输至网关节点，保障了农业灌区网络系统的鲁棒性与可靠性。

3 灌区传感网络软件设计

3.1 系统软件需求分析及分层设计

整个基于物联网感知层的农业灌区环境监测系统对于各个模块的功能实现都有明确要求。对于源节点要实现农田环境信息采集传输、构成的传感网络实现协同信息处理；对于网关节点要求其数据进行实时备份，实现监控功能，实现远程数据接收和传输，为移动用户直接提供相关信息数据。对于应用层，移动用户需要制作人机交互界面，监控中心上位机需要制作相关数据库，实现对数据的实时储存和实时调用。为方便设计与实现，对整个网络系统进行分层设计，根据实际需要，整个灌区监测系统层次划分如图4所示。

图4 监测系统的体系结构

系统设计遵循了无线传感网络程序设计规范，应用层的移动用户或监控中心通过网络层网络协议向网关节点发送相关采集指令，网关节点接收并传输命令至下一感知层传感节点，命令传输自上应用层传输至底层感知层。相反，在数据采集实现实时监控和数据储存上则是由感知层各传感器节点收集数据传输至网关节点，通过网络层网络协议传输至应用层供监控中心或者移动用户监控，并且在应用层做到历史数据调用。

3.2 传感网络通信协议设计

系统通信协议的设计是网络实现功能的重要过程之一，本设计选用CC2530片上系统建立了农田灌区无线网络节点传输机构，利用ZigBee低功耗局域网协议诸多特点，建立了基于紫峰协议为通信协议，CC2530为片上系统的农田灌区环境网络监测系统。以下为网络通信协议具体要求：

（1）网关节点与监控中心和移动用户网络通信协议

监控中心或者移动用户向网关节点发送针对农田灌溉区环境监测的命令，通过调试，主要对堆栈层和MAC层进行设置，保障应用层用户与网关节点的网络安全性［17-18］，建立二者之间可靠的链接。

（2）网关节点与传感节点通信协议

传感节点和网关节点通过构建指令传输、确认传输和数据传输建立联系。指令传输主要目的是把网关节点接收到的命令指向性传输到各传感节点；确认传输主要是在网关节点和传感节点之间建立起安全可靠的传输路径；数据传输是指农田中的各传感器将收集到的环境信息数据传输至网关节点。本设计以MSG格式类型文件，组建了三种类型相关程序包。网关节点主程序设计如图5所示。

4 系统试验与结果分析

为了检测智能农业灌区传感网络系统能将农业灌区温湿度、储水设备水位、环境光照强度、土壤湿度、农作物图像等信息有效的传输至移动用户或者监控中心，本次检测对一块大小为25 m×10 m，灌区内作物为小麦的试验田进行了系统测试。试验田中安装了各类型传感器对所需数据进行采集，四个普通类型传感器节点通过无线网络传输至网关节点，本次测试中还安置了一个CCD节点和源节点电压节点，收集农作物生产图像信息，检测各源节点能源消耗。各种采集信息通过在源节点和目的节点之间建立的多路由传输协议和最优路径传输协议进行数据传输。

图5 主控系统软件设计流程图

创建智能农业灌区环境监测网络时，安装好设备后，打开各节点能源开关，上电后根据设定网络协议，各源节点之间自动与网关节点之间建立链接，构成无线传感网络，待网络层与应用层实现通信后，打开系统上位机监控软件，如图6所示，通过可见的上位机控制界面对各传感器进行控制和监测。

图6 上位机控制界面

图6 中上位机控制界面将农田环境采集到的数据实时上传到上位机，用户可以通过上位机控制界面实时了解每个传感节点上感知的温度、湿度、光照等信息。

为了方便用户查看农田环境参数，通过点击上位机控制界面图中的“历史数据曲线”进入到图7所示界面。

图7 1小时内历史曲线图

图7 是基于物联网的农田环境监测1个小时连续的环境感知参数，可以实时查询光照强度、农田环境温度和环境湿度三个参数，将这些实时采集到的数据通过无线的方式发送给上位机，之后上传到服务器的数据库，进行进一步的分析和处理。同时还可以利用WEB远程服务程序软件对本地农田环境健康系统的数据库进行远程访问，如图8所示，远程移动用户可使用Internet对数据库移动界面进行访问。

图8 农田环境远程监控信息

在农田环境信息监控页面中可以看到灌区内最新的各环境信息数据，智能灌区信息监控界面可根据用户需要设定时间进行数据更新；对于各项历史数据也能够在历史数据库中查询；可调用图像处理相关数据。

5 结束语

农田环境的远程监测是一项重要的研究课题，本文结合无线传感器网络自身的“自感知、自分析、自决策、自调控”的特点，提出了一种基于物联网的农业监测系统，实现了农田环境的远程监测的信息化、自动化和智能化。本设计主要结合CC2530片上系统降低节点传输能耗，在建立监控中心的同时也实现了移动用户对农业灌区环境的实时监控，在此网络发展下，农业生产中水资源的利用率得到了提高，监控实时性得到保障，劳动力也得到了很大程度的解放。

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