基于Zig Bee與物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的現(xiàn)代茶葉種植環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳琦　張漢卿　張紅偉　霍修坤

摘要：針對(duì)現(xiàn)代茶葉種植中存在的問題，文章基于無線傳感與通信技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計(jì)了一個(gè)應(yīng)用于現(xiàn)代茶葉種植環(huán)境中的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)綜合運(yùn)用多傳感器數(shù)據(jù)采集技術(shù)、ZigBee自組網(wǎng)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)技術(shù)和GPRS網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)茶葉生長環(huán)境中溫濕度、光照強(qiáng)度、土壤水分等對(duì)于農(nóng)作物生長極為重要的環(huán)境數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)和控制。系統(tǒng)中各部分的硬件根據(jù)系統(tǒng)需求、數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量、成本等方面的要求選型，使系統(tǒng)在低成本、低功耗和高性能三者之間達(dá)到合理平衡，從而實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)信息化。

關(guān)鍵詞：ZigBee；物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)；GPRS；現(xiàn)代農(nóng)業(yè)信息化

現(xiàn)代社會(huì)對(duì)農(nóng)業(yè)發(fā)展的需求在不斷增大，使得實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化管理成為一個(gè)很重要的問題。近幾年來也存在不少的人致力于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)信息化管理方面的研究，提出并設(shè)計(jì)了一系列的設(shè)想，但由于成本，或是網(wǎng)絡(luò)覆蓋以及技術(shù)難度方面的問題，導(dǎo)致在推廣方面存在很多問題，從而制約了現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展。與此同時(shí)，茶葉作為農(nóng)產(chǎn)品中經(jīng)濟(jì)效應(yīng)比較好的產(chǎn)物，且生長受環(huán)境的影響比較大，所以對(duì)于茶葉種植環(huán)境的檢測(cè)成為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中很重要的一個(gè)問題。但是隨著目前ZigBee自組網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，ZigBee以其低功耗、低成本、高安全性的特性，尤其是其強(qiáng)大的組網(wǎng)能力，使得對(duì)于茶葉生長環(huán)境數(shù)據(jù)的采集與傳輸變成了可能。而且隨著現(xiàn)代無線通信技術(shù)的發(fā)展，基站在一些相對(duì)偏遠(yuǎn)農(nóng)村的覆蓋，低成本的公網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了將物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)與互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的連接，使得技術(shù)人員方便對(duì)茶葉種植環(huán)境數(shù)據(jù)的檢測(cè)，使得能夠及時(shí)根據(jù)茶葉的生長情況對(duì)大棚進(jìn)行相應(yīng)的控制，保證茶葉的正常生長，提高其經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)建立在低成本、低功耗的基礎(chǔ)上，便于推廣，對(duì)現(xiàn)代化茶葉種植有著重大的作用。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本茶葉種植環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由4部分構(gòu)成，包括數(shù)據(jù)采集，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)，GPRS數(shù)據(jù)傳輸和在線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)部分。如圖1所示，采集部分主要功能是采集茶園內(nèi)部的溫度、濕度、光照強(qiáng)度等數(shù)據(jù)，并通過ZigBee自組網(wǎng)絡(luò)將各自的采節(jié)點(diǎn)集到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送給ZigBee協(xié)調(diào)器統(tǒng)一轉(zhuǎn)發(fā)。再通過網(wǎng)關(guān)傳送到互聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)主要功能是對(duì)數(shù)據(jù)的匯聚、打包和傳送，是本系統(tǒng)的核心部分，網(wǎng)關(guān)采用STM32F407ZGT6作為主控芯片，利用MG323GPRS模塊實(shí)現(xiàn)了無線傳感網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)兩種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互通，使得技術(shù)人員能夠在線監(jiān)測(cè)茶園環(huán)境數(shù)據(jù)及時(shí)做出相應(yīng)處理。

2 硬件實(shí)現(xiàn)方案

2.1 傳感器數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)方案

2.1.1 數(shù)據(jù)采集

傳感器數(shù)據(jù)采集模塊主要實(shí)現(xiàn)了將茶園內(nèi)分散于大棚不同位置的環(huán)境數(shù)據(jù)的感知工作。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)以ZigBee自組網(wǎng)形成的無線傳感網(wǎng)實(shí)現(xiàn)對(duì)大棚環(huán)境數(shù)據(jù)的采集。采集模塊需要對(duì)茶園環(huán)境溫濕度、土壤水分、光照強(qiáng)度的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分別使用了SHT10溫濕度傳感器、光合有效傳感器和土壤濕度傳感器完成。

系統(tǒng)所采用的溫濕度傳感器型號(hào)為SHT10，該產(chǎn)品具有長期的穩(wěn)定性和極高的可靠性的特點(diǎn)。其溫度測(cè)量范圍-40～120℃，濕度測(cè)量范圍0～100RH%，且價(jià)格便宜，能滿足使用需求。土壤水分含量傳感器使用的是ECH20，該傳感器采用了新技術(shù)和耐用材料，測(cè)量精度高且價(jià)格低廉，可以對(duì)不同土壤深度、多處樣地的水分含量進(jìn)行長期連續(xù)監(jiān)測(cè)。

2.1.2 ZigBee節(jié)點(diǎn)

一般來說，茶園中采集到的數(shù)據(jù)可以通過總線的方式傳送到網(wǎng)關(guān)，由于茶園內(nèi)鋪設(shè)線纜的工程量比較大，且不容易維護(hù)，所以利用無線的方式將數(shù)據(jù)采集器與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行互連。ZigBee在成本、傳輸距離、字節(jié)開銷、協(xié)議復(fù)雜程度等方面都有自己的優(yōu)勢(shì)，所以選擇ZigBee作為大棚環(huán)境數(shù)據(jù)無線傳送的方式。此處的ZigBee模塊系統(tǒng)采用TI公司的CC2530，它能夠以非常低的成本建立強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，具有不同的運(yùn)行模式，使它尤其適用于超低功耗要求的系統(tǒng)。圖2為ZigBee節(jié)點(diǎn)圖。ZigBee協(xié)議根據(jù)ZigBee在網(wǎng)絡(luò)中的作用，將ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備分成了3種，分別是協(xié)調(diào)器，路由器，終端設(shè)備。路由器主要起路由的作用，負(fù)責(zé)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)路徑、搜索設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)傳輸。終端設(shè)備作為數(shù)據(jù)終端，不需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)中應(yīng)用了ZigBee的路由和終端功能，協(xié)調(diào)器在網(wǎng)關(guān)中使用。

2.2 網(wǎng)關(guān)結(jié)構(gòu)

茶園的規(guī)模較大，則需要在茶園內(nèi)部署大量的傳感器，由此采集到的數(shù)據(jù)較多，且數(shù)據(jù)格式比較復(fù)雜，要經(jīng)過一系列的處理才能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與互聯(lián)網(wǎng)的連接。而且由于茶園生產(chǎn)基地一般由很多茶園組成，如果將每個(gè)茶園的數(shù)據(jù)獨(dú)立地與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，施工成本較高，在本系統(tǒng)中，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)是實(shí)現(xiàn)傳感網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)互通的關(guān)鍵，在整個(gè)系統(tǒng)中處于核心位置，實(shí)現(xiàn)將傳感網(wǎng)中數(shù)據(jù)的匯聚，處理和打包上傳。

網(wǎng)關(guān)主控芯片采用意法半導(dǎo)體公司的STM32F407ZGT6。STM32是一款基于Cortex-M4內(nèi)核、高性能、低成本、低功耗的微控制器，它具有3個(gè)USART接口和2～'UART接口，滿足擴(kuò)展設(shè)計(jì)要求。CC2530通過串口與STM32連接，作為協(xié)調(diào)器使用。

圖3為系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)圖，其中ZigBee協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)與位于茶園內(nèi)的采集控制器通信，將采集控制器到的數(shù)據(jù)通過串口傳送至STM32，STM32處理器對(duì)數(shù)據(jù)作出處理之后，經(jīng)過GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。協(xié)調(diào)器是無線傳感網(wǎng)絡(luò)的主控制器，主要負(fù)責(zé)建立網(wǎng)絡(luò)，為設(shè)備分配網(wǎng)絡(luò)地址和管理網(wǎng)絡(luò)。

2.3 GPRS通信

目前主要的無線通信技有GSM，GPRS，3G，4G，由于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)對(duì)速度的要求不大，而且沒有圖像數(shù)據(jù)，基于成本的考慮，選擇數(shù)據(jù)速率不高的GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行將數(shù)據(jù)傳輸?shù)交ヂ?lián)網(wǎng)。

本系統(tǒng)的GPRS模塊使用華為公司的MG323。模塊內(nèi)部自帶TCP/IP協(xié)議，支持RS232串口，方便主控芯片STM32與其進(jìn)行串口連接以及快速便捷地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的透明傳輸。MG323是通過AT指令進(jìn)行控制的，通過AT指令可以對(duì)模塊進(jìn)行各種參數(shù)的設(shè)置，數(shù)據(jù)的查詢和發(fā)送。

3 在線數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)

在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，為了使茶葉種植區(qū)技術(shù)人員及時(shí)了解到茶葉生長環(huán)境信息，需要在監(jiān)測(cè)系統(tǒng)服務(wù)端移植一個(gè)支持cGI和腳本功能的Boa服務(wù)器，Boa服務(wù)器是一種單任務(wù)的服務(wù)器，支持CGI。服務(wù)器端的主要功能是負(fù)責(zé)處理用戶參數(shù)、處理采集回來的數(shù)據(jù)，并為用戶查詢數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)提供接口。

系統(tǒng)監(jiān)測(cè)平臺(tái)基于B/S架構(gòu)，無需安裝客戶端，方便在移動(dòng)設(shè)備上進(jìn)行數(shù)據(jù)請(qǐng)求與操作。頁面數(shù)據(jù)的顯示使用Aiax來實(shí)現(xiàn)，AiaxN直接與MySQL server進(jìn)行通信。Aiax相比傳統(tǒng)HTML可以給用戶提供更好的體驗(yàn)，其可以同時(shí)多個(gè)數(shù)據(jù)庫的狀態(tài)圖表，便于數(shù)據(jù)間的比較，且不需要重新加載，可以設(shè)置自動(dòng)刷新時(shí)間。圖4為在線監(jiān)測(cè)網(wǎng)站的總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)語

茶葉對(duì)生長環(huán)境的要求比較高，無論是光照，空氣溫濕度，土壤水分，都對(duì)茶葉品質(zhì)的高低有著很大的影響，基于這樣的背景，文章設(shè)計(jì)了一個(gè)適合應(yīng)用于茶葉種植環(huán)境的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)應(yīng)用中的延伸，本系統(tǒng)采用無線通信的方式將無線傳感網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)了種植環(huán)境的在線監(jiān)測(cè)，保證了茶葉的正常生長及其經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的情況下，系統(tǒng)各個(gè)模塊的硬件都基于成本的考慮，保證了該系統(tǒng)的推廣，對(duì)茶葉種植農(nóng)業(yè)的發(fā)展有著很重要的作用。