一種農(nóng)田環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)方法

蔡紹堂，麻碩琪，樂英高，3，任小洪，曹 莉

（1.人工智能四川省重點(diǎn)實驗室，四川 自貢 643000；2.四川理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，四川 自貢 643000；3.材料腐蝕與防護(hù)四川省重點(diǎn)實驗室，四川 自貢 643000）

引言

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中溫濕度、土壤酸堿度、水含量、無機(jī)鹽等諸多環(huán)境因素都至關(guān)重要，它們都直接影響到農(nóng)產(chǎn)品生長質(zhì)量［1］。在對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境信息采集過程中常伴隨著信息類型復(fù)雜、實時變化、采集面廣泛、空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜等障礙因素，當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)被廣泛的運(yùn)用于現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中后，事實證明物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)很好地克服了環(huán)境信息采集障礙，對提升農(nóng)業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量、節(jié)省勞動力、改善農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境都存在重要意義［2］。

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)是指通過部署在農(nóng)產(chǎn)品生長環(huán)境中的各類型傳感器檢測環(huán)境信息，對信息按特定網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳輸，并對所采集的相關(guān)信息作出智能分析，進(jìn)而調(diào)控決策，再通過智能調(diào)控系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化生產(chǎn)［3-4］。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)將農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中動植物、環(huán)境要素、生產(chǎn)工具等生物生命體和機(jī)械部件與互聯(lián)網(wǎng)連接，實現(xiàn)信息交換與通信，以實現(xiàn)對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)測和管理的一種新型網(wǎng)絡(luò)［5-6］。目前國內(nèi)外許多學(xué)者都對農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)做了大量的研究。李興霞［7］通過GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對農(nóng)業(yè)環(huán)境進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，并建立數(shù)據(jù)分析處理服務(wù)中心，平臺基于B／S模式與Arc－GIS圖像處理服務(wù)，對該系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)與優(yōu)化。朱紹明等人［8］設(shè)計了基于ARM9嵌入式的數(shù)據(jù)采集裝置，裝置由CPU芯片S3C2440、GPRS模塊、傳感器模塊、電源模塊等組成；并通過GPRS模塊與移動設(shè)備進(jìn)行無線通信，實現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)測的功能。蔣圓圓等人［9］討論了通過ZigBee技術(shù)對農(nóng)田環(huán)境數(shù)據(jù)采集終端進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，通過Internet與GPRS實現(xiàn)控制中心與監(jiān)測現(xiàn)場通信。劉剛等人［10］提出了基于WIA－PA無線傳感網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合STM32開發(fā)出一套應(yīng)對干擾和障礙物能力較強(qiáng)的農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。

為了進(jìn)一步提高農(nóng)業(yè)灌區(qū)智能化水平，建立更適合農(nóng)作物生產(chǎn)的穩(wěn)定環(huán)境，實現(xiàn)精準(zhǔn)灌溉，降低生產(chǎn)成本，本文將無線傳感網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks）與智能農(nóng)業(yè)灌區(qū)相結(jié)合，設(shè)計了一套能實時采集、傳輸、監(jiān)控灌區(qū)農(nóng)作物生長環(huán)境數(shù)據(jù)的農(nóng)業(yè)灌區(qū)智能監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)具體對農(nóng)業(yè)灌區(qū)的水質(zhì)、土壤酸堿度、空氣溫濕度、土壤濕度、灌溉用水量等與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相關(guān)的信息做了監(jiān)測，利用ZigBee無線通信協(xié)議和上位機(jī)進(jìn)行通信、數(shù)據(jù)傳輸，為智能農(nóng)業(yè)灌區(qū)環(huán)境監(jiān)測提供了新的監(jiān)測方法。

1 農(nóng)田環(huán)境總體系統(tǒng)設(shè)計

實現(xiàn)灌區(qū)信息準(zhǔn)確化、精細(xì)化、智能化是農(nóng)業(yè)灌區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計根本，通過收集農(nóng)業(yè)灌區(qū)環(huán)境參數(shù)（溫濕度、pH值、光照強(qiáng)度等），并且將實時數(shù)據(jù)反饋至數(shù)據(jù)處理中心或者遠(yuǎn)程監(jiān)控用戶，網(wǎng)絡(luò)通過數(shù)據(jù)進(jìn)行自分析、自決策以給予執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為農(nóng)作物生長提供最優(yōu)生長環(huán)境［11-12］。智能農(nóng)田灌溉物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，前端信息的采集與傳輸是面向農(nóng)田環(huán)境的傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)中最重要的一環(huán)［13］，這是整個系統(tǒng)設(shè)計的根本，根據(jù)國內(nèi)外研究經(jīng)驗，找到一個合適的網(wǎng)絡(luò)部署方法和節(jié)點(diǎn)低功耗方法，監(jiān)測系統(tǒng)由無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心兩部分組成。

圖1 智能農(nóng)田灌區(qū)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

無線傳感器監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)由分布在農(nóng)田中的多個智能傳感器節(jié)點(diǎn)組成。首先，主控中心接收灌區(qū)的相關(guān)信息，并通過顯示屏直觀地顯示出來；然后，數(shù)據(jù)庫儲存所有采集信息，系統(tǒng)分析得出綜合環(huán)境參數(shù)，移動用戶可以用移動設(shè)備對農(nóng)田灌區(qū)信息進(jìn)行實時監(jiān)控。傳感節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計架構(gòu)圖如圖2所示。其中包括溫度傳感器DS18B20、溫濕度傳感器 SHT11、光照傳感器 HA2003等。傳感節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計主要包括各傳感器模塊與接口設(shè)計和通信模塊與接口設(shè)計等，例如土壤溫濕度模塊、環(huán)境溫濕度傳感器模塊、環(huán)境光照強(qiáng)度模塊、系統(tǒng)無線通信模塊、攝像頭接口、顯示屏和電源設(shè)計等。

圖2 傳感節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計架構(gòu)圖

2 農(nóng)田環(huán)境傳感網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)計

農(nóng)田環(huán)境無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計主要包括網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計和普通傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計兩個部分組成。

2.1 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的硬件架構(gòu)如圖3所示。主控芯片為STM32F103ZET6，其主要作為微控制器對網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)各部份進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，穩(wěn)壓接口一端連接穩(wěn)壓模塊，主要是將系統(tǒng)電壓維持在3.3 V，以保障電路安全。上位機(jī)接口連接操控液晶顯示屏供顯示操控。鋰電池模塊向整個網(wǎng)管系統(tǒng)中的各節(jié)點(diǎn)與硬件操控系統(tǒng)提供穩(wěn)定能源。USB轉(zhuǎn)串口與J－LINK模塊方便與上位機(jī)進(jìn)行通訊，方便控制軟件調(diào)試。利用無線通信模塊基于Zig-Bee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議結(jié)合CC2530片上系統(tǒng)聯(lián)系整個網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。整個網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)硬件設(shè)計實現(xiàn)了農(nóng)田灌區(qū)環(huán)境信息的采集和上傳，并且實時儲存上傳信息，同時各個網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)可通過手機(jī)移動用戶或者利用操控液晶屏進(jìn)行調(diào)控。

圖3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計架構(gòu)圖

2.2 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計

普通傳感節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)包括傳感模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、電源模塊和接口模塊等組成［14-16］無線傳感網(wǎng)絡(luò)中通用傳感器節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)。傳感節(jié)點(diǎn)也稱為源節(jié)點(diǎn)，本設(shè)計中，源節(jié)點(diǎn)傳感器主要包括溫度傳感器DS18B20、溫濕度傳感器SHT11、光照傳感器HA2003、CCD成像裝置等。通信單元主要通過無線通信片上系統(tǒng)CC2530實現(xiàn)，數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)主要是根據(jù)ZigBee無線通信協(xié)議實現(xiàn)，數(shù)據(jù)儲存單元連接STM32外接數(shù)據(jù)儲存設(shè)備。各功能模塊協(xié)同工作實現(xiàn)源節(jié)點(diǎn)正常工作，源節(jié)點(diǎn)處于無線傳感網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架的最底層，在接受由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)或者移動用戶傳來的命令后對農(nóng)田灌區(qū)的環(huán)境信息做指向性實時采集，即需要什么信息則及時采集所需相關(guān)信息?；谥悄苻r(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)的實際需求，設(shè)計的傳感節(jié)點(diǎn)至少需要實現(xiàn)以下功能：

（1）實時采集農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)域各項環(huán)境信息，包括土壤溫濕度信息、空間環(huán)境溫濕度信息、農(nóng)業(yè)灌溉區(qū)光照強(qiáng)度信息、灌區(qū)灌渠水流量、土壤酸堿度信息、農(nóng)產(chǎn)品生長圖像。同時為保證網(wǎng)絡(luò)故障發(fā)生率低，需要實時監(jiān)測各節(jié)點(diǎn)能源信息，防止因能源不足造成節(jié)點(diǎn)失效。

（2）通過液晶屏實時監(jiān)測傳感器節(jié)點(diǎn)信息。傳統(tǒng)無線傳感系統(tǒng)采取的工作模式一般是由源節(jié)點(diǎn)采集信息傳輸至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總傳輸至監(jiān)控中心上位機(jī)，本設(shè)計考慮其灌區(qū)所采集信息空間結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且傳感器節(jié)點(diǎn)受各種干擾因素較大，因此在傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計了帶液晶顯示屏的嵌入式裝置，更直觀地反映各傳感節(jié)點(diǎn)的工作狀態(tài)、信息采集效果，簡化了監(jiān)控操作難度，可以做到快速地現(xiàn)場局部調(diào)整。

（3）多路徑無線傳輸傳感節(jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)。無線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶攸c(diǎn)之一是可以實現(xiàn)多路由傳輸，以至于如果一個節(jié)點(diǎn)失效也不妨礙其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行實時傳輸數(shù)據(jù)。農(nóng)業(yè)灌區(qū)環(huán)境信息經(jīng)由設(shè)計的多路由傳輸方式，各個傳感節(jié)點(diǎn)之間建立網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)灌區(qū)環(huán)境信息多路由傳輸至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，保障了農(nóng)業(yè)灌區(qū)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的魯棒性與可靠性。

3 灌區(qū)傳感網(wǎng)絡(luò)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)軟件需求分析及分層設(shè)計

整個基于物聯(lián)網(wǎng)感知層的農(nóng)業(yè)灌區(qū)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)對于各個模塊的功能實現(xiàn)都有明確要求。對于源節(jié)點(diǎn)要實現(xiàn)農(nóng)田環(huán)境信息采集傳輸、構(gòu)成的傳感網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)協(xié)同信息處理；對于網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)要求其數(shù)據(jù)進(jìn)行實時備份，實現(xiàn)監(jiān)控功能，實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)接收和傳輸，為移動用戶直接提供相關(guān)信息數(shù)據(jù)。對于應(yīng)用層，移動用戶需要制作人機(jī)交互界面，監(jiān)控中心上位機(jī)需要制作相關(guān)數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的實時儲存和實時調(diào)用。為方便設(shè)計與實現(xiàn)，對整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行分層設(shè)計，根據(jù)實際需要，整個灌區(qū)監(jiān)測系統(tǒng)層次劃分如圖4所示。

圖4 監(jiān)測系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)設(shè)計遵循了無線傳感網(wǎng)絡(luò)程序設(shè)計規(guī)范，應(yīng)用層的移動用戶或監(jiān)控中心通過網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送相關(guān)采集指令，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收并傳輸命令至下一感知層傳感節(jié)點(diǎn)，命令傳輸自上應(yīng)用層傳輸至底層感知層。相反，在數(shù)據(jù)采集實現(xiàn)實時監(jiān)控和數(shù)據(jù)儲存上則是由感知層各傳感器節(jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，通過網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳輸至應(yīng)用層供監(jiān)控中心或者移動用戶監(jiān)控，并且在應(yīng)用層做到歷史數(shù)據(jù)調(diào)用。

3.2 傳感網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議設(shè)計

系統(tǒng)通信協(xié)議的設(shè)計是網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)功能的重要過程之一，本設(shè)計選用CC2530片上系統(tǒng)建立了農(nóng)田灌區(qū)無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)傳輸機(jī)構(gòu)，利用ZigBee低功耗局域網(wǎng)協(xié)議諸多特點(diǎn)，建立了基于紫峰協(xié)議為通信協(xié)議，CC2530為片上系統(tǒng)的農(nóng)田灌區(qū)環(huán)境網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測系統(tǒng)。以下為網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議具體要求：

（1）網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與監(jiān)控中心和移動用戶網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議

監(jiān)控中心或者移動用戶向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送針對農(nóng)田灌溉區(qū)環(huán)境監(jiān)測的命令，通過調(diào)試，主要對堆棧層和MAC層進(jìn)行設(shè)置，保障應(yīng)用層用戶與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)安全性［17-18］，建立二者之間可靠的鏈接。

（2）網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與傳感節(jié)點(diǎn)通信協(xié)議

傳感節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過構(gòu)建指令傳輸、確認(rèn)傳輸和數(shù)據(jù)傳輸建立聯(lián)系。指令傳輸主要目的是把網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收到的命令指向性傳輸?shù)礁鱾鞲泄?jié)點(diǎn)；確認(rèn)傳輸主要是在網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和傳感節(jié)點(diǎn)之間建立起安全可靠的傳輸路徑；數(shù)據(jù)傳輸是指農(nóng)田中的各傳感器將收集到的環(huán)境信息數(shù)據(jù)傳輸至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。本設(shè)計以MSG格式類型文件，組建了三種類型相關(guān)程序包。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)主程序設(shè)計如圖5所示。

4 系統(tǒng)試驗與結(jié)果分析

為了檢測智能農(nóng)業(yè)灌區(qū)傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能將農(nóng)業(yè)灌區(qū)溫濕度、儲水設(shè)備水位、環(huán)境光照強(qiáng)度、土壤濕度、農(nóng)作物圖像等信息有效的傳輸至移動用戶或者監(jiān)控中心，本次檢測對一塊大小為25 m×10 m，灌區(qū)內(nèi)作物為小麥的試驗田進(jìn)行了系統(tǒng)測試。試驗田中安裝了各類型傳感器對所需數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，四個普通類型傳感器節(jié)點(diǎn)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，本次測試中還安置了一個CCD節(jié)點(diǎn)和源節(jié)點(diǎn)電壓節(jié)點(diǎn)，收集農(nóng)作物生產(chǎn)圖像信息，檢測各源節(jié)點(diǎn)能源消耗。各種采集信息通過在源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間建立的多路由傳輸協(xié)議和最優(yōu)路徑傳輸協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

圖5 主控系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖

創(chuàng)建智能農(nóng)業(yè)灌區(qū)環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)時，安裝好設(shè)備后，打開各節(jié)點(diǎn)能源開關(guān)，上電后根據(jù)設(shè)定網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，各源節(jié)點(diǎn)之間自動與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)之間建立鏈接，構(gòu)成無線傳感網(wǎng)絡(luò)，待網(wǎng)絡(luò)層與應(yīng)用層實現(xiàn)通信后，打開系統(tǒng)上位機(jī)監(jiān)控軟件，如圖6所示，通過可見的上位機(jī)控制界面對各傳感器進(jìn)行控制和監(jiān)測。

圖6 上位機(jī)控制界面

圖6 中上位機(jī)控制界面將農(nóng)田環(huán)境采集到的數(shù)據(jù)實時上傳到上位機(jī)，用戶可以通過上位機(jī)控制界面實時了解每個傳感節(jié)點(diǎn)上感知的溫度、濕度、光照等信息。

為了方便用戶查看農(nóng)田環(huán)境參數(shù)，通過點(diǎn)擊上位機(jī)控制界面圖中的“歷史數(shù)據(jù)曲線”進(jìn)入到圖7所示界面。

圖7 1小時內(nèi)歷史曲線圖

圖7 是基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測1個小時連續(xù)的環(huán)境感知參數(shù)，可以實時查詢光照強(qiáng)度、農(nóng)田環(huán)境溫度和環(huán)境濕度三個參數(shù)，將這些實時采集到的數(shù)據(jù)通過無線的方式發(fā)送給上位機(jī)，之后上傳到服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行進(jìn)一步的分析和處理。同時還可以利用WEB遠(yuǎn)程服務(wù)程序軟件對本地農(nóng)田環(huán)境健康系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問，如圖8所示，遠(yuǎn)程移動用戶可使用Internet對數(shù)據(jù)庫移動界面進(jìn)行訪問。

圖8 農(nóng)田環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)控信息

在農(nóng)田環(huán)境信息監(jiān)控頁面中可以看到灌區(qū)內(nèi)最新的各環(huán)境信息數(shù)據(jù)，智能灌區(qū)信息監(jiān)控界面可根據(jù)用戶需要設(shè)定時間進(jìn)行數(shù)據(jù)更新；對于各項歷史數(shù)據(jù)也能夠在歷史數(shù)據(jù)庫中查詢；可調(diào)用圖像處理相關(guān)數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語

農(nóng)田環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)測是一項重要的研究課題，本文結(jié)合無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自身的“自感知、自分析、自決策、自調(diào)控”的特點(diǎn)，提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了農(nóng)田環(huán)境的遠(yuǎn)程監(jiān)測的信息化、自動化和智能化。本設(shè)計主要結(jié)合CC2530片上系統(tǒng)降低節(jié)點(diǎn)傳輸能耗，在建立監(jiān)控中心的同時也實現(xiàn)了移動用戶對農(nóng)業(yè)灌區(qū)環(huán)境的實時監(jiān)控，在此網(wǎng)絡(luò)發(fā)展下，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中水資源的利用率得到了提高，監(jiān)控實時性得到保障，勞動力也得到了很大程度的解放。

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