基于ZigBee物聯(lián)網(wǎng)的智能農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)研究

喻琨 陳政 汪輝 敬美香

摘 要：為了解決我國傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)長期以來存在高種植成本、高難度經(jīng)營管理的問題，利用目前物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)作物生長的實(shí)時(shí)檢測和智能管理方面的應(yīng)用，從而使得物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)參與到農(nóng)業(yè)管理中來進(jìn)而有效地促進(jìn)了農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展。文章分析了B/S（Browser/Server）、Java和JavaScript語言在MyEclipse開發(fā)環(huán)境中的關(guān)鍵技術(shù)，提出采用Tomcat軟件來發(fā)布信息并完成數(shù)據(jù)存儲和查詢功能。用戶可以在局域網(wǎng)（LAN）中訪問監(jiān)控中心，當(dāng)檢測到的數(shù)據(jù)超過設(shè)定的閾值范圍時(shí)，將由監(jiān)控中心發(fā)出的控制指令，通過以太網(wǎng)傳輸?shù)街骺刂菩酒?，然后控制繼電器的開關(guān)操作，把農(nóng)田環(huán)境參數(shù)和農(nóng)作物生長信息這些收集來的資料放到數(shù)據(jù)庫里保存，讓其成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)發(fā)展的一個(gè)基礎(chǔ)信息庫，從而實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物生長環(huán)境的實(shí)時(shí)監(jiān)測，在農(nóng)產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量上實(shí)現(xiàn)雙高，引進(jìn)現(xiàn)代化的技術(shù)投入農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：ZigBee物聯(lián)網(wǎng) 智能農(nóng)業(yè)傳感器 無線傳輸數(shù)據(jù)采集

中圖分類號：F252.23? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-4914（2022）02-022-03

一、引言

我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)模小，耕地高度分散。我國自古以來都是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國，人多地少，主要經(jīng)濟(jì)形式是自給自足的小農(nóng)經(jīng)濟(jì)，男耕女織是長期以來形成的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式。如何提高單位面積耕地的利用效率和產(chǎn)量是中國農(nóng)業(yè)面臨的關(guān)鍵問題[1]。與此同時(shí)，伴隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速增長，資源短缺，土壤退化，環(huán)境退化等一系列問題逐漸出現(xiàn)。對于我國的農(nóng)業(yè)而言，由于生產(chǎn)技術(shù)落后，基礎(chǔ)設(shè)施落后以及長期以來科技含量低，在近幾十年的生產(chǎn)過程中，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和管理水平尚未得到全面提高。

為了促使傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的轉(zhuǎn)變發(fā)展，必須解決土壤退化、科技含量低、資源短缺等一系列復(fù)雜問題。而是否能及時(shí)解決這些問題對解決農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量問題具有決定性的作用。因此，迫切需要根據(jù)農(nóng)業(yè)發(fā)展的實(shí)際需要，掌握農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)，提高農(nóng)業(yè)信息化程度，加快現(xiàn)代農(nóng)業(yè)建設(shè)的步伐[2]，增加農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和收入。

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）技術(shù)已應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究，可以改變農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和管理水平的模式，加速我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的發(fā)展，并實(shí)現(xiàn)智能農(nóng)業(yè)。可以看出，在物聯(lián)網(wǎng)等信息技術(shù)的影響下，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)將在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生巨大變化。

二、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

（一）系統(tǒng)需求分析

在農(nóng)業(yè)種植領(lǐng)域，我國長期采用傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的不足在于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率低下，管理水平落后。為了解決傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式不足的問題，所以提出并實(shí)施了基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)（SASIOT）項(xiàng)目，該項(xiàng)目具有實(shí)時(shí)監(jiān)控和智能管理的優(yōu)勢[3]。對于智能農(nóng)業(yè)，農(nóng)田環(huán)境的主要監(jiān)測參數(shù)是土壤的溫度和濕度、環(huán)境的溫度和濕度、降雨量、風(fēng)速大小、二氧化碳的濃度、水環(huán)境的酸堿值等。在農(nóng)田環(huán)境參數(shù)的采集方面，由于農(nóng)田地理?xiàng)l件的復(fù)雜性和采集參數(shù)的多樣性，需要在野外部署很多傳感器，這些傳感器通常需要在野外移動，當(dāng)面對能量耗盡和其他故障的時(shí)候無法正常工作[4]。過去，監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要基于有線模式。對于大片農(nóng)田，其應(yīng)用受到局限，無法滿足網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)需求。因此，具有實(shí)時(shí)監(jiān)控和智能管理功能的農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)，對于促進(jìn)我國農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，彌補(bǔ)傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式的不足，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)效益具有重要意義。該系統(tǒng)付諸實(shí)踐后，可以大大提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和管理水平，并在該地區(qū)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮重要作用。

（二）系統(tǒng)方案和架構(gòu)設(shè)計(jì)

ZigBee和WiFi共同組成的混合網(wǎng)絡(luò)用于實(shí)現(xiàn)SASIOT功能。如圖1所示，是SASIOT系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，主要由三部分組成，分別是監(jiān)控中心模塊、農(nóng)田實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊、農(nóng)田信息采集模塊。

農(nóng)田信息獲取模塊是一個(gè)ZigBee無線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，由土壤溫度和濕度傳感器以及小型氣象站組成。它主要負(fù)責(zé)收集作物種植區(qū)的土壤溫度和濕度數(shù)據(jù)，環(huán)境溫度和濕度數(shù)據(jù)，降雨量多少，風(fēng)速大小，二氧化碳濃度和水環(huán)境酸堿值的數(shù)據(jù)。每一個(gè)ZigBee監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)主要由兩部分組成：一個(gè)是負(fù)責(zé)農(nóng)田土壤參數(shù)獲取的土壤溫度和濕度數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn);另一個(gè)是具有雙重功能的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，它具有兩個(gè)功能。首先，作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)員，ZigBee監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)可以自動建立和維護(hù)，同時(shí)可以收集數(shù)據(jù)。其次，它可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)田環(huán)境參數(shù)的采集和顯示。

監(jiān)控中心模塊主要負(fù)責(zé)顯示土壤的溫度、濕度以及環(huán)境的溫度、濕度，降雨量多少，風(fēng)速大小，二氧化碳濃度，水環(huán)境的酸堿值，并實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控并顯示作物生長地區(qū)的作物，為農(nóng)業(yè)經(jīng)營者科學(xué)種植提供了有效依據(jù)。

基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）和無線視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)與Internet集成在一起。根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的三層架構(gòu)，系統(tǒng)可以分為三部分：系統(tǒng)感知層，系統(tǒng)傳輸層和系統(tǒng)應(yīng)用層。

系統(tǒng)的整個(gè)工作過程如下：首先，通過在農(nóng)田中部署傳感器節(jié)點(diǎn)，小型氣象站和高清視頻監(jiān)視節(jié)點(diǎn)，收集農(nóng)田環(huán)境參數(shù)并實(shí)時(shí)監(jiān)視作物生長狀況。其次，將收集的數(shù)據(jù)或?qū)嵉貓D像收集到無線網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)關(guān)（協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)）和無線網(wǎng)關(guān)通過WSN和無線視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。最后，無線網(wǎng)關(guān)（協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)）將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到監(jiān)視中心進(jìn)行存儲。系統(tǒng)注冊后，農(nóng)業(yè)經(jīng)理或普通用戶可以登錄到Web服務(wù)器，以獲取有關(guān)農(nóng)田環(huán)境參數(shù)和作物生長狀況的實(shí)時(shí)信息。在監(jiān)控中心的前端界面中，可以通過直方圖，刻度盤和曲線的形式顯示環(huán)境演變過程。與此同時(shí)，還可以控制傳感節(jié)點(diǎn)和無線網(wǎng)關(guān)（協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)）。

三、系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

（一）系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

該軟件系統(tǒng)主要從三個(gè)方面開發(fā)和設(shè)計(jì)相關(guān)程序，包括監(jiān)控中心的相關(guān)程序，傳感節(jié)點(diǎn)的傳感終端程序，以及協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)關(guān)應(yīng)用程序[5]。

（二）傳感節(jié)點(diǎn)

WSN節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)主要包括傳感器節(jié)點(diǎn)程序和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)程序兩個(gè)主要部分，主要負(fù)責(zé)農(nóng)田感測區(qū)中數(shù)據(jù)的收集和傳輸。每一個(gè)結(jié)點(diǎn)只有一個(gè)結(jié)點(diǎn)地址，用來記錄該結(jié)點(diǎn)的信息。傳感器結(jié)點(diǎn)根據(jù)默認(rèn)配置收集并發(fā)送數(shù)據(jù)。如果結(jié)點(diǎn)是從監(jiān)視中心接收到配置指令，就會對接收到的指令進(jìn)行分析和處理，然后根據(jù)接收到的指令修改配置信息從而進(jìn)行工作。傳感器節(jié)點(diǎn)將根據(jù)特定時(shí)間段將獲取的數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，這就是一個(gè)明顯的例子。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)主要用于傳感器結(jié)點(diǎn)與監(jiān)視中心之間的數(shù)據(jù)傳輸。等到系統(tǒng)加電和初始化后，將實(shí)時(shí)監(jiān)視ZigBee模塊和串行模塊。如果監(jiān)視數(shù)據(jù)，則將解析數(shù)據(jù)。解析后，一方面將數(shù)據(jù)寫入串行端口，另一方面將數(shù)據(jù)通過zigBee模塊發(fā)送。傳感器節(jié)點(diǎn)程序和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)程序的流程圖分別顯示在圖3和圖4中。

TDR-3用于設(shè)計(jì)土壤濕度傳感器。輸出電壓到實(shí)際土壤含水量的轉(zhuǎn)換如公式（1）所示：

式中θv表示土壤水分含量，VOUT是指傳感器輸出電壓值。

式中Y是CO2的濃度，X是傳感器的輸出電壓。

E-201-C-9型pH電極用于設(shè)計(jì)水環(huán)境的pH傳感器。傳感器的輸出電壓與pH的實(shí)際值線性相關(guān)。

式中Y1表示水環(huán)境pH值，X1是水環(huán)境pH的傳感器輸出電壓值。

選擇DS-2CD5A24FWD-IZ（H）（S）型高清攝像機(jī)作為農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)控節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)可以采集受監(jiān)控區(qū)域的實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)，并壓縮采集的視頻數(shù)據(jù)，同時(shí)支持RS232接口。下行鏈路消息的基本格式如表1所示。

標(biāo)頭采用固定格式，具有兩個(gè)字節(jié)的長度，即0X90EB。

（三）監(jiān)控中心系統(tǒng)分析

根據(jù)實(shí)際需要，選擇MyEclipse作為監(jiān)控中心的開發(fā)平臺。通過基于B/S架構(gòu)的HTML（超文本標(biāo)記語言），它具有很強(qiáng)的互操作性。JAVA不僅是一種編程語言，還是一個(gè)應(yīng)用程序。

為了查詢數(shù)據(jù)庫中的歷史數(shù)據(jù)，必須連接數(shù)據(jù)庫。只有完成數(shù)據(jù)庫連接后，才能訪問數(shù)據(jù)庫。表2中顯示了080F0205的節(jié)點(diǎn)地址的歷史信息。[6]

四、結(jié)論

根據(jù)我國農(nóng)業(yè)的實(shí)際應(yīng)用需求，基于IoT體系結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種可以實(shí)時(shí)收集和共享農(nóng)業(yè)環(huán)境信息的農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以收集農(nóng)田的環(huán)境參數(shù)并實(shí)時(shí)監(jiān)測農(nóng)作物的生長。監(jiān)控中心的Web服務(wù)器可以存儲收集到的信息，為農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供信息支持，對農(nóng)業(yè)非常重要。

研究并實(shí)現(xiàn)了基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)。但仍然存在一定的局限，需要不斷地改進(jìn)和提高。

[基金項(xiàng)目：2021年度湖南省社會科學(xué)成果評審委員會一般課題《“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下湖南省智慧養(yǎng)老服務(wù)問題研究》（編號：XSP21YBC618）]

參考文獻(xiàn)：

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[2] 宋艷，程改蘭.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)種植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2014，22（08）：101-103

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[4] 龔燕飛，聶宏林.基于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的農(nóng)業(yè)種植環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2016，24（13）：52-55.

[5] 羅嘉龍，劉衛(wèi)星，陳正銘，林佳煜.基于ZigBee物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能農(nóng)業(yè)灌溉系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電腦知識與技術(shù)，2018，14（30）：186-189.

[6] 張博文.基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)研究[D].長江大學(xué)碩士論文，2017.

（作者單位：1.長沙衛(wèi)生職業(yè)學(xué)院信息中心 湖南長沙 410000;2.湖南工學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院 湖南衡陽 421002;3.長沙民政職業(yè)技術(shù)學(xué)院 湖南長沙 410004;4.湖南交通工程學(xué)院經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院 湖南衡陽 421001）

[作者簡介：喻琨（1980—），男，湖南長沙人，長沙衛(wèi)生職業(yè)學(xué)院信息中心主任，實(shí)驗(yàn)師職稱，主要從事教育信息化研究;陳政（1988—），男，湖南常寧人，湖南工學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院講師、碩士，主要從事信息工程管理研究;通訊作者：汪輝（1983—），男，湖南常寧人，湖南交通工程學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院副教授、碩士，主要從事計(jì)算機(jī)科學(xué)與農(nóng)業(yè)信息工程研究;敬美香（1998—），女，湖南邵東人，湖南交通工程學(xué)院經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院講師、碩士，主要從事農(nóng)業(yè)信息工程研究。]

（責(zé)編：若佳）