基于物联网的农作物生长监控系统

孔晓红+宋长源+王亚君

摘要：提出了一种基于物联网的农作物环境参数监控系统，包括传感节点的选择及设计、无线网络的组成、监控系统功能模块的实现等。该系统易于扩展，具有较强的实用性和通用性。同时，可以方便地接入Internet网络，实现产品信息的共享和远程控制，大大地提高了农业生产信息化程度和自动化水平，满足现代农业生产控制要求。

关键词：物联网;无线传感器网络;CC2530

中图分类号：TP277        文献标识码：A        文章编号：0439-8114（2014）20-4983-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2014.20.058

Monitoring System of Crop Growth Based on Internet of Things

KONG Xiao-hong1， SONG Chang-yuan1， WANG Ya-jun2

（1.Henan Institute of Science and Technology， Xinxiang  453003， Henan， China; 2.Xinxiang University ，Xinxiang  453003， Henan， China）

Abstract： A system of monitoring environmental parameters of crop based on Internet of things was proposed. It included the selection and design of the sensor nodes， the framework of a wireless network and the realization of function modules of monitoring systems. The system was easy to expanded， with strong practicality and generality. It easily accessed the internet to share products information and remote control. It greatly improved the information degree and automation level of agricultural production， and met the controlling requirements of modern agriculture.

Key words： Internet of things; wireless sensor network; CC2530

与发达国家比较，我国农业生产自动化水平低，生产方式相对落后，导致自然资源和人力资源极大地浪费。目前农业生产引起国家的高度重视，国家在“十二五”发展纲要中提出“农业农村信息化”规划，发展“智能农业”，提高农业生产的信息化水平。物联网（Internet of things，IOT）是利用传感技术、射频技术（RFID）、信息处理技术、网络传输技术等，对现实世界进行信息采集、处理和传输，实现物体“智能化”，从而达到对个体进行信息跟踪、定位、监控和管理的目的，是现有互联网应用的延伸。物联网上的物与物之间或与环境之间进行信息交换和通信，具有了“人工智能”，通过环境信息的反馈与处理，不需要人的干预，能够自适应的调整自身状态。该技术已经在农业生产中逐步得到推广应用[1-4]。

农作物监控涉及到生长的整个过程，本研究结合物联网技术，通过信息传感设备和数据采集系统获取物理世界的信息，结合无线和有线网络等完成信息的传送与共享，采用数据处理技术对信息进行提取和加工，对物质世界实现完全感知，提高资源利用率和生产力水平，改善人与自然的关系[1，2]。

1  农作物监控系统的设计

本监控系统通过感知设备实时采集农作物生产过程中的状态信息，将信息进行处理并传输给生产者，提供合理的生产建议和预警信息，用以调节农作物的生产环境并对潜在灾情采取应对措施。

1.1  监控系统的网络原理

针对农作物生长监控特点，监控系统采用感知层、网络层、应用层的3层体系架构如图1所示[1]。感知层用于采集农作物生长信息，通过在农业种植现场部署各种各样的传感器、RFID装置、摄像头设备等，实时获取农作物的生长参数、环境参数和现场设施的使用情况;网络层主要是对感知层采集到的数据信息进行处理和传递;应用层通过人机交互接口，将信息网络层获得的数据以直观的形式提交给最终用户，同时用户根据现场参数做出判断并将相应的操作反馈到现场。

基于该架构在被控现场建立一套集视频、信息采集、数据分析处理为一体的测量平台，搭建一个集本地无线覆盖和广域网接入的网络系统;网络层基于网络资源和实时任务调度理论，实现动态环境中自适应拓扑结构，完成信息传递和共享，建立物联网信息空间和物理空间的关联模型。

1.2  监控系统功能模块设计

结合农作物生产过程特点，各层次功能模块如图2所示。感知层由传感节点、射频装置、EPC编码技术和视频摄像等功能模块组成，主要检测农作物生长信息如发芽期、成熟期和环境参数如温度、光照度、土壤含水率等。网络层利用无线传感网、3G网络等无线网络和现有网络结合，实现数据的整合、分析和可靠传输，同时利用云存储技术解决大量数据的分布式存储，保证农业物联网系统的数据通畅和共享。应用层实现数据分析、视频监控、生长过程跟踪、产品信息发布，利用反馈的数据实现现场设备控制等功能。endprint

2  监控系统的实现

在监控现场，基于ZigBee 2007/PRO协议组成近距离无线网络连接，该协议具有更好的互操作性、节点密度管理、数据负荷管理等，网络通信距离更远，组网性能更稳定。该网络还具有低功耗特点，在监控系统功能增加时支持大量的网络节点扩展，遵循IEEE 802.15.4技术标准。

2.1  无线传感节点的设计

ZigBee传感节点选用CC2530作为处理器[5]，该芯片集成了RF收发器、增强工业标准的8051MCU、在系统可编程Flash存储器、8 K RAM、ADC转换器等功能模块于一体，是一个完整的SoC系统。CC2530节点电路原理图如图3所示。CC2530结合德州仪器的ZigBee协议栈（Z-Stack），大大提高了单片机与无线通信模块的可靠性，同时减小了节点的体积与质量。

本系统传感器节点主要完成农作物各种生长环境参数的采集，如温度、湿度和农药残留、病虫害信息等。由于使用环境的要求，CC2530具有体积小、抗干扰能力强和低功耗等特点。CC2530和其他模块电路连接如图4所示。

2.2  无线传感网络结构

根据功能不同，组成无线传感器网络节点包括3类：终端节点、路由器节点和协调器节点。在每个ZigBee局域网中，协调器节点是惟一的，存储整个网络的路由信息，并对其他节点进行管理和协调，如设备加入网络和退出网络等，在网络中起着非常重要的作用。本系统采用以协调器为中心的网状拓扑结构，采用ZigBee无线通信方式，将温湿度传感器、光照传感器、生物制剂监测传感器等分布于农田各处，采集数据传送给协调器，由且协调器作为中央处理器启动执行设备，调节温度和干燥度等。协调器同时连接网关，将环境数据传送到主机和网络显示并共享信息，也可以人工干预控制过程。

由于无线传感器终端节点的通信距离比较有限，要求根据农作物种植分布情况布置路由节点，尽可能实现种植区域内无通信盲点。无线传感器节点可以通过各路由节点、协调器节点向无线网关发送数据，无线传感器终端节点与路由节点形成的是一个动态自治的多跳网络。网络协调器是整个监控系统的核心部分，负责无线网络内部节点的管理，同时实现ZigBee无线网络与现有网络的有机融合，达到了现场参数对用户是透明的目的。系统结构如图5所示。

3  小结

现代社会发展在农业、能源、金融等方面都遇到了发展的“瓶颈”，在农业产品质量控制等方面不能满足人们的需求。本研究选择物联网技术，通过更智能的终端、覆盖更全面的网络，基于ZigBee无线传感网络实现农作物生长监控，生产现场由部署3类节点，惟一的ZigBee网络协调器，作为整个控制中心;ZigBee终端节点采集数据并无线收发，形成节点间能够自治的组成网络;在大量的终端节点间布置若干个具有路由功能的节点，实现路由信息管理。该系统可以方便地接入现有网络，实现作物生长信息的跟踪、共享和农业设备的远程控制，大大地提高了农业生产信息化程度和自动化水平，满足现代农业生产控制要求。同时，该系统具有很好的灵活性及扩展性，还可以满足产品质量的有效控制，产品信息可以直接在网络发布，增加产品的销售渠道和完善物流信息，因此，本监控系统具有较强的实用性和推广价值。

参考文献：

[1] 陈  勇，曹玉保，王林强.基于物联网的农业灌溉监控系统设计[J].电子设计工程，2012，20（22）：104-106.

[2] PARK D H ，PARK J W.Wireless sensor network based greenhouse environment monitoring and automatic control system for dew condensation prevention[J].Sensors，2011，11（4）：3640-3651.

[3] 劳凤丹，余礼根，滕光辉，等.设施农业3G+VPN 远程监控系统的设计与实现[J].中国农业大学学报，2011，16（2）：155-159.

[4] 戴起伟，曹  静，凡  燕，等.面向现代设施农业应用的物联网技术模式设计[J].江苏农业学报，2012，28（5）：1173-1180.

[5] 聂洪淼，焦运涛，赵明宇.物联网技术在精准农业领域应用的研究与设计[J].自动化技术与应用，2012，31（10）：89-93.endprint

2  监控系统的实现

在监控现场，基于ZigBee 2007/PRO协议组成近距离无线网络连接，该协议具有更好的互操作性、节点密度管理、数据负荷管理等，网络通信距离更远，组网性能更稳定。该网络还具有低功耗特点，在监控系统功能增加时支持大量的网络节点扩展，遵循IEEE 802.15.4技术标准。

2.1  无线传感节点的设计

ZigBee传感节点选用CC2530作为处理器[5]，该芯片集成了RF收发器、增强工业标准的8051MCU、在系统可编程Flash存储器、8 K RAM、ADC转换器等功能模块于一体，是一个完整的SoC系统。CC2530节点电路原理图如图3所示。CC2530结合德州仪器的ZigBee协议栈（Z-Stack），大大提高了单片机与无线通信模块的可靠性，同时减小了节点的体积与质量。

本系统传感器节点主要完成农作物各种生长环境参数的采集，如温度、湿度和农药残留、病虫害信息等。由于使用环境的要求，CC2530具有体积小、抗干扰能力强和低功耗等特点。CC2530和其他模块电路连接如图4所示。

2.2  无线传感网络结构

根据功能不同，组成无线传感器网络节点包括3类：终端节点、路由器节点和协调器节点。在每个ZigBee局域网中，协调器节点是惟一的，存储整个网络的路由信息，并对其他节点进行管理和协调，如设备加入网络和退出网络等，在网络中起着非常重要的作用。本系统采用以协调器为中心的网状拓扑结构，采用ZigBee无线通信方式，将温湿度传感器、光照传感器、生物制剂监测传感器等分布于农田各处，采集数据传送给协调器，由且协调器作为中央处理器启动执行设备，调节温度和干燥度等。协调器同时连接网关，将环境数据传送到主机和网络显示并共享信息，也可以人工干预控制过程。

由于无线传感器终端节点的通信距离比较有限，要求根据农作物种植分布情况布置路由节点，尽可能实现种植区域内无通信盲点。无线传感器节点可以通过各路由节点、协调器节点向无线网关发送数据，无线传感器终端节点与路由节点形成的是一个动态自治的多跳网络。网络协调器是整个监控系统的核心部分，负责无线网络内部节点的管理，同时实现ZigBee无线网络与现有网络的有机融合，达到了现场参数对用户是透明的目的。系统结构如图5所示。

3  小结

现代社会发展在农业、能源、金融等方面都遇到了发展的“瓶颈”，在农业产品质量控制等方面不能满足人们的需求。本研究选择物联网技术，通过更智能的终端、覆盖更全面的网络，基于ZigBee无线传感网络实现农作物生长监控，生产现场由部署3类节点，惟一的ZigBee网络协调器，作为整个控制中心;ZigBee终端节点采集数据并无线收发，形成节点间能够自治的组成网络;在大量的终端节点间布置若干个具有路由功能的节点，实现路由信息管理。该系统可以方便地接入现有网络，实现作物生长信息的跟踪、共享和农业设备的远程控制，大大地提高了农业生产信息化程度和自动化水平，满足现代农业生产控制要求。同时，该系统具有很好的灵活性及扩展性，还可以满足产品质量的有效控制，产品信息可以直接在网络发布，增加产品的销售渠道和完善物流信息，因此，本监控系统具有较强的实用性和推广价值。

参考文献：

[1] 陈  勇，曹玉保，王林强.基于物联网的农业灌溉监控系统设计[J].电子设计工程，2012，20（22）：104-106.

[2] PARK D H ，PARK J W.Wireless sensor network based greenhouse environment monitoring and automatic control system for dew condensation prevention[J].Sensors，2011，11（4）：3640-3651.

[3] 劳凤丹，余礼根，滕光辉，等.设施农业3G+VPN 远程监控系统的设计与实现[J].中国农业大学学报，2011，16（2）：155-159.

[4] 戴起伟，曹  静，凡  燕，等.面向现代设施农业应用的物联网技术模式设计[J].江苏农业学报，2012，28（5）：1173-1180.

[5] 聂洪淼，焦运涛，赵明宇.物联网技术在精准农业领域应用的研究与设计[J].自动化技术与应用，2012，31（10）：89-93.endprint

2  监控系统的实现

在监控现场，基于ZigBee 2007/PRO协议组成近距离无线网络连接，该协议具有更好的互操作性、节点密度管理、数据负荷管理等，网络通信距离更远，组网性能更稳定。该网络还具有低功耗特点，在监控系统功能增加时支持大量的网络节点扩展，遵循IEEE 802.15.4技术标准。

2.1  无线传感节点的设计

ZigBee传感节点选用CC2530作为处理器[5]，该芯片集成了RF收发器、增强工业标准的8051MCU、在系统可编程Flash存储器、8 K RAM、ADC转换器等功能模块于一体，是一个完整的SoC系统。CC2530节点电路原理图如图3所示。CC2530结合德州仪器的ZigBee协议栈（Z-Stack），大大提高了单片机与无线通信模块的可靠性，同时减小了节点的体积与质量。

本系统传感器节点主要完成农作物各种生长环境参数的采集，如温度、湿度和农药残留、病虫害信息等。由于使用环境的要求，CC2530具有体积小、抗干扰能力强和低功耗等特点。CC2530和其他模块电路连接如图4所示。

2.2  无线传感网络结构

根据功能不同，组成无线传感器网络节点包括3类：终端节点、路由器节点和协调器节点。在每个ZigBee局域网中，协调器节点是惟一的，存储整个网络的路由信息，并对其他节点进行管理和协调，如设备加入网络和退出网络等，在网络中起着非常重要的作用。本系统采用以协调器为中心的网状拓扑结构，采用ZigBee无线通信方式，将温湿度传感器、光照传感器、生物制剂监测传感器等分布于农田各处，采集数据传送给协调器，由且协调器作为中央处理器启动执行设备，调节温度和干燥度等。协调器同时连接网关，将环境数据传送到主机和网络显示并共享信息，也可以人工干预控制过程。

由于无线传感器终端节点的通信距离比较有限，要求根据农作物种植分布情况布置路由节点，尽可能实现种植区域内无通信盲点。无线传感器节点可以通过各路由节点、协调器节点向无线网关发送数据，无线传感器终端节点与路由节点形成的是一个动态自治的多跳网络。网络协调器是整个监控系统的核心部分，负责无线网络内部节点的管理，同时实现ZigBee无线网络与现有网络的有机融合，达到了现场参数对用户是透明的目的。系统结构如图5所示。

3  小结

现代社会发展在农业、能源、金融等方面都遇到了发展的“瓶颈”，在农业产品质量控制等方面不能满足人们的需求。本研究选择物联网技术，通过更智能的终端、覆盖更全面的网络，基于ZigBee无线传感网络实现农作物生长监控，生产现场由部署3类节点，惟一的ZigBee网络协调器，作为整个控制中心;ZigBee终端节点采集数据并无线收发，形成节点间能够自治的组成网络;在大量的终端节点间布置若干个具有路由功能的节点，实现路由信息管理。该系统可以方便地接入现有网络，实现作物生长信息的跟踪、共享和农业设备的远程控制，大大地提高了农业生产信息化程度和自动化水平，满足现代农业生产控制要求。同时，该系统具有很好的灵活性及扩展性，还可以满足产品质量的有效控制，产品信息可以直接在网络发布，增加产品的销售渠道和完善物流信息，因此，本监控系统具有较强的实用性和推广价值。

参考文献：

[1] 陈  勇，曹玉保，王林强.基于物联网的农业灌溉监控系统设计[J].电子设计工程，2012，20（22）：104-106.

[2] PARK D H ，PARK J W.Wireless sensor network based greenhouse environment monitoring and automatic control system for dew condensation prevention[J].Sensors，2011，11（4）：3640-3651.

[3] 劳凤丹，余礼根，滕光辉，等.设施农业3G+VPN 远程监控系统的设计与实现[J].中国农业大学学报，2011，16（2）：155-159.

[4] 戴起伟，曹  静，凡  燕，等.面向现代设施农业应用的物联网技术模式设计[J].江苏农业学报，2012，28（5）：1173-1180.

[5] 聂洪淼，焦运涛，赵明宇.物联网技术在精准农业领域应用的研究与设计[J].自动化技术与应用，2012，31（10）：89-93.endprint