基于物联网的智能农业监控系统

张仕臻

( 湖北工业大学电气与电子工程学院， 湖北 武汉 430068)



基于物联网的智能农业监控系统

张仕臻

( 湖北工业大学电气与电子工程学院， 湖北 武汉 430068)

基于物联网三层结构模型和相关技术，设计搭建了适用于农业生产环境实时监测和控制的智能化系统。阐述了系统设计思想、软硬件架构以及系统存在的缺点和应用前景。从技术层面上为农业生产过程提供了量化的决策依据。

物联网； 智能农业； ZigBee； 监控

现代农业中，应用物联网技术可以实时地收集温度、湿度、风力、大气、降雨量等信息，精准地获取土壤水分、压实程度、电导率、pH值、氮素等土壤信息，可以帮助农民进行管理决策。物联网也可以应用在温室智能控制方面，提高农业综合效益，实现农业生产的标准化、数字化、网络化[1]。

1　系统设计思想

笔者设计的系统目的在于能够在现场或远程对农作物的生长环境进行实时监控，并在无人工操作时能够分时段在不同场景中根据不同农作物生长需要自动调节环境状态。

整个系统基于物联网技术设计。物联网技术综合了传感器技术、嵌入式技术、现代网络及无线通信技术等，能够通过各类集成化的微型传感器，实时监测和采集各种被测对象的信息，这些信息通过无线方式被发送，并以自组多跳的网络方式传送到用户终端[2]。

在本系统中采用物联网技术有以下优点：1)减少农作物生长环境监测及控制成本；2)实现信息自动实时采集、自组织传输和智能控制；3)监控系统组网灵活，可扩展性强；4)全天候实时监控农作物生长及环境参数变化，对农作物生长所需各种环境信息进行收集、分析及优化。

系统的设计目的是实现对农作物生长环境和生长过程的全天候监视，以及根据农作物生长环境进行实时智能控制；并将环境信息、控制过程实时保存至数据库；将水源、土壤等关乎产品安全的重要信息存储到数据库中，便于监督和研究。

2　系统整体架构

2.1系统结构模型分析

根据系统架构，在物联网技术层面上可以将系统分为三大部分：感知层、传输层、应用层。感知层主要包括底层节点和传感器及受控设备，负责数据的采集和受控设备的动作。传输层负责自组网以及信息的传递。应用层负责数据处理、指令下达、数据发布。

感知层包括各种传感器设备和受控设备，以及相应的ZigBee节点设备。传感器设备用于采集环境数据；受控设备用于调节农作物生长环境；ZigBee网关和节点设备自动组网，用于对所有的传感器和控制设备的数据进行传输。

网络层包括网关管理和信息管理模块。网关管理主要对网关进行管理，传输协议解析等；信息管理是指进行数据交换、存储、发布等管理。

应用层主要实现管理和控制功能，用于监测、控制、查询、决策分析等。

2.2系统整体架构设计

本文设计的智能农业监控及溯源系统中，在底层即温室大棚内部，当网关(协调器)上电后，搜索其他节点进行自动组网，底层网络通过网关与服务器相连，可以将数据写入服务器的数据库中。网络访问是基于B/S架构，值班室的工作机可以通过有线网络或者wifi访问服务器的监控系统，对整个系统进行监控。

图 1　系统整体架构

3　ZigBee节点硬件设计

根据农作物的生长环境，本系统主要对大棚温室内部空气温湿度、土壤温湿度、光照强度、CO2浓度等数据进行采集和控制。这些由传感器和相应的受控设备完成。通过传感器和节点的匹配，就可进行数据的采集和通讯。节点设备是基于ZigBee无线传输协议开发的。ZigBee在功耗方面优于Bluetooth，在组网的灵活性上优于wifi，在价格等方面优于网络供应商提供的各种制式的无线网络，具有较大的市场应用前景和开发潜力。

ZigBee网络至少需要一个协调器(Coordinator)和若干终端节点(End Device)来实现。协调器作为ZigBee无线传感器网络的网关，在上电时进行同信道节点自组网后，将终端节点上传的数据统一上传给数据库服务器。根据具体功能不同，终端节点搭载的传感器和受控设备也不一样。图2是温湿度传感器节点的硬件结构。

图 2　温湿度传感器节点原理图

温湿度传感器节点采用TI公司的CC2530F256芯片，单个芯片上整合ZigBee射频(RF)前端、内存和微控制器[3]。温湿度传感器采用的是AOSONG公司的AM2301温湿度传感器。CC2530F256读取传感器采集的温湿度值，通过LCD5110液晶屏显示以及发送给协调器。两个LED显示工作状态，JTAG接口用于下载程序，Button按键可以通过程序来指定功能。图3是温湿度传感器节点的实物图。

1-SMA型天线接口，接2.4GHz天线；2-CC2530开发板；3-电源开关；4-USB电源接口；5-LCD5110液晶；6-RS232串口；7-温湿度传感器；8-指示灯图 3　温湿度传感器节点实物图

4　系统软件平台设计

监控系统的软件平台设计，包含了四个功能模块，分别是认证/权限模块、信息查询模块、设备控制模块和管理员设置模块(图4)。

图 4　软件系统模块

认证/权限模块，包括了登录认证和权限分配的功能。登录过程使用用户名和密码进行登录认证，只要与数据库中给出的人员帐密信息匹配即可登录。权限分配则是实现不同职责对应不同权限的工作管理方式。

信息查询模块包含了设备信息查询以及监测数据的查询。设备信息查询可以查看各设备及其节点的当前状态、各设备节点的网络拓扑结构等。检测数据的查询包括两方面，一是对当前数据进行实时监测，二是对历史数据进行查询。图5为测试场景下的监控界面。

图 5　测试场景下的监控界面

设备控制模块包括设备状态设置和设备控制操作。设备状态控制实现的功能包括设备的添加、停用、更替等。设备控制即对现有设备进行开关、调节等操作。

管理员设置模块分为权限设置和日志管理。权限设置是设置不同类型的权限身份。系统会将每天的登录、查询、操作等所有动作自动保存到日志，也会将设备异常情况记录保存到日志。

5　结论

本系统实现了农业生产环境条件的智能化监控，对农业生产环节提供了大量的决策依据，从而促使农业生产更为科学化、规范化。系统基于模块化设计，因而改变底层节点上搭载的传感器等设备，可以应用于其他环境的智能监控。但是，由于市面上很多设备并未有统一的接口，因此功能的扩展需要进行二次开发。

[1]陈一飞.农业复杂大系统的智能控制与农业物联网关系探讨[J].农业网络信息，2012(2)：8-12.

[2]林元乖,龙顺宇,杨伟.基于物联网技术的智能农业应用系统[J]. 物联网技术, 2013(3)：71-74

[3]Texas Instruments. A True System-on-Chip Solution for 2.4-GHz IEEE 802.15.4 and ZigBee Applications[EB/OL]. (2015-03-19)http://www.ti.com.cn/cn/lit/ds/symlink/cc2530.pdf.

[责任编校： 张岩芳]

Intelligent Agriculture Monitoring System Based on the Internet of Things

ZHANG Shizhen

(SchoolofElectricalandElectronicEngin.,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

Based on three-layer structure model and technologies on Internet of things, the agricultural intelligent system is designed to realize a real-time detection and control in agricultural environment. It describes the design concept, the structures of hardware and software, the existing shortcomings and the prospects. It provides a quantitative basis for decision making in the agricultural producing process technically.

Internet of Things; intelligent agriculture; ZigBee; monitoring

2015-03-19

武汉市科技攻关计划项目(2013011001010463)

张仕臻(1989-)， 男，湖北十堰人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为系统工程

1003-4684(2016)04-0086-03

S126;TN929.5;TP277

A