物联网在农业现代化中的应用

李强 王春山 王爱新 郭涛

摘要：该文简单介绍了当前物联网技术的最新发展，研究设计了基于物联网的农田数据采集系统。该系统融合了嵌入式系统技术、ZigBee无线传感器网络以及3G技术，能够实现农田信息的采集与传输，具有响应快，低成本，低功耗的显著特点，该系统对进行物联网在农业现代化的应用研究有一定借鉴意义。

关键词：物联网；ZigBee；农业现代化；农田数据采集

中图分类号：TP393文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)24-5899-03

The Application of Internet of Things Technology in Agricultural Modernization

LI Qiang，WANG Chun-shan，WANG Ai-xin，GUO Tao

（The College of Information Science &Technology, Agriculture University of Hebei, Baoding 071001,China）

Abstract: This paper briefly introduces the latest development of the Internet of Things（IOT）technology，research and design field infor mation acquisition system based on the IOT. The system include the technology of embedded system, ZigBee and 3G technology, to achieve the farmland information collection and transmission. The design has characteristics of low construction、low cost、high scalablity.It is meaningful to research the application of Internet of things in agricultural modernization.

Key words: internet of things;ZigBee; agricultural modernization；field information acquisition

物联网是新一代信息技术的重要组成部分。其英文名称是“The Internet of things”。我国已将物联网技术列入到“十二五”发展规划当中，根据规划，“十二五”期间，我国主要致力于物联网核心技术研发与产业化、关键标准研究与制定、产业链条建立与完善、重大应用示范与推广等方面，力争到2015年，初步形成创新驱动、应用牵引、协同发展、安全可控的物联网发展格局。同时，以推进物联网应用技术进步及物联网服务业为导向，以特色农业、汽车生产、电力设施、石油化工、光学制造、家居照明、海洋港口等一批特色产业基地为依托，打造一批物联网特色产业聚集区。目前公认的物联网定义是通过智能传感器、射频识别（RFID）、激光扫描仪、全球定位系统（GPS）、遥感等信息传感设备及系统和其他基于“物一物”通信模式（M2M）的短距无线自组织网络，按照约定的协议，把任何物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种巨大智能网络。目前物联网的核心技术是无线传感器网络（ZigBee），该协议具有低成本，低功耗，协议简单，安全可靠，自动组网等特点，

当前我国正处在加快改造传统农业、走中国特色农业现代化道路的关键时刻。要推进农业现代化的改造，就需要着力改善农业基础设施和装备条件，大力加强农业科技进步和人才队伍建设，健全现代农业经营制度，完善现代农业支持保护体系，办好全国现代农业示范区，有计划、有步骤地扎实推进现代农业建设，为促进经济社会可持续发展提供有力支撑。如何将当今最前沿的网络技术、传感器技术和信息技术应用到农业现代化建设中，是我们需要认真研究的重要课题。

该文研究设计了一种基于物联网的智能农田数据采集系统，用以探索物联网在农业现代化中的应用解决方案。该系统通过智能传感器网络技术将农田土壤的温、湿度等数据采集、汇总，并通过3G网络传输到监控平台进行分析处理。

1总体设计

根据农田数据采集的需要，该文设计的系统整体结构如图1所示，主要包括无线传感器监控节点、网关节点和监控中心等三大部分构成，其中，无线传感器网络中的监控节点为ZigBee PRO网络的路由器和普通节点，被随机放置在农田数据的采集区域用来采集和传输相关参数，如土壤的温度、湿度等，网关节点由监控主机、ZigBee PRO网络的协调器和3G模块组成，负责接收各节点采集到的相关数据，再通过移动互联网络最新技术-3G上传至监控中心，监控中心对采集到数据进行分析处理。

2硬件设计部分

在无线传感器网络系统（ZigBee PRO）中，主要由三种设备构成：网关（协调器），全功能设备（路由器），精简功能设备（节点）。网关是网络的数据中心和管理中心,负责网络的初始化和实时管理，在初始化过程中，协调器通过随机地址分配的方式，为加入网络的节点分配地址，建立通信链路，并在网络的运行过程中，监测网络的流量和运行情况，完成网络节点的管理。全功能设备是网络中的中继节点，它既可以作为中继设备，又可以作为终端节点使用，负责在规模较大的网络中起中继作用，并且在ZigBee PRO网络中，通过RSSI（Received Signal Strength Indication）的监测，通过三边定位算法，完成对无线传感器节点的定位。而这三种设备的功能区分，主要是通过编译器下载到节点中的相对应的ZigBee PRO协议栈的功能角色对应的相关程序进行区分，对于在无线传感器网络中所有网关节点、路由器节点和普通节点，其核心硬件设计都是相同的。

本系统设计的所有无线传感器节点核心结构是相同的，都是由TI公司的ZigBee（SOC）芯片CC2531、和相关外围电路构成。对于监控节点又添加了农田数据采集模块，由SHT10温湿度传感器和相关外围电路组成。其中：TI公司的CC2531包含一个高性能2.4GHz，采用DSSS（直接序列扩频技术）的射频收发器核心和一颗工业级小巧高效的8051控制器，集成符合IEEE802.15.4标准的2.4GHz的RF无线电收发机，其内部有128位AES加密的安全处理器，同时该芯片带有USB 2.0全速接口，使用3.3 V供电，由于该接口为全速设备，因此USB的D+信号线通过电阻上拉。

本系统中，网关节点被设计为通过USB接口可以直接与监控主机连接通信。温湿度传感器采用瑞士盛世瑞恩SHT10，湿度测量范围：0~100%；温度测量范围：-40~123.8摄氏度。监控节点的系统硬件框图如图2所示。

3软件设计部分

3.1监控网络数据通信设计实现

本系统各监控节点与无线网关之间的数据通信，是基于无线传感器网络的Z-Stack协议栈开发。ZigBee PRO协议栈是在IEEE 802.15.4标准基础上建立的，定义了协议的MAC和PHY层。ZigBee设备应该包括IEEE802.15.4（该标准定义了RF射频以及与相邻设备之间的通信）的PHY和MAC层，以及ZigBee堆栈层：网络（NWK）、应用层和安全服务提供层。系其中Z-Stack的协议栈结构如图3所示。本系统采用Ti公司的无线传感器芯片CC2531，TI公司为该芯片的Z-Stack协议栈写好了协议部分的代码，即节点间的通信问题，开发人员无需关心。开发人员只需将主要精力投入在应用层开发即可，省去了开发底层通信协议的繁琐工作。Z-Stack以操作系统的形式给出，系统中所有的操作被定义任务或事件实现。

3.2网关与上位机通信设计实现

在本监控系统中，监控网关节点与监控主机之间的通信是通过CC2531自带的USB2.0全速接口实现。该接口最大传输速率可达12Mb/s,数据传输率较普通串口通信有了很大的提高。

CC2531的USB接口通过两种模式实现通信功能：一是作为HID（人机工程接口设备）出现；一是通过CDC类，实现USB转换成虚拟串口形式通信。针对这两种模式，TI公司都给出了相应的协议栈样例程序实现。其中对于HID模式，TI公司模拟的是键盘和

鼠标这两种标准HID设备的通信过程，用户如需使用，直接通过IAR编译协议栈程序，下载至CC2531中即可。本系统由于在使用USB进行数据传输时，使用的不是HID的标准设备，所以需要在原有的协议栈基础上实现自定义HID设备的接口应用，需对源程序进行改动实现。

HID设备连接到USB主机后，主机通过发送Get_Descriptor请求读取HID设备的描述符，描述符对双方通信是否成功至关重要，HID设备除了支持USB设备的5种标准描述符之外，还支持HID设备特有的3种描述符。这些描述符是：USB标准描述符：设备、配置、接口、端点和字符串描述符。HID特有的描述符：HID、报表（Report）和实体（Physical）描述符。这里，我们主要是对HID的描述符进行重新设计实现。几个主要类型描述符摘要如下：

1）设备描述符

deviceDesc: ; Device descriptor

DB deviceDescEnd - deviceDesc ;描述符长度

DB DESC_TYPE_DEVICE;类型

DW 0200H;版本号

DW 0451H;设备厂商（Texas Instruments）

DW16A9H;产品型号（CC2531 HID）.

.. ...

2）配置描述符

DB configDescEnd - configDesc ;描述符长度

DB DESC_TYPE_CONFIG;类型

DB 03H;接口数量（3个）

DB 01H;描述符标识

... ...

3）接口描述符

DB DESC_TYPE_INTERFACE;类型DB 02H;接口编号DB 00H;备用编号DB 01H;端点数量

DB 03H;接口使用的类（HID）

... ...

4）端点描述符

DB DESC_TYPE_ENDPOINT ;类型

DB 83H;端点地址

DB EP_ATTR_INT ;响应方式（中断）

DW 0008H ;最大数据包长度

... ...

5）报告描述符

报表描述符定义了执行设备功能的数据格式和使用方法，较其他描述符，相对复杂，这里定义为功能设备每次传输8位数据。

DB 0005H, 0001H;通用桌面

DB 0009H, 0000H;自定义应用

DB 0015H, 0000H;逻辑最小值

DB 0025H, 0001H;逻辑最大值

DB 0095H, 0001H;传送数据个数

DB 0075H, 0008H;数据长度... ...

4结论

该文简单介绍了当前物联网技术的最新发展，研究设计了基于物联网的农田数据采集系统，该系统融合了嵌入式系统技术、ZigBee无线传感器网络以及3G技术，能够实现农田信息的采集与传输，具有响应快，低成本，低功耗的显著特点，该系统对进行物联网在农业现代化的应用研究有一定借鉴意义。

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