基于GPRS与ZigBee的果园环境监测系统

岳学军，王叶夫，刘永鑫，徐 兴，陈树荣，陈奕希，侯勉聪，燕英伟，全东平，陈柱良

（华南农业大学工程学院，广东广州 510642）

基于GPRS与ZigBee的果园环境监测系统

岳学军，王叶夫，刘永鑫，徐 兴，陈树荣，陈奕希，侯勉聪，燕英伟，全东平，陈柱良

（华南农业大学工程学院，广东广州 510642）

【目的】设计果园环境监测系统.【方法】该系统由远程ZigBee-GPRS网关与无线传感器网络（WSN）节点组合，果园参数在WSN、GPRS与Internet间进行采集与传输，实现远距离果园环境实时监测.节点采用CC2530作无线数据收发芯片，GPRS采用ComWay模块，由ZigBee进行组网采集环境信息，通过GPRS网络回传给上位机实现实时监测，再由决策支持系统进行分析发送指令控制节点电磁阀通断从而营造一个适合果树生长的环境.【结果和结论】试验表明：系统可完成传感网与移动通信网络之间的数据传送，实现不同类型感知网络之间的协议转换以及对传感器网络的部分管理控制功能.系统在果园中运行稳定并且丢包率低于10%，具有实践应用价值.

果园环境；GPRS；ZigBee；远程监控；决策支持

1 总体设计方案

果园环境信息采集系统的基本功能是通过各类传感器和采集设备实时采集果园现场环境的基本信息，包括土壤含水量、降雨量、气温、光照度信息等；这些信息将被实时传输到上级系统，系统根据情况作出是否灌溉的决策.信息采集的及时性、可靠性和完整性，是信息采集系统的基本性能要求［9-10］.分布于监控区的ZigBee节点间自主组网形成监控网络，每节点收集自身周围温度、湿度、光照强度等信息，然后将数据无线传输，ZigBee网络中的协调器收集处理后进行转发，ZigBee-GPRS网关节点收集后采用GPRS网络进行转发，监控中心采集后以界面形式供监控人员实时进行决策和处理.系统框图设计如图1所示.

图1 系统框图Fig.1 System block diagram

2 系统硬件设计方案

2.1 硬件方案设计

本文采用ZigBee协议，WSN网络试验平台由节点、协调器、路由器和移动终端等组成，温度、湿度、光照等数据经WSN进行传输、收集和共享等.采用串口（UART）连接ZigBee协调器与GPRS模块，实现整个系统的硬件设计方案.利用本文设计的GPRS网关，用户可以实现无线传感器网络与互联网之间的互通，无线网关可转发无线传感器网节点采集到的数据至互联网中的PC主机.系统硬件效果示意图如图2所示.

图2 系统硬件示意图Fig.2 Schematic diagram of the system hardware

2.2 GPRS与ZigBee网关设计

网关采用基于GSM的通用无线分组业务（General packet radio service，GPRS）融合ZigBee协议的方法，可面向农户或农业公司提供移动分组的IP连接.采用ComWay公司的DTU模块，GPRS无线模块与单片机连接如图3所示.

2.3 电磁阀-水泵阀控制电路设计

选用TLP521做可控制光电藕合器件，通过三极管8050来驱动DC 5V的继电器，通过继电器的开合来控制电磁阀或水泵的开关.完成的电磁阀控制电路图如图4所示.

图3 GPRS与ZigBee通讯电路Fig.3 GPRSand ZigBee communication circuit

图4 电磁阀控制电路图Fig.4 Control circuit of solenoid valve

3 系统的软件开发

3.1 ZigBee节点软件流程

程序正常启动时，打开串口，设置好ZigBee协调器的信道和PAN ID号，初始化协调器，连接GPRS服务器.当串口接收到来自ZigBee协调器数据包，进行解析并且处理相关数据，再通过互联网转发至服务器主机；主机同样也可以通过指令控制ZigBee协调器或者节点.ZigBee节点总流程如图5所示.

图5 ZigBee节点运行流程Fig.5 General program flowchart of ZigBee node

3.2 上位机管理平台设计

3.2.1 实时显示模块 上位机实时显示节点土壤温湿度和光照等传感数据，本上位机软件可设置自动采集的时间间隔，掉线灵敏度单位为s，若网络中某个节点意外停止工作，上位机会在所设置掉线灵敏度时间内重新自组网络，提高系统运行稳定性与可靠性.自动采集时间间隔默认为5 s，具体数值可任意设置.实时显示模块工作如图6所示.

图6 活动节点实时显示图Fig.6 Real-time display of active nodes

3.2.2 拓扑结构显示功能 系统的传感网络在设计中，还设计了网关跟终端节点的网络拓扑图显示功能，在显示拓朴图时也可查询节点的链接质量，并显示出来，从而使系统对自身网络结构也进行实时运行监测，进一步保证系统运行的稳定性与可靠性，实时显示的网拓朴结构如图7所示.

3.2.3 报表功能及系统设置模块 采用CMS1控件，使系统可显示实时或历史趋势图，将果园环境中的温湿度及光敏感度的变化以曲线形式直观的显示在屏幕上，便于分析与决策；用户可根据个人需求通过勾选温度、湿度、光敏感度复选框查看3个环境参数的实时变化曲线图.

图7 网络拓扑图Fig.7 Diagram of network topology

监控软件可以设置自动采集时间间隔，实时观看数据更新；可以设置掉线灵敏度，方便ZigBee自组网；可以灵活设置果园中灌溉设施启动与停止的时刻；可设置服务器IP地址及端口号，启动网络连接便可以连接ZigBee网络.

3.2.4 控制决策 系统采集各传感器参数，根据各传感器数据，进行分析给出决策建议.本系统对土壤含水量进行阈值判决，力图将土壤含水量保持在18%～20%的范围内［11-12］.试验表明，在本系统监测范围内，土壤含水量在该范围内合理波动.由于土壤含水量变化有延时，因此该系统的调控实时性有待提高.

4 系统测试与结果分析

试验平台包括无线网关2个（GPRS网关和以太网网关），终端采集节点7个，土壤水分含量传感器和土壤温度湿度传感器若干（可扩展），电磁阀若干（可扩展）.在华南农业大学工程学院的国家现代农业技术体系柑橘综合示范园中进行功能测试，试验表明，系统可完成传感网与电信网络之间的数据传送、不同类型感知网络之间的协议转换，以及对传感器网络的部分管理控制功能.

经实验室系统测试，并针对出现的问题进行改进后，在华南农业大学南亚热带果树资源圃中的柑橘种植区域，组建并安装系统再进行试验.试验表明，系统运行情况稳定，系统可进行温室环境参数采集，并能根据采集的参数进行分析，给出决策建议.

华南农业大学南亚热带果树资源圃中的柑橘种植区域，地形为山坡丘陵，柑橘树按梯田式分布栽种，平均坡度20°，橘树高度2.8 m，灌层直径3 m，植株平均间距2.8 m.用无线龙IOT1000物联网协议分析仪，TISmartRF Studio 7软件，运行于IOT100协议分析仪中，用于通过调试器对TI无线SOC进行芯片级测试或通信试验，测试果园中无线节点接收信号强度RSSI与丢包率随着距离变化关系如下表1所示，在50 m的组网范围内，丢包率低于10%，满足应用需求.

表1 无线节点不同距离下的信号衰减与丢包率Tab.1 Signal attenuation and packet loss rates of w ireless nodes under different distance

节点接收信号强度与距离的测试结果如图8所示，试验数据经拟合得到公式RSSI＝-9.855 5 Lnd-46.739.式中RSSI表示接收信号强度（dBm），d表示通信距离（m），R2＝0.943 6.试验数据表明，R2接近于1，系统可应用于果园环境中，具有一定的实践价值.

图8 节点信号衰减曲线Fig.8 Attenuation curve diagram of node signal

5 结论

系统测试结果表明，本文所设计果园监测系统中各节点结构简单，可满足采集数据功能，节能且功耗低，节点可根据果园实际情况灵活安装；节点采集信息基于ZigBee协议星形组网完成网络中数据传输；搭建ZigBee-GPRS网关，完成异构网络ZigBee网络与GPRS网络、Internet网络间的信息交互，数据得到无线传输与采集.系统试验表明，该系统可以在岭南地区果园中应用，果园中传感器参数可远程传输到PC机中，实现远程监测.系统由ZigBee进行组网采集环境信息，通过GPRS网络回传给上位机实现实时监测，再由决策支持系统进行分析发送指令控制节点电磁阀通断从而营造一个适合果树生长的环境.系统可完成传感网与移动通信网络之间的数据传送，实现不同类型感知网络之间的协议转换以及对传感器网络的部分管理控制功能；在果园中运行稳定并且丢包率低于10%，具有实践应用价值.

WSN在农业上的运用越来越广泛，研究也越来越深入［13-14］，本果园监测系统中采集的果园环境参数仅包含了温度、光照和电压，今后科研工作应引入更多种类的传感器，进行更多种类数据的采集与传输研究；本系统仅对简单星型网组网方式进行研究，进一步深入研究工作应针对网状网、树型网等复杂组网方式进行，复杂组网方式功能、应用范围与深度可进一步扩展.

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［4］ 张福墁.设施园艺学［M］.北京：中国农业大学出版社，2001：1.

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［7］ 高峰.无线传感器网络在设施农业中的应用进展［J］.浙江林学院学报，2010，27（5）：762-769.

［8］ 杨宝祝，赵春江，孙想，等.节水灌溉专家决策系统的研究与应用［J］.节水灌溉，2002（2）：17-19.

［9］ 杨世凤，王建新，周建军，等.基于变量灌溉数学模型的决策支持系统研究［J］.农业工程学报，2005，21（11）：29-32

［10］卢麾，田富强，胡和平，等，基于遗传算法和GIS技术的灌溉决策支持系统［J］.水利水电技术，2002，33（10）：27-30.

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［13］YICK J，MUKHERJEE B，GHOSAL D.Wireless sensor network survey［J］.Comput Netw，2008，52（12）：2292-2330.

［14］VELLIDISG，TUCKER M，PERRY C，et al.A real-time wireless smart sensor array for scheduling irrigation［J］. Comput Electron Agr，2008，61（1）：44-50.

【责任编辑霍 欢】

Orchard environmentalmonitoring system based on GPRS and ZigBee

YUE Xuejun，WANG Yefu，LIU Yongxin，XU Xing，CHEN Shurong，CHEN Yixi，HOU Miancong，YAN Yingwei，QUAN Dongping，CHEN Zhuliang
（College of Engineering，South China Agricultural University，Guangzhou 510642，China）

【Objective】To design an environmentalmonitoring and decision support system based on wireless sensor network（WSN）.【Method】The system was assembled by ZigBee-GPRSgateway and wireless sensor nodes，which could monitor remote dynamic of orchard environment.CC2530 was used aswireless data transceiver chip for ZigBee sensor nodes，and ComWay GPRSmodem was selected.Ecological information was collected and transmitted for cooperation in a remote PC through ZigBee and GPRS networks accordingly.Irrigation processes were arranged by a decision software.【Result and conclusion】Data could be transferred between system sensor networks and mobile communication network according to the system.Meanwhile，protocol conversion between different types of sensor networks and integrant sensor network managements could be completed.Further observations showed that the average packet loss rate was lower than 10%.This system could be suitable for orchard applications.

orchard environment；GPRS；ZigBee；remotemonitoring；decision support

S121；S667.2；S609

A

1001-411X（2014）04-0109-05

水果是中国种植业中排在粮食、蔬菜之后的第3大产业，在国民经济中占有非常重要的地位［1-2］.传统的果园多处于偏远地区，存在人烟稀少、交通不便、地形复杂、维护不便、工作环境恶劣等问题.果园的管理也大多依靠人工完成，效率低下、工作量大、管理粗放［3］.中小型果园设施落后配套设施不齐，可靠性差，果树灌溉只信赖果农经验进行漫灌或渠灌.稍大规模果园的管理多是对环境单因素进行监测、控制，不能做到环境的综合监测和调节［4-5］.果树正常的生长需要一定的环境条件.环境条件不仅直接关系到果树本身的生长状况，而且影响到果实的产量和品质.果园环境重要参数主要有温湿度（土壤、环境）、光照、土壤pH、营养液成分含量等［6］，对环境各重要参数的实时检测和综合调控成为当前果园信息化的重要瓶颈.为了能使果树达到高产高质，必须要对这些环境参数进行精确的检测和综合的调控.果园环境信息监测系统的设计对实现果树管理的现代化、精细化有着非常重要的意义［7-8］.

2013-07-20优先出版时间：2014-06-03

优先出版网址：http:∥www.cnki.net／kcms／doi／10.7671／j.issn.1001-411X.2014.04.020.html

岳学军（1971—），女，副教授，博士，E-mail:yuexuejun＠scau.edu.cn；

国家星火计划项目（2012GA780043）；广东省自然科学基金（S2012010009856）；广东省农业标准化研究项目（粤财农［2012］528号）；广东省农业标准制定项目（粤财农［2012］528号）；广州市科技计划项目（7414558112697）

岳学军，王叶夫，刘永鑫，等.基于GPRS与ZigBee的果园环境监测系统［J］.华南农业大学学报，2014，35（4）：109-113.