基于物联网技术的数据采集研究

付吉菊

摘    要： 目前农作物生长环境的数据采集还不完善，监测不到位，直接影响农作物的产量。本文基于物联网技术之一的Zigbee技术，进行数据采集，提出了基于Zigbee技术的农作物生长环境框架及设计数据采集应遵循的原则。

关键词： 数据采集    物联网技术    Zigbee技术

我国是一个农业大国，种植的农作物种类繁多，各种农作物的产量直接影响国家的经济命脉。在各种农作物生长过程中，影响产量最大的因素是生长环境，包括空气的温度、湿度、风速、光照时间、强度、二氧化碳浓度等，但是目前一些农作物生长环境的数据采集采用的技术（比如人工采集方式等）对生长环境的监测还不到位，不能及时地发现农作物生长过程中的异常情况，及时地进行调控，对产量的影响很大。基于物联网技术的监测系统是在无线传感器网络上构建的，它可以实时地对农作物生长环境及农作物生长状况进行无损数据采集。

1.物联网技术

物联网是物与物相连的网络，它可以通过一些采集信息的设备（如红外感应器、射频识别、激光扫描器、全球定位系统等）与系统进行数据的提取、测量、捕获、传递，并且这种数据的采集具有广泛性，只要是需要感知和能感知的物体，就可以采集到它的数据，并传送至服务器，以便监控。物联网还可以对采集到的数据利用信息处理技术、云计算、数据挖掘技术与分析工具等各种智能计算技术进行数据的智能分析、计算和汇总。物联网的主要技术包括传感器技术、Zigbee技术、智能技术、射频识别技术等，其中Zigbee技术是数据采集的关键技术之一。

所谓数据采集系统是利用各种传感器对监测的各种农作物生长环境的数据进行自动采集，然后将采集到的数据通过数据传输技术传输到服务器。在对农作物的生长环境进行数据采集时，要力求全面、准确，即数据采集系统要完成对多节点与多区域的数据采集，除了对数据的全面性与准确性要求外，数据采集系统还要对数据自动处理（如汇总、打包等），传送到服务器。

2. Zigbee技术

Zigbee一词来源于蜜蜂的舞蹈，当蜜蜂发现食物时，会通过跳舞将信息传递给同伴，如食物的位置、食物的数量、食物的方向、食物的距离等，蜜蜂的英文是Bee，蜜蜂跳舞时发出发出嗡嗡（Zig）的声音，而蜜蜂的这种信息传递距离近，低成本，速度不快，这和Zigbee的特点很相似。Zigbee名字由此得来。Zigbee技术是一种无线通信技术，普通的两节干电池可供Zigbee节点工作几个月的时间，因此功耗低;Zigbee工作的频段是免费的，不需要支付费用，用户只要花两美元买芯片即可进行开发，因此成本低;Zigbee的节点一般距离在10m～100m之间，因此距离近;Zigbee节点连接进入网络要30毫秒，因此延时短。在对农作物生长环境的实时监测时会发现，系统需要传输的数据数量比较少，对传输速率要求不高，终端设备大都采用电池供电，并且要避免有线连接。从以上农作物生长环境监测的特点看，Zigbee技术非常适用。Zigbee协议主要包括物理层、媒体存取控制层、网络层、应用层和安全层。

图1    使用Zigbee技术进行数据采集的框架

针对数据采集的要求，设计的使用Zigbee技术进行数据采集的框架如上图1所示。

由图1可知，农作物生长环境数据采集系统分为三个部分，基于星形拓扑结构的Zigbee无线传感器网络，物联网、internet的网络传输，基于WEB的信息管理系统。Zigbee技术的拓扑结构有树形（即形状像棵树）、网形（即形状像张网）、星形三种。其中，星形拓扑结构如图2所示：

图2    星形拓扑结构

由图2可知，中心位置为协调器，网络中的传输设备都与协调器有信息传输，因此如何组建协调器网络至关重要。星形拓扑结构呈现辐射状，数据要通过协调器来传送，因此比较简单，设备成本不高。由于农作物生长环境的数据采集范围广、采集点多，为了保证采集数据满足全面、准确的要求，最好采用星形拓扑结构。一个主节点可以与若干个从节点进行通信，最多254个从节点，一个从节点又可连接多个传感器。从节点上的传感器采集数据，将数据汇聚到主节点，主节点是网络的汇聚节点，发挥协调功能，主节点通过网络将收集到的数据传输到WEB信息管理系统。

在设计数据采集系统时遵循如下原则：（1）系统要可靠。在多数情况下，设备都没有人看守，这就要求设备的可靠性要高，能够连续工作，不易出错，能够安全可靠地采集、传输、处理数据。（2）系统要实用。此系统要简单，容易维护，易于操作，让大家容易学习、掌握，并熟练地使用它。（3）系统要有适用性。农作物生长环境比较复杂，而且范围大，因此要求此系统在任何环境下都能正常运行，有一定的适应性。

在对农作物生长环境进行数据采集时，采用基于物联网技术，尤其是Zigbee技术能够完成对生长环境各类数据的采集、提取、传输、监控等，并且对数据进行智能分析，判断异常情况。

参考文献：

[1]王黎丽.基于Zigbee技术的机场机房环境数据采集系统[D].杭州：浙江工业大学学位论文，2011：10-12.

[2]于暄.基于GPRS和Zigbee技术的智能家居解决方案的研究[D].贵州：贵州大学学位论文，2007：56-57.

[3]巩伟.无线数据采集技术在燃气监控中的应用研究[J]. 行业应用与交流，2011（08）：102-104.

项目基金：安徽省科技攻关计划项目（1301031030）。