基于物联网技术的智能农业系统

岳明灯，梅广

（1.西华大学计算机与软件学院，成都　600039；2.成都大学信息科学与技术学院，成都　610106）

基于物联网技术的智能农业系统

岳明灯1,2，梅广1

（1.西华大学计算机与软件学院，成都600039；2.成都大学信息科学与技术学院，成都610106）

0　引言

目前中国实施的精准农业的具体策略一方面是依靠对国外类似案例中获得的宝贵经验总结，再分析自身的实情来制定对策。另一方面是做好基于目前相对成熟的ZigBee技术的物联网产品研制与推广使用。由于无线技术在过去的三十年间广泛地使用使得它在很多民用领域的研究与应用取得迅速发展。在ZigBee技术的支撑下，现代化的精准农业大多建立在温室大棚种植技术基础上。在大棚内的各区域选择出典型地块，建立监测点对土壤含水量，温湿度进行监控。再利用相应预报软件，分析获取农作物灌溉的最佳时间，所需要灌溉的水量，可在湿度不足时，通过相应设备给农作物补充适量水分；在光线不充分时采用人造光线来补充，借此来满足农作物的光合作用需求；也可以调节室内温度，让农作物处在一个适宜生长的环境，可以这样说，能够利用物联设备按照农作物需求随意控制光线、雨露、空气等。

1　系统组成

一个典型物联网体系结包括一个由众多传感器和短距离通信设备组成的本地网络，一个已有的可提供公共服务与通信的互联网环境，以及各种移动或固定的用户终端设备。物联网就是将这三个部分整合成一个整体，将现实世界与虚拟的信息世界连接起来，以此实现物联网的概念。与传统的物联网系统组成类似，本文所描述的系统具有四个层次：智能感知平台、无线传输平台、管理平台、用户平台。该系统结合先进的网络通信技术、软件技术、自动控制技术，系统通过感知层的一系列传感器远程获取大棚内部植物生长的一系列相关要素，再通过具体分析，可以对温室内的湿帘、喷头、滴灌、侧窗顶窗、补光等一系列设备进行控制。同时，该系统还可以利用计算机等相应的信息终端，向管理人员实时推送检测到的信息、提前预警信息，实现对温室大棚的信息化管理。如图1所示。

作为物联网感知层的范畴，该系统需要的传感器有土壤温湿度传感器、可以测湿度、温度、辐射、降雨量、风向与风速的气象站。

该系统的传输网络包含：网络传输的标准、LAN网络、PAN网络、无线数传电台、WAN网络等。

系统的管理平台包括：农田现状的预报、灌溉的远程控制或是自动控制、针对农田水利管理，以这些手段来改善农作物生长环境。

图1　系统总体示意图

用户通过手机、电脑等信息终端来接收农田实时气象信息，还可以通过这些终端设备来远程对灌溉设备进行控制。政府相应的管理部门还能通过对此平台的数据分析来提升农业气象、农情、农田水利等方面整体管理水平。

2　基于智能农业的开发平台设计

该智能化农业系统采用多种无线传输方式，包含GSM全球移动通信系统、GPRS、CDMA、3G网络，现主要描述ZigBee，ZigBee属于短距离无线通信的范畴，拥有廉价、能量消耗低、结构简单、传输速度较低等方面特点，它是在IEEE 802.15.4基础之上发展而来，ZigBee工作在2.4GHz或者868/915MHz的频段，2.4GHz频段能在全球通用，868MHz频段、915MHz频段分别在欧洲与北美都通用［1］。在无线网络通信中ZigBee拥有一些其他通信方式无法取代的优势，例如它相对Wi-Fi要更加简单，可靠性高，对处理器的芯片要求相对更低，低成本开发，此外它的每个网络最多可拥有65000个子节点，凭借以上的优点，尽管它的通信速率相对较低但还是可以满足数据在无线网络中传输的需求，另外针对ZigBee传输距离比较短，一般只有百米左右的情况，加上信号放大器、无障碍的情况通信距离能够达到

一千米；ZigBee的协议栈结构如图2所示［2］。

无线传感器网络中的传感器节点一般是由电源、传感器、处理器、无线收发四大模块组成［3］。系统的框图如图3所示。

图2　ZigBee协议栈结构

图3　无线传感器网络节点系统框架

无线传感器网络的硬件节点的平台，首要条件是具备能够支持ZigBee协议栈的射频模块，拥有处理器模块，具备相对较强处理能力，有一定容量的存储器还要考虑到节点成本。本文中描述的系统选择德州仪器旗下的Chipcon公司的CC2430芯片CC2430使用增强8051内核，在速度和功耗上有了很大改善，与内置的ZigBee射频电路能够良好地配合使用，具有8KB RAM 和128KB内存。在此之外还将电压传感器和温度传感器集成在CC2430芯片上，这很适合简单的无线传感器网络的构建［4］。CC2430芯片架构图如图4所示。

CC2430片的初始化是采用DMA通道方式来实现无线通信，无线发送与接收都要先对DMA部分和射频部分进行初始化，初始化部分包括对DMA通道、定时重传的定时器、通信频段、RF相关寄存器进行［5］。CC2430能够在2.4GHz～2.4834GHz的11～26号16个信道上正常工作，单一信道拥有5MHz的频带带宽［6］。信道频段的计算公式如式（1）所示。

图4　CC2430芯片架构简图

CC2430是以对FSCTRLH、FSCTRLL两者进行相关的频率值设置来初始化信道择取。数据的无线发送，首先要判断该数据包的长度是否在单个数据包所能容纳的长度上限以内，如果超出就要对这个数据包分片进行传输。基于DMA在之前就配置好了，现在只需将等待发送的数据写到寄存器。数据在发送的时候还要对RSSI的值循环检查看有效与否，若无效说明当前信道正在使用中，程序遵循CSMA/CA机制，会退一段时间，再对RSSI值检测，当信道处于空闲时即可发送数据。如果发出的消息需要得到回复那么下一步进入接收模式。无线数据的接收首先使数据发送端和接收端的信道频段保持一致，接着将接收DMA通道的数据源设置成RFD，将DMA的触发信号设成RADIO，这样同一频段只要出现无线信号DMA通道就有反应。接收端以判断数据包目的地址来决定下一步是否有动作，如果有，再判断需不需发送确认帧［7］。

传感器采集到的数据能够抵达端口是通过数据的采集和无线通信来实现的，怎样能够使远程指令反向传送与远程获取信息能够相对简单地实现，这就需要网关系统。由于当前的Tiny6410［8］嵌入式核心板具有强大的信息处理力，比较成熟的技术，我们就选用它作为处理器。再将Linux操作系统配置在嵌入式板上，相关软件用QT开发，再对串口采集到的数据进行分类。主要工作就是转发和控制。转发具体是网关程序根据基站串口传送过来的数据通过网口将串口信息转发到远程服务器。控制为网关程序向串口写入相关命令，再由基站根据命令来对节点进行控制［9］。

图5是网关数据采集与上传功能界面，图6是网关上红外控制端和短信猫端功能界面。

图5　网关数据采集与上传功能界面

图6　网关上红外控制端和短信猫端功能界面

3　系统功能

该系统的用户可以实现远程通过电脑查看温室所处环境的实时数据，包括空气和土壤的温湿度、光照强度、二氧化碳含量等。可以随时查看温室的监控视频，还可以对录像进行保存，通过一系列技术手段来确保农作物安全。若温室的环境对农作物生长不利，系统会有预警，用户可以根据具体情况对报警做出相关处理，可以远程控制调节内部环境的设备，如风机、灌溉设备、开窗等。用户还可以观察到温室环境的曲线图，随时掌握农作物生长环境。如图7、图8所示。

系统可以自由设置不同温室所需要的环境参数的阈值上下界。超过设定值的时候，系统就会根据事先完成的设置，通过手机短信，或者通过系统消息等方式提醒相关管理人员。报警的具体提示内容可以根据客户的喜好来设置。通过报警和先进的远程自动化控制技术可以不受时空限制及时处理问题。

通过系统可以按特定的条件组合查询对比历史环境数据。系统支持图标和列表的方式进行查看，以非常直观的方式呈现给用户，用户借所得数据可以为农作物建立数据模型分析出提高农作物产量的辅助策略。

图7　空气温度趋势图　

图8　光照强度趋势图

系统的用户可以通过电脑客户端随时查看温室环境数据，接受系统发来的预警信息，通过摄像头查看大棚内的实时场景，操作环境控制设备。

4　结语

该基于物联网技术的智慧农业系统单个节点可以同时支持多路水分信息采集、多路电磁阀控制；无线采用的是GPRS、GSM、无线数字传输电台等多种方式，比铺设电缆的方法更加灵活方便，系统可以定时采集节点电压、工作环境所处的温度、通信链路所处的状态，拥有网络自行诊断的功能，管理软件还可以根据采集到的土壤信息推算出农作物适宜的灌溉时间和灌溉水量。系统是建立在相对成熟的物联网平台上，运行稳定可靠，温室智能监控终端安装简便、高集成度、扩展性好、方便二次开发。本系统中无线传感器网络节点模块是单一的，单个节点模块只有一个传感器，这就没有做到能够对CC2430这个片上系统充分利用，在下一步工作中可以将功能、接口相似的传感器模块加入到单个传感器节点上。其次将来还可以采用数据挖掘技术对采集到的农作物生长环境以及长势等数据进行分析，找出与农作物生长相关的潜在规则，改善农作物生长环境，增加产量。

［1］Han D M，Lim J H.Design and Implementation of Smart Home Energy Management Systems Based on ZigBee［J］.Consumer Electronics，IEEE Transactions on，2010，56（3）：1417～1425

［2］李蔚.基于ZigBee的无线传感器网络通信协议栈设计与实现［D］.电子科技大学，2012

［3］岳静.ZigBee温湿度数据采集系统研究［J］.煤炭技术，2011，30（1）：176～177

［4］蒋凌云，马奥，吕亚超.基于CC2430片上温度传感器的温度监控系统［J］.计算机技术与发展，2012，22（4）：191～194

［5］Power Modes in CC111xFx，CC243x，and CC251xFx［EB/OL］.（2007-11-23）.http：//focus.ti.com/lit/an/swra162/swra162.pdf.

［6］林瑶瑶.基于ZigBee的现场参数无线检测装置的研究与设计［D］.大连理工大学，2009

［7］杨耀.基于物联网的智能家居的设计与实现［D］.南京：南京邮电大学，2014

［8］祝忠方，刘红.基于Tiny6410开发板的应用研究［J］.价值工程，2013（23）：210～212

［9］徐蔚.基于物联网的智能节能与智能交通关键技术的研究与应用［D］.南京：南京邮电大学，2013

Internet of Things；Intelligent Agriculture；ZigBee；CC2430

Intelligent Agriculture System Based on the Internet of Things Technology

YUE Ming-deng1，2，MEI Guang1
（1.School of Computer and Software，Xihua University，Chengdu 610039；
2.School of Information Science and Technology，Chengdu University，Chengdu 610106）

1007-1423（2015）09-0072-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.09.018

岳明灯（1988-），男，江苏盐城人，硕士研究生，研究方向为计算机网络、物联网、数据挖掘

2015-02-12

2015-03-05

针对农田种植范围大、监控点众多、布线与电源供给难度大等特点，从智慧农业内涵出发，基于物联网技术，采用智能气象台和土壤温湿度传感器，采集农作物所处的土壤墒情，实时环境信息，该智能农业系统可实现灾情预报、远程控制灌溉，温度控制等设备为农作物生长提供良好条件。

物联网；智慧农业；ZigBee；CC2430

梅广，安徽天长人，研究方向为数字图像处理、人脸识别

Discusses a system which is aiming at several agriculture characters like widespread rural planting，huge numbers of monitoring sites，difficult of wiring and hardship for power supplying.From the intelligent agriculture's connotation，this system takes the Internet of Things technology，and uses the soil temperature and humidity sensor to collect the soil moisture content and the real-time environmental information，so that it can realize its functions like forecast the flood risk，long-range controls the irrigation equipment，makes automatic decision of irrigation water capacity and so on.The system can provide an ideal conduction for crop growth.