基于物联网的智慧农业系统

张敬增 朱庆伟 于海洋 李道全

摘要：该文设计并实现了一个基于物联网的智慧农业生长环境的温度湿度信息集成系统。首先进行了系统构架设计，然后进行了设备选型、网络构建及软件设计。通过Zigbee无线传感器节点实现数据的实时感知、传递等功能，并利用CC2530无线单片机实现温度和湿度等的处理。实验表明，该系统可实现农业种植环境温湿度等数据的采集。系统具有成本低廉，控制更简单，功耗低，组网方便等特点。

关键词：智慧农业；物联网；传感器；Zigbee；CC2530

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）29-0259-04

Abstract： This paper designs and implements a temperature and humidity information integration system based on Internet of things （IOT） for intelligent agricultural growth environment. First， the system architecture is designed， then the equipment selection， network construction and software design are carried out. The Zigbee wireless sensor node is used to realize the function of real-time data perception and transmission， and the CC2530 wireless microcontroller is used to process the temperature and humidity. The experiment shows that the system can collect the temperature and humidity of agricultural planting environment. The system has the advantages of low cost， simple control， low power consumption and convenient networking.

Key words： intelligent agriculture； Internet of things； sensors； Zigbee； CC2530

农业是关乎民生大计的第一产业，中国的传统农业在转型推进现代化农业的进程中需要面对切实保障农产品总需求量、转化农业构型、提高农产品实用和经济效益等问题，提高农业生产效率、农业资源日益减少的同时利用效率低下、环保问题突出等阻碍了现代农业的可持续推进的需要。所以，对于农业的物联网科技的研发迫在眉睫。物联网是通过感知节点信息，并经网络传输，以实现人和人、人和物、物和物整体连接的网络。物联网可应用于诸多行业，如应用到农业中，即是我们通常所说的智慧农业。实际上，智慧农业涵盖了互联网、移动互联、云计算以及物联网、大数据等各种技术，同时实现了上述技术的有机综合。它利用安装在农业工作现场的各种传感节点（环境温湿度、土壤水分、二氧化碳、图像等）获取各种信息，通过网络将数据传至后台处理中心，再通过各种技术（如大数据、人工智能等）对数据进行处理，便可实现农业环境的智能感知、智能预警、智能决策、智能分析和专家实时分析，给出农业产业化以更加精细准确的种植条件、便捷的管理和智能解决方案[1]。

本文在农业物联网的背景下构建了种植环境监测系统，包括了种植分析硬件的监测以及软件系统开展的研究。主要內容有农业物联网监控系统传感器，其中的无线传感器网络经过相应的模块收集到温度、湿度以及光照强度等数据，通过由无线接收模块传递信息，然后经过后台管控完成对环境资料的全部管控，以便对于环境资料开展管控。论文主要目的是构建出一套立足于物联网科技的农业环境管控平台，大大地提高现代农业的科技化、数字化智能力，高效利用土地资源，加强农产品的生产能力和质量。

1 系统总体设计

通过利用CC2530得出温度、湿度传感器SHT10的实时数据，同时经过CC2530中ADC取得的光感数据。然后将所有汇集的数据传输到LCD屏幕上。在这个过程中其关于温度、湿度的数据主要是通过CC2530的I/O（P1.0和P1.1）仿造类似于IIC的进程。而其光照感知则利用了内部的AIN0系统。整套系统采用ZigBee技术实现。

1.1 协议介绍

1.1.1 ZigBee技术

ZigBee是一种高可靠的无线数据传输网络，类似于CDMA和GSM网络。ZigBee数传输模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的七十五米到几百米、几千米，并且支持无限扩展。

ZigBee技术时能够实现较短区间的无线通信科技，他的物理层和数据链路层协议是IEEE802.15.4协议标准，网络层和安全层主要通过ZigBee核定，而实际的应用变化则需要依据用户的需要制定，然后开展对应的开发调整，所以该技术可以给予用户以更加便捷、多样化的组网途径[2]。

1.1.2 ZigBee特点

ZigBee技术主要在于给予更加经济、稳定、便捷以及移动设施较为简易、投入较少和能耗较低的无线通信。而这种无线通信主要有这样几个特点：数据信息传输不高、功耗低、数据传输可靠。

1.1.3 ZigBee协议栈结构

ZigBee技术的协议的构架非常简单，其和蓝牙以及另外的网络结构不一样，这类的网络构型一般来说主要有七层，但是ZigBee技术构架只有四层，包括物理层（PHY）、访问控制层（MAC）、网络层以及应用层。

在ZigBee中，PHY層以及MAC层利用了IEEE802.15.4的协议标准，而PHY层给予2种服务：也就是利用物理层监控实际的连接并实现PHY层信息以及PHY层的控制。PHY层的信息资源能够经过无线物理信息载体传输和收到物理层协议信息部位得到。物理层主要通过半双工的无线收发器和接口构成，其通过开启、闭合射频收发器，探测出信道能量波动，并展示出接收数据信息的通路质量、单独信道评价、择取信道变化周期、数据的收发。

媒体访问控制层构建了关于节点和附近节点的稳定的信息链接通道，能够实现数据的共享传输，大大加强了信息通讯。在协调器的MAC层，可以生成网络信标，也可同步网络信标，加强ZigBee设施的关联以及闭合关联，设置设备加密。信道通信利用了CSMA/CA信道退避算法，大大避免了信号的碰撞，保障了GTS，允许信标使能以及非信标使能这2种的信息联通方式，给予2种对等的MAC实体以供给可信赖的信息联通。

网络层主要是关于拓扑构架的构建以及确保网络连接，其功能为设备联通以及网络中断时利用的体系，同时还有关于帧信息运输过程中利用的安全系统。而且还有设备的路由展现和路由维护和交换。同时，网络层构建一跳（one—hop）附近设备的寻找和对应连接点资料保存。单独的ZigBee协调器能够构建新网络，给予新加的设备提供短IP等。同时，网络层还给予一定的函数信息，保障ZigBee的MAC层的稳定开展，同时给予应用层以适当的服务连接端口[3]。

应用层主要有3部分组成：应用支持子层（APS）、ZigBee设备对象（ZDO）和应用框架（AF）。APS主要是筛选网络层的数据，同时把数据传输到运行在部位的不同使用端口。APS定义了一个绑定表，能够制定、加以及减去组数据，构建六十四位长IP（IEEE地址）和十六位短IP（网络IP）一对一映射，然后达到了数据传递的切分与构成，APS联系着网络层和应用层，作为二者之间的连接口。而这个接口主要通过两个服务实体给予：APSDE和APSME。APS数据实体给予网络里面的节点以信息传递服务，它能够分开和重新组建的最大数量的信息包。APS管理实体给予安全信息，而节点的确定，确立和减少组地址，主要对于六十四位IEEE地址和十六位网络IP的地址映射[4]。

1.2 农业物联网种植环境监控系统架构设计

物联网技术应用在农业种植监测系统中，主要包括以下两个部分：其一就是通过感知层开展无线数据感知和收集，其二利用网络传输采集到的数据，并进行分析、处理，获取农作物生长地区的温度、湿度等数据，为后续的控制打下基础。

基于物联网技术的农业种植环境管控系统结构图如图1所示。

基于物联网科技的农业种植管控部分主要由以下部分构成[5][6]：

感知层：数据感知和收集，显示种植过程中的湿度、温度和光照，自动灌溉系统及时获取的信息输送至ZigBee协调器上；

网络层：ZigBee协调器创建一个新网络，为新加入的设备分配短地址，设备的路由维护和转交等。

应用层：此技术能够进行信息的收集和存储、数据的处理和监控命令的传输，给予用户以研究根据，用户能够随时利用电脑终端监控。

2 系统硬件架构设计与设备选择

农业种植环境监控系统硬件构建如图2所示。其中：

1）无线节点模块：ZigBee作为IEEE802.11.4协议的聚集，其是具有更加经济、稳定、便捷以及移动设施较为简易、投入较少和能耗较低的无线通信；

2）传感及控制模块：包括温度传感器、湿度传感器、光照强度传感器；

3）电源板：给予无线节点区域以及传感管理区域实现联系控，而且给予系统提供电源。

在上述的系统架构中，主要用MCU作为全部管控中心，电池部位使得其在对系统提供电力和链接，利用感知区域使得其在农业环境下开展分析和具体的信息汇集，利用ZigBee无线网络进行数据和信息的对比，然后设置植物成长数据，全部的硬件区域通过无线收发部分实现数据信息的传输，然后对于环境数据开展远程管控。

2.1 芯片SHT10介绍

SHT10作为一种高集成的温度、湿度传感器，给予了全标定下的信息输出。它利用CMOSens科技，保障了产品能够在更加稳定安全的环境下运行。传感器通过单独的电容性聚合体有关的测量湿度的元件、关于能隙材料合成的测量温度的元件，安置在一块芯片上，和十四位的A/D转换器实现了串行接口电路的连接。

SHT10引脚性质为：

1） VDD，GND SHT10 的供电电压为 2.4～5.5V。传感器通上电源后，经过大约十一微秒的等待在进过“休眠”。这个区间内不需要给予命令提示。使得电源引脚（VDD，GND）区域能够加入大约一百nF的电容，用来去除耦滤波。

2） SCK主要被用在微处理器和SHT10的通讯步伐。因为连接还有一部分的完全静态逻辑，所以没有最小SCK频率。

3） DATA三态门主要被用于信息的读取。DATA通过SCK下降沿后期出现变化，同时对于SCK时钟上升沿认定准确。信息传输阶段，SCK时钟处于较高的电平，DATA一定要相对的平稳。同时减少信号通道的相互占用，微处理器需要带动DATA。在较低电平状态下，必须要加一个额外的上拉电阻（大约：十欧姆）把信号加大到高电平。而加大电阻一般装置在微处理器的I/O通路。

2.2 CC2530介绍

CC2530立足在2.4-GHzIEEE802.15.4、ZigBee和RF4CE上的一种系统解决办法。其主要的特性就是利用较小的资源投入构建稳定性强的网络节点。CC2530芯片加入了RF收发装置，强化的8051CPU，系统内存在闪存、8-KBRAM以及很多较为强化的功能。目前CC2530包括有4种不一样的闪存版本：CC2530F32/64/128/256，容量为32KB/64KB/128KB/256KB。运转形式多样，然而他能够在较低的功率下运行。而且CC2530运行的状态下相互转换周期短，能够大大减低功率耗损。

CC2530主要由一個高效的2.4GHzDSSS（直接序列扩频）射频收发器中心以及以一个8051管理器，有32KB/64KB/128kB等的闪存以及8kB的RAM，还有ADC、定时器、睡眠定时器、上电复位、断电检验装置和二十一个可编程I/O引脚，这样就能够更好地完成信息模块的微型。CC2530是作为小功率的单片机，其正常的功率损耗为3下电流0.2μA，而在32k晶体时钟下，电流小于等于1μA。

3 农业物联网种植环境监控系统软件设计

传感器节点程序构建下图3表示，网络协调器软件过程如图4表示。

4 实验结果

为检测所构建的传感器节点的传输距离和运行信息，把温度、湿度传感器、感光传感器依次放置在传感器节点对应的端口上，利用串口实验助手实验测量信息连接和传输。在信息传输过程正常没有干扰的情况下能够发现通讯距离约为四百米。

我们建立了简单的星型网络，传感器节点和协调器节点距离不超过三百米。第一次数据传输后，系统休眠，五分钟后恢复。然后进行第二次传输，持续测量两小时，并把数据通过串口传到电脑上。表1为2018年7月13日测得的青岛室外各时刻的相对湿度表、气温和光照强度。从表1可以看到，相对湿度变化平稳，在3：00稍有升高，从10：00开始经过一段时间光照后直到15：00一直处于下降状态，影响室外湿度的因素是前段时间连续大雨甚至暴雨而导致的空气中水分含量大。气温从上午4：00开始升高至12：00达到最高26℃，后保持一段时间，15：00开始缓慢下降，但气温一直维持在25℃左右，变化并不大。根据光照强度可以看出，青岛日出大概在早上6时左右，日落时间为19时左右，光照强度在午时左右达到最高值。

5 结束语

本文构建了一个基于物联网的智慧农业生长环境的温度、湿度等信息集成检测系统。主要通过利用CC2530获取温度、湿度等传感器节点的实时数据，同时经过CC2530中ADC取得光感数据，然后将所有汇集的数据传输到LCD屏幕上，并通过相应软件将数据传输至电脑。总体来说，采用基于Zigbee技术的智慧农业解决方案，组网方便，成本低廉，控制简单。

参考文献：

[1] 孙利民.无线传感器网络[J]. 清华大学出版社.2015.

[2] 张拓.无线多点温度采集系统的设计[D].武汉：武汉理工大学，2013.

[3] 陈旭.基于zigbee的可移动温度采集系统[D].武汉：武汉科技大学，2016.

[4] 雷纯.基于ZigBee 的多点温度采集系统设计与实现[J].自动化技术与应用，2014，29（2）：43-47.

[5] 王翠茹.基于ZigBee技术的温度采集传输系统[J].仪表技术与传感器，2013（7）：103-105.

[6] 潘洁，赵翠芹，梁雪，等.基于物联网技术的考勤系统设计与实现[J].电脑知识与技术，2018（12）：9-10，13.

【通联编辑：梁书】