智慧农业物联网系统

张震宇 余林 黄文庆 季于东 孙克仲

摘 要：我国传统农业正在加快向现代农业转型，而智慧农业将成为现代农业未来发展的趋势。“智慧农业”指充分运用现代信息技术成果，集成应用计算机与网络技术、物联网技术、大数据云平台等，实现农业可视化远程诊断、远程控制、灾变预警等智能管理，通过无线传感器实时对农业生产现场的温湿度、光照、CO2浓度等参数进行采集，远程监控农业生产环境，同时将采集的参数和获取的信息进行数字化转换和汇总后，经传输网络实时上传到相关农业智能管理系统中，对农作物生长环境进行有效持续的监控并驱动电机等设备对环境实施相应的调控措施。同时，随着大数据和Android技术的发展，通过云平台和便携式移动终端与物联网技术、WiFi技术，可以让人们从远端获知农作物的生长环境情况。

关键词：ZigBee;WiFi;Android;大数据云平台;智能语音

1 设计需求分

我国是农业大国，传统农业在国际市场上的优势主要依赖于丰富的自然资源和低廉的劳动力成本。但我国传统的农作物管理方式极易受环境影响，很大程度上限制了农作物的产量和质量，因此农业经营者的利润缩水严重。利用ZigBee技术能够对农作物生长环境包括温湿度、光照、CO2浓度等数据进行网络化监测，通过WiFi传输，人们可方便地从手机APP和大数据云平台上查看农作物的生长情况。对农作物进行24小时监控，一旦发现异常，便可迅速有效采取措施以提高农作物的产量，此外，智能化监控还可以降低劳动力成本，大幅提高农业经营者的收益。尤其在突发状况下，农业经营者如果能够及早发现并采取措施，将有力减少经济损失。传统的农业管理缺乏人性化设计，随着智能语音技术的发展，通过对环境参数的语音播报提醒可以弥补这一不足，让生产者方便地获知作物的生长环境信息。基于这一需求，本文结合ZigBee组网、WiFi通信、大数据云平台、智能语音技术，设计了一种 “智能”“便捷”的农业管理系统。

2 特色与创新

2.1 太阳能供电及追踪系统

为了有效利用农业的光能优势，我们为作品的功能部分设计了太阳能锂电池供电模块，太阳能面板能够根据光线的变化旋转叶面达到最佳采光效果，很大程度上提升了自然资源的利用率和监测节点放置的自由度。太阳能PCB设计如图1所示，太阳板追踪演示如图2所示。

2.2 大数据云平台

ZigBee节点通过农业传感器将采集到的环境参数经WiFi传输到大数据云平台，平台综合分析这些数据后画出变化曲线，方便农业管理者了解农作物环境的变化情况，宏观掌握农作物的生存情况。此外，管理者还可以通过后台查看环境参数的历史数据。云平台界面如图3所示。

2.3 Android界面

Android界面具有良好的人机交互性，利用这一平台人们只用一部手机就可以轻松获取农业大棚中的作物生长环境指数。Android界面如图4所示。

2.4 语音播报LED点阵

智能语音可便捷有效地实时反馈农业大棚作物的生长环境情况，因此大棚经营者可轻松获取有效信息，以便对不同生长情况及时采取相应措施，而点阵显示也让大棚的管理更加简洁，具有现代感。点阵显示如图5所示。

3 功能设计

3.1 传感器节点

ZigBee节点由太阳能供电并与多种传感器相连，可将多个监测点的环境数据源源不断地发往ZigBee协调器，节点上的电机可以根据当前的环境参数采取加湿、换气、补光、遮阳等调控措施。传感器框图如图6所示。

3.2 控制节点控制框图如图7所示。

3.3 网关节点

协调器通过WiFi将数据传输至服务器，大数据云平台和手机从服务器上接收远端大棚作物环境参数，LED点阵也可从服务器上接收数据，通过语音播报和智能显示屏显示当前的环境参数。网关框图如图8所示。

4 系统实现

4.1 系统感知层

SHT20温湿度传感器实物如图9所示，B-LUX-V30B环境光传感器如图10所示，土壤湿度传感器如图11所示，CO2浓度传感器如图12所示。

4.2 系统传输层

4.2.1 ZigBee模块

ZigBee模块如图13所示，蜜蜂一旦发现花粉，就会用飞翔和抖动翅膀的方式向同伴传递花粉所在位置、距离、方向等信息，因此每个蜜蜂就成为了通信点，最终构成一个群体通信网络，ZigBee由此而来。ZigBee无线网络是IEEE802.15.4协议网络，由四层网络体系结构组成，分为物理层、数据链路层、网络层、应用层。我们之所以选择ZigBee，原因在于其功耗低，在工作模式下，ZigBee节点非常省电，电池工作时间长，可保证系统长期稳定运行，易于持续收集从环境采集的数据，且组网简单，易于调试。

4.2.2 WiFi模块

CC3200 WiFi模块如图14所示。针对物联网应用的SimpleLink CC3200是一款集成了高性能ARM Cortex-M4 MCU的無线MCU，可使客户能够用单个集成电路（IC）开发全部应用。借助片上WiFi、互联网稳健耐用的安全协议，无需经验即可实现快速开发。CC3200支持最新的ZigBee协议，相比以前的协议栈具有更好的互操作性，且低成本，功耗低，更安全可靠，支持网状网络，能够实现更远的通信距离。

4.3 系统控制层

4.3.1 主控芯片

产品选择的系统控制层芯片为stm32f103c8t6，作为32位

的主控芯片不仅具有比51内核芯片更强大的运算能力，其内置FLASH还能够快速存储更多数据。此外stm32f103c8t6的48引脚相对于同系列的其他芯片引脚更少，更加小型化。stm32f103c8t6实物如图15所示。

4.3.2 电机驱动

当环境参数超过阈值时，风扇、水泵和补光灯可自动进行调控，进行排气、加湿、补光等操作。风扇、植物补光灯、水泵如图16～图18所示。

4.4 用户界面

Android是在Linux内核的基础上，由Google公司于前几年推出的一款操作系统，其组成包括应用软件、操作系统、中间件、用户友好界面应用软件。Android界面如图19所示。

4.5 软件开发环境

2013年10月，Keil公司（ARM公司之一）正式推出Keil MDK v5，该版本使用μVision5 IDE集成开发环境，是目前针对ARM微控制器，尤其是ARM Cortex-M内核微控制器的最佳集成开发工具。MDK5编译环境如图20所示。

Eclipse是一个开放源代码的软件开发项目，专注为高度集成的工具开发提供全功能的、具有商业品质的工业平台。Eclipse开发环境如图21所示。

Altium Designer是原Protel软件开发商Altium公司推出的一体化电子产品开发系统，主要运行在Windows操作系统，为设计者提供全新的设计解决方案，提高设计开发效率。ZigBee节点与协调器PCB板如图22所示。