基于ZigBee网络与嵌入式3S技术的农田信息监测系统设计

潘 坛 徐 欢 夏至波 蔡绍硕

（1.中南民族大学计算机科学学院，湖北 武汉 430074；2.武汉市春晓曲农业科技有限公司，湖北 武汉 430211；3.上海株山农业科技有限公司，上海 201699；4.武汉建春科技有限公司，湖北 武汉 430056；5.青岛海纹智慧农业科技有限公司，山东 青岛 266001）

为了解决传统农业生产不能基于农田信息高效采集监测来有效调节农作物生长环境导致生产效率的问题，为了发展精准农业来可控管理作物的生长和产量。文章设计了一款新型农田信息监测系统，既可利用ZigBee网络和传感器实现大规模环境参数的采集，又可以利用3S（地理信息系统、遥感技术、全球定位系统）技术实现信息化高效管理。

1 农田信息监测系统的技术构成

在新型农田信息监测系统中，首先需要利用各类传感器来进行农田的空气温湿度数值、土壤温湿度数值环境、土壤的PH值等参数采集，再通过GPS定位模块实现精准的定位后将传感器搭载在采用业界标准的增强型8051 CPU的CC2530单片机上，由于该单片机适应2.4-GHz IEEE 802.15.4 的RF 收发器，使得采集节点与网关节点之间可采用ZigBee网络进行通信，在使用Z-stack通信协议栈中，ZigBee网络共有16位地网络短地址，可在最大值0xFFF（65536）下满足65536个设备地对多节点采集的要求。

接着ZigBee网关节点再通过GPRS DTU无线传输模块，内嵌TCP/IP协议栈，利用GSM 移动通信网络的短信息和GPRS业务为用户搭建了一个超远距离的数据传输平台，将数据发送到远程服务器上；最后远程服务器利用Internet访问Web GIS站点中的空间数据。由于Web GIS是一种浏览器/服务器（B/S）结构，也是Internet技术应用于GIS开发的产物，因此GIS通过Web功能得以扩展，能够真正成为一种大众使用的工具，应用于农田环境监测中地成本较低，且使用便捷性和易操作性均可大众化、平民化。

2 农田信息监测系统的功能设计

整个系统的，如图1所示，具备以下功能：

图1 农田信息监测系统

（1）环境参数采集：根据农业需求，需要采集的农田环境参数有空气温湿度、土壤温湿度以及土壤PH值，终端定时采集环境参数，并通过ZigBee网络发送到ZigBee网关节点。

（2）GPS定位：为了实现精准的农田信息监测，在采集到环境参数的同时需要采集到相应的地理位置信息，通过GPS定位模块，获取地理位置信息，并将地理信息通过ZigBee网络发送到网关节点。

（3）GPRS远程通信：在ZigBee网关节点获得终端采集的环境参数之后，需要利用GPRS/GSM网络实现远距离通信，将网关节点的数据发送到终端服务器。

（4）GIS地理信息获取：在服务器获得终端节点的环境参数之后，利用Internet访问Web GIS，获得对应地理位置的地理信息。

3 系统的基本架构与功能实现

底层采集节点硬件设计采用CC2530单片机作为终端的核心。如图2所示，CC2530单片机的工作电压在2V–3.6V之间，可以通过干电池或者是纽扣电池实现电源的供给，摒弃传统的电源布线，让整个系统更加简洁。然后通过CC2530单片机的IO实现设备的接入，接入空气温湿度传感器，土壤温湿度传感器以及土壤PH值，用来监测农田的环境参数，再利用GPS定位模块获取定位信息，将定位到的地理位置信息进行转换，转换成经纬度数据。获取到地理位置信息和环境参数之后，采集节点将参数信息进行打包，利用ZigBee无线传感网络将数据从终端节点发送到ZigBee协调器节点。

图2 底层采集节点硬件

中层通信网络硬件设计采用ZigBee网络的短距离无线传输以及GPRS网络的长距离传输。如图3所示，系统采用CC2530单片机与GPRS DTU之间采用串口进行通信，检测节点与网关节点之间采用ZigBee网络通信，ZigBee网络通信采用Zstack协议栈，由于Zstack协议栈网络具有能够自组网的特点，且协议栈规定了ZigBee网络至少包括一个终端节点和协调器节点，因此ZigBee协调器可创建网络，使得各采集终端节点通过加入网络实现无线通信。本系统采用ZigBee广播方式通信，多个ZigBee终端节点将获取到的地理位置信息和环境参数进行数据帧的打包，通过广播的方式发送到ZigBee协调器，一个ZigBee协调器广播接收接收多个终端数据，实现一对多通信。ZigBee协调器模块的CC2530单片机网关通过串口和GPRS DTU收发器CH-D3G2Q2连接，将ZigBee协调器获取到的数据通过串口发送到GPRS DTU通信模块，网关节点利用GPRS发送模块，将地理位置信息和环境参数发送到远程服务器，服务器节点利用GPRS接收模块，进行数据的接收，将GPRS接收模块接收到的数据通过上位机传输到PC端。

图3 中层通信网络硬件设计

而上层服务器系统的设计则涵括访问Web GIS系统、数据库设计以及上位机设计。在上位机的设计中，上位机与GPRS接收模块相连，通过上位机串口接收来自终端的环境参数以及地理位置信息，将接收到的信息存入数据库中，然后通过上位机界面实施监测农田的环境参数。Web GIS客户端通过融合Internet技术与GIS技术形成的一种空间信息管理和发布系统，与向客户端提供信息和服务的浏览器/服务器（B/S）结构互为组合，从而形成获得各种空间信息和应用的功能。另外根据终端采集节点发送的地理位置参数，通过上位机软件对数据的解析获得具体的地理位置信息，在Web GIS端获取对应的地理空间信息，实现农田信息的监测。

4 结语

实现稳定可靠持续地农田信息监测是现代农业发展地关键一步，文章利用ZIgBee网络及嵌入式3S技术实现了一种农田环境监测的新方法、新思路，通过局部实验证明了系统的设计合理，除了常规的温湿度、PH值、气候参数和农作物生长状况等数据的可以有效获取，还能在大规模的运用中，对获取的地理数据、空间数据可视化综合管理与分析，为农业管理及决策部门提供有效的依据。另外，本系统的涵盖性高，亦可以广泛运用于其他环境的场景监测中。