基于物联网的设施农业远程智能化信息监测系统的开发

施苗苗+宋建成+田慕琴

摘要：作为新一代信息技术的重要组成部分，物联网的应用和推广已成为现代设施农业的发展趋势。针对现有农田、果林等大面积栽培种植区域土地利用率低、人力物力浪费严重等问题，开发一套基于物联网的设施农业远程智能化信息监测系统，设计无线局域网ZigBee与无线广域网GPRS多网络融合的通信模式，构建底层无线传感网络（WSN），以采集农田作物生长及环境信息。基于组态软件设计信息中心显示界面，开发智能信息监测软件，以远程、实时监测现场农作物生长状态，集参数监测、网络通信、数据分析及图表显示为一体，突破地域限制，提高数据的共享性。结果表明，该系统性能稳定，在信息无线采集与传输、远程环境监测以及智能化分析等方面均满足实际需求，同时具有很高的实时性与可扩展性。

关键词：设施农业；物联网；无线传感网络（WSN）；无线局域网；无线广域网

中图分类号： S126；TP277.2 文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2016）11-0392-04

基于德国工业4.0国家发展战略，我国提出了“感知中国”的物联网发展战略，“设施农业物联网” 就是物联网发展战略中最重要的应用方向之一。在现代农业领域，通过将物联网应用到农业的各个方面，实现“感知农业”。设施农业物联网分为3个层次，即信息感知层、通信与网络传输层、应用服务层。信息感知层主要利用各种传感器节点，获取农业资源与环境参数，如土壤水分、温度、湿度、肥力、营养元素、作物长势等信息。在通信与网络传输层，传感器获得的数据通过有线或无线方式以多种通信协议在局域网、广域网传播和发布，使得不同时空分布的地域能共享信息。在应用服务层完成数据融合、知识挖掘，以便于农业生产决策控制。由此可见，物联网技术在农业方面的应用研究已成为一个重要研究方向[1-2]。近年来，我国农业走过了一条高投入、高产出、高速度、高资源环境代价的道路。虽然在农业基础建设方面取得了显著成效，然而面对未来人们的生活需求和农业发展，还存在一些问题：（1）农业产业化水平低，仍以传统经验生产为主，缺乏量化指标和配套集成技术；（2）监测与控制都采用人工管理，管理水平滞后，存在测控精度低、劳动强度大等弊端，缺乏安全监管，增加成本、浪费资源，且难达到预期效果，导致种植环境恶劣，影响作物产量和品质[3-4]。本研究针对传统农业向现代农业转型时期出现的问题，采用以传感器节点、传感器网络、互联网和智能信息处理为核心的物联网技术，开发了一套适合农田、果林等大面积栽培种植区域、实时性强、可靠性高的远程信息采集监测系统。该系统采用ZigBee与GPRS多融合网络的通讯模式，构建无线传感网络（WSN）；结合农业生产实际，采用组态王设计信息中心界面，实现了对现场农作物的远程监测。

1 系统总体方案设计

基于物联网的设施农业远程智能化信息监测系统是通过传感器、无线通信、信息融合与处理、专家系统等关键技术，采集作物生长所需的各种必要参数，进行参数融合和数据挖掘，在搭建的物联网软硬件平台上，实现远程监测和智能管理。

1.1 系统架构

本系统主要由感知层、网络层、应用层组成（图1）。（1）感知层。感知层是设施农业物联网的底层，也是基础层。主要用来获取作物生长实时的环境监测数据。感知层的各节点为智能传感器节点，它通过各种传感器获取实时信息并自行组网传递到上层网关接入点。感知层主要采集土壤温湿度、空气温湿度、光照度、土壤pH值等重要环境参数。（2）网络层。网络层主要负责整个系统的数据传输，它建立在局域网、移动网络、互联网之上，主要包括信息存储查询、网络管理等功能。网络层将接收到感知层的各类数据通过网络传输至信息处理中心，由应用层进行处理，同时将应用层发出的命令信息送达感知层，进行环境调节。（3）应用层。应用层位于本系统顶层，主要实现传感器数据查询、数据分析、数据挖掘以及基于感知数据的应用和决策。

1.2 网络组成

本系统采用无线局域网ZigBee与无线广域网GPRS的多网络融合方式，构建无线传感网络（WSN），解决农田、果林等大面积栽培种植区域网络布线困难、传感器分布混乱等问题（图2）。

ZigBee无线局域网采用网状（mesh）拓扑结构，包含1个协调器（coordinator）、一系列的路由（router） 和终端设备（end device）。网状拓扑具有更加灵活的信息路由规则，路由节点之间可以直接通信。一旦1个路由路径出现问题，信息可以自动沿着其他路由路径进行传输，提高系统数据传送的可靠性，降低了数据的丢包率。网状拓扑利用自组网、多跳级的通信特点，可以组成极为复杂的传输网络，这就突破了大面积区域组网的通信限制，有效提高了通信效率[5-6]。

信息采集终端将数据传至ZigBee中心节点后，中心节点将收到的数据通过ZigBee-GPRS网关发送至GPRS模块，GPRS模块对数据进行TCP/IP封装，再发送至信息中心。信息中心对数据进行分析处理后进行相应决策处理，实现对现场农作物的远程智能监测。

2 系统硬件方案设计

2.1 系统硬件组成

基于物联网的设施农业远程智能化信息处理系统硬件模块由6个部分组成，即传感器模块、核心模块、电源模块、无线模块、网关和信息中心（图3）。

（1）传感器模块。包括空气温湿度、土壤温湿度、土壤含水量、土壤pH值、光照度等传感器，主要完成农业现场的环境和养分参数实时采集。（2）以西门子PLC S7-200作为节点的核心模块。扩展模拟量采集模块EM231，其作用是把采集到的各种参数进行打包处理，通过RS485发送给ZigBee，经无线网关再发送给远程信息中心。（3）无线模块完成数据信息的发送，同时完成对数据包过滤和地址识别功能。（4）网关完成ZigBee协议转GPRS、GPRS连接Internet的任务。它是农作物种植现场局域网连接Internet广域网的桥梁。主要功能是处理、存储、转发由ZigBee网络智能节点采集并发送的数据信息。（5）远程信息中心主要接收现场数据，按时段将数据存入Access数据库，方便用户进行历史查询。通過数据记录、图表显示及数据库调用等手段，实现远程智能监测、数据融合及知识挖掘。

2.2 系统硬件设计

2.2.1 ZigBee节点模块 ZigBee节点模块是构建WSN的基础，负责与网关通信，将信息采集模块的数据转发到ZigBee-GPRS网关，或接收网关数据命令后发送到所有终端节点，从而实现对农作物生长环境的监测。根据实际要求，本系统采用F8914作为ZigBee节点，实现现场与网关的通信。该模块最高数据传输速率可达250 kb/s，采用2.4GHz IEEE 802.15.4 RF收发器，接收灵敏度高、通信误码率低、抗干扰能力强；具有通用串口功能，可直接连接串口设备。该节点组网灵活，可以满足网状拓扑的需求。

2.2.2 网关 网关是局域网转广域网的媒介，可以将ZigBee转换成通用分组无线业务GPRS，通过移动基站实现无线近距离传输向无线远程传输的转变，扩展通信距离。本系统网关采用模块化设计，支持TCP server功能，可以配置和建立一个新的ZigBee子网，能够作为网络中的协调器和路由使用，参与构成Mesh网络，解决了ZigBee协议和GPRS协议的通信问题。网关硬件结构见图4。

2.2.3 传感器 传感器是信息采集与监测的终端执行者，它将农作物生长环境信息等物理量转化为相应的电信号，以便网络传输和信息处理。根据需要，系统选用电信号类型为 4～20 mA的电流型传感器。采用EM231模块或F8914模块完成模拟量和数字量之间的转换。为满足农业现场作物生长需要，传感器选型信息见表1。（1）空气温湿度传感器用于监测农业现场空气温度、湿度，安装在田间及果林中；（2）土壤温湿度、土壤pH值、土壤含盐量传感器安装在作物根部生长的土壤中，用于测量作物生长环境的土壤温度、湿度、pH值及含盐量变化情况，通过对这些量的监测，可以使农户了解土壤的肥沃程度，及时对土地的营养成分进行调整；（3）光照度传感器用于检测作物生长光照度是否满足最基本需要或是否达到作物生长最佳状态；（4）露点传感器用于检测水蒸汽凝结成露的温度，根据露点温度可以预报是否发生霜冻，提醒农户及时处理，使农作物免受损害。

3 无线网络组建及信息中心设计

3.1 ZigBee网络

ZigBee网络是系统网络层的基础，是连接感知层和应用层的桥梁。ZigBee支持网络协调器、全功能设备（FFD）和精简功能设备（RFD），一般具有星形、树形、网状3种拓扑结构，不同拓扑结构决定了系统成本、网络容量、通信质量和功能实现等。精简功能设备由于省去内存和其他电路，降低了ZigBee部件成本，但是只能传送信息给FFD或从FFD接收信息，相互之间不能通信[7-8]。根据大面积种植区域的实际情况，系统设计的智能节点为网络协调器及全功能设备，ZigBee网络由智能节点组成，同时具备终端节点（ZE）、路由节点（ZR）和协调器节点（ZC）的功能，不再包含精简功能设备。

ZigBee网络的工作模式分为信标和非信标模式，信标模式实现了网络中所有设备的同步工作和休眠；而非信标模式则只允许ZE进行周期性休眠。本系统采用非信标模式，实现ZE节点周期性休眠，降低系统能耗。ZE节点周期性醒来与父节点握手以确认自己仍处在网络中，从休眠模式转入数据传输模式一般只需要15 ms[9]。

农田面积广阔，传感器节点部署规模大[10]，为了对不同空间角度的信息进行采集，提高信息监测精度和信噪比，系统采用网络容量大，通信质量高的网状拓扑结构组建WSN。将智能节点部署在农业现场的适当位置后，选择其中1个节点担任协调器节点任务，上电后首先初始化硬件及ZigBee协议栈，发起网络信标，建立网络；然后其他节点启动后通过查找网络加入，获取64位物理地址与16位网络地址的正确映射，从而完成终端节点的加入和网络组建，组网设计流程见图5。整个网络设备的配置过程依靠AT指令完成。重要参数的设置方法：（1）网络号发送指令AT+PID=<数字字符串>，网络号范围0～65 535；（2）网络物理信道发送AT+CHA=<数字字符串>，物理信道范围为11～26；（3）设备类型发送 AT+TYP=<数字字符>，0=协调器，1=路由器，2=终端设备；（4）网络地址发送AT+NID=<数字字符串>，网络地址范围0～65 527，65 535为随机地址，协调器加入网络后，网络地址固定为0，其他节点不能设置为0；（5）透传地址，即数据发送目的地址，发送AT+TID=<数字字符串>，0～65 527 为指定地址，65 535为广播地址。

3.2 GPRS网络

GPRS网络是网络层的重要组成部分，它接收ZigBee网络发送的数据，转发到信息监测中心，实现农作物生长环境的远程监测，拓展监测距离，突破地域限制。本系统采用的GPRS数传模块在与ZigBee构成Mesh网状时，作为协调器网关使用，发起建立近距离局域网。局域网组网成功后，GPRS接收来自ZigBee节点数据的同时，利用移动基站建立远程GPRS网络连接。GPRS连接远程服务器流程见图6，其中主中心IP地址或域名的扩展AT命令为AT+IPAD=xxx，IP地址必须为数据中心公网IP，若为内网可通过设置路由进行端口映射或下载花生壳内网版软件进行域名解析解决；端口建议设置在1 024以上；APN设置为CMNET；SIM卡号码为 AT+PHON=“11位手机号码”。

GPRS模块通过数据中心的IP地址以及端口号等参数，向数据中心发起TCP或UDP通信请求进行PPP拨号。在得到中心响应后，GPRS即认为与中心握手成功，然后就保持通信连接一直存在，如果通信连接中断，GPRS立即重新与中心握手。一旦接收来自节点的数据，GPRS模块就立即把节点数据封装在一个TCP/UDP数据包里，发送给数据中心。

3.3 信息中心设计

中央信息处理中心由中心PC、Kingview6.55、数据库等组成，其主要功能有：（1）数据显示与查询，包括实时数据、历史数据的图形、报表、曲线显示和查询；（2）数据存储，以日报表、月报表、年报表的形式进行历史数据的存储，便于用户调用；（3）系统管理，包括用户权限管理、设备管理、信息维护管理；（4）WEB界面发布，能够使用户无论身在何处，只要通过互联网就能够了解农业现场状态，突破地域限制；（5）安全報警，一旦超出设定的专家阈值范围，中心界面以红色进行警示。

4 系统性能测试

系统性能测试包括ZigBee节点间、ZigBee与GPRS通信可靠性，系统读取数据的准确度的测试。测试方案是将空气温度、湿度、光照度等传感器接入ZigBee节点，部署在测试场所，形成无线传感网络，实现数据采集；再将采集到的数据通过GPRS远程发送到组态王信息中心。系统测试实测界面见图7。

系统测试数据实时刷新，现随机选取测试过程中某一时刻的部分环境参数测试值，与实际值进行比较（表2）。

将测试场所各种环境参数的实际值作为標准，测试值与标准比较，误差均未超过1%，测试结果表明ZigBee节点可以准确地将传感器信息通过GPRS传到中央信息中心，网络传输可靠；信息中心能够准确实时显示现场环境数据，生成报表及曲线，满足远程监测的目的。

5 结论

构建设施农业物联网3层架构，集信息采集、传输、识别应用为一体，实现种植区域统一配置，统一管理。设计无线局域网ZigBee与无线广域网GPRS多网络融合通信模式，搭建底层无线传感网络，解决农田不同空间角度传感器部署困难的问题，实现农田环境信息无线近距离采集与远程传输。利用Kingview 6.55搭建上位机平台，结合WEB网络发布，提高数据的实时共享性，实现对农田种植环境的远程监测。

参考文献：

[1]董芳敏. 农业物联网技术及应用[M]. 北京：中国农业出版社，2012.

[2]Zhao J C，Zhang J F，Feng Y，et al.The study and application of the IOT technology in agriculture[C]//2010 3rd IEEE International Conference on Computer Science and Information Technology. 2010：462-465.

[3]戴起伟，凡 燕，曹 静，等. 物联网技术与江苏智能农业产业发展[J]. 江苏农业科学，2011，39（5）：1-3.

[4]葛文杰，赵春江. 农业物联网研究与应用现状及发展对策探讨[J]. 农业机械学报，2014，45（7）：222-230.

[5]Wheeler A. Commercial applications of wireless sensor networks using zigBee[J]. IEEE Communications Magazine，2007，45（4）：70-77.

[6]Huang Y K，Pang A C，Hsiu P C，et al.Distributed throughput optimization for zigBee cluster-tree networks[J]. IEEE Transactions on Parallel & Distributed Systems，2002，13（3）：260-274.

[7]胡 衡，梁岚珍. 基于ZigBee和ARM的温室大棚多点温度采集系统的设计[J]. 江苏农业科学，2014，42（7）：416-419.

[8]徐亚峰，刘焕强，顾晓峰，等. 基于ZigBee和GPRS的远程水质监测系统的设计与实现[J]. 江苏农业科学，2013，41（3）：328-331.

[9]Azevedo J，Santos F，Rodrigues M，et al. Sleeping zigBee networks at the application layer[J]. Iet Wireless Sensor Systems，2013，4（1）：35-41.

[10]马国俊. 物联网核心技术及其在农业领域的应用[J]. 江苏农业科学，2012，40（11）：390-392.