基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)

引 言

中國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)一直以來都依靠傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式，浪費了大量的人力物力，而且對環(huán)境造成了污染與破壞，不利于農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此，如何順應(yīng)新時期和諧社會對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的要求，利用現(xiàn)有技術(shù)和平臺來設(shè)計一個滿足要求的新系統(tǒng)，成為迫切需要解決的問題。智慧農(nóng)業(yè)利用物聯(lián)網(wǎng)、云儲存、ZigBee 等技術(shù)實現(xiàn)農(nóng)業(yè)的精準(zhǔn)化監(jiān)控與管理。

1 系統(tǒng)總體方案

監(jiān)控系統(tǒng)是基于現(xiàn)有技術(shù)特點，由嵌入式網(wǎng)關(guān)，RFID， ZigBee 及各種傳感器模塊組成，在遵循物聯(lián)網(wǎng)三層架構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計實現(xiàn)的，包含安卓客戶端和 Web 客戶端的智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)。通過各傳感器來采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)，然后利用ZigBee無線技術(shù)完成數(shù)據(jù)從傳感器到嵌入式網(wǎng)關(guān)的傳輸，再依據(jù)TCP協(xié)議使數(shù)據(jù)從嵌入式網(wǎng)關(guān)傳輸?shù)絎eb 服務(wù)器，將數(shù)據(jù)進行分析形成信息在安卓客戶端和Web 客戶端顯示，實現(xiàn)將農(nóng)業(yè)大棚里的環(huán)境參數(shù)在相應(yīng)客戶端與移動端顯示的功能。同時依據(jù)傳感器反饋的信息對大棚里的控制設(shè)備進行簡單控制，以保證環(huán)境參數(shù)的穩(wěn)定。此外，系統(tǒng)還為Web 用戶和移動用戶提供了友好的顯示界面，管理和控制界面，給予用戶良好的體驗。監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

2 現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)

現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)由Android 手機客戶端、嵌入式網(wǎng)關(guān)和ZigBee 模塊組成。

Android 手機客戶端主要用以實現(xiàn)人性化的人機交互界面。進入智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)界面后可以一覽大棚內(nèi)多種環(huán)境參數(shù)，如大棚內(nèi)的溫濕度信息、是否存在有毒氣體、是否有人闖入大棚，大棚內(nèi)的光照強度等。

四個ZigBee 模塊上的傳感器會對大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進行采集，其中溫濕度傳感器用以實時采集大棚內(nèi)的溫度和濕度信息 ；廣譜氣體傳感器用以感應(yīng)室內(nèi)有害氣體（CO、SO2 等） 是否超標(biāo)；人體檢測主要對大棚內(nèi)的作物起保護作用，當(dāng)有人私自闖入大棚時，會感應(yīng)到并及時報警 ；傳感器將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到各ZigBee 模塊，然后通過 ZigBee 的自組織網(wǎng)絡(luò)傳遞給整個網(wǎng)路中的ZigBee 協(xié)調(diào)器，此外，基于 CC2530 的風(fēng)扇起到了排氣效果，協(xié)調(diào)器通過RS 232 串口將數(shù)據(jù)傳送給嵌入式網(wǎng)關(guān)進行相應(yīng)的處理。

嵌入式網(wǎng)關(guān)將接收到的由ZigBee 協(xié)調(diào)器傳送過來的數(shù)據(jù)進行處理并通過局域網(wǎng)傳送給手機客戶端，對于手機客戶端發(fā)送過來的數(shù)據(jù)進行處理并對相應(yīng)的傳感器、生長燈、風(fēng)扇進行控制。現(xiàn)場監(jiān)控子系統(tǒng)需要滿足實時數(shù)據(jù)存儲分析、數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)連接等功能。

2.1 短距離ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

ZigBee 技術(shù)作為一種低速率、低復(fù)雜度、低損耗、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，逐漸成為近距離通信應(yīng)用的首選。從農(nóng)業(yè)大棚的要求來看，一般大棚所需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型對通信速率要求并不高，所以使用ZigBee 方式取代傳統(tǒng)的布線方式可行性極大。考慮到一般農(nóng)業(yè)基地均具有控制距離較短，測點多、設(shè)備多等特點，采用 ZigBee 的Mesh 組網(wǎng)方式。Mesh 網(wǎng)絡(luò)由路由器、協(xié)調(diào)節(jié)點、多個終端節(jié)點組成，屬于多跳的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點之間可以直接通信，每次通信都由一條或多條路由節(jié)點進行中繼，最后傳給目的節(jié)點。ZigBee 終端節(jié)點工作流程如圖 2 所示。

2.2 嵌入式操作平臺設(shè)計

采用ARM-Linux 控制器模式， 硬件的部分選取 ARM Cortex-A9 系列作為嵌入式控制器的微處理器，該系列處理器具有性能高、處理能力強、低功耗等特點；軟件部分采用Linux 操作系統(tǒng)，它具有多任務(wù)、多用戶、兼容性高、界面操作簡單、支持多種平臺、安全性好等優(yōu)點。嵌入式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 3 所示。

2.3 視頻監(jiān)控設(shè)計

視頻監(jiān)控采用云臺高清網(wǎng)絡(luò)攝像頭，它不僅可以通過手 動控制攝像頭旋轉(zhuǎn)，還可以通過 Web 或者手機 App 來控制， 擁有標(biāo)準(zhǔn)的 H.264 算法，同時能夠支持 CIF、D1 兩種分辨率， 適合無線網(wǎng)絡(luò) ；支持?jǐn)z像頭 360 度旋轉(zhuǎn)；可通過 WiFi，藍牙 傳輸數(shù)據(jù)，適用于不便布線的場合。

攝像頭將采集到的視頻數(shù)據(jù)通過內(nèi)置編碼器編碼，經(jīng)無 線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)焦芾碇行?，同時解碼器會將接收到的數(shù)據(jù)解碼 后播放視頻。

3 遠程監(jiān)控管理中心

遠程管理中心主要由介入設(shè)備和計算機組成，用以完成大棚內(nèi)環(huán)境參數(shù)的采集、傳輸和顯示，還能實現(xiàn)對基地環(huán)境參數(shù)和視頻的遠程控制或者聯(lián)動控制。

遠程管理中心采用 B/S（瀏覽器／服務(wù)器）模式，用戶通 過瀏覽器或者手機 App 登錄管理控制中心，通過實時獲取的 視頻圖像，直觀地觀察各大棚內(nèi)的植物生長情況，并通過顯 示的環(huán)境參數(shù)對生長狀況進行分析。根據(jù)用戶對于系統(tǒng)的要求， 設(shè)計了如下幾個主要功能 ：

（1）具有設(shè)備監(jiān)控、設(shè)備管理、視頻監(jiān)控、系統(tǒng)設(shè)置、 報警記錄功能 ；

（2）對各基地的空氣溫濕度、有害氣體、土壤溫濕度、 光照強度等參數(shù)實時顯示，擁有風(fēng)扇、燈光、水泵等裝置，用 戶只需點擊開關(guān)裝置便可實現(xiàn)對遠程裝置的開關(guān)操作 ；

（3）對于植物生長相關(guān)參數(shù)進行正常范圍的設(shè)置，實現(xiàn) 農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境參數(shù)的聯(lián)動控制。

智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)控的系統(tǒng)參數(shù)如圖 4 所示。

4 結(jié) 語

該系統(tǒng)通過各傳感器來采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)，利用 ZigBee 無 線技術(shù)將數(shù)據(jù)從傳感器傳輸?shù)角度胧骄W(wǎng)關(guān)，再依據(jù) TCP 協(xié)議， 完成數(shù)據(jù)從嵌入式網(wǎng)關(guān)到 Web 服務(wù)器的傳輸，之后將數(shù)據(jù)分 析形成的信息在安卓客戶端和 Web 客戶端顯示。系統(tǒng)可以實 現(xiàn)對農(nóng)業(yè)大棚里環(huán)境參數(shù)的實時顯示（包括相應(yīng)的移動端顯 示），同時可以依據(jù)傳感器反饋的信息對大棚里的控制設(shè)備進 行簡單操作，以保證環(huán)境參數(shù)的穩(wěn)定。