基于ZigBee物联网的智能农业环境监控系统研究

喻琨 陈政 汪辉 敬美香

摘 要：为了解决我国传统农业长期以来存在高种植成本、高难度经营管理的问题，利用目前物联网技术在农作物生长的实时检测和智能管理方面的应用，从而使得物联网技术参与到农业管理中来进而有效地促进了农业的快速发展。文章分析了B/S（Browser/Server）、Java和JavaScript语言在MyEclipse开发环境中的关键技术，提出采用Tomcat软件来发布信息并完成数据存储和查询功能。用户可以在局域网（LAN）中访问监控中心，当检测到的数据超过设定的阈值范围时，将由监控中心发出的控制指令，通过以太网传输到主控制芯片，然后控制继电器的开关操作，把农田环境参数和农作物生长信息这些收集来的资料放到数据库里保存，让其成为现代农业发展的一个基础信息库，从而实现农作物生长环境的实时监测，在农产品的数量和质量上实现双高，引进现代化的技术投入农业生产。

关键词：ZigBee物联网 智能农业传感器 无线传输数据采集

中图分类号：F252.23  文献标识码：A

文章编号：1004-4914（2022）02-022-03

一、引言

我国的农业生产规模小，耕地高度分散。我国自古以来都是一个农业大国，人多地少，主要经济形式是自给自足的小农经济，男耕女织是长期以来形成的农业生产模式。如何提高单位面积耕地的利用效率和产量是中国农业面临的关键问题[1]。与此同时，伴随着我国经济的快速增长，资源短缺，土壤退化，环境退化等一系列问题逐渐出现。对于我国的农业而言，由于生产技术落后，基础设施落后以及长期以来科技含量低，在近几十年的生产过程中，农业生产的效率和管理水平尚未得到全面提高。

为了促使传统农业向现代农业的转变发展，必须解决土壤退化、科技含量低、资源短缺等一系列复杂问题。而是否能及时解决这些问题对解决农产品产量和质量问题具有决定性的作用。因此，迫切需要根据农业发展的实际需要，掌握农业领域的相关技术，提高农业信息化程度，加快现代农业建设的步伐[2]，增加农业生产和收入。

物联网（IoT）技术已应用于农业生产和科学研究，可以改变农业生产和管理水平的模式，加速我国农业现代化的发展，并实现智能农业。可以看出，在物联网等信息技术的影响下，传统农业将在短时间内发生巨大变化。

二、系统方案设计

（一）系统需求分析

在农业种植领域，我国长期采用传统农业生产方式。传统农业生产方式的不足在于农业生产效率低下，管理水平落后。为了解决传统农业生产方式不足的问题，所以提出并实施了基于物联网的农业监控系统（SASIOT）项目，该项目具有实时监控和智能管理的优势[3]。对于智能农业，农田环境的主要监测参数是土壤的温度和湿度、环境的温度和湿度、降雨量、风速大小、二氧化碳的浓度、水环境的酸碱值等。在农田环境参数的采集方面，由于农田地理条件的复杂性和采集参数的多样性，需要在野外部署很多传感器，这些传感器通常需要在野外移动，当面对能量耗尽和其他故障的时候无法正常工作[4]。过去，监控系统的设计主要基于有线模式。对于大片农田，其应用受到局限，无法满足网络的动态需求。因此，具有实时监控和智能管理功能的农业监控系统的研究与设计，对于促进我国农业的快速发展，弥补传统农业生产方式的不足，提高农业生产经济效益具有重要意义。该系统付诸实践后，可以大大提高农产品质量，提高农业生产效率和管理水平，并在该地区农业经济发展中发挥重要作用。

（二）系统方案和架构设计

ZigBee和WiFi共同组成的混合网络用于实现SASIOT功能。如图1所示，是SASIOT系统的总体结构，主要由三部分組成，分别是监控中心模块、农田实时监控模块、农田信息采集模块。

农田信息获取模块是一个ZigBee无线监控网络，由土壤温度和湿度传感器以及小型气象站组成。它主要负责收集作物种植区的土壤温度和湿度数据，环境温度和湿度数据，降雨量多少，风速大小，二氧化碳浓度和水环境酸碱值的数据。每一个ZigBee监控网络主要由两部分组成：一个是负责农田土壤参数获取的土壤温度和湿度数据采集节点;另一个是具有双重功能的网关节点，它具有两个功能。首先，作为网络协调员，ZigBee监控网络可以自动建立和维护，同时可以收集数据。其次，它可以实现农田环境参数的采集和显示。

监控中心模块主要负责显示土壤的温度、湿度以及环境的温度、湿度，降雨量多少，风速大小，二氧化碳浓度，水环境的酸碱值，并实时视频监控并显示作物生长地区的作物，为农业经营者科学种植提供了有效依据。

基于物联网的农业监控系统将无线传感器网络（WSN）和无线视频监控网络与Internet集成在一起。根据物联网的三层架构，系统可以分为三部分：系统感知层，系统传输层和系统应用层。

系统的整个工作过程如下：首先，通过在农田中部署传感器节点，小型气象站和高清视频监视节点，收集农田环境参数并实时监视作物生长状况。其次，将收集的数据或实地图像收集到无线网络中网关（协调器网关）和无线网关通过WSN和无线视频监控网络。最后，无线网关（协调器网关）将数据转发到监视中心进行存储。系统注册后，农业经理或普通用户可以登录到Web服务器，以获取有关农田环境参数和作物生长状况的实时信息。在监控中心的前端界面中，可以通过直方图，刻度盘和曲线的形式显示环境演变过程。与此同时，还可以控制传感节点和无线网关（协调器网关）。

三、系统软件的设计与实现

（一）系统软件的设计

该软件系统主要从三个方面开发和设计相关程序，包括监控中心的相关程序，传感节点的传感终端程序，以及协调器网关的网关应用程序[5]。

（二）传感节点

WSN节点的程序设计主要包括传感器节点程序和网关节点程序两个主要部分，主要负责农田感测区中数据的收集和传输。每一个结点只有一个结点地址，用来记录该结点的信息。传感器结点根据默认配置收集并发送数据。如果结点是从监视中心接收到配置指令，就会对接收到的指令进行分析和处理，然后根据接收到的指令修改配置信息从而进行工作。传感器节点将根据特定时间段将获取的数据发送到网关节点，这就是一个明显的例子。网关节点主要用于传感器结点与监视中心之间的数据传输。等到系统加电和初始化后，将实时监视ZigBee模块和串行模块。如果监视数据，则将解析数据。解析后，一方面将数据写入串行端口，另一方面将数据通过zigBee模块发送。传感器节点程序和网关节点程序的流程图分别显示在图3和图4中。

TDR-3用于设计土壤湿度传感器。输出电压到实际土壤含水量的转换如公式（1）所示：

式中θv表示土壤水分含量，VOUT是指传感器输出电压值。

式中Y是CO2的浓度，X是传感器的输出电压。

E-201-C-9型pH电极用于设计水环境的pH传感器。传感器的输出电压与pH的实际值线性相关。

式中Y1表示水环境pH值，X1是水环境pH的传感器输出电压值。

选择DS-2CD5A24FWD-IZ（H）（S）型高清摄像机作为农业环境监控节点，该节点可以采集受监控区域的实时视频数据，并压缩采集的视频数据，同时支持RS232接口。下行链路消息的基本格式如表1所示。

标头采用固定格式，具有两个字节的长度，即0X90EB。

（三）监控中心系统分析

根据实际需要，选择MyEclipse作为监控中心的开发平台。通过基于B/S架构的HTML（超文本标记语言），它具有很强的互操作性。JAVA不仅是一种编程语言，还是一个应用程序。

为了查询数据库中的历史数据，必须连接数据库。只有完成数据库连接后，才能访问数据库。表2中显示了080F0205的节点地址的历史信息。[6]

四、结论

根据我国农业的实际应用需求，基于IoT体系结构，设计了一种可以实时收集和共享农业环境信息的农业监控系统。该系统可以收集农田的环境参数并实时监测农作物的生长。监控中心的Web服务器可以存储收集到的信息，为农业的发展提供信息支持，对农业非常重要。

研究并实现了基于物联网的农业监控系统。但仍然存在一定的局限，需要不断地改进和提高。

[基金项目：2021年度湖南省社会科学成果评审委员会一般课题《“互联网+”背景下湖南省智慧养老服务问题研究》（编号：XSP21YBC618）]

参考文献：

[1] 宋艳.基于物联网技术的智能农业种植系统设计[J].现代电子技术，2013，36（24）：38-39.

[2] 宋艷，程改兰.基于物联网技术的农业种植环境监控系统设计[J].电子设计工程，2014，22（08）：101-103

[3] 郑婷婷.基于物联网的智慧农业控制管理系统[D].西安工程大学硕士论文，2018.

[4] 龚燕飞，聂宏林.基于农业物联网技术的农业种植环境监控系统设计与实现[J].电子设计工程，2016，24（13）：52-55.

[5] 罗嘉龙，刘卫星，陈正铭，林佳煜.基于ZigBee物联网技术的智能农业灌溉系统设计[J].电脑知识与技术，2018，14（30）：186-189.

[6] 张博文.基于物联网的智慧农业监控系统研究[D].长江大学硕士论文，2017.

（作者单位：1.长沙卫生职业学院信息中心 湖南长沙 410000;2.湖南工学院计算机与信息科学学院 湖南衡阳 421002;3.长沙民政职业技术学院 湖南长沙 410004;4.湖南交通工程学院经济管理学院 湖南衡阳 421001）

[作者简介：喻琨（1980—），男，湖南长沙人，长沙卫生职业学院信息中心主任，实验师职称，主要从事教育信息化研究;陈政（1988—），男，湖南常宁人，湖南工学院计算机与信息科学学院讲师、硕士，主要从事信息工程管理研究;通讯作者：汪辉（1983—），男，湖南常宁人，湖南交通工程学院电气与信息工程学院副教授、硕士，主要从事计算机科学与农业信息工程研究;敬美香（1998—），女，湖南邵东人，湖南交通工程学院经济管理学院讲师、硕士，主要从事农业信息工程研究。]

（责编：若佳）