吳琦　張漢卿　張紅偉　霍修坤

摘要：針對現(xiàn)代茶葉種植中存在的問題，文章基于無線傳感與通信技術的發(fā)展，設計了一個應用于現(xiàn)代茶葉種植環(huán)境中的監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)綜合運用多傳感器數據采集技術、ZigBee自組網技術、物聯(lián)網網關技術和GPRS網絡，實現(xiàn)了對茶葉生長環(huán)境中溫濕度、光照強度、土壤水分等對于農作物生長極為重要的環(huán)境數據的監(jiān)測和控制。系統(tǒng)中各部分的硬件根據系統(tǒng)需求、數據傳輸質量、成本等方面的要求選型，使系統(tǒng)在低成本、低功耗和高性能三者之間達到合理平衡，從而實現(xiàn)現(xiàn)代農業(yè)信息化。

關鍵詞：ZigBee；物聯(lián)網網關；GPRS；現(xiàn)代農業(yè)信息化

現(xiàn)代社會對農業(yè)發(fā)展的需求在不斷增大，使得實現(xiàn)農業(yè)的現(xiàn)代化管理成為一個很重要的問題。近幾年來也存在不少的人致力于現(xiàn)代農業(yè)信息化管理方面的研究，提出并設計了一系列的設想，但由于成本，或是網絡覆蓋以及技術難度方面的問題，導致在推廣方面存在很多問題，從而制約了現(xiàn)代農業(yè)的發(fā)展。與此同時，茶葉作為農產品中經濟效應比較好的產物，且生長受環(huán)境的影響比較大，所以對于茶葉種植環(huán)境的檢測成為農業(yè)生產中很重要的一個問題。但是隨著目前ZigBee自組網技術的發(fā)展，ZigBee以其低功耗、低成本、高安全性的特性，尤其是其強大的組網能力，使得對于茶葉生長環(huán)境數據的采集與傳輸變成了可能。而且隨著現(xiàn)代無線通信技術的發(fā)展，基站在一些相對偏遠農村的覆蓋，低成本的公網實現(xiàn)了將物聯(lián)網數據與互聯(lián)網數據的連接，使得技術人員方便對茶葉種植環(huán)境數據的檢測，使得能夠及時根據茶葉的生長情況對大棚進行相應的控制，保證茶葉的正常生長，提高其經濟效應。本系統(tǒng)設計建立在低成本、低功耗的基礎上，便于推廣，對現(xiàn)代化茶葉種植有著重大的作用。

1 系統(tǒng)總體結構

本茶葉種植環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)由4部分構成，包括數據采集，物聯(lián)網網關，GPRS數據傳輸和在線數據監(jiān)測部分。如圖1所示，采集部分主要功能是采集茶園內部的溫度、濕度、光照強度等數據，并通過ZigBee自組網絡將各自的采節(jié)點集到的監(jiān)測數據傳送給ZigBee協(xié)調器統(tǒng)一轉發(fā)。再通過網關傳送到互聯(lián)網，物聯(lián)網網關主要功能是對數據的匯聚、打包和傳送，是本系統(tǒng)的核心部分，網關采用STM32F407ZGT6作為主控芯片，利用MG323GPRS模塊實現(xiàn)了無線傳感網與互聯(lián)網兩種異構網絡的互通，使得技術人員能夠在線監(jiān)測茶園環(huán)境數據及時做出相應處理。

2 硬件實現(xiàn)方案

2.1 傳感器數據采集設計方案

2.1.1 數據采集

傳感器數據采集模塊主要實現(xiàn)了將茶園內分散于大棚不同位置的環(huán)境數據的感知工作。本系統(tǒng)設計以ZigBee自組網形成的無線傳感網實現(xiàn)對大棚環(huán)境數據的采集。采集模塊需要對茶園環(huán)境溫濕度、土壤水分、光照強度的數據進行監(jiān)測，分別使用了SHT10溫濕度傳感器、光合有效傳感器和土壤濕度傳感器完成。

系統(tǒng)所采用的溫濕度傳感器型號為SHT10，該產品具有長期的穩(wěn)定性和極高的可靠性的特點。其溫度測量范圍-40～120℃，濕度測量范圍0～100RH%，且價格便宜，能滿足使用需求。土壤水分含量傳感器使用的是ECH20，該傳感器采用了新技術和耐用材料，測量精度高且價格低廉，可以對不同土壤深度、多處樣地的水分含量進行長期連續(xù)監(jiān)測。

2.1.2 ZigBee節(jié)點

一般來說，茶園中采集到的數據可以通過總線的方式傳送到網關，由于茶園內鋪設線纜的工程量比較大，且不容易維護，所以利用無線的方式將數據采集器與網關進行互連。ZigBee在成本、傳輸距離、字節(jié)開銷、協(xié)議復雜程度等方面都有自己的優(yōu)勢，所以選擇ZigBee作為大棚環(huán)境數據無線傳送的方式。此處的ZigBee模塊系統(tǒng)采用TI公司的CC2530，它能夠以非常低的成本建立強大的網絡節(jié)點，具有不同的運行模式，使它尤其適用于超低功耗要求的系統(tǒng)。圖2為ZigBee節(jié)點圖。ZigBee協(xié)議根據ZigBee在網絡中的作用，將ZigBee網絡設備分成了3種，分別是協(xié)調器，路由器，終端設備。路由器主要起路由的作用，負責維護網絡路徑、搜索設備加入網絡和數據傳輸。終端設備作為數據終端，不需要對數據進行轉發(fā)。數據采集節(jié)點中應用了ZigBee的路由和終端功能，協(xié)調器在網關中使用。

2.2 網關結構

茶園的規(guī)模較大，則需要在茶園內部署大量的傳感器，由此采集到的數據較多，且數據格式比較復雜，要經過一系列的處理才能實現(xiàn)數據與互聯(lián)網的連接。而且由于茶園生產基地一般由很多茶園組成，如果將每個茶園的數據獨立地與網絡進行通信，施工成本較高，在本系統(tǒng)中，物聯(lián)網網關是實現(xiàn)傳感網與互聯(lián)網互通的關鍵，在整個系統(tǒng)中處于核心位置，實現(xiàn)將傳感網中數據的匯聚，處理和打包上傳。

網關主控芯片采用意法半導體公司的STM32F407ZGT6。STM32是一款基于Cortex-M4內核、高性能、低成本、低功耗的微控制器，它具有3個USART接口和2～'UART接口，滿足擴展設計要求。CC2530通過串口與STM32連接，作為協(xié)調器使用。

圖3為系統(tǒng)網關的硬件設計圖，其中ZigBee協(xié)調器負責與位于茶園內的采集控制器通信，將采集控制器到的數據通過串口傳送至STM32，STM32處理器對數據作出處理之后，經過GPRS網絡進行數據通信。協(xié)調器是無線傳感網絡的主控制器，主要負責建立網絡，為設備分配網絡地址和管理網絡。

2.3 GPRS通信

目前主要的無線通信技有GSM，GPRS，3G，4G，由于農業(yè)物聯(lián)網監(jiān)測傳輸的數據對速度的要求不大，而且沒有圖像數據，基于成本的考慮，選擇數據速率不高的GPRS網絡進行將數據傳輸到互聯(lián)網。

本系統(tǒng)的GPRS模塊使用華為公司的MG323。模塊內部自帶TCP/IP協(xié)議，支持RS232串口，方便主控芯片STM32與其進行串口連接以及快速便捷地實現(xiàn)數據的透明傳輸。MG323是通過AT指令進行控制的，通過AT指令可以對模塊進行各種參數的設置，數據的查詢和發(fā)送。

3 在線數據監(jiān)測

在監(jiān)測系統(tǒng)中，為了使茶葉種植區(qū)技術人員及時了解到茶葉生長環(huán)境信息，需要在監(jiān)測系統(tǒng)服務端移植一個支持cGI和腳本功能的Boa服務器，Boa服務器是一種單任務的服務器，支持CGI。服務器端的主要功能是負責處理用戶參數、處理采集回來的數據，并為用戶查詢數據庫數據提供接口。

系統(tǒng)監(jiān)測平臺基于B/S架構，無需安裝客戶端，方便在移動設備上進行數據請求與操作。頁面數據的顯示使用Aiax來實現(xiàn)，AiaxN直接與MySQL server進行通信。Aiax相比傳統(tǒng)HTML可以給用戶提供更好的體驗，其可以同時多個數據庫的狀態(tài)圖表，便于數據間的比較，且不需要重新加載，可以設置自動刷新時間。圖4為在線監(jiān)測網站的總體設計結構。

4 結語

茶葉對生長環(huán)境的要求比較高，無論是光照，空氣溫濕度，土壤水分，都對茶葉品質的高低有著很大的影響，基于這樣的背景，文章設計了一個適合應用于茶葉種植環(huán)境的監(jiān)測系統(tǒng)，是物聯(lián)網技術在現(xiàn)代農業(yè)應用中的延伸，本系統(tǒng)采用無線通信的方式將無線傳感網與互聯(lián)網平臺進行連接，實現(xiàn)了種植環(huán)境的在線監(jiān)測，保證了茶葉的正常生長及其經濟效應，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的情況下，系統(tǒng)各個模塊的硬件都基于成本的考慮，保證了該系統(tǒng)的推廣，對茶葉種植農業(yè)的發(fā)展有著很重要的作用。