萬(wàn)雪芬+楊義+鄭濤+蔣學(xué)芹

摘 要：文中提出了一種融合近場(chǎng)通信與ZigBee技術(shù)的農(nóng)業(yè)種植監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅支持通過(guò)ZigBee實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與節(jié)點(diǎn)之間種植信息的遠(yuǎn)程交互，還可以利用移動(dòng)智能設(shè)備通過(guò)近場(chǎng)通信方式就近從節(jié)點(diǎn)查看局部種植信息。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從近端到遠(yuǎn)端、全局到局部的多層次種植監(jiān)測(cè)信息獲取。文中對(duì)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)、移動(dòng)智能設(shè)備App開(kāi)發(fā)、NFC設(shè)計(jì)及設(shè)備數(shù)據(jù)交互設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn)方法進(jìn)行了討論。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、可靠性高、覆蓋區(qū)域廣及對(duì)移動(dòng)智能設(shè)備支持性好等優(yōu)點(diǎn)。其可為未來(lái)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域提供一種新的種植監(jiān)測(cè)手段。

關(guān)鍵詞：智能農(nóng)業(yè)；近場(chǎng)通信；移動(dòng)智能設(shè)備；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；ZigBee

中圖分類(lèi)號(hào)：TN709；TP27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）03-00-04

0 引 言

近年來(lái)，我國(guó)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有望得到較大規(guī)模的推廣應(yīng)用[1-4]。但傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)層次單一，多采用基于有線或無(wú)線結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)-上位機(jī)數(shù)據(jù)采集模式[5-8]，節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)訪問(wèn)模式缺乏靈活性，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的獲取過(guò)度依賴上位機(jī)。使用者需要通過(guò)上位機(jī)或遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)才能實(shí)時(shí)獲得種植信息。在很多場(chǎng)合中，使用者感興趣的僅僅是局部種植信息或現(xiàn)場(chǎng)田間接入，若利用3G/4G網(wǎng)絡(luò)或WiFi作為技術(shù)支持手段，則存在系統(tǒng)建立與維護(hù)成本高昂、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)單一、節(jié)點(diǎn)功耗增加、對(duì)外部網(wǎng)絡(luò)依賴性強(qiáng)等缺點(diǎn)。

NFC是近幾年蓬勃發(fā)展的一種新型短距離高頻無(wú)線通信技術(shù)[9-11]。該技術(shù)允許電子設(shè)備之間進(jìn)行非接觸式點(diǎn)對(duì)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸（數(shù)厘米內(nèi)）。相對(duì)于RFID技術(shù)，NFC不僅可用于識(shí)別，還具有一定的通信能力。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外已經(jīng)將NFC用于移動(dòng)支付、廣告營(yíng)銷(xiāo)及安全控制等領(lǐng)域。NFC技術(shù)由于具有與移動(dòng)智能設(shè)備集成度好、可用于識(shí)別、成本低廉及安全性高等優(yōu)點(diǎn)，未來(lái)將成為物聯(lián)網(wǎng)的主要短距離通信/識(shí)別手段之一。

本文提出了一種融合近場(chǎng)通信（Near Field Communica-tion，NFC）與ZigBee技術(shù)的農(nóng)業(yè)種植監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可以借助ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)向上位機(jī)傳輸節(jié)點(diǎn)采集到的溫濕度、土壤溫度、光照、氧氣含量等數(shù)據(jù)，還可以讓使用者在田間地頭直接通過(guò)智能手機(jī)或平板電腦等移動(dòng)智能設(shè)備與身邊的監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)交互，經(jīng)由NFC實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地了解局部種植監(jiān)測(cè)信息。該系統(tǒng)可豐富現(xiàn)有物聯(lián)網(wǎng)智能農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作模式，尤其在一些高端農(nóng)業(yè)種植、個(gè)體植株監(jiān)測(cè)與觀光農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，有望得到推廣應(yīng)用。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文提出的農(nóng)業(yè)種植管理系統(tǒng)主要面向智能觀光農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。管理者通過(guò)系統(tǒng)獲得溫濕度等種植信息，還可將施肥、噴藥等信息寫(xiě)入終端節(jié)點(diǎn)。而普通訪問(wèn)者（如農(nóng)業(yè)觀光園中的游覽者）通過(guò)具有NFC功能的移動(dòng)智能設(shè)備獲取某一節(jié)點(diǎn)周?chē)植康膾旃麜r(shí)間、農(nóng)業(yè)肥料噴灑時(shí)間、栽培品種、溫濕度、價(jià)格等相關(guān)信息供其采摘時(shí)參考。管理者還可通過(guò)NFC接入次數(shù)在宏觀層面了解各種植區(qū)的人流及采摘興趣。系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分為數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)采集種植區(qū)內(nèi)的空氣溫濕度、土壤溫度、日光照度與氧氣數(shù)據(jù)，并通過(guò)ZigBee送往數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)。數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將前端數(shù)據(jù)送往上位機(jī)，并周期性地將接收到的上位機(jī)下行信息分發(fā)到數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)同樣使用ZigBee信道與采集節(jié)點(diǎn)及上位機(jī)進(jìn)行交互。上位機(jī)將采集數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)顯示，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理控制。移動(dòng)智能設(shè)備可以通過(guò)NFC從數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)獲得種植信息，并利用設(shè)備上已安裝好的相應(yīng)App來(lái)查看。種植信息向節(jié)點(diǎn)的寫(xiě)入方式可以采用近程與遠(yuǎn)程兩種模式，既可以由種植區(qū)管理者在種植的每一個(gè)階段用NFC讀寫(xiě)器將信息寫(xiě)入節(jié)點(diǎn)，也可以由遠(yuǎn)程上位機(jī)下達(dá)。如果采用NFC讀寫(xiě)器寫(xiě)入種植信息，每次寫(xiě)入的結(jié)果還將在下一個(gè)輪詢周期內(nèi)發(fā)往上位機(jī)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由于NFC與ZigBee技術(shù)處于不同頻率范圍（NFC：13.56 MHz；ZigBee：2.4 GHz），二者在頻率上不會(huì)形成干擾。由于NFC為近程點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議，因此在節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)過(guò)程中可以排除多NFC并行接入單節(jié)點(diǎn)的情況。在設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)空間拓?fù)鋾r(shí)，可直接根據(jù)ZigBee組網(wǎng)的需求進(jìn)行布局。溫濕度、光照等數(shù)據(jù)變化速度相對(duì)較為緩和，數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)及數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)ZigBee傳輸數(shù)據(jù)時(shí)可采用分周期輪詢機(jī)制。而移動(dòng)智能設(shè)備通過(guò)NFC對(duì)節(jié)點(diǎn)的訪問(wèn)具有較大的隨機(jī)性。輪詢機(jī)制下每個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)在接到輪詢指令后都會(huì)在指定時(shí)間窗口（通常為數(shù)秒）內(nèi)將數(shù)據(jù)發(fā)出，而通常NFC訪問(wèn)所消耗的時(shí)間僅需數(shù)百毫秒。所以為避免二者在時(shí)間窗上沖突，可以將NFC網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膬?yōu)先級(jí)設(shè)高。如果同時(shí)發(fā)生對(duì)節(jié)點(diǎn)資源的請(qǐng)求，則進(jìn)入NFC數(shù)據(jù)傳輸模式，優(yōu)先完成NFC數(shù)據(jù)傳輸。這一方式既保障了NFC方式的數(shù)據(jù)，也不會(huì)對(duì)ZigBee傳輸造成明顯影響。

2 硬件設(shè)計(jì)

由于系統(tǒng)中數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)既需承擔(dān)對(duì)種植參數(shù)的采集與發(fā)送工作，也需要負(fù)責(zé)NFC的數(shù)據(jù)讀寫(xiě)，因此其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣將直接決定系統(tǒng)的工作性能。在具體設(shè)計(jì)中，采用微芯公司生產(chǎn)的PIC16F690單片機(jī)作為節(jié)點(diǎn)MCU。PIC16F690具有高可靠性、低能耗及低成本等特點(diǎn)，非常符合戶外監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用需求。節(jié)點(diǎn)溫濕度傳感器選用AM2306，該傳感器為單總線數(shù)字式傳感器，溫濕度、精度都可以達(dá)到0.1%RH的標(biāo)準(zhǔn)。土壤溫度傳感器選用不銹鋼封裝的DS18B20。節(jié)點(diǎn)日光照度傳感器選取美國(guó)DAVIS公司生產(chǎn)的6450日光輻照傳感器，其光譜響應(yīng)范圍覆蓋了400 nm到1 100 nm的區(qū)域，輸出角度響應(yīng)為一余弦響應(yīng)曲線。氧氣傳感器采用英國(guó)City Technology公司生產(chǎn)的4OXV氧氣電池式氧氣傳感器。4OXV輸出信號(hào)經(jīng)由AD8602高精度放大器放大后供MCU進(jìn)行A/D采樣。

數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)NFC部分采用恩智浦半導(dǎo)體（NXP）PN532芯片，PN532是一個(gè)高度集成的非接觸讀寫(xiě)芯片，它包含帶40 KB ROM和1 KB RAM的80C51微控制器內(nèi)核，用于NFC協(xié)議控制，同時(shí)還集成了13.56 MHz的各種主動(dòng)/被動(dòng)式非接觸通信方法和協(xié)議。在NFC模式下，典型工作距離約為100 mm。節(jié)點(diǎn)中PN532通過(guò)SPI接口與MCU相連。節(jié)點(diǎn)ZigBee部分選用基于TI公司CC2530的DRF-2617透?jìng)髂K。PIC16F690通過(guò)USART接口與其連接。為了降低ZigBee傳輸受葡萄藤蔓、大棚支撐物等障礙物的干擾，還采用了信號(hào)增益為18 dBi的八木定向天線作為增強(qiáng)ZigBee傳輸?shù)氖侄?。?jié)點(diǎn)主板與設(shè)置安裝如圖2所示。

數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)共有三種工作模式，即NFC寫(xiě)、NFC讀與ZigBee采集/傳輸。

在NFC寫(xiě)模式下，系統(tǒng)管理者可以利用NFC讀寫(xiě)器，通過(guò)PN532將種植信息（如施肥種類(lèi)/時(shí)間、農(nóng)藥噴灑種類(lèi)/時(shí)間、植株掛果時(shí)間）等按照預(yù)先設(shè)定好的格式寫(xiě)入節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)空間中。

在NFC讀模式下，智能設(shè)備通過(guò)PN532讀取種植信息，此外還可查閱該時(shí)刻節(jié)點(diǎn)傳感器采集到的氧氣濃度、溫濕度等棚內(nèi)環(huán)境實(shí)時(shí)信息。設(shè)計(jì)通過(guò)綁定讀寫(xiě)器ID來(lái)分辨設(shè)備的工作模式與讀寫(xiě)權(quán)限。此外，在移動(dòng)智能設(shè)備配套App中也設(shè)置了相應(yīng)的權(quán)限標(biāo)簽。

在沒(méi)有NFC訪問(wèn)要求時(shí)，節(jié)點(diǎn)工作于ZigBee采集/傳輸模式下。當(dāng)接到上位機(jī)通過(guò)數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)來(lái)的輪詢傳輸請(qǐng)求后，節(jié)點(diǎn)先檢查是否有上位機(jī)發(fā)來(lái)新的種植信息或自身內(nèi)部存儲(chǔ)中是否有未上傳的種植信息，如果有則執(zhí)行相應(yīng)更新。完成種植信息交互后，節(jié)點(diǎn)采集傳感器數(shù)據(jù)，并與周期內(nèi)NFC接入次數(shù)一起發(fā)往上位機(jī)。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)采用與數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)相同的硬件平臺(tái)，但其與數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的主要硬件區(qū)別體現(xiàn)在以下方面：

（1）硬件結(jié)構(gòu)中省略了對(duì)NFC功能與傳感器采集功能的支持。

（2）節(jié)點(diǎn)使用15 dBi的全向玻璃鋼天線以達(dá)到ZigBee信號(hào)全向覆蓋的目的。由于該系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)硬件平臺(tái)在設(shè)計(jì)時(shí)就考慮了通用性，所以通過(guò)移除替換對(duì)應(yīng)模塊就可實(shí)現(xiàn)硬件功能改變。在此基礎(chǔ)上通過(guò)改寫(xiě)MCU程序，即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)匯聚功能。上位機(jī)通過(guò)RS-232連接DRF-2617模塊，該模塊設(shè)為Coordinator。系統(tǒng)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)為雙層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，初始化時(shí)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)自動(dòng)尋找RSSI最優(yōu)的數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)，上位機(jī)收集該節(jié)點(diǎn)配對(duì)信息。每隔一定時(shí)間，網(wǎng)絡(luò)重復(fù)該操作，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)流向及空間覆蓋的規(guī)劃設(shè)定。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)負(fù)責(zé)系統(tǒng)的管理與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)顯示，系統(tǒng)中上位機(jī)軟件使用VC++編寫(xiě)。軟件初始化時(shí)寫(xiě)入網(wǎng)絡(luò)中各數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)與數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)ID。針對(duì)每一個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)建立對(duì)應(yīng)的文件夾，每日的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到以日期編號(hào)的文件中。上位機(jī)軟件根據(jù)節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)分布設(shè)定輪詢周期，在每一個(gè)輪詢周期中對(duì)各節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢。用戶還可通過(guò)上位機(jī)軟件針對(duì)特定數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)輸入種植信息。通常通過(guò)上位機(jī)寫(xiě)入的種植信息對(duì)應(yīng)園區(qū)施用較廣的化肥或農(nóng)藥等。而利用節(jié)點(diǎn)NFC寫(xiě)入的種植信息是覆蓋小片區(qū)或單植株的種植信息。上位機(jī)軟件還提供簡(jiǎn)潔的UI，便于擁有較少電腦操作經(jīng)驗(yàn)的系統(tǒng)管理者使用。由于4OXV氧氣傳感器的輸出受溫濕度等影響較大，而6450輻照傳感器的輸出受日照入射角影響，所以必須在二者的直接測(cè)量值上進(jìn)行處理才能得到真實(shí)值。4OXV在節(jié)點(diǎn)裝機(jī)前都利用變溫氣室進(jìn)行測(cè)量，得到一組離散的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)。之后在上位機(jī)軟件中結(jié)合節(jié)點(diǎn)溫濕度進(jìn)行雙二次樣條插值，從而得到真實(shí)的氧氣濃度。6450角度余弦誤差則通過(guò)利用實(shí)時(shí)時(shí)間引入日照高度角計(jì)算值來(lái)進(jìn)行修正。上位機(jī)用戶界面如圖3所示。

3.2 移動(dòng)智能設(shè)備App及NFC設(shè)計(jì)

由于iOS系統(tǒng)尚未成熟實(shí)現(xiàn)對(duì)NFC的支持，所以系統(tǒng)App設(shè)計(jì)面向Android平臺(tái)。為了可以讓移動(dòng)智能設(shè)備對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行信息交互，就必須使其實(shí)現(xiàn)對(duì)NFC協(xié)議棧的支持。一個(gè)完整的Android-NFC協(xié)議棧包括驅(qū)動(dòng)抽象層（Driver Abstraction Layer，DAL）、邏輯鏈路控制層（Logical Link Control，LLC）、主機(jī)控制接口（Host Controller Interface，HCI）、硬件抽象層 （Hardware Abstraction Layer，HAL） 、操作系統(tǒng)抽象層（Operating System Abstraction Layer，OSAL）、論壇參考實(shí)現(xiàn)（Forum Reference Implementation，F(xiàn)RI）。為了兼容讀卡器對(duì)節(jié)點(diǎn)種植信息的寫(xiě)入與移動(dòng)智能設(shè)備的接入，系統(tǒng)在NFC訪問(wèn)中采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式。當(dāng)NFC數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)各層協(xié)議棧處理后，可看作面向上層的API接口，Android將其統(tǒng)一封裝為NFC適配器供應(yīng)用程序調(diào)用（在android.nfc中）。當(dāng)智能設(shè)備擬與系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接并已完成HAL與DAL層的初始配置后，將調(diào)用NFC初始化函數(shù)對(duì)設(shè)備的協(xié)議棧進(jìn)行初始化，由此實(shí)現(xiàn)對(duì)NFC庫(kù)及相關(guān)協(xié)議棧層的初始化。在完成后即進(jìn)入點(diǎn)對(duì)點(diǎn)工作模式。當(dāng)移動(dòng)智能設(shè)備的NFC掃描器被數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的NFC觸發(fā)后，就會(huì)向App發(fā)送ACTION_TAG_DISCOVERED的Intent，Intent的extras架構(gòu)中包含NDEF（NFC Data Exchange Format）消息。App接收到該消息后，就會(huì)調(diào)用連接函數(shù)與節(jié)點(diǎn)建立點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，該過(guò)程類(lèi)似一個(gè)消息解析過(guò)程。之后使用目標(biāo)設(shè)備調(diào)用函數(shù)接收P2P通信發(fā)起設(shè)備的消息并進(jìn)行響應(yīng)。之后利用數(shù)據(jù)傳輸函數(shù)對(duì)節(jié)點(diǎn)信息進(jìn)行讀取。讀取完成后調(diào)用智能設(shè)備上的中止函數(shù)釋放NFC連接。在該工作中智能設(shè)備為NFC通信的發(fā)起者及控制方。當(dāng)完成一次NFC讀寫(xiě)后智能設(shè)備的NFC掃描器繼續(xù)工作，方便對(duì)下一個(gè)節(jié)點(diǎn)的交互。完成NFC讀寫(xiě)后，將通過(guò)API獲取的數(shù)據(jù)在App中規(guī)格化。在App的UI中我們只定義了一個(gè)文本框（TextView）用于顯示接收到的數(shù)據(jù)，同樣采用線性布局（LinearLayout）設(shè)計(jì)。文本框位于頁(yè)面的中間位置。NFC用戶可以方便地獲取局部種植參數(shù)，還可以根據(jù)預(yù)先寫(xiě)入節(jié)點(diǎn)的經(jīng)緯度通過(guò)調(diào)用百度地圖獲取直觀的節(jié)點(diǎn)位置信息。顯示內(nèi)容與界面方案如圖4所示。

3.3 ZigBee數(shù)據(jù)交互設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在進(jìn)行ZigBee數(shù)據(jù)交互時(shí)采用可變長(zhǎng)度容器的方式。上位機(jī)在下達(dá)輪詢信息時(shí)在數(shù)據(jù)包的標(biāo)簽中指定匯聚節(jié)點(diǎn)，采集節(jié)點(diǎn)的ID號(hào)、數(shù)據(jù)類(lèi)型及容器長(zhǎng)度。數(shù)據(jù)類(lèi)型分為查詢指令與查詢/寫(xiě)入指令兩種。前者要求指定的數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)反饋其下屬數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。后者不僅要求搜集并發(fā)回監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，還要求對(duì)特定節(jié)點(diǎn)進(jìn)行種植信息寫(xiě)入操作。其容器內(nèi)數(shù)據(jù)內(nèi)容由寫(xiě)入節(jié)點(diǎn)ID、種植操作內(nèi)容與對(duì)應(yīng)的操作時(shí)間組成。當(dāng)數(shù)據(jù)包到達(dá)數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)后，數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行拆包操作，將對(duì)應(yīng)的信息按照輪詢時(shí)間間隔及ID號(hào)下發(fā)到數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)，數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)收到指令后進(jìn)行對(duì)應(yīng)操作。數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)上行的數(shù)據(jù)包可分為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)包與監(jiān)測(cè)/種植信息數(shù)據(jù)包。前者僅含有常規(guī)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。而如果數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)在兩次輪詢的時(shí)間間隔內(nèi)有NFC寫(xiě)入信息，則可變長(zhǎng)度容器內(nèi)還含有當(dāng)次寫(xiě)入信息。數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)收集完畢自身下屬數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)后，將其依次加上行標(biāo)簽上傳到上位機(jī)。而如果在某數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的輪詢周期內(nèi)未收到返回信息，則將其上行容器置零。上位機(jī)以此判斷該節(jié)點(diǎn)當(dāng)次數(shù)據(jù)采集失敗。若上位機(jī)在該輪詢周期內(nèi)未收到數(shù)據(jù)，也認(rèn)為當(dāng)次數(shù)據(jù)采集失敗，從而進(jìn)入下一個(gè)輪詢周期。

4 測(cè)試結(jié)果

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后在江蘇省昆山市巴城地區(qū)的葡萄種植區(qū)進(jìn)行了相應(yīng)測(cè)試。在實(shí)測(cè)過(guò)程中節(jié)點(diǎn)按照以上位機(jī)位置為圓心的扇形隨機(jī)排布，節(jié)點(diǎn)天線之間為視距傳輸。按照匯聚節(jié)點(diǎn)分配扇區(qū)，數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)圍繞匯聚節(jié)點(diǎn)配置。由于系統(tǒng)工作中采用輪詢機(jī)制，且上位機(jī)側(cè)重的是種植區(qū)種植參數(shù)的采集有效性，所以在測(cè)試中定義了輪詢響應(yīng)率（Request Response Rate，RRR）作為評(píng)判ZigBee傳輸性能優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)。輪詢響應(yīng)率定義為在特定時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)，上位機(jī)發(fā)出查詢請(qǐng)求與接收到的有效采集數(shù)據(jù)之間的比值。該比值與環(huán)境信道情況、上位機(jī)-數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)距離（DSU）和數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)-數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)直接相關(guān)（DTS），并能較為簡(jiǎn)單、直觀地從數(shù)據(jù)請(qǐng)求與接收過(guò)程中獲得鏈路質(zhì)量情況。

測(cè)試中以單位小時(shí)內(nèi)輪詢響應(yīng)率為衡量標(biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)初始安裝時(shí)，晴好視距條件下各數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)經(jīng)由數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)與上位機(jī)之間的輪詢響應(yīng)率都為100%。但在實(shí)際使用過(guò)程中，環(huán)境影響會(huì)使輪詢響應(yīng)率出現(xiàn)隨機(jī)性降低。輪詢響應(yīng)率為單位時(shí)間長(zhǎng)度上的統(tǒng)計(jì)量，其極小值對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)在最?lèi)毫忧闆r下的數(shù)據(jù)傳輸情況。在實(shí)測(cè)中發(fā)現(xiàn)，降雨對(duì)本系統(tǒng)的輪詢響應(yīng)率有一定影響。具體表現(xiàn)在高強(qiáng)度降雨會(huì)造成較大雨衰等。當(dāng)出現(xiàn)連續(xù)高強(qiáng)度降雨，且DSU與DTS二者距離都大于1 km時(shí)，輪詢響應(yīng)率會(huì)有一定程度的降低。不同DSU與DTS下小時(shí)RRR的測(cè)量結(jié)果如圖5所示。系統(tǒng)測(cè)試中小時(shí)RRR的最小值出現(xiàn)在2015年8月3日夜間，為67.2%（DTS=1 372 m，DSU=1 684 m）。該時(shí)段巴城地區(qū)出現(xiàn)了高強(qiáng)度降雨。而DSU與DTS都處于0.2 km范圍內(nèi)的節(jié)點(diǎn)，降雨對(duì)其輪詢響應(yīng)率的影響可以忽略。

測(cè)試全周期（2015年3月-11月）監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示，在節(jié)點(diǎn)DTS與DSU值都小于800 m的范圍內(nèi)，全周期RRR均值接近100%。造成RRR波動(dòng)的主要原因是隨機(jī)性的NFC訪問(wèn)。而在DTS與DSU較大的情況下，RRR值波動(dòng)主要由環(huán)境因素引起。但節(jié)點(diǎn)全周期RRR均值都大于95%。由結(jié)果可以看出，本系統(tǒng)具有較大的采集范圍，由于系統(tǒng)使用了高增益天線，覆蓋半徑最多可達(dá)3 km以上。而在惡劣氣象條件下也有較強(qiáng)的可靠性，強(qiáng)降雨條件下邊緣節(jié)點(diǎn)仍可完成60%以上的數(shù)據(jù)采集傳輸。

數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)與移動(dòng)智能設(shè)備之間的NFC通過(guò)能量耦合的方式實(shí)現(xiàn)。NFC所使用的方形環(huán)路天線的最大場(chǎng)強(qiáng)區(qū)位于其中心軸線上。隨著手機(jī)-節(jié)點(diǎn)距離的增加或相對(duì)角度的加大，NFC能量耦合下降，手機(jī)-節(jié)點(diǎn)的NFC連接成功率有所下降。在本系統(tǒng)中，PN532模塊的天線緊貼防水箱的內(nèi)表面水平放置（X-Y）。測(cè)試中以PN532模塊天線的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，手機(jī)沿Z方向以0.5 cm步進(jìn)移動(dòng)并在每個(gè)位置上多次測(cè)量，獲得不同角度下的種植信息數(shù)據(jù)讀取成功率。測(cè)試中使用三星 I9308與SONY M36h手機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行讀取，手機(jī)根據(jù)其N(xiāo)FC天線中心點(diǎn)用萬(wàn)向節(jié)固定。測(cè)試結(jié)果如圖6所示。測(cè)試表明，在20 mm范圍內(nèi)，手機(jī)可以在任意角度與節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。在20 mm至45 mm范圍內(nèi)，手機(jī)如與NFC天線平行對(duì)中放置時(shí)仍然具有較高的連接成功率。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文提出一種融合了ZigBee與NFC技術(shù)的農(nóng)業(yè)種植監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅可利用ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)合上位機(jī)實(shí)時(shí)查看、更新種植數(shù)據(jù)，還支持利用移動(dòng)智能設(shè)備直接通過(guò)NFC方式從數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)中獲得種植信息。文中針對(duì)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)、上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)、移動(dòng)智能設(shè)備App開(kāi)發(fā)、NFC設(shè)計(jì)及設(shè)備數(shù)據(jù)交互設(shè)計(jì)進(jìn)行了討論。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)具有較大的覆蓋范圍、可靠性高、成本低廉、對(duì)移動(dòng)設(shè)備支持較好等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)使對(duì)種植監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的訪問(wèn)方式從單一遠(yuǎn)端訪問(wèn)變?yōu)榻伺c遠(yuǎn)端相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對(duì)廣域與局部種植信息多層次、多空間的融合利用。該農(nóng)業(yè)種植監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)觀光農(nóng)業(yè)、單植株監(jiān)測(cè)及農(nóng)超對(duì)接等需要局部種植信息查詢的場(chǎng)合有直接的應(yīng)用意義。系統(tǒng)有望未來(lái)為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域提供與移動(dòng)智能設(shè)備集成度好、使用更為靈活的參考技術(shù)方案。

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