劉育辰，李江全，左乾坤

（石河子大學(xué) 機械電氣工程學(xué)院，石河子 832000）

近年來，農(nóng)田滴灌逐漸代替?zhèn)鹘y(tǒng)灌溉模式成為農(nóng)田灌溉的主要方式。目前農(nóng)田滴灌有線控制自動化已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，實現(xiàn)了對農(nóng)田的節(jié)水灌溉，并節(jié)約了人力資源。

在農(nóng)田滴灌應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)田間環(huán)境信息和電磁閥工作狀態(tài)的遠程獲取，并控制電磁閥工作，使農(nóng)戶免去有線自動化控制設(shè)施的安裝、維護費用，依據(jù)農(nóng)田種植環(huán)境信息完成對農(nóng)田的節(jié)水灌溉任務(wù)，實現(xiàn)智能化精準農(nóng)業(yè)[1]。為此文中設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)田滴灌遠程監(jiān)控系統(tǒng)。

1 遠程監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)田滴灌遠程監(jiān)控系統(tǒng)，采用物聯(lián)網(wǎng)體系經(jīng)典的3層架構(gòu)，依次為感知層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和應(yīng)用層，整體結(jié)構(gòu)如圖1所示[2]。

圖1 農(nóng)田滴灌遠程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of remote monitoring and control system for agriculture drip irrigation

1.2 系統(tǒng)工作原理

農(nóng)田安裝的多個感知節(jié)點利用ZigBee技術(shù)組成無線傳感網(wǎng)絡(luò)，實時監(jiān)測田間作物生長環(huán)境信息和田間設(shè)備工作狀態(tài)信息，將采集到的信息發(fā)送至匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點接收傳感器采集的信息并通過內(nèi)置的3G模塊傳輸至3G網(wǎng)絡(luò)[3]。3G網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸至監(jiān)控中心計算機。用戶端電腦、手機通過互聯(lián)網(wǎng)訪問監(jiān)控中心計算機獲取田間信息，發(fā)送控制指令遠程控制田間電磁閥工作。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 感知層硬件

感知層是物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的基礎(chǔ)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集處理和傳輸控制。感知層分為感知節(jié)點、控制節(jié)點和匯聚節(jié)點，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示[4]。

圖2 感知層節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)Fig.2 Hardware structure of perception layer node

2.1.1 感知節(jié)點

感知節(jié)點負責采集農(nóng)田環(huán)境信息。采用D058-B型光照強度傳感器、SHT10型溫度傳感器、FDS100型濕度傳感器、YS1120B型風(fēng)速傳感器和TDR-3型土壤水分傳感器等作為農(nóng)田感知節(jié)點的傳感單元；選用PIC18F6722單片機作為感知節(jié)點控制器的處理單元；選用ZigBee 2530無線通信模塊作為通信單元[3-4]。感知節(jié)點集成了空氣溫濕度、光照和土壤水分等傳感器，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2（a）所示。

2.1.2 控制節(jié)點

控制節(jié)點用于控制田間電磁閥的工作。選用PIC18F6722單片機作為控制節(jié)點控制器的處理單元，選用ZigBee 2530無線通信模塊作為通信單元，以實現(xiàn)電磁閥開/關(guān)控制及電磁閥狀態(tài)信息反饋，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2（b）所示。

2.1.3 匯聚節(jié)點

匯聚節(jié)點傳輸感知節(jié)點和控制節(jié)點的信息，完成感知層與網(wǎng)絡(luò)層的連接。系統(tǒng)采用網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)進行組網(wǎng)，各感知節(jié)點采集的信息通過周圍控制節(jié)點進行中繼轉(zhuǎn)發(fā)，最終將數(shù)據(jù)發(fā)送到匯聚節(jié)點，并傳輸至3G網(wǎng)絡(luò)。

選用S3C2440單片機作為匯聚節(jié)點控制器的處理單元；選用ZigBee 2530無線通信模塊作為無線傳輸單元；選用EM560無線3G模塊作為網(wǎng)絡(luò)傳輸單元。其硬件結(jié)構(gòu)如圖2（c）所示。

2.2 網(wǎng)絡(luò)層硬件

網(wǎng)絡(luò)層是感知層與應(yīng)用層的橋梁。該系統(tǒng)選用基于GSM的CDMA200接入技術(shù)[5]，接收匯聚節(jié)點EM560無線3G模塊傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并進行處理，再將數(shù)據(jù)通過基站傳輸?shù)奖O(jiān)控中心計算機。監(jiān)控中心計算機位于連隊管理機房，主要用于田間信息采集、轉(zhuǎn)換處理、數(shù)據(jù)庫記錄以及報表統(tǒng)計。

2.3 應(yīng)用層硬件

移動終端手機用戶通過手機實時掌握田間環(huán)境與電磁閥狀態(tài)信息，控制田間電磁閥工作。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 感知層軟件設(shè)計

節(jié)點單片機程序基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)，使用C語言編寫。依據(jù)該系統(tǒng)功能需求，在實際農(nóng)田環(huán)境下，節(jié)點數(shù)量少、部署間隔遠，節(jié)點硬件資源有限，故采用定時讀取數(shù)據(jù)方式獲取農(nóng)田環(huán)境信息。

3.1.1 感知節(jié)點程序設(shè)計

感知節(jié)點上電后，首先進行系統(tǒng)初始化，加入ZigBee無線通信網(wǎng)絡(luò)，周期性采集農(nóng)田環(huán)境信息并存儲，將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送至匯聚節(jié)點，然后清空感知節(jié)點存儲的數(shù)據(jù)信息。若在規(guī)定時間內(nèi)，匯聚節(jié)點未接收到感知節(jié)點采集的相關(guān)信息，則該感知節(jié)點處于異常狀態(tài)，進行異常處理。

3.1.2 控制節(jié)點程序設(shè)計

控制節(jié)點用于周期性地查看是否有匯聚節(jié)點發(fā)送的控制指令，若有則執(zhí)行指令實現(xiàn)電磁閥啟、閉控制；否則正常執(zhí)行電磁閥狀態(tài)采集任務(wù)，將電磁閥工作狀態(tài)傳送至匯聚節(jié)點。其信息采集與數(shù)據(jù)傳輸?shù)某绦蛟O(shè)計與感知節(jié)點類似?？刂乒?jié)點工作流程如圖3所示 （該圖去掉虛線框部分，剩下的為感知節(jié)點工作流程）。初始化中：time為時間變量，記錄感知節(jié)點工作時間；send＝0為未發(fā)送數(shù)據(jù)；val-sensor作為存儲傳感器采集的環(huán)境信息單元。

圖3 控制節(jié)點流程Fig.3 Flow chart of control node

3.1.3 匯聚節(jié)點程序設(shè)計

匯聚節(jié)點上電后，首先進行系統(tǒng)初始化，建立傳感網(wǎng)絡(luò)；控制節(jié)點和感知節(jié)點加入傳感網(wǎng)絡(luò)時，向匯聚節(jié)點注冊自身的網(wǎng)絡(luò)地址和物理地址、父節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)地址等信息；匯聚節(jié)點再將這些信息通過接入網(wǎng)關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)至移動網(wǎng)絡(luò)，并結(jié)合節(jié)點的位置信息直觀地繪制出網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)，待網(wǎng)絡(luò)工作穩(wěn)定后，再向控制節(jié)點發(fā)送鄰居表請求。監(jiān)控中心計算機在獲得各控制節(jié)點的鄰居表信息后，建立起更為完善的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。當網(wǎng)絡(luò)感知到某個節(jié)點或鏈路發(fā)生變化，將向監(jiān)控中心計算機報告，監(jiān)控中心計算機據(jù)此動態(tài)更新網(wǎng)絡(luò)拓撲，從而實時反映網(wǎng)絡(luò)的運行情況[6]。

3.2 網(wǎng)絡(luò)層軟件設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)層軟件由田間監(jiān)測系統(tǒng)、數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)和監(jiān)控中心系統(tǒng)組成。其中，數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)負責完成2個任務(wù)：管理傳感器節(jié)點；把采集到的田間環(huán)境數(shù)據(jù)按照相應(yīng)協(xié)議規(guī)則，通過傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給田間監(jiān)測系統(tǒng)。田間監(jiān)測系統(tǒng)負責轉(zhuǎn)發(fā)由數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)收集的田間環(huán)境數(shù)據(jù)，至監(jiān)控中心計算機，并根據(jù)相應(yīng)規(guī)則，轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)控中心計算機的信息至數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)[7]。

采用這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以解決多個監(jiān)測區(qū)域同時上傳田間環(huán)境數(shù)據(jù)的問題，而且可以在多個傳感網(wǎng)之間建立網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，使單個設(shè)備出現(xiàn)故障時不會影響整個系統(tǒng)正常運行，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

3.3 應(yīng)用層軟件設(shè)計

3.3.1 功能設(shè)計

應(yīng)用層軟件包括客戶端PC軟件和移動終端手機APP，為用戶提供感知層信息，通過網(wǎng)絡(luò)遠程控制電磁閥。

該系統(tǒng)按功能分為數(shù)據(jù)顯示模塊、閥門控制模塊、作業(yè)統(tǒng)計模塊、警報監(jiān)聽模塊和用戶管理模塊。其中，數(shù)據(jù)顯示模塊用于實時顯示農(nóng)田的環(huán)境信息參數(shù)及農(nóng)田環(huán)境歷史數(shù)據(jù)；閥門控制模塊用于遠程控制田間的控制節(jié)點工作，驅(qū)動電磁閥對農(nóng)田進行滴灌；作業(yè)統(tǒng)計模塊用于記錄農(nóng)田的灌溉次數(shù)、灌溉時間、灌溉用水量；警報監(jiān)聽模塊對傳感器采集的數(shù)據(jù)進行報警參數(shù)設(shè)置，超過設(shè)定值時進行報警；用戶管理負責識別用戶身份，給予用戶相關(guān)使用權(quán)限。

3.3.2 PC端功能設(shè)計

用戶獲取數(shù)據(jù)和遠程控制請求，通過http協(xié)議發(fā)送請求數(shù)據(jù)至監(jiān)控中心計算機前端服務(wù)接口[8]，檢查用戶請求是否正確，正確則向監(jiān)控中心計算機數(shù)據(jù)管理模塊發(fā)送請求數(shù)據(jù)，管理模塊根據(jù)請求進行相應(yīng)處理，將結(jié)果返回給用戶。用戶請求處理流程如圖4所示。

3.3.3 手機端功能設(shè)計

手機客戶端運行的Android 4.0操作系統(tǒng)基于Android studio平臺采用Java語言開發(fā)[9]。田間設(shè)備與用戶APP間的數(shù)據(jù)通信，采用無數(shù)據(jù)點透傳方式[10]，設(shè)備上報數(shù)據(jù)協(xié)議見表1。其中，包長度len是從命令開始一直到校驗和的字節(jié)長度（包括命令和校驗和）；dev_status是需要透傳數(shù)據(jù)，可設(shè)置任意長度。

圖4 用戶請求處理流程Fig.4 Flow chart of user request processing

表1 設(shè)備上報數(shù)據(jù)協(xié)議Tab.1 Device reporting data protocol

APP接收到數(shù)據(jù)后，需要將16進制byte轉(zhuǎn)換為string，接收到的dataMap字典中有對應(yīng)設(shè)備名稱的key，對應(yīng)值即傳輸數(shù)據(jù)。用戶可通過給設(shè)備設(shè)置定時任務(wù)，讓設(shè)備在預(yù)定的日期、時間執(zhí)行某些農(nóng)田灌溉任務(wù)。

4 系統(tǒng)功能測試

為驗證遠程監(jiān)控系統(tǒng)的功能，將系統(tǒng)安裝在某地5號泵房。該泵房已安裝計算機控制系統(tǒng)，可為140 hm2棉田實施自動化灌溉。

為實現(xiàn)遠程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，測試其系統(tǒng)功能，測試時在田間安裝了3個感知節(jié)點（分別安裝風(fēng)速傳感器、雨量傳感器、光照強度傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器和土壤水分傳感器），2個控制節(jié)點 （可控制8個電磁閥的啟閉）以及1個匯聚節(jié)點（安裝3G模塊）。各節(jié)點通過ZigBee的數(shù)傳模塊進行數(shù)據(jù)通信，再將數(shù)據(jù)發(fā)送給匯聚節(jié)點。匯聚節(jié)點利用安裝的3G模塊發(fā)射3G信號，通過安裝在住宅區(qū)附近的信號塔將田間數(shù)據(jù)遠程發(fā)送至服務(wù)器，存儲在后臺數(shù)據(jù)庫。試驗現(xiàn)場如圖5所示。

圖5 試驗現(xiàn)場Fig.5 Experimental field

使用手機APP進行測試，點擊數(shù)據(jù)顯示按鈕可顯示當前監(jiān)測實時數(shù)據(jù)，如圖6所示；點擊設(shè)備控制按鈕，在控制界面選擇電磁閥節(jié)點，可以控制電磁閥打開/關(guān)閉，如圖7所示。

圖6 數(shù)據(jù)顯示界面Fig.6 Display data interface

圖7 控制界面Fig.7 Control interface

可以在現(xiàn)場觀察到用戶通過手機選擇相應(yīng)電磁閥發(fā)送開啟指令后，田間對應(yīng)編號的電磁閥開啟，水流通過，電磁閥打開時間比發(fā)送指令時間平均延遲8 s，滿足灌溉控制要求。

5 結(jié)語

基于物聯(lián)網(wǎng)的農(nóng)田滴灌遠程監(jiān)控系統(tǒng)可使農(nóng)戶通過移動終端手機遠程實時采集顯示農(nóng)田土壤水分等相關(guān)環(huán)境參數(shù)，并且可以根據(jù)作物實際生長需要，通過手機開啟以及關(guān)閉電磁閥進行遠程灌溉。通過在農(nóng)田應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以做到既滿足作物生長發(fā)育的需要，又可提高農(nóng)場職工農(nóng)業(yè)信息化管理水平。

參考文獻：

[1] 閔沛，鄭劍鋒，強浩，等.現(xiàn)代化智慧農(nóng)業(yè)溫室監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].自動化與儀表，2017，32（2）：60-63，67.

[2] 楊揚.物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京：北京大學(xué)出版社，2015.

[3] 楊婷.基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自動滴灌系統(tǒng)設(shè)計[D].南京：南京農(nóng)業(yè)大學(xué)，2010.

[5] 吳祥.基于ZigBee的低功耗農(nóng)田灌溉監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2013：16-21.

[5] 孫玉硯，劉卓華，李強，等.一種面向3G接入的物聯(lián)網(wǎng)安全架構(gòu)[J].計算機研究與發(fā)展，2010，47（S2）：327-332.

[6] 李寧.基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)和ZigBee協(xié)議的監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].天津：天津大學(xué)，2012.

[7] 劉榮.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的氣象觀測系統(tǒng)的中間件設(shè)計與實現(xiàn)[D].南京：南京信息工程大學(xué)，2013.

[8] 于合龍，劉杰，馬麗，等.基于Web的設(shè)施農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)遠程智能控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].中國農(nóng)機化學(xué)報，2014，35（2）：240-245.

[9] 鹿曼.基于Android的智能家居控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].濟南：山東建筑大學(xué)，2013.

[10]于洪濤，吳迪，朱齊山，等.一種基于無線透傳傳感網(wǎng)絡(luò)的分布式環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2015，39（18）：128-132.