引 言

中國(guó)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)一直以來(lái)都依靠傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式，浪費(fèi)了大量的人力物力，而且對(duì)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(shí)期和諧社會(huì)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的要求，利用現(xiàn)有技術(shù)和平臺(tái)來(lái)設(shè)計(jì)一個(gè)滿足要求的新系統(tǒng)，成為迫切需要解決的問(wèn)題。智慧農(nóng)業(yè)利用物聯(lián)網(wǎng)、云儲(chǔ)存、ZigBee 等技術(shù)實(shí)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(diǎn)，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(jì)實(shí)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(cè)系統(tǒng)。通過(guò)各傳感器來(lái)采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)，然后利用ZigBee無(wú)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(jìn)行分析形成信息在安卓客戶端和Web 客戶端顯示，實(shí)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(dòng)端顯示的功能。同時(shí)依據(jù)傳感器反饋的信息對(duì)大棚里的控制設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)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(dòng)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(yàn)。監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

2 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控系統(tǒng)

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

Android 手機(jī)客戶端主要用以實(shí)現(xiàn)人性化的人機(jī)交互界面。進(jìn)入智慧農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)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(qiáng)度等。

四個(gè)ZigBee 模塊上的傳感器會(huì)對(duì)大棚內(nèi)的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行采集，其中溫濕度傳感器用以實(shí)時(shí)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(cè)主要對(duì)大棚內(nèi)的作物起保護(hù)作用，當(dāng)有人私自闖入大棚時(shí)，會(huì)感應(yīng)到并及時(shí)報(bào)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(guò) ZigBee 的自組織網(wǎng)絡(luò)傳遞給整個(gè)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(guò)RS 232 串口將數(shù)據(jù)傳送給嵌入式網(wǎng)關(guān)進(jìn)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(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并通過(guò)局域網(wǎng)傳送給手機(jī)客戶端，對(duì)于手機(jī)客戶端發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并對(duì)相應(yīng)的傳感器、生長(zhǎng)燈、風(fēng)扇進(jìn)行控制?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控子系統(tǒng)需要滿足實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(jì)

ZigBee 技術(shù)作為一種低速率、低復(fù)雜度、低損耗、低成本的無(wú)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(lái)看，一般大棚所需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型對(duì)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?？紤]到一般農(nóng)業(yè)基地均具有控制距離較短，測(cè)點(diǎn)多、設(shè)備多等特點(diǎn)，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(diǎn)、多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)組成，屬于多跳的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。在網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間可以直接通信，每次通信都由一條或多條路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行中繼，最后傳給目的節(jié)點(diǎn)。ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)工作流程如圖 2 所示。

2.2 嵌入式操作平臺(tái)設(shè)計(jì)

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(qiáng)、低功耗等特點(diǎn)；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(jiǎn)單、支持多種平臺(tái)、安全性好等優(yōu)點(diǎn)。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(jì)

視頻監(jiān)控采用云臺(tái)高清網(wǎng)絡(luò)攝像頭，它不僅可以通過(guò)手 動(dòng)控制攝像頭旋轉(zhuǎn)，還可以通過(guò) Web 或者手機(jī) App 來(lái)控制， 擁有標(biāo)準(zhǔn)的 H.264 算法，同時(shí)能夠支持 CIF、D1 兩種分辨率， 適合無(wú)線網(wǎng)絡(luò) ；支持?jǐn)z像頭 360 度旋轉(zhuǎn)；可通過(guò) WiFi，藍(lán)牙 傳輸數(shù)據(jù)，適用于不便布線的場(chǎng)合。

攝像頭將采集到的視頻數(shù)據(jù)通過(guò)內(nèi)置編碼器編碼，經(jīng)無(wú) 線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)焦芾碇行模瑫r(shí)解碼器會(huì)將接收到的數(shù)據(jù)解碼 后播放視頻。

3 遠(yuǎn)程監(jiān)控管理中心

遠(yuǎn)程管理中心主要由介入設(shè)備和計(jì)算機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)基地環(huán)境參數(shù)和視頻的遠(yuǎn)程控制或者聯(lián)動(dòng)控制。

遠(yuǎn)程管理中心采用 B/S（瀏覽器／服務(wù)器）模式，用戶通 過(guò)瀏覽器或者手機(jī) App 登錄管理控制中心，通過(guò)實(shí)時(shí)獲取的 視頻圖像，直觀地觀察各大棚內(nèi)的植物生長(zhǎng)情況，并通過(guò)顯 示的環(huán)境參數(shù)對(duì)生長(zhǎng)狀況進(jìn)行分析。根據(jù)用戶對(duì)于系統(tǒng)的要求， 設(shè)計(jì)了如下幾個(gè)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(bào)警記錄功能 ；

（2）對(duì)各基地的空氣溫濕度、有害氣體、土壤溫濕度、 光照強(qiáng)度等參數(shù)實(shí)時(shí)顯示，擁有風(fēng)扇、燈光、水泵等裝置，用 戶只需點(diǎn)擊開(kāi)關(guān)裝置便可實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程裝置的開(kāi)關(guān)操作 ；

（3）對(duì)于植物生長(zhǎng)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行正常范圍的設(shè)置，實(shí)現(xiàn) 農(nóng)業(yè)大棚環(huán)境參數(shù)的聯(lián)動(dòng)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(yǔ)

該系統(tǒng)通過(guò)各傳感器來(lái)采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)，利用 ZigBee 無(wú) 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(shí) 現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)大棚里環(huán)境參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示（包括相應(yīng)的移動(dòng)端顯 示），同時(shí)可以依據(jù)傳感器反饋的信息對(duì)大棚里的控制設(shè)備進(jìn) 行簡(jiǎn)單操作，以保證環(huán)境參數(shù)的穩(wěn)定。