引 言

中國的農業(yè)生產(chǎn)一直以來都依靠傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式，浪費了大量的人力物力，而且對環(huán)境造成了污染與破壞，不利于農業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此，如何順應新時期和諧社會對農業(yè)生產(chǎn)的要求，利用現(xiàn)有技術和平臺來設計一個滿足要求的新系統(tǒng)，成為迫切需要解決的問題。智慧農業(yè)利用物聯(lián)網(wǎng)、云儲存、ZigBee 等技術實現(xiàn)農業(yè)的精準化監(jiān)控與管理。

1 系統(tǒng)總體方案

監(jiān)控系統(tǒng)是基于現(xiàn)有技術特點，由嵌入式網(wǎng)關，RFID， ZigBee 及各種傳感器模塊組成，在遵循物聯(lián)網(wǎng)三層架構的基礎上設計實現(xiàn)的，包含安卓客戶端和 Web 客戶端的智慧農業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)。通過各傳感器來采集相應的數(shù)據(jù)，然后利用ZigBee無線技術完成數(shù)據(jù)從傳感器到嵌入式網(wǎng)關的傳輸，再依據(jù)TCP協(xié)議使數(shù)據(jù)從嵌入式網(wǎng)關傳輸?shù)絎eb 服務器，將數(shù)據(jù)進行分析形成信息在安卓客戶端和Web 客戶端顯示，實現(xiàn)將農業(yè)大棚里的環(huán)境參數(shù)在相應客戶端與移動端顯示的功能。同時依據(jù)傳感器反饋的信息對大棚里的控制設備進行簡單控制，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。監(jiān)控系統(tǒng)總體結構如圖 1 所示。

2 現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)

現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)由Android 手機客戶端、嵌入式網(wǎng)關和ZigBee 模塊組成。

Android 手機客戶端主要用以實現(xiàn)人性化的人機交互界面。進入智慧農業(yè)監(jiān)測系統(tǒng)界面后可以一覽大棚內多種環(huán)境參數(shù)，如大棚內的溫濕度信息、是否存在有毒氣體、是否有人闖入大棚，大棚內的光照強度等。

四個ZigBee 模塊上的傳感器會對大棚內的環(huán)境參數(shù)進行采集，其中溫濕度傳感器用以實時采集大棚內的溫度和濕度信息 ；廣譜氣體傳感器用以感應室內有害氣體（CO、SO2 等） 是否超標；人體檢測主要對大棚內的作物起保護作用，當有人私自闖入大棚時，會感應到并及時報警 ；傳感器將采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到各ZigBee 模塊，然后通過 ZigBee 的自組織網(wǎng)絡傳遞給整個網(wǎng)路中的ZigBee 協(xié)調器，此外，基于 CC2530 的風扇起到了排氣效果，協(xié)調器通過RS 232 串口將數(shù)據(jù)傳送給嵌入式網(wǎng)關進行相應的處理。

嵌入式網(wǎng)關將接收到的由ZigBee 協(xié)調器傳送過來的數(shù)據(jù)進行處理并通過局域網(wǎng)傳送給手機客戶端，對于手機客戶端發(fā)送過來的數(shù)據(jù)進行處理并對相應的傳感器、生長燈、風扇進行控制?，F(xiàn)場監(jiān)控子系統(tǒng)需要滿足實時數(shù)據(jù)存儲分析、數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡連接等功能。

2.1 短距離ZigBee網(wǎng)絡設計

ZigBee 技術作為一種低速率、低復雜度、低損耗、低成本的無線網(wǎng)絡技術，逐漸成為近距離通信應用的首選。從農業(yè)大棚的要求來看，一般大棚所需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)類型對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]到一般農業(yè)基地均具有控制距離較短，測點多、設備多等特點，采用 ZigBee 的Mesh 組網(wǎng)方式。Mesh 網(wǎng)絡由路由器、協(xié)調節(jié)點、多個終端節(jié)點組成，屬于多跳的網(wǎng)絡系統(tǒng)。在網(wǎng)絡中節(jié)點之間可以直接通信，每次通信都由一條或多條路由節(jié)點進行中繼，最后傳給目的節(jié)點。ZigBee 終端節(jié)點工作流程如圖 2 所示。

2.2 嵌入式操作平臺設計

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、低功耗等特點；軟件部分采用Linux 操作系統(tǒng)，它具有多任務、多用戶、兼容性高、界面操作簡單、支持多種平臺、安全性好等優(yōu)點。嵌入式系統(tǒng)結構如圖 3 所示。

2.3 視頻監(jiān)控設計

視頻監(jiān)控采用云臺高清網(wǎng)絡攝像頭，它不僅可以通過手 動控制攝像頭旋轉，還可以通過 Web 或者手機 App 來控制， 擁有標準的 H.264 算法，同時能夠支持 CIF、D1 兩種分辨率， 適合無線網(wǎng)絡 ；支持攝像頭 360 度旋轉；可通過 WiFi，藍牙 傳輸數(shù)據(jù)，適用于不便布線的場合。

攝像頭將采集到的視頻數(shù)據(jù)通過內置編碼器編碼，經(jīng)無 線網(wǎng)絡傳輸?shù)焦芾碇行模瑫r解碼器會將接收到的數(shù)據(jù)解碼 后播放視頻。

3 遠程監(jiān)控管理中心

遠程管理中心主要由介入設備和計算機組成，用以完成大棚內環(huán)境參數(shù)的采集、傳輸和顯示，還能實現(xiàn)對基地環(huán)境參數(shù)和視頻的遠程控制或者聯(lián)動控制。

遠程管理中心采用 B/S（瀏覽器／服務器）模式，用戶通 過瀏覽器或者手機 App 登錄管理控制中心，通過實時獲取的 視頻圖像，直觀地觀察各大棚內的植物生長情況，并通過顯 示的環(huán)境參數(shù)對生長狀況進行分析。根據(jù)用戶對于系統(tǒng)的要求， 設計了如下幾個主要功能 ：

（1）具有設備監(jiān)控、設備管理、視頻監(jiān)控、系統(tǒng)設置、 報警記錄功能 ；

（2）對各基地的空氣溫濕度、有害氣體、土壤溫濕度、 光照強度等參數(shù)實時顯示，擁有風扇、燈光、水泵等裝置，用 戶只需點擊開關裝置便可實現(xiàn)對遠程裝置的開關操作 ；

（3）對于植物生長相關參數(shù)進行正常范圍的設置，實現(xiàn) 農業(yè)大棚環(huán)境參數(shù)的聯(lián)動控制。

智慧農業(yè)監(jiān)控的系統(tǒng)參數(shù)如圖 4 所示。

4 結 語

該系統(tǒng)通過各傳感器來采集相應的數(shù)據(jù)，利用 ZigBee 無 線技術將數(shù)據(jù)從傳感器傳輸?shù)角度胧骄W(wǎng)關，再依據(jù) TCP 協(xié)議， 完成數(shù)據(jù)從嵌入式網(wǎng)關到 Web 服務器的傳輸，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 現(xiàn)對農業(yè)大棚里環(huán)境參數(shù)的實時顯示（包括相應的移動端顯 示），同時可以依據(jù)傳感器反饋的信息對大棚里的控制設備進 行簡單操作，以保證環(huán)境參數(shù)的穩(wěn)定。