基于物联网的智慧农业监控系统

引 言

中国的农业生产一直以来都依靠传统的生产模式，浪费了大量的人力物力，而且对环境造成了污染与破坏，不利于农业的可持续发展。因此，如何顺应新时期和谐社会对农业生产的要求，利用现有技术和平台来设计一个满足要求的新系统，成为迫切需要解决的问题。智慧农业利用物联网、云储存、ZigBee 等技术实现农业的精准化监控与管理。

1 系统总体方案

监控系统是基于现有技术特点，由嵌入式网关，RFID， ZigBee 及各种传感器模块组成，在遵循物联网三层架构的基础上设计实现的，包含安卓客户端和 Web 客户端的智慧农业监测系统。通过各传感器来采集相应的数据，然后利用ZigBee无线技术完成数据从传感器到嵌入式网关的传输，再依据TCP协议使数据从嵌入式网关传输到Web 服务器，将数据进行分析形成信息在安卓客户端和Web 客户端显示，实现将农业大棚里的环境参数在相应客户端与移动端显示的功能。同时依据传感器反馈的信息对大棚里的控制设备进行简单控制，以保证环境参数的稳定。此外，系统还为Web 用户和移动用户提供了友好的显示界面，管理和控制界面，给予用户良好的体验。监控系统总体结构如图 1 所示。

2 现场监控系统

现场监控系统由Android 手机客户端、嵌入式网关和ZigBee 模块组成。

Android 手机客户端主要用以实现人性化的人机交互界面。进入智慧农业监测系统界面后可以一览大棚内多种环境参数，如大棚内的温湿度信息、是否存在有毒气体、是否有人闯入大棚，大棚内的光照强度等。

四个ZigBee 模块上的传感器会对大棚内的环境参数进行采集，其中温湿度传感器用以实时采集大棚内的温度和湿度信息 ；广谱气体传感器用以感应室内有害气体（CO、SO2 等） 是否超标；人体检测主要对大棚内的作物起保护作用，当有人私自闯入大棚时，会感应到并及时报警 ；传感器将采集到的数据发送到各ZigBee 模块，然后通过 ZigBee 的自组织网络传递给整个网路中的ZigBee 协调器，此外，基于 CC2530 的风扇起到了排气效果，协调器通过RS 232 串口将数据传送给嵌入式网关进行相应的处理。

嵌入式网关将接收到的由ZigBee 协调器传送过来的数据进行处理并通过局域网传送给手机客户端，对于手机客户端发送过来的数据进行处理并对相应的传感器、生长灯、风扇进行控制。现场监控子系统需要满足实时数据存储分析、数据采集、网络连接等功能。

2.1 短距离ZigBee网络设计

ZigBee 技术作为一种低速率、低复杂度、低损耗、低成本的无线网络技术，逐渐成为近距离通信应用的首选。从农业大棚的要求来看，一般大棚所需要传输的数据类型对通信速率要求并不高，所以使用ZigBee 方式取代传统的布线方式可行性极大。考虑到一般农业基地均具有控制距离较短，测点多、设备多等特点，采用 ZigBee 的Mesh 组网方式。Mesh 网络由路由器、协调节点、多个终端节点组成，属于多跳的网络系统。在网络中节点之间可以直接通信，每次通信都由一条或多条路由节点进行中继，最后传给目的节点。ZigBee 终端节点工作流程如图 2 所示。

2.2 嵌入式操作平台设计

采用ARM-Linux 控制器模式， 硬件的部分选取 ARM Cortex-A9 系列作为嵌入式控制器的微处理器，该系列处理器具有性能高、处理能力强、低功耗等特点；软件部分采用Linux 操作系统，它具有多任务、多用户、兼容性高、界面操作简单、支持多种平台、安全性好等优点。嵌入式系统结构如图 3 所示。

2.3 视频监控设计

视频监控采用云台高清网络摄像头，它不仅可以通过手 动控制摄像头旋转，还可以通过 Web 或者手机 App 来控制， 拥有标准的 H.264 算法，同时能够支持 CIF、D1 两种分辨率， 适合无线网络 ；支持摄像头 360 度旋转；可通过 WiFi，蓝牙 传输数据，适用于不便布线的场合。

摄像头将采集到的视频数据通过内置编码器编码，经无 线网络传输到管理中心，同时解码器会将接收到的数据解码 后播放视频。

3 远程监控管理中心

远程管理中心主要由介入设备和计算机组成，用以完成大棚内环境参数的采集、传输和显示，还能实现对基地环境参数和视频的远程控制或者联动控制。

远程管理中心采用 B/S（浏览器／服务器）模式，用户通 过浏览器或者手机 App 登录管理控制中心，通过实时获取的 视频图像，直观地观察各大棚内的植物生长情况，并通过显 示的环境参数对生长状况进行分析。根据用户对于系统的要求， 设计了如下几个主要功能 ：

（1）具有设备监控、设备管理、视频监控、系统设置、 报警记录功能 ；

（2）对各基地的空气温湿度、有害气体、土壤温湿度、 光照强度等参数实时显示，拥有风扇、灯光、水泵等装置，用 户只需点击开关装置便可实现对远程装置的开关操作 ；

（3）对于植物生长相关参数进行正常范围的设置，实现 农业大棚环境参数的联动控制。

智慧农业监控的系统参数如图 4 所示。

4 结 语

该系统通过各传感器来采集相应的数据，利用 ZigBee 无 线技术将数据从传感器传输到嵌入式网关，再依据 TCP 协议， 完成数据从嵌入式网关到 Web 服务器的传输，之后将数据分 析形成的信息在安卓客户端和 Web 客户端显示。系统可以实 现对农业大棚里环境参数的实时显示（包括相应的移动端显 示），同时可以依据传感器反馈的信息对大棚里的控制设备进 行简单操作，以保证环境参数的稳定。