基于NFC与ZigBee技术的农业种植监测系统

摘 要：文中提出了一种融合近场通信与ZigBee技术的农业种植监测系统。该系统不仅支持通过ZigBee实现上位机与节点之间种植信息的远程交互，还可以利用移动智能设备通过近场通信方式就近从节点查看局部种植信息。系统实现了从近端到远端、全局到局部的多层次种植监测信息获取。文中对系统硬件设计、上位机软件设计、移动智能设备App开发、NFC设计及设备数据交互设计的具体实现方法进行了讨论。实际测试结果表明，该系统具有结构简单、成本低廉、可靠性高、覆盖区域广及对移动智能设备支持性好等优点。其可为未来农业物联网领域提供一种新的种植监测手段。

关键词：智能农业；近场通信；移动智能设备；无线传感器网络；ZigBee

中图分类号：TN709；TP27 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）03-00-04

0 引 言

近年来，我国农业物联网技术飞速发展，基于物联网技术的智能农业监测系统有望得到较大规模的推广应用[1-4]。但传统的物联网农业监测系统其网络结构层次单一，多采用基于有线或无线结构的节点-上位机数据采集模式[5-8]，节点数据访问模式缺乏灵活性，对监测数据的获取过度依赖上位机。使用者需要通过上位机或远程网络才能实时获得种植信息。在很多场合中，使用者感兴趣的仅仅是局部种植信息或现场田间接入，若利用3G/4G网络或WiFi作为技术支持手段，则存在系统建立与维护成本高昂、拓扑结构单一、节点功耗增加、对外部网络依赖性强等缺点。

NFC是近几年蓬勃发展的一种新型短距离高频无线通信技术[9-11]。该技术允许电子设备之间进行非接触式点对点数据传输（数厘米内）。相对于RFID技术，NFC不仅可用于识别，还具有一定的通信能力。近年来国内外已经将NFC用于移动支付、广告营销及安全控制等领域。NFC技术由于具有与移动智能设备集成度好、可用于识别、成本低廉及安全性高等优点，未来将成为物联网的主要短距离通信/识别手段之一。

本文提出了一种融合近场通信（Near Field Communica-tion，NFC）与ZigBee技术的农业种植监测系统。该系统不仅可以借助ZigBee无线网络向上位机传输节点采集到的温湿度、土壤温度、光照、氧气含量等数据，还可以让使用者在田间地头直接通过智能手机或平板电脑等移动智能设备与身边的监测节点交互，经由NFC实时动态地了解局部种植监测信息。该系统可丰富现有物联网智能农业监测系统的工作模式，尤其在一些高端农业种植、个体植株监测与观光农业领域，有望得到推广应用。

1 系统设计

本文提出的农业种植管理系统主要面向智能观光农业领域。管理者通过系统获得温湿度等种植信息，还可将施肥、喷药等信息写入终端节点。而普通访问者（如农业观光园中的游览者）通过具有NFC功能的移动智能设备获取某一节点周围局部的挂果时间、农业肥料喷洒时间、栽培品种、温湿度、价格等相关信息供其采摘时参考。管理者还可通过NFC接入次数在宏观层面了解各种植区的人流及采摘兴趣。系统中网络节点分为数据采集节点与数据汇聚节点。数据采集节点采集种植区内的空气温湿度、土壤温度、日光照度与氧气数据，并通过ZigBee送往数据汇聚节点。数据汇聚节点负责将前端数据送往上位机，并周期性地将接收到的上位机下行信息分发到数据采集节点。汇聚节点同样使用ZigBee信道与采集节点及上位机进行交互。上位机将采集数据进行存储显示，并对网络进行管理控制。移动智能设备可以通过NFC从数据采集节点获得种植信息，并利用设备上已安装好的相应App来查看。种植信息向节点的写入方式可以采用近程与远程两种模式，既可以由种植区管理者在种植的每一个阶段用NFC读写器将信息写入节点，也可以由远程上位机下达。如果采用NFC读写器写入种植信息，每次写入的结果还将在下一个轮询周期内发往上位机。系统结构如图1所示。

由于NFC与ZigBee技术处于不同频率范围（NFC：13.56 MHz；ZigBee：2.4 GHz），二者在频率上不会形成干扰。由于NFC为近程点对点协议，因此在节点网络设计过程中可以排除多NFC并行接入单节点的情况。在设计网络空间拓扑时，可直接根据ZigBee组网的需求进行布局。温湿度、光照等数据变化速度相对较为缓和，数据采集点及数据汇聚节点通过ZigBee传输数据时可采用分周期轮询机制。而移动智能设备通过NFC对节点的访问具有较大的随机性。轮询机制下每个数据采集节点在接到轮询指令后都会在指定时间窗口（通常为数秒）内将数据发出，而通常NFC访问所消耗的时间仅需数百毫秒。所以为避免二者在时间窗上冲突，可以将NFC网络传输的优先级设高。如果同时发生对节点资源的请求，则进入NFC数据传输模式，优先完成NFC数据传输。这一方式既保障了NFC方式的数据，也不会对ZigBee传输造成明显影响。

2 硬件设计

由于系统中数据采集节点既需承担对种植参数的采集与发送工作，也需要负责NFC的数据读写，因此其设计的优劣将直接决定系统的工作性能。在具体设计中，采用微芯公司生产的PIC16F690单片机作为节点MCU。PIC16F690具有高可靠性、低能耗及低成本等特点，非常符合户外监测系统的应用需求。节点温湿度传感器选用AM2306，该传感器为单总线数字式传感器，温湿度、精度都可以达到0.1%RH的标准。土壤温度传感器选用不锈钢封装的DS18B20。节点日光照度传感器选取美国DAVIS公司生产的6450日光辐照传感器，其光谱响应范围覆盖了400 nm到1 100 nm的区域，输出角度响应为一余弦响应曲线。氧气传感器采用英国City Technology公司生产的4OXV氧气电池式氧气传感器。4OXV输出信号经由AD8602高精度放大器放大后供MCU进行A/D采样。

数据采集节点NFC部分采用恩智浦半导体（NXP）PN532芯片，PN532是一个高度集成的非接触读写芯片，它包含带40 KB ROM和1 KB RAM的80C51微控制器内核，用于NFC协议控制，同时还集成了13.56 MHz的各种主动/被动式非接触通信方法和协议。在NFC模式下，典型工作距离约为100 mm。节点中PN532通过SPI接口与MCU相连。节点ZigBee部分选用基于TI公司CC2530的DRF-2617透传模块。PIC16F690通过USART接口与其连接。为了降低ZigBee传输受葡萄藤蔓、大棚支撑物等障碍物的干扰，还采用了信号增益为18 dBi的八木定向天线作为增强ZigBee传输的手段。节点主板与设置安装如图2所示。

数据采集节点共有三种工作模式，即NFC写、NFC读与ZigBee采集/魇洹

在NFC写模式下，系统管理者可以利用NFC读写器，通过PN532将种植信息（如施肥种类/时间、农药喷洒种类/时间、植株挂果时间）等按照预先设定好的格式写入节点的存储空间中。

在NFC读模式下，智能设备通过PN532读取种植信息，此外还可查阅该时刻节点传感器采集到的氧气浓度、温湿度等棚内环境实时信息。设计通过绑定读写器ID来分辨设备的工作模式与读写权限。此外，在移动智能设备配套App中也设置了相应的权限标签。

在没有NFC访问要求时，节点工作于ZigBee采集/传输模式下。当接到上位机通过数据汇聚节点发来的轮询传输请求后，节点先检查是否有上位机发来新的种植信息或自身内部存储中是否有未上传的种植信息，如果有则执行相应更新。完成种植信息交互后，节点采集传感器数据，并与周期内NFC接入次数一起发往上位机。

系统数据汇聚节点采用与数据采集节点相同的硬件平台，但其与数据采集节点的主要硬件区别体现在以下方面：

（1）硬件结构中省略了对NFC功能与传感器采集功能的支持。

（2）节点使用15 dBi的全向玻璃钢天线以达到ZigBee信号全向覆盖的目的。由于该系统的节点硬件平台在设计时就考虑了通用性，所以通过移除替换对应模块就可实现硬件功能改变。在此基础上通过改写MCU程序，即可实现数据中转汇聚功能。上位机通过RS-232连接DRF-2617模块，该模块设为Coordinator。系统的ZigBee网络为双层网络架构，初始化时数据采集节点自动寻找RSSI最优的数据汇聚节点，上位机收集该节点配对信息。每隔一定时间，网络重复该操作，从而实现对数据流向及空间覆盖的规划设定。

3 系统软件设计

3.1 上位机软件设计

上位机负责系统的管理与数据存储显示，系统中上位机软件使用VC++编写。软件初始化时写入网络中各数据汇聚节点与数据采集节点的ZigBee网络ID。针对每一个数据采集节点建立对应的文件夹，每日的监测数据存储到以日期编号的文件中。上位机软件根据节点网络分布设定轮询周期，在每一个轮询周期中对各节点的监测数据进行查询。用户还可通过上位机软件针对特定数据采集节点输入种植信息。通常通过上位机写入的种植信息对应园区施用较广的化肥或农药等。而利用节点NFC写入的种植信息是覆盖小片区或单植株的种植信息。上位机软件还提供简洁的UI，便于拥有较少电脑操作经验的系统管理者使用。由于4OXV氧气传感器的输出受温湿度等影响较大，而6450辐照传感器的输出受日照入射角影响，所以必须在二者的直接测量值上进行处理才能得到真实值。4OXV在节点装机前都利用变温气室进行测量，得到一组离散的数据节点。之后在上位机软件中结合节点温湿度进行双二次样条插值，从而得到真实的氧气浓度。6450角度余弦误差则通过利用实时时间引入日照高度角计算值来进行修正。上位机用户界面如图3所示。

3.2 移动智能设备App及NFC设计

由于iOS系统尚未成熟实现对NFC的支持，所以系统App设计面向Android平台。为了可以让移动智能设备对标签进行信息交互，就必须使其实现对NFC协议栈的支持。一个完整的Android-NFC协议栈包括驱动抽象层（Driver Abstraction Layer，DAL）、逻辑链路控制层（Logical Link Control，LLC）、主机控制接口（Host Controller Interface，HCI）、硬件抽象层 （Hardware Abstraction Layer，HAL） 、操作系统抽象层（Operating System Abstraction Layer，OSAL）、论坛参考实现（Forum Reference Implementation，FRI）。为了兼容读卡器对节点种植信息的写入与移动智能设备的接入，系统在NFC访问中采用点对点模式。当NFC数据经过各层协议栈处理后，可看作面向上层的API接口，Android将其统一封装为NFC适配器供应用程序调用（在android.nfc中）。当智能设备拟与系统节点进行连接并已完成HAL与DAL层的初始配置后，将调用NFC初始化函数对设备的协议栈进行初始化，由此实现对NFC库及相关协议栈层的初始化。在完成后即进入点对点工作模式。当移动智能设备的NFC扫描器被数据采集节点的NFC触发后，就会向App发送ACTION_TAG_DISCOVERED的Intent，Intent的extras架构中包含NDEF（NFC Data Exchange Format）消息。App接收到该消息后，就会调用连接函数与节点建立点对点连接，该过程类似一个消息解析过程。之后使用目标设备调用函数接收P2P通信发起设备的消息并进行响应。之后利用数据传输函数对节点信息进行读取。读取完成后调用智能设备上的中止函数释放NFC连接。在该工作中智能设备为NFC通信的发起者及控制方。当完成一次NFC读写后智能设备的NFC扫描器继续工作，方便对下一个节点的交互。完成NFC读写后，将通过API获取的数据在App中规格化。在App的UI中我们只定义了一个文本框（TextView）用于显示接收到的数据，同样采用线性布局（LinearLayout）设计。文本框位于页面的中间位置。NFC用户可以方便地获取局部种植参数，还可以根据预先写入节点的经纬度通过调用百度地图获取直观的节点位置信息。显示内容与界面方案如图4所示。

3.3 ZigBee数据交互设计

系统在进行ZigBee数据交互时采用可变长度容器的方式。上位机在下达轮询信息时在数据包的标签中指定汇聚节点，采集节点的ID号、数据类型及容器长度。数据类型分为查询指令与查询/写入指令两种。前者要求指定的数据汇聚节点反馈其下属数据采集节点的监测数据。后者不仅要求搜集并发回监测数据，还要求对特定节点进行种植信息写入操作。其容器内数据内容由写入节点ID、种植操作内容与对应的操作时间组成。当数据包到达数据汇聚节点后，数据汇聚节点进行拆包操作，将对应的信息按照轮询时间间隔及ID号下发到数据采集节点，数据采集节点收到指令后进行对应操作。数据采集节点上行的数据包可分为监测数据数据包与监测/种植信息数据包。前者仅含有常规的监测数据。而如果数据采集节点在两次轮询的时间间隔内有NFC写入信息，则可变长度容器内还含有当次写入信息。数据汇聚节点收集完毕自身下属数据采集节点的数据后，将其依次加上行标签上传到上位机。而如果在某数据采集节点的轮询周期内未收到返回信息，则将其上行容器置零。上位机以此判断该节点当次数据采集失败。若上位机在该轮询周期内未收到数据，也认为当次数据采集失败，从而进入下一个轮询周期。

4 测试结果

系统设计完成后在江苏省昆山市巴城地区的葡萄N植区进行了相应测试。在实测过程中节点按照以上位机位置为圆心的扇形随机排布，节点天线之间为视距传输。按照汇聚节点分配扇区，数据采集节点围绕汇聚节点配置。由于系统工作中采用轮询机制，且上位机侧重的是种植区种植参数的采集有效性，所以在测试中定义了轮询响应率（Request Response Rate，RRR）作为评判ZigBee传输性能优劣的标准。轮询响应率定义为在特定时间长度内，上位机发出查询请求与接收到的有效采集数据之间的比值。该比值与环境信道情况、上位机-数据汇聚节点距离（DSU）和数据汇聚节点-数据采集节点直接相关（DTS），并能较为简单、直观地从数据请求与接收过程中获得链路质量情况。

测试中以单位小时内轮询响应率为衡量标准。系统初始安装时，晴好视距条件下各数据采集节点经由数据汇聚节点与上位机之间的轮询响应率都为100%。但在实际使用过程中，环境影响会使轮询响应率出现随机性降低。轮询响应率为单位时间长度上的统计量，其极小值对应网络在最恶劣情况下的数据传输情况。在实测中发现，降雨对本系统的轮询响应率有一定影响。具体表现在高强度降雨会造成较大雨衰等。当出现连续高强度降雨，且DSU与DTS二者距离都大于1 km时，轮询响应率会有一定程度的降低。不同DSU与DTS下小时RRR的测量结果如图5所示。系统测试中小时RRR的最小值出现在2015年8月3日夜间，为67.2%（DTS=1 372 m，DSU=1 684 m）。该时段巴城地区出现了高强度降雨。而DSU与DTS都处于0.2 km范围内的节点，降雨对其轮询响应率的影响可以忽略。

测试全周期（2015年3月-11月）监测结果显示，在节点DTS与DSU值都小于800 m的范围内，全周期RRR均值接近100%。造成RRR波动的主要原因是随机性的NFC访问。而在DTS与DSU较大的情况下，RRR值波动主要由环境因素引起。但节点全周期RRR均值都大于95%。由结果可以看出，本系统具有较大的采集范围，由于系统使用了高增益天线，覆盖半径最多可达3 km以上。而在恶劣气象条件下也有较强的可靠性，强降雨条件下边缘节点仍可完成60%以上的数据采集传输。

数据采集节点与移动智能设备之间的NFC通过能量耦合的方式实现。NFC所使用的方形环路天线的最大场强区位于其中心轴线上。随着手机-节点距离的增加或相对角度的加大，NFC能量耦合下降，手机-节点的NFC连接成功率有所下降。在本系统中，PN532模块的天线紧贴防水箱的内表面水平放置（X-Y）。测试中以PN532模块天线的中心为坐标原点，手机沿Z方向以0.5 cm步进移动并在每个位置上多次测量，获得不同角度下的种植信息数据读取成功率。测试中使用三星 I9308与SONY M36h手机对数据采集节点进行读取，手机根据其NFC天线中心点用万向节固定。测试结果如图6所示。测试表明，在20 mm范围内，手机可以在任意角度与节点进行通信。在20 mm至45 mm范围内，手机如与NFC天线平行对中放置时仍然具有较高的连接成功率。

5 结 语

本文提出一种融合了ZigBee与NFC技术的农业种植监测系统。该系统不仅可利用ZigBee无线传感器网络结合上位机实时查看、更新种植数据，还支持利用移动智能设备直接通过NFC方式从数据采集节点中获得种植信息。文中针对系统硬件设计、上位机软件设计、移动智能设备App开发、NFC设计及设备数据交互设计进行了讨论。测试结果表明，系统具有较大的覆盖范围、可靠性高、成本低廉、对移动设备支持较好等优点。该系统使对种植监测数据的访问方式从单一远端访问变为近端与远端相结合，实现了对广域与局部种植信息多层次、多空间的融合利用。该农业种植监测系统对观光农业、单植株监测及农超对接等需要局部种植信息查询的场合有直接的应用意义。系统有望未来为农业物联网领域提供与移动智能设备集成度好、使用更为灵活的参考技术方案。

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