GIS和ZigBee技术在农业温室监测系统中的应用

摘要：针对目前农业温室管理中存在的问题，设计了一种基于GIS和ZigBee技术的农业温室监测系统，实现了地理信息技术与无线通信技术的有机结合。该监测系统采用CC2530芯片搭建ZigBee网络，并将采集到的数据通过GPRS网络传输到GIS平台中，进行分析、处理和显示。测试结果证明，监测系统工作稳定，能准确地采集温室信息，用户可实时掌握温室情况，为下一步的温室远程控制奠定了基础。

关键词：GIS；ZigBee；农业温室；监测系统；温室信息

中图分类号：TP277.2；S126 文献标识码：A 文章编号：0439-8114（2014）01-0211-05

Application of GIS and ZigBee Technology in the Monitoring System of

Agricultural Greenhouse

YU Bao-kun，HU yu

（College of Electronic Information and Automation， Tianjin University of Science & Technology， Tianjin 300222， China）

Abstract： In order to solve the existing problem of agricultural greenhouse management， a monitoring system of agricultural greenhouse， which realized the organic integration of geographical information technology into wireless communication technology， was designed based on GIS and ZigBee technology. The monitoring system built ZigBee network using CC2530， and the data gathered were transferred to GIS platform by GPRS network， and then were analyzed， processed and displayed in GIS platform. Test results showed that monitoring system worked stably and could collect greenhouse information accurately. Users could know greenhouse conditions in real time. The system laid a foundation for the further greenhouse remote control.

Key words： GIS； ZigBee； agricultural greenhouse； monitoring system； greenhouse information

收稿日期：2013-06-09

基金项目：天津科技大学实验室开放基金（1202A205）

作者简介：于宝（1984-），男，天津塘沽人，实验师，硕士，从事单片机应用的研究，（电话）15822688946（电子信箱）。

作为农业生产的重要手段，温室种植已在中国得到了广泛的推广。随着科技的发展，采用新技术对温室大棚进行实时监测，不仅可以为农业的精细化管理提供保障，还可以提高作物的品质，并降低生产成本。传统的温室监测系统采用有线方式，这种方式布线工程量大、成本高，系统存储量小，可视化程度低，为了解决这一问题，该文将GIS和ZigBee技术应用到温室监测系统的开发中，使用户可以通过友好的地理信息界面，实时掌握各个监测点的信息，并据此做出科学的温室管理方法。

GIS（Geographic Information System）称为地理信息系统[1]，是一种采集、存储、管理、分析和显示地理信息的计算机系统。GIS及其相关技术在近十年取得了惊人的发展，并广泛地应用于市政管理、国土资源调查以及交通管理等多个领域。因此，将GIS技术应用到农业监测领域，构建农业实时管理平台，对农业生产力的提高势必起到积极作用。

ZigBee技术[2]是一种近距离无线通信技术，以2.4 GHz为主要频段，具有功耗低、成本低、组网方式灵活、网络容量大等特点，能适应温室大棚的分布特点和数据传输要求。

1 系统总体方案及工作原理

农业温室监测系统主要由现场采集单元、ZigBee局域传输网络、GPRS移动网、中心服务器和监控中心等5部分组成，系统结构如图1所示。

系统采用自底而上的结构进行设计，其中现场采集单元负责采集温室内的光照强度、温度、湿度、土壤水分、CO2浓度、O2浓度等参数，并将这些参数进行编码上传给传输终端节点。为了准确、快速地对光照强度等参数进行采集和封装，并减轻传输终端节点的工作负担，现场采集单元采用STM32处理器作为核心控制器，并配备相应的传感器模块，不同于传统的ZigBee监测网络中现场采集单元与传输终端节点共用同一个控制器的情形。

由于温室大棚具有分布零散的特点，因此在建立ZigBee网络的时候，将一定范围内的温室大棚组成ZigBee局域传输网络，不同的局域传输网络之间不能进行通信，只有传输网络内部的节点可以相互交换数据[3]。每个独立的ZigBee局域传输网络均采用簇树型网络拓扑结构，具有传输终端节点、路由器节点和网关节点3类网络节点。传输终端节点可以获取温室内的相关信息，并将这些信息上传给路由器节点。路由器节点不仅可以直接获得现场采集单元传递的信息，还具备数据转发的功能，而网关节点无法直接获得现场采集单元采集的信息，它主要负责ZigBee网络的初始化工作，将路由器节点传来的现场信息进行汇总，并通过GPRS模块传递到GPRS网络中。之所以在系统中引入GPRS网络，是由于ZigBee技术的传输范围有限，其有效通信距离不能满足网关节点与监控中心之间的通信，而GPRS网络覆盖广，传输距离长[4]，可将各个ZigBee局域传输网络的数据进行汇总，并通过Internet上传给中心服务器，实现了现场采集单元与监控中心的远程通信。

在每个局域传输网络中，只具备一个网关节点，传输终端节点只能与一个路由器节点进行通信，而路由器节点既可以和多个传输终端节点进行数据传输，也可以将信息进行汇总并传递给网关节点。

中心服务器是整个系统的数据存储单元，由空间数据库、属性数据库和实时数据库组成，其中空间数据库存储地理信息，而实时数据库存储来自底层的实时数据。

监控中心是温室监测系统的重要组成部分，其采用GIS技术进行搭建，为用户提供了一个可视化操作平台，用户通过该平台可直观地掌握各个温室的分布情况，实时观测各个监测点的状态信息。监控中心可以设置监测点的土壤水分等参数的报警值，当被检测的参数发生异常时，可自动向用户发出短消息，以提醒用户。

2 系统硬件设计

2.1 ZigBee传输模块的设计

ZigBee局域网络中的传输终端节点、路由器节点和网关节点采用TI公司生产的CC2530F128芯片作为ZigBee网络的组建基础。该芯片是用于2.4 GHz IEEE802.15.4和ZigBee应用的一个真正的片上系统（SoC）解决方案。它能够以非常低的材料成本建立强大的网络节点。CC2530F128[5]集成了一个高性能的RF收发器和一个增强型的8051CPU，8 kB的RAM，128 kB的Flash，并具有强大的外设，包括8路A/D、2个USART以及21个通用I/O接口。CC2530F128具有不同的运行模式，满足温室监测系统对低功耗的要求，同时运行模式之间的转换时间短，进一步确保了低能源消耗。

2.2 现场采集单元的硬件设计

现场采集单元主要由微处理器模块、传感器模块、LCD模块和电源模块4部分组成（图2）。其中，LCD模块采用分辨率为240×320的真彩TFT液晶显示屏，与微处理器通过FSMC接口相连，可直观地显示被监测参数的数值，而电源模块为其他模块进行供电。

2.2.1 微处理器模块 微处理器模块采用ST公司的STM32F103ZET6型芯片[6]，该芯片为144引脚LQFP封装，采用Cortex-M3作为内核，具有512 kB的Flash，64 kB的RAM，最高工作频率可达72 MHz；具有I2C、5 USART、SPI、FSMC等多种接口形式，减轻了内核的负担；多达112个的多功能双向I/O口，便于系统扩展。

2.2.2 传感器模块 传感器模块的主要组成部分是测量温度、湿度等参数的传感器，根据低功耗、高精度的原则，选择如下传感器：温湿度传感器AM2302、O2传感器ME2-O2、CO2传感器MG811、光照传感器BH1750FVI和土壤水分传感器HL-TR01。

1）AM2302是一款已校准、数字信号输出的温湿度复合传感器，采用单总线方式进行通信，与STM32F103ZET6芯片通过引脚PB1相连。温度测量范围为-40～80 ℃，湿度测量范围为1%～99.9%RH。AM2302具有分辨率高、响应快、抗干扰能力强、体积小、功耗低等优点，适合各种环境使用。

2）ME2-O2根据电化学原电池的原理进行工作，通过待测气体电化学反应所产生的电流与其浓度成正比并遵循法拉第定律，来准确获得气体浓度，其测量范围是0%～25%vol。由于STM32F103ZET6无法直接测量电流值，故ME2-O2需外接I/V转换电路，并通过引脚PC0，将电压信号传递给STM32F103ZET6。

3）MG811是一种固体电解质元件，由于其输出的电压信号较低，而输出阻抗很高，在实际使用中，外接了由CA3140型高阻运算放大器组成的同向比例放大电路，并将转换结果通过STM32F103ZET6 PC1口，引入其内部的ADC输入通道完成模数转换。

4）BH1750FVI是一种基于两线式串行总线接口的数字型环境光强度传感器，其测量范围宽（1～65 535 lx）、分辨率高，可测量多种光源，受红外线影响小，内部集成了16 bitA/D，无需外接电路，通过I2C总线挂接在STM32F103ZET6的接口PB10和PB11上。

5）HL-TR01是一款基于频域反射原理，利用高频电子技术制造的高精度、高灵敏度的传感器，其测量范围为0%～100%（m3/m3）。通过插入土壤中的探针，测量土壤的介电常数，并转换成电压信号来反映土壤的真实水分含量，将其输出信号与STM32F103ZET6 PC2口内部的ADC输入通道相连，从而完成数据的采集。

2.3 GPRS模块的选取

在网关节点中，CC2350F128将汇总的信息通过串口传递给GPRS模块，由GPRS模块将信息发送到GPRS网络中。GPRS模块选用SIMCOM公司生产的SIM300z。它是一款三频段GSM/GPRS模块[7，8]，可在900、1 800、1 900 MHz 3种频率下工作，支持多种GPRS编码方案，具备GPRS永久在线功能，满足温室监测系统对传输网络稳定性的要求。SIM300z体积较小，可靠性高，内部集成了TCP/IP协议栈，并且扩展了TCP/IP AT指令，使用户利用该模块进行数据传输变得特别简单、方便。

3 系统软件设计

3.1 现场采集单元的软件设计

现场采集单元的软件部分采用传统的无限循环方式进行设计，由主程序和中断子程序组成（图3）。主程序在完成硬件平台初始化后进入低功耗模式，等待中断子程序的发生。初始化任务主要完成时钟、中断、GPIO、串口、FSMC、ADC、I2C及定时器TIM1的配置工作。中断子程序由定时器TIM1每隔5 s产生，并利用ADC、I2C、DMA等通道采集并存储传感器的实时数据，数据经编码后通过串口USART1上传给传输终端节点或路由器节点。在中断返回后，主程序将这些数据在带有FSMC接口的LCD屏上进行显示。

3.2 ZigBee协议栈的移植

为了降低ZigBee网络中各节点程序的编写难度，系统在各节点中移植了ZigBee 2007协议栈Z-Stack。该协议栈是由TI公司为配合CC2530芯片而推出的软件平台，具有众多的API函数。用户使用Z-Stack协议栈作为软件基础平台，不仅可以提高代码的可靠性，也可缩短开发周期，从而降低了开发成本。

在移植Z-Stack的基础上，用户可在应用层利用API函数编写程序，以实现各节点的功能。主要包括：①传输终端节点。加入ZigBee网络；利用ZigBee网络，将现场采集单元上传的数据传输到路由器节点。②路由器节点。加入ZigBee网络；通过串口接收现场采集单元上传的数据，并将传输终端节点上传的数据一同转发到网关节点中。③网关节点。ZigBee网络的建立与维护；接收和汇总来自路由器节点的数据，并传输到GPRS网络中。

3.3 监控中心的架构设计

监控中心采用GIS技术进行搭建，其中GIS开发平台选用超图公司的SuperMap ，编程工具采用微软公司的Visual Studio 2008，编程语言为.NET平台支持的可视化语言C#。图4所示为监控中心的GIS平台架构，该架构采用基于Client/Server（客户端/服务器）模式的4层结构进行设计，包括应用层、平台层、接口层和数据层。这种设计架构分工明确，4个层次可分别实现不同的功能，并相互依存，最终形成一个统一的整体。

应用层是用户与GIS系统进行交互的媒介，通过桌面程序，该层可以实现以下主要功能：地图的显示、响应用户的操作、向数据层发送查询请求并将请求结果展现给用户。作为GIS应用平台的基础，平台层由系统开发过程中使用的平台和数据操作组件所组成。组件式开发平台SuperMap 是基于.NET技术开发的一款产品[9]，它在共相式GIS内核基础上，采用C++/CLI进行封装，是纯

.NET组件。GIS平台内部所有GIS数据的显示、分析和处理，以及空间数据和属性数据的调用都通过该平台来完成，并将结果在应用层中显示。数据操作组件是由用户自定义的类库，用于接收应用层发送的非空间数据处理要求，并将结果返回给应用层。同时，系统的报警短信也通过该组件适时发出。

接口层是平台层与数据层之间进行数据通信的通道，其中空间数据引擎SuperMap SDX+负责空间数据库和属性数据库的存储、查询，而负责实时数据库的管理。数据层用于存储系统的全部数据，其设计质量的好坏直接影响整个系统的运行效率。

4 中心服务器数据库设计

中心服务器是整个监测系统的中枢，用于存储系统的全部数据，并为监测点与监控中心之间提供了一座连接彼此的通信桥梁。中心服务器中的数据库即为GIS平台中的数据层，采用面向对象的数据模型法进行设计，利用对象-关系型数据库SQL Server 2005进行搭建，主要包括空间数据库、属性数据库和实时数据库，如图5所示。

空间数据库[10]是整个数据库的核心部分，记录了实体空间的位置、拓扑关系和几何特征，并以层的形式进行管理，包括地形层和温室层。属性数据库用于管理与空间信息密切相关的温室属性，如温室的面积、权属人等。实时数据库用于存储底层上传的温度、湿度等信息。利用该数据库，用户不仅可实时查询温室的状态，并对可能发生的异常进行预警，还可以浏览温室的历史数据。为了实现对3个数据库的一体化管理，需设置统一的关键字，进而形成一个高度集成化的整体。

5 系统测试

为了验证系统的完备性和稳定性以及GIS平台的功能，选取5个邻近的农业温室作为被监测点，并编号为1～5。将3个传输终端节点和2个路由器节点分别安装在温室1～3和温室4～5内，网关节点则布置在温室1中，从而形成了由6个节点组成的ZigBee局域传输网络。为了采集温室内的数据，在各温室内还放置了现场采集单元，而系统中的监控中心和中心服务器则位于远端的实验室内。在系统的总体架构建立后，即可对GIS平台进行测试，主要包括以下主要功能的测试。

1）数据监测与显示。通过操作界面，用户可实时监测温室的各个参数，并以多种形式对保存在中心服务器中的实时数据和历史数据进行显示，包括报表和曲线形式，图6所示曲线为某一时段温室1的温度实时曲线，通过观察曲线的变化趋势，使用户对参数的特性有一个感性的认识。

2）地图浏览功能。通过测试，用户可对地图进行放大、缩小、移动、全图、刷新等基本操作，满足用户对温室进行观察并快速定位的需求。

3）查询功能。需要测试点击查询和选择查询两种功能。①点击查询：用户在地图中只需点击相应的温室点，就可以查询该温室的地理属性和实时数据。如图7所示，用户在操作界面中，点击相应温室点即可获得其编号、位置，以及室内温湿度等信息。②选择查询：用户只需在对话框中输入查询条件，例如温室内的温度，即可将满足条件的温室以高亮形式显示在地图中。

4）预警功能：为了测试系统的预警功能，可将系统某一参数的预警值，例如温室的温度值设定为一个较低值，这样当正常值被GIS平台接收后随即产生了报警，在用户界面中表现为相应的温室点在不间断地闪烁，以提醒用户。

6 小结

将GIS与ZigBee技术应用到农业温室监测系统的开发中，GIS技术满足用户对海量数据进行存储、处理和显示的需求，ZigBee技术提供了灵活的组网方式，而GPRS的引入更有效地增加了监测系统的数据传输距离。用户不仅可获得温室内的温度、湿度等参数的实时值，还可以观察温室的地理分布信息，查询其属性特征，从而更全面地掌握温室的状况。利用该系统可为温室系统的安全运行提供可靠的支持和保障，从而提高了温室的管理水平，降低了生产成本。在下一步的开发中，可将远程控制功能融入到温室监测系统中，从而实现对温室内各个参数进行自动调节的功能。

参考文献：

[1] 刘小燕.城市供水管网GIS的设计与实现[D].西安：西安电子科技大学，2007.

[2] 瞿 磊，刘盛德，胡咸斌.ZigBee技术及应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[3] 杨 方.基于无线传感器网络的农田环境监测系统设计[J].湖北农业科学，2012，51（15）：3334-3337.

[4] 高海侠，傅 伟.基于GPRS的农村人口管理系统设计[J].湖北农业科学，2012，51（13）：2846-2848.

[5] 谢忠兵，武 佩，韩国栋，等.基于ZigBee技术的土壤温度无线监测系统研究[J].农机化研究，2013，35（2）：189-191.

[6] 蒙博宇.STM32自学笔记[M].北京：北京航空航天大学出版社，2012.

[7] 苗文山.基于GPRS技术的远程无线自动电能抄表系统的设计[D].太原：太原理工大学，2008.

[8] 于宝，许 国，胡 瑜，等.基于GPRS的实验室检测系统[J].电子设计工程，2010，18（2）：7-8.

[9] SuperMap图书编辑委员会.GIS工程师训练营：SuperMap Objects组件式开发[M].北京：清华大学出版社，2011.

[10] 张 硕.基于SuperMap Objects的河南省南水北调地理信息系统设计与实现研究[D].郑州：郑州大学，2010.