基于物联网技术的精准灌溉农业系统应用框架

摘要：在农作物种植中，农作物的灌溉状况决定了农作物的生长情况，是保质保量的一个重要因素。针对传统的根据经验判断农作物的缺水状况，提出一种基于ZigBee物联网技术的精准灌溉农业系统的应用框架，能实时监测到农作物的缺水情况，进行合理与精准的灌溉。该框架由传感层、传输层、应用层三部分构成。将结合农业灌溉的实际情况。从系统总框架、软件设计、硬件通信进行阐述。

关键词：物联网；ZigBee技术；农业精准灌溉系统

0 引言

物联网是近年来新兴的一种信息技术，它被认为是继计算机、互联网技术后一次新的技术革命。针对在传统的农业种植中，人们获取农田信息主要是通过人工测量，做出决策一般依赖的是经验管理。这种粗放的管理方式极大地阻碍了农业的发展。对农产品产量与质量的提高都有一定制约的作用，缺乏精确性。人们尝试将物联网技术应用于农业中。在文献[1]中，采用了物联网技术对农业中病虫害进行监测。在文献[2]中，采用了物联网监控农田环境来为精准灌溉系统提供决策支持。它将传感网络采集的农田的温湿度和光照强度等参数传人互联网，应用层通过分析农田各参数之间的关系，找到一个优化的灌溉方案。

目前，物联网技术在农业中的应用是将大量的传感器节点构成监控网络，通过各种传感器采集信息后传输给应用层的管理中心，管理中心对采集的数据进行处理。人们通过采集的数据了解农作物的生长情况。一旦数据出现异常，可以通过传感网络里的节点来定位，找出异常点，实现精确定位，具有比较强的实时性。因此，物联网技术在农业中的具体应用有望为农业带来划时代的变革。

以ZigBee无线通信技术和物联网为基础，文章提出了一种精准灌溉农业系统的框架。它通过布置在田间的传感器节点来采集数据，根据采集的数据来分析田间农作物的生长状况，及时反馈农作物信息，体现了实时性。根据田间传感节点的布置位置生成一个田间模拟图。由模拟图上的节点来设置灌溉的区域与灌溉的时间，体现了精准性。

1 物联网与ZigBee技术

1.1物联网

物联网的概念是首先由美国麻省理工学院提出的，认为物联网是将所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理的网络。物联网相对于互联网来说，重心在物，它是“物物相连的互联网络”。这阐述了两层意思：①物联网的核心和基础仍然是互联网，是在互联网基础上延伸和扩展的网络；②其用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间。进行信息交换和通信。

物联网的体系结构按照功能划分可以分为三层：传感网络层、传输网络层、应用网络层。传感网络层主要由带有一系列传感器的节点组成，这些节点被部署在监测区域内，负责信息的识别和采集。然后将采集的数据通过无线信道进行传输，通过多跳路由到基站，再由网关连接到外部网络。传输网络层主要是指由互联网、广电网、通信网或下一代网络对来自传感网络的数据进行传输和分析处理。保证传感网络中采集的数据能进行安全无误的传输，为应用层提供服务。应用网络层主要指用于操作的输入输出控制终端。通过诸如电脑、手机等终端来观测、监控物体的情况。物联网的处理流程是在传感网络收集信息后，通过传输网络传输到管理中心，由管理中心进行信息的分析与处理，然后提供给应用终端进行使用。

1，2ZigBee技术

ZigBee技术是一组基于IEEE 802.15.4无线标准研制开发的有关组网、安全和应用软件方面的通信技术。它是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的双向无线网络技术。相对于其他无线网络技术，ZigBee技术可以大大节约成本，提供可靠性。

2 系统总框架

本系统总框架由图1所示，本系统框架的网络可以划为传感器网络、通信网络、应用网络三个部分。传感器网络包括了带有传感器及无线发射模块的终端设备，ZigBee无线路由器与协调器。无线传感网络中节点附带的各种传感器用于获取周围环境的信息，诸如电压、电流、水位、水压等。传感器网络与通信网络之间采用ZigBee技术进行消息的发送与接收。通过串口连接协调器与上位机，实现通信控制的功能。在应用网络中，远程服务中心用于远程管理与查看所有农田的状况，田间管理中心用于管理员对自己管辖的农田进行状态查看与灌溉操作。该系统的设计满足了物联网体系三层结构，保证数据的采集、传输与处理，实现软硬件之间的通信控制。它能实现搭建的无线传感网络的数据采集、数据处理、数据传输的功能。

3 软件设计

软件设计分为两部分：田间管理中心与远程服务中心。

3.1田间管理中心

田间管理中心主要是为田间某个独立灌溉系统配套的ZigBee无线系统软件，它是灌溉自动化系统的现场人机操作站。它主要包括了四个模块。

（1）地图绘制模块

地图绘制模块主要用于两种情况，一是调入特定的地图来显示田间布局情况，二是根据实际需要绘制田间的布局情况。当在田间部署好带有传感器的节点、路由、阀门控制器等设备后，可以根据田间的形状以及节点部署的位置来绘制一个田间的模拟图。当用户想要对某块区域进行灌溉时，只需选择区域附近的节点进行命令下发，实现精确的定位。它能根据模拟图与真实田间的比例关系来设定灌溉的区域与时间。通过定位到节点，以节点中心，设置灌溉区域的参数，实现按量与精准灌溉。

（2）电磁阀管理模块

此模块主要是电磁阀的时序控制与电磁阀状态的管理。时序控制包括了两个方面：一是单个电磁阀的随机控制，二是整个灌溉系统的编制轮灌控制。

单个电磁阀的随机控制指可以任意选择控制的电磁阀进行操作。控制节点通过对灌溉阀的操作来控制电磁阀的开关状态。根据电磁阀的状态，发送命令到无线通信模块，进行喷灌阀的喷灌操作。

编制轮灌主要是指将整个系统的电磁阀分组，设定每组的轮灌开始和结束的具体时间。通过选择轮灌时间连续的组，实现连续喷灌。在轮灌期间用户可以查看已经编制的分组和正在执行轮灌的系统状态，而且用户可以取消正在执行的轮灌作业任务。

（3）信息管理模块

信息管理模块主要包括电磁阀状态信息管理、土壤水分以及田间气象信息管理、电压、电流、水位、水压数据信息管理。其中对电磁阀的状态信息管理是指对电磁阀的状态信息进行收集、显示、存储。出现错误能即时报警。土壤水分以及田间气象信息管理是能实现土壤水分以及田间气象数据采集时间的远程设定，实时采集、实时显示，分析与存储土壤水分以及田间气象数据。电压、电流、水位、水压数据信息管理是指能监测电压、电流、水位、水压的实时数据，能设定各自的报警数值。

（4）通信管理模块

该模块主要是与远程服务中心交换数据，能执行远程服务中心向田间管理中心的指令。它能管理用户信息和网络通信，实现与无线模块的通信。

3.2远程服务中心

远程服务中心主要用于管理员远程监管所有的农田，查看农田中设备的运行情况。根据管理的对象不同。可以划分为以下三个模块。

（1）设备管理模块

该模块是用于汇总、显示、存储全部项目点的网络通信管理、电磁阀管理、信息管理等，用于提供一个全局的视图。

（2）项目点管理模块

在远程服务中心。每个田间管理中心是作为其所管辖农田区域的一个项目点。项目管理模块用于管理所有的项目点，包括项目点的添加、修改与查询。

（3）权限管理模块

项目点根据所处区域的不同，对不同区域的用户规定了查看的项目点的范围。不同身份的用户分配了不同的权限，用户在第一次登录界面后会显示所有项目点，但是用户只能进入有权限的项目查看项目信息。

4 硬件通信

系统硬件部分采用了ZizBee技术实现信息的无线传输，系统研究的ZigBee网络就是由一个协调器以及多个路由器和多个终端设备组成。

4.1通信实现流程

在系统中，通信是一个双向的过程，即命令的下发与消息的接收。通信的实现要保证上位机接收来自各个ZigBee节点的信息，同时上位机也能下发控制命令。

实现通信由两部分组成：①上位机与ZigBee节点的通信；②上位机与终端设备（例如阀门控制器）的通信。其中上位机与终端设备的通信必须经过ZigBee节点作为中介进行传输。因此由上位机进行终端设备的操作，首先要将上位机要下载的数据打包到Zigbee通信包中。然后由ZigBee节点通过串口传给终端设备，通过分析处理通信包后操作终端设备。

4.2数据结构

在通信过程中，数据是以帧来进行传输。帧包含：帧头+长度+设备类型+地址+数据+帧尾。本系统中，帧数据类型根据系统需要主要分为五种：①C0：节点发送数据；②C1：节点接收数据；③C2：节点异常；④C3：节点唤醒；⑤C4：节点模式切换。

系统根据下发的不同命令，使用不同的帧来进行通信，实现控制的功能。其中阀门控制器内部的控制流程如图2所示。

4.3串口通信

串口通信是实现上位机与终端设备之间必不可少的环节。串口通信由上位机下发串口数据，数据再由ZigBee网络下发到相应的节点。在通信过程中，整个数据命令分为两大部分：一部分是ZigBee网络控制命令，另一部分是终端设备的命令。它使用ZigBee串口输出命令。ZigBee节点通过串口，把需要的命令转发给终端设备，例如阀门控制器中的开阀，关阀，查询状态等命令。串口通信的通信图如图3所示。

其中，串口数据采用的命令格式：数据头+数据长度+数据类型+数据+数据尾。

5 结语

采用物联网中的ZigBee技术实现无线传感网络中信息的传输，通过传感器采集的信息来判断田间土壤的水分缺失情况，通过按需按量进行灌溉，实现合理灌溉。通过根据实际的设备布置情况，绘制出田间以及设备的模拟图。然后通过操作模拟图进行命令的下发，设定灌溉区域与时间，实现精准灌溉。将物联网技术应用在农业上是我国农业发展的一个趋势，它将推动农业向智能化、自动化发展。利用物联网技术对农作物的生产进行精细化管理和调控，促进农业整体水平的提高，并打造“数字农业”之路。农业中涉及了农作物监控、农产品流通、农作物养殖、农作物灌溉、农作物存储等各种领域。发展智能化数字化农业，物联网技术缺一不可。因此物联网在农业应用领域将具有远大的应用前景与产业价值。

参考文献

1 赵静，王岩等，物联网在农业病虫灾害中的应用[J]，通信技术，2010，11（43）：49～51

2 徐刚，陈立平，张瑞瑞等，基于精准灌溉的农业物联网应用研究[J]，计算机研究与发展，2010，47：333～337