基于Zig Bee与物联网网关的现代茶叶种植环境监测系统设计
吴琦 张汉卿 张红伟 霍修坤
摘要：针对现代茶叶种植中存在的问题，文章基于无线传感与通信技术的发展，设计了一个应用于现代茶叶种植环境中的监测系统。该系统综合运用多传感器数据采集技术、ZigBee自组网技术、物联网网关技术和GPRS网络，实现了对茶叶生长环境中温湿度、光照强度、土壤水分等对于农作物生长极为重要的环境数据的监测和控制。系统中各部分的硬件根据系统需求、数据传输质量、成本等方面的要求选型，使系统在低成本、低功耗和高性能三者之间达到合理平衡，从而实现现代农业信息化。
关键词：ZigBee；物联网网关；GPRS；现代农业信息化
现代社会对农业发展的需求在不断增大，使得实现农业的现代化管理成为一个很重要的问题。近几年来也存在不少的人致力于现代农业信息化管理方面的研究，提出并设计了一系列的设想，但由于成本，或是网络覆盖以及技术难度方面的问题，导致在推广方面存在很多问题，从而制约了现代农业的发展。与此同时，茶叶作为农产品中经济效应比较好的产物，且生长受环境的影响比较大，所以对于茶叶种植环境的检测成为农业生产中很重要的一个问题。但是随着目前ZigBee自组网技术的发展，ZigBee以其低功耗、低成本、高安全性的特性，尤其是其强大的组网能力，使得对于茶叶生长环境数据的采集与传输变成了可能。而且随着现代无线通信技术的发展，基站在一些相对偏远农村的覆盖，低成本的公网实现了将物联网数据与互联网数据的连接，使得技术人员方便对茶叶种植环境数据的检测，使得能够及时根据茶叶的生长情况对大棚进行相应的控制，保证茶叶的正常生长，提高其经济效应。本系统设计建立在低成本、低功耗的基础上，便于推广，对现代化茶叶种植有着重大的作用。
1 系统总体结构
本茶叶种植环境监测系统由4部分构成，包括数据采集，物联网网关，GPRS数据传输和在线数据监测部分。如图1所示，采集部分主要功能是采集茶园内部的温度、湿度、光照强度等数据，并通过ZigBee自组网络将各自的采节点集到的监测数据传送给ZigBee协调器统一转发。再通过网关传送到互联网，物联网网关主要功能是对数据的汇聚、打包和传送，是本系统的核心部分，网关采用STM32F407ZGT6作为主控芯片，利用MG323GPRS模块实现了无线传感网与互联网两种异构网络的互通，使得技术人员能够在线监测茶园环境数据及时做出相应处理。
2 硬件实现方案
2.1 传感器数据采集设计方案
2.1.1 数据采集
传感器数据采集模块主要实现了将茶园内分散于大棚不同位置的环境数据的感知工作。本系统设计以ZigBee自组网形成的无线传感网实现对大棚环境数据的采集。采集模块需要对茶园环境温湿度、土壤水分、光照强度的数据进行监测，分别使用了SHT10温湿度传感器、光合有效传感器和土壤湿度传感器完成。
系统所采用的温湿度传感器型号为SHT10，该产品具有长期的稳定性和极高的可靠性的特点。其温度测量范围-40～120℃，湿度测量范围0～100RH%，且价格便宜，能满足使用需求。土壤水分含量传感器使用的是ECH20，该传感器采用了新技术和耐用材料，测量精度高且价格低廉，可以对不同土壤深度、多处样地的水分含量进行长期连续监测。
2.1.2 ZigBee节点
一般来说，茶园中采集到的数据可以通过总线的方式传送到网关，由于茶园内铺设线缆的工程量比较大，且不容易维护，所以利用无线的方式将数据采集器与网关进行互连。ZigBee在成本、传输距离、字节开销、协议复杂程度等方面都有自己的优势，所以选择ZigBee作为大棚环境数据无线传送的方式。此处的ZigBee模块系统采用TI公司的CC2530，它能够以非常低的成本建立强大的网络节点，具有不同的运行模式，使它尤其适用于超低功耗要求的系统。图2为ZigBee节点图。ZigBee协议根据ZigBee在网络中的作用，将ZigBee网络设备分成了3种，分别是协调器，路由器，终端设备。路由器主要起路由的作用，负责维护网络路径、搜索设备加入网络和数据传输。终端设备作为数据终端，不需要对数据进行转发。数据采集节点中应用了ZigBee的路由和终端功能，协调器在网关中使用。
2.2 网关结构
茶园的规模较大，则需要在茶园内部署大量的传感器，由此采集到的数据较多，且数据格式比较复杂，要经过一系列的处理才能实现数据与互联网的连接。而且由于茶园生产基地一般由很多茶园组成，如果将每个茶园的数据独立地与网络进行通信，施工成本较高，在本系统中，物联网网关是实现传感网与互联网互通的关键，在整个系统中处于核心位置，实现将传感网中数据的汇聚，处理和打包上传。
网关主控芯片采用意法半导体公司的STM32F407ZGT6。STM32是一款基于Cortex-M4内核、高性能、低成本、低功耗的微控制器，它具有3个USART接口和2～'UART接口，满足扩展设计要求。CC2530通过串口与STM32连接，作为协调器使用。
图3为系统网关的硬件设计图，其中ZigBee协调器负责与位于茶园内的采集控制器通信，将采集控制器到的数据通过串口传送至STM32，STM32处理器对数据作出处理之后，经过GPRS网络进行数据通信。协调器是无线传感网络的主控制器，主要负责建立网络，为设备分配网络地址和管理网络。
2.3 GPRS通信
目前主要的无线通信技有GSM，GPRS，3G，4G，由于农业物联网监测传输的数据对速度的要求不大，而且没有图像数据，基于成本的考虑，选择数据速率不高的GPRS网络进行将数据传输到互联网。
本系统的GPRS模块使用华为公司的MG323。模块内部自带TCP/IP协议，支持RS232串口，方便主控芯片STM32与其进行串口连接以及快速便捷地实现数据的透明传输。MG323是通过AT指令进行控制的，通过AT指令可以对模块进行各种参数的设置，数据的查询和发送。
3 在线数据监测
在监测系统中，为了使茶叶种植区技术人员及时了解到茶叶生长环境信息，需要在监测系统服务端移植一个支持cGI和脚本功能的Boa服务器，Boa服务器是一种单任务的服务器，支持CGI。服务器端的主要功能是负责处理用户参数、处理采集回来的数据，并为用户查询数据库数据提供接口。
系统监测平台基于B/S架构，无需安装客户端，方便在移动设备上进行数据请求与操作。页面数据的显示使用Aiax来实现，AiaxN直接与MySQL server进行通信。Aiax相比传统HTML可以给用户提供更好的体验，其可以同时多个数据库的状态图表，便于数据间的比较，且不需要重新加载，可以设置自动刷新时间。图4为在线监测网站的总体设计结构。
4 结语
茶叶对生长环境的要求比较高，无论是光照，空气温湿度，土壤水分，都对茶叶品质的高低有着很大的影响，基于这样的背景，文章设计了一个适合应用于茶叶种植环境的监测系统，是物联网技术在现代农业应用中的延伸，本系统采用无线通信的方式将无线传感网与互联网平台进行连接，实现了种植环境的在线监测，保证了茶叶的正常生长及其经济效应，在保证系统稳定可靠的情况下，系统各个模块的硬件都基于成本的考虑，保证了该系统的推广，对茶叶种植农业的发展有着很重要的作用。
