何 東，寧文慧

(重慶城市職業(yè)學院信息工程系，重慶 402160)

2012年中央一號文件突出強調部署農業(yè)科技創(chuàng)新，提出要把推進農業(yè)科技創(chuàng)新作為“三農”的工作重點。我國是世界上最大的茶葉種植地和全球第二大茶葉生產地。茶產業(yè)作為我國傳統(tǒng)特色優(yōu)勢產業(yè)，對于促進農村經濟發(fā)展、改善農民經濟狀況、改善生態(tài)環(huán)境起著重要作用[1]。人工種植、栽培茶葉一直是茶葉生產的傳統(tǒng)方式，由于茶園的分布面積大，不易值守，更需要大量的人力成本，同時無法讓茶農實時掌握茶葉的生長環(huán)境，更不能及時調節(jié)茶葉生長所需的環(huán)境狀況。

隨著物聯網技術、網絡技術和云服務技術的快速發(fā)展，為了改變茶葉生產的管理模式，節(jié)約茶園的人力成本，提高茶葉品質和產量，筆者提出了一種基于云服務器和無線傳感網絡(ZigBee網絡)技術相結合的茶園遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設計。通過該系統(tǒng)，用戶可以實時了解茶園的環(huán)境參數，并根據環(huán)境參數對茶園現場的控制設備進行相應控制或由系統(tǒng)自動控制，同時考慮到節(jié)點分散，不易部署電線，所以各個節(jié)點采用理電池和太陽能電池板供電。

1　茶園遠程監(jiān)控系統(tǒng)的總體架構

茶園遠程監(jiān)控系統(tǒng)主要由無線傳感網絡(采集端)、網關及控制器、云服務器、客戶端4個部分組成。系統(tǒng)總體架構如圖1所示。

茶園遠程監(jiān)控系統(tǒng)主要實現對茶園的環(huán)境參數實時監(jiān)測和智能調控茶葉生長環(huán)境。先將采集節(jié)點、路由節(jié)點及協調器布設在茶園各個檢測區(qū)域，從而組成一個無線傳感網絡(ZigBee網絡)，采集節(jié)點和路由節(jié)點實時采集茶葉所需的空氣溫濕度、土壤濕度、光照強度、土壤酸堿度等參數，通過形成的網絡將數據傳輸到協調器，協調器匯總后通過串口將數據傳輸到網關及控制器設備，網關及控制設備通過GPRS模塊以無線網絡的方式將數據上傳到所部署的云服務器，云服務器對數據進行解析后將數據保存到數據庫中，用戶通過客戶端就可以實時訪問獲取的茶葉培育過程中的環(huán)境參數，并且還可以對獲得的參數進行分析后向網關及控制器設備發(fā)送指令，從而控制現場執(zhí)行設備執(zhí)行相應操作(也可以由監(jiān)控系統(tǒng)自動執(zhí)行)，從而改善茶園培育環(huán)境，提高茶葉產量，減少茶園工作人員，降低人力成本。

2　茶園遠程監(jiān)控系統(tǒng)的功能及設計

2.1無線傳感網絡(ZigBee網絡)的功能及設計該系統(tǒng)的數據采集部分實質上是一個無線傳感網絡，采用ZigBee組網技術[2]，ZigBee網絡的主要功能是采集茶園的環(huán)境參數，并通過協調器將數據包發(fā)送給網關及控制器設備。

ZigBee技術是一種基于IEEE 802.15.4的無線通信協議[3]，其特點是成本低、功耗低、可靠性高、雙向傳輸、組網靈活方便，并且是一種新興的短距離、低速率無線網絡技術，網絡節(jié)點容量大，理論上最大可支持 6 萬多個節(jié)點[4]。該ZigBee網絡各個節(jié)點的微處理器均采用德州儀器(TI)公司的 CC2530芯片，該芯片具備低成本、低功耗、安全可靠和整套Z-Stack協議棧等優(yōu)點。

采集節(jié)點主要負責采集傳感器數據，然后發(fā)送給路由節(jié)點，路由節(jié)點不僅采集傳感器數據，而且也將采集節(jié)點傳送過來的數據一起發(fā)送給其他路由節(jié)點或協調器。協調器負責將路由節(jié)點和采集節(jié)點的數據通過串口發(fā)送給網關及控制器設備。采集節(jié)點和路由節(jié)點的硬件組成相同，但所用軟件不同，硬件主要包括傳感器模塊、CC2530、無線傳輸模塊和電源模塊4個部分，其中電源可以由鋰電池和太陽能電池板供電，通過太陽能電池板可以節(jié)能，并且減少電線的安裝及部署。協調器硬件主要由 CC2530、無線收發(fā)器模塊和串口模塊組成。其具體結構示意圖如圖 2所示，其中虛線框中的部分表示協調器與采集節(jié)點和路由節(jié)點2類節(jié)點硬件不同的部分。

圖2　協調器與采集節(jié)點和路由節(jié)點結構示意Fig.2　The structure of coordinator,acquisition nodes and routing nodes

2.2網關及控制器的功能及設計網關及控制器的主要功能是通過串口1接收由協調器發(fā)送過來的采集數據，然后將采集數據按通信協議打包后通過串口2將數據發(fā)送給GPRS模塊，同時串口2還可以接收GPRS模塊傳送過來的數據，解析該數據后發(fā)送指令控制現場的執(zhí)行設備。網關及控制器的處理器選用ARM9，其硬件結構示意圖如圖3所示。

2.3云服務器功能該平臺的云服務器采用阿里云服務器。阿里云服務器是一種處理性能優(yōu)越、安全可靠的計算服務，方便用戶建立數據中心，可實現數據的靈活訪問和數據存儲計算[5]。

云服務器端分為控制臺、web服務、數據庫3個部分。控制臺的功能相當于云端與外界進行溝通的橋梁[6]，控制臺向下與網關及控制器設備進行數據通訊，通過 TCP/IP協議將獲取茶園現場環(huán)境的參數數據進行解析后存儲到數據庫內；控制臺向上與各種客戶端軟件進行數據通訊，以便對現場的控制設備發(fā)送控制命令。數據庫服務器主要是存儲采集的數據，以便客戶端可以隨時進行查詢和分析。WEB服務器端程序部署在 Tomcat 容器中，用 Java 語言編寫，采用MVC分層設計模型。數據庫采用MySQL數據庫。云服務器與PC端采用B/S模式，與Android客戶端采用C/S模式[7]。

圖3　網關及控制器結構示意Fig.3　The structure of gateway and controller

2.4客戶端功能客戶端程序分為 WEB 頁面程序和移動終端程序。WEB 頁面和移動端頁面使用 HTML5+CSS3+Java Script開發(fā)，采用 Express 作為 WEB 應用框架，客戶端程序主要是可以隨時隨地查詢茶園的環(huán)境參數，并且根據查詢的參數進行分析，然后手動的發(fā)送控制命令控制現場的控制設備，也可以通過設定參數的各種閥值，讓系統(tǒng)自動控制現場的控制設備。同時，根據產生的大量歷史數據，用于后期進行數據分析和控制策略的機器學習，以便更加合理、及時、高效地控制茶園的環(huán)境參數。

3　結語

基于ZigBee技術的無線傳感網絡提供了全新的獲取數據的平臺[8]，同時結合太陽能供電，滿足低功耗、長期無人值守的工作需要，同時結合云服務技術，可以提供高安全、高可用、靈活擴展及成本低的服務，后期可根據獲得的大數據進行分析，從而可對茶園環(huán)境進行自動化、精準化和智能化調控。

[1] 劉春臘，徐美，劉沛林，等.中國茶產業(yè)發(fā)展與培育路徑分析[J].資源科學，2011，33(12)：2376-2385.

[2] 陳思琦，張清波，隋斌雁，等.基于ZigBee農田自動灌溉信號采集及數據傳輸系統(tǒng)[J].上海工程技術大學學報，2013，27(4)：369-372.

[3] 邵金梓.深亞微米片上電磁兼容技術研究與應用[D].南京：東南大學，2009.

[4] 胡亞敏，張建鋒，武珊珊，等.基于阿里云的便攜式多功能農田信息采集系統(tǒng)設計[J].中國農機化學報，2016，37(9)：146-150.

[5] 高玉芹.基于ZigBee和模糊控制決策的自動灌溉系統(tǒng)的設計[J].節(jié)水灌溉，2010(8)：52-55.

[6] 余景華.基于云服務器的無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)的設計[J].中小企業(yè)管理與科技，2017(24)：195-196.

[7] 黃晨暉，劉德彬，李淺屏，等.基于Zigbee和云服務器的茶園遠程測控平臺設計[J].福建電腦，2017，33(7)：24-25.

[8] 趙子健.基于ZigBee的無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設計與研究[J].微處理機，2007，38(4)：91-95.