CN101290238A

CN101290238A - 基于ZigBee网络与嵌入式3S技术的农田信息监测系统

Info

Publication number: CN101290238A
Application number: CNA2008101233338A
Authority: CN
Inventors: 沈明霞; 周翔; 徐友
Original assignee: Nanjing Agricultural University
Current assignee: Nanjing Agricultural University
Priority date: 2008-06-13
Filing date: 2008-06-13
Publication date: 2008-10-22
Anticipated expiration: 2028-06-13
Also published as: CN100590390C

Abstract

本发明旨在提供一种能够实现农田信息监测的自动化、网络化、智能化，方便用户管理农田，提高农田防灾、抗灾能力的基于ZigBee网络与嵌入式3S技术的农田信息监测系统，主要由ZigBee固定点数据采集单元(1)、ZigBee固定点数据接收/发送单元(2)、嵌入式移动单元(3)组成，单元(1)通过ZigBee网络与单元(2)和单元(3)连接，单元(2)的GSM/GPRS发送模块、单元(3)的GPRS模块分别与WebGIS服务器的GSM/GPRS发送接收模块无线相连。本发明的优点是减少农业资源浪费，保护生态环境。

Description

基于ZigBee网络与嵌入式3S技术的农田信息监测系统

技术领域

本发明涉及精确农业领域，具体地说是一种对农田信息同时进行定点和移动采集，实现农用信息实时监测的系统。

背景技术

将嵌入式3S技术应用于农业生产领域，在以美国、日本为代表的发达国家已经比较普遍，理论水平与实践能力都要明显强于我国。我国的精细农业方面研究起步于90年代中期。由中国农业大学率先开展了精细农业的研究，并于1998年成立了我国第一个“精细农业研究中心”，对GPS定位试验、谷物产量传感器、土壤水分测试和水果图像分级等方面进行研究。浙江大学也是国内较早开展精细农业研究的单位之一，从国外引进了高精度的农用差分GPS接收机Ag132，平板式数字化仪，遥感处理软件、远程无线通讯模块等，并对农田信息的移动化采集进行了一定研究，但在通讯中尚未能实现图像信息的采集。

中科院合肥智能机械化所的刘原与中科大的宋良图对基于Zigbee技术的农业信息无线传输的硬件进行了相关研究，他们提出用AvR单片机Atlnega8L和芯片CC2420构成无线嵌入式传输智能控制器的设计方法；以及由首都师范大学回楠木等提出的主要是以Jennic公司生产的Zigbee无线微型控制器JN5121-M02模块为核心的无线农田采集控制系统的设计方案。但仅仅实现了定点采集功能，没有进行了移动化开发，不能实现农田信息的定点化和移动化采集相结合。

对于农业信息发布的研究上李秀红等提出以ARM CPU为硬件核心，通过μC/OS-II嵌入式操作系统的调度与管理，实现农业现场数据的实时采集与处理，然后经由CDMA/GPRS无线移动通信模块将其发送至数据库服务器。在服务器端，采用ASP.NET技术实现动态WEB发布，用户可以通过INTERNET网络随时浏览和下载各种农业信息数据。但此方案在可靠性、集成性、稳定性和扩展性等方面都有待提高，不能完全适应远程条件下农业环境信息监测与管理的各种需要。

综上所述：

1.关于Zigbee网络技术运用到农田信息定点采集的研究国内已有相关报道，但关于结合嵌入式开发，实现农田信息定点和移动两种采集方式相结合的研究国内未见相关文献、成果及专利报道。

2.关于嵌入式终端系统集成RS、GIS、GPS技术，通过GPRS实现与上位机通信的研究国内已有相关报道，但在农田信息采集过程中实现图像传输的研究国内未见相关文献、成果及专利报道。

3.关于通过服务器端对农田信息实时发布，浏览器端随时浏览和下载农业信息数据的研究国内已有相关报道，但在构建三层体系结构框架的同时实现RS与GIS集成，完成农田地理信息模型，为WebGIS服务器提供精确的图层及数据功能的研究国内未见相关文献、成果及专利报道。同时，我国目前将Zigbee网络技术融合嵌入式3S技术进行农业信息监测尚未有商品化产品。

发明内容

本发明克服了现有技术中存在的不足而提供的一种基于Zigbee网络与嵌入式3S技术的农田信息监测系统，它能够根据农业生产的实际情况，分析研究农业防灾抗灾所需密切关注的各种信息的。

为了解决上述的技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于ZigBee网络与嵌入式3S技术的农田信息监测系统，其特征在于，它主要由ZigBee固定点数据采集单元1、ZigBee固定点数据接收/发送单元2、嵌入式移动单元3组成，所述的ZigBee固定点数据采集单元1由农田属性信息传感器、微处理器ARM7、ZigBee无线通信模块、ZigBee传感器网络组成，微处理器ARM7的USB接口接农田属性信息传感器的输出，ZigBee无线通信模块与微处理器ARM7的串口相连，ZigBee无线通信模块的输出与ZigBee网络相连；ZigBee固定点数据接收/发送单元2由ZigBee接收模快、微处理器ARM7’、数字信号处理器DSP、全球移动通信/通用分组无线系统GSM/GPRS发送模块组成，ZigBee接收模块与ZigBee网络无线连接，ZigBee接收模块的输出与微处理器ARM7’系统的串口相连，ARM7’的数据线与数字信号处理器DSP的数据线相连，GSM/GPRS发送模块与微处理器ARM7’的串行输出口相连，ZigBee固定点数据接收/发送单元2的GSM/GPRS发送模块与基于internet的地理信息系统WebGIS服务器的GSM/GPRS发送接收模块无线相连；嵌入式移动单元3由ZigBee’接收模块、微处理器ARM9、LCD显示器、CCD’摄像头、全球定位系统GPS模块、通用分组无线系统GPRS模块组成，ZigBee’接收模块与ZigBee网络无线连接，ZigBee’接收模块的输出与微处理器ARM9的串口相连，ARM9系统的输出、输入口分别接LCD显示器的输入、输出端，CCD’摄像头与微处理器ARM9的输入口相连，GPS模块的输出与微处理器ARM9的串口相连，微处理器ARM9的串行输入、输出口分别与通用分组无线系统GPRS模块的输入、输出端相连，并通过GPRS模块与基于internet的地理信息系统WebGIS服务器的GSM/GPRS发送接收模块无线连接。

其中：

农田信息传感器采用温度传感器、湿度传感器、PH值传感器及CCD摄像头、GPS传感器。

微处理器ARM7外接以太网模块、存储模块、仿真器模块、电源。

微处理器ARM7’外接以太网模块、存储模块、仿真器模块、电源。

微处理器ARM9外接以太网模块、存储模块、仿真器模块、电源。

本发明的有益效果：

1.实现农田信息固定点与移动点协同监测农田信息采集是实践“精确农业”的基础，是现代化农业研究的重点。农田信息主要包括地理环境、土壤环境、气候参数、水环境、与作物生长状况相关的信息以及管理信息等六大要素，具有量大、多维(信息多种多样)、动态、时空变异强等特点。在精细农业地研究中，要求对农田信息定位、快速、精确、连续地测量，传统人工采集、实验室分析的方法已经很难满足这一要求，而固定传感器的采集也不能满足时空变化的特点，为此，需要开发适用于精细农业的移动化农田信息实时采集技术。本专利采用固定点与移动点协同监测，为农田信息实时化监测开辟了新的方向。

2.实现GPRS在数据采集方面的应用。目前，RS、GIS与GPS技术已广泛应用于数据采集、动态监测等领域。GPRS是目前解决移动通信信息服务的新技术，应用前景广阔。国内外农业数据移动采集系统广泛采用的传统的GSM网络下SMS短信息传输方式只能实现数据的单向传输，同时不能满足图像传输的需要。针对这一问题，本系统采用支持TCP/IP协议的GPRS无线网络模块，实现客户端与上位机的B/S网络连接，不仅能够满足双向传输数据的要求，还能够实现图像数据的传送。

3.移动终端与服务器之间采取B/S结构。B/S(Browser/Server)结构即浏览器和服务器结构。它是随着Internet技术的兴起而对C/S结构的一种变化或者改进的结构。在这种结构下，极少部分事务逻辑在前端(Browser)实现，主要事务逻辑在服务器端(Server)实现，形成所谓三层3-tier结构。这样就大大简化了嵌入式移动终端载荷，只需要安装浏览器就可能满足需要。本发明利用B/S模式代替目前农田信息监测系统基本采用的点对点式结构，实现了移动端与上位机之间数据的双向传输。

4.采用低成本的嵌入式操作系统Linux嵌入式Linux OS是开放源代码的，不存在黑箱技术；Linux的源代码注释丰富，文档齐全，易于解决各种问题；Linux的内核小、效率高；同时Linux是开放源代码的OS，在价格上极具竞争力，适合农业国情。

5.经济、社会效益：项目研制的系统面向相关部门提供决策依据，而移动终端又直接面向农户，产品直接面向市场。实现精确播种、施肥，减少农业资源浪费和降低农药、化肥使用；保护生态环境；为农业防灾抗灾农民致富增收提供强大的信息保障。

附图说明

图1是本发明的电原理示意图。

图2是本发明ZigBee固定点数据采集单元的电路图。

图3是本发明ZigBee固定点数据接收/发送单元的电路图。

图4是本发明嵌入式移动单元的电路图。

图5是服务器数据管理及网络发布的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示，一种基于ZigBee网络与嵌入式3S技术的农田信息监测系统，它主要由ZigBee固定点数据采集单元1、ZigBee固定点数据接收/发送单元2、嵌入式移动单元3组成，所述的ZigBee固定点数据采集单元1由农田属性信息传感器、微处理器ARM7、ZigBee无线通信模块、ZigBee传感器网络组成，微处理器ARM7的USB接口接农田属性信息传感器的输出，ZigBee无线通信模块与微处理器ARM7的串口相连，ZigBee无线通信模块的输出与ZigBee网络相连；ZigBee固定点数据接收/发送单元2由ZigBee接收模快、微处理器ARM7’、数字信号处理器DSP、全球移动通信/通用分组无线系统GSM/GPRS发送模块组成，ZigBee接收模块与ZigBee网络无线连接，ZigBee接收模块的输出与微处理器ARM7’系统的串口相连，ARM7’的数据线与数字信号处理器DSP的数据线相连，GSM/GPRS发送模块与微处理器ARM7’的串行输出口相连，ZigBee固定点数据接收/发送单元2的GSM/GPRS发送模块与基于internet的地理信息系统WebGIS服务器的GSM/GPRS发送接收模块无线相连；嵌入式移动单元3由ZigBee’接收模块、微处理器ARM9、LCD显示器、CCD’摄像头、全球定位系统GPS模块、通用分组无线系统GPRS模块组成，ZigBee’接收模块与ZigBee网络无线连接，ZigBee’接收模块的输出与微处理器ARM9的串口相连，ARM9系统的输出、输入口分别接LCD显示器的输入、输出端，CCD’摄像头与微处理器ARM9的输入口相连，GPS模块的输出与微处理器ARM9的串口相连，微处理器ARM9的串行输入、输出口分别与通用分组无线系统GPRS模块的输入、输出端相连，并通过GPRS模块与基于internet的地理信息系统WebGIS服务器的GSM/GPRS发送接收模块无线连接。

图2和图3为Zigbee传感器网络的设计，Zigbee传感器网络采用固定点传感器对农田信息进行实时检测。首先，根据农业防灾抗灾所需密切关注的信息，确定传感器的种类、数量以及放置位置等；其次，对传感器节点进行配置，传感器节点分为主节点和从节点两种，被随机的摆放在监测区域里，节点间通过AODV路由协议进行组网，在网络中，每个节点都有一个固定的地址，数据的传送采用主从节点方式，与计算机连接的无线接口模块作为主节点，采用I/O引脚模拟串行接口与计算机通信，控制网络内的通信时序，传感器节点作为从节点，可以被主节点寻址；最后，为整个组建编写软件模块，主要分为两部分：一是初始化及节电配置模块，主要用来初始化串口、通讯模块、以及实现命令帧的接受、处理和发送；二是组网模块，主要完成网络刷新方式选择、拓扑结构选择和网络组建。

Zigbee传感器网络硬件主要分为ZigBee固定点数据采集单元1和ZigBee固定点数据接受/发送单元2，具体电路图分析如下：

图2，本发明ZigBee固定点数据采集单元1中农田属性传感器可以采用温度传感器(型号可为北京九纯健科技发展有限公司的JCJ100G)、湿度传感器(型号可为北京九纯健科技发展有限公司的JCJ100H1)、PH值传感器(型号可为杭州环宇文教科技有限公司的PH-BTA)及CCD摄像头(型号可为深圳市申达电子有限公司的A-919)分别用于采集农田环境数据-温度、湿度、PH值及农田作物实时图像，并通过USB接口将数据发送到ARM7模块(型号可为广东周立功单片机发展有限公司的SmartARM2200)的数据输入口。

微处理器ARM7外接以太网模块(型号可以采用武汉欧易光电有限公司的OEOM373-311)、存储模块(型号可以型号采用深圳市万视通电子科技有限公司的DVS8380)、仿真器模块(型号可以采用合众达电子技术有限责任公司的SEED-XDSUSB2.0)、电源(型号可以采用上海翔惠电子有限公司的SW10-1U)，微处理器ARM7从数据接收口收到传感器传送来的数据经过处理，再通过数据发送口发送至ZigBee无线通信模块(型号可采用深圳无线龙科技公司的C51RF-WSN PK)，经ZigBee网络发送去ZigBee接收模块。

图3，本发明ZigBee固定点数据接收/发送单元2中ZigBee接收模块(可以采用型号为深圳无线龙科技公司的C51RF-WSN-PK)接收到ZigBee网络传送来的温度、湿度、PH值等信息通过数据输入/输出口发送到微处理器ARM7’(型号可以采用广东周立功单片机发展有限公司的SmartARM2200)分类处理，其中传感器信息由ARM7’直接处理，通过短信模式GSM方式(不能传输图像)发送到WebGIS服务器。图像信息先由ARM7’传送到数字信号处理器DSP(型号可以采用德州仪器TI公司的TMS320C645x)处理，处理完成后再传回ARM7’，通过GPRS方式发送到Web服务器。微处理器ARM7’与DSP之间采用数据线相连，数据双向传输。

GSM/GPRS模块型号可以采用广东周立功公司的ZWG-23DPGSM/GPRS模块。

微处理器ARM7’模块外接以太网模块(型号可为武汉欧易光电有限公司的OEOM373-311)、存储模块(型号可为深圳市万视通电子科技有限公司的DVS8380)、仿真器模块(型号可为合众达电子技术有限责任公司的SEED-XDSUSB2.0)、电源(型号可为上海翔惠电子有限公司的SW10-1U)。

图4，本发明嵌入式移动单元3能够对数据信息进行采集、接收、发送，嵌入式移动单元3可以通过GPRS模块(型号可以采用广东周立功公司的ZWG-23DP)与WEB服务器通信利用浏览器直接获得农田信息，同时在农田范围内时也可由ZigBee’接收模块(型号可以采用深圳无线龙科技公司的C51RF WSN-PK)获取ZigBee网络采集的农田信息，采集到的信息直接传送到微处理器ARM9(型号可以采用广东周立功单片机发展有限公司MagicARM2200-A)，并可以通过LCD显示器(型号可以采用北京利博蒙科技有限公司EE-0657-IN-W5R)把这些信息显示出来。

全球定位系统GPS模块(型号可以采用中兴蓝鼎公司的Ublox RCB-4H)提供准确定位信息，便于查询具体位置的农田信息，配合软件还可以手工绘制农田地图一起将采集的位置信息直接发送到ARM9。

CCD’摄像头(型号可以采用深圳市申达电子有限公司的A-919)为农业研究人员现场采集图像信息，并将这些信息发送到ARM9，通过处理，再发送到GPRS模块进行无线传输，将图像实时发送到WEB服务器。

嵌入式3S移动单元的设计思想为：使用ARM9核心开发板，并自行设计扩展电路，外接数据采集模块、GPS模块、GPRS模块以及键盘、显示屏等输入输出设备。软件系统设计上，主要有操作系统、硬件驱动程序和文件系统以及相应的信号处理算法。首先，是在主机上的编程工作，将嵌入式系统源代码(本项目采用低成本的嵌入式操作系统Linux)保存为源文件，用主机上建立的交叉编译环境生成.obj文件，将这些.obj文件按照开发板的要求链接生成合适的.image文件，并将.image文件下载到开发板上运行；然后，将MiniGUI软件移植到开发板上，其目标是为实时嵌入式Linux系统建立一个快速、稳定和轻量级的图形用户界面支持系统；最后，在MiniGUI环境下为各扩展模块编写驱动，并编写属性数据采集软件、空间数据采集软件(地图化绘制软件)、无线通讯软件与用户接口软件。其中，操作系统、硬件驱动程序和文件系统是在ARM处理器中实现的，而信号处理算法涉及大量的数学运算，主要是在DSP中实现。为了提高系统的层次性和系统的开发效率，必须在系统中移植嵌入式操作系统，在众多的嵌入式系统中，鉴于嵌入式Linux操作系统的开源和易于编写驱动程序的特点，在本系统采用嵌入式Linux系统。驱动程序是系统的设计的关键，驱动程序是系统控制硬件设备的桥梁，因此驱动程序的设计是系统软件设计的核心之一。最后在本地下位机中必须要有文件系统，在Linux系统中，可执行程序是存放在文件系统里的，在操作系统引导成功后就要加载相应的文件系统，因此文件系统的制作也是软件设计中的重要环节。

远程下位机的驱动程序主要是负责跟传感器系统的通信以及控制野外执行机构。系统中的控制算法主要是完成系统对执行机构的控制，控制算法的优劣直接影响系统的运行效率，控制算法是远程下位机的核心软件，也是软件设计中的难点之一。

图5为服务器数据管理及网络发布的示意图：

服务器数据管理及网络发布是在上位机(主PC机)上进行的。结合运用农学、地理信息系统、环境科学、统计学、计算机科学以及通讯学等学科的基本理论与方法，对采集到的信息进行分类，借助WebGIS平台，构建包括属性数据和空间数据的农业信息数据库结构，并构建系统的三层体系结构框架：服务器，形成三层结构模式：Web浏览器、Web/WebGIS服务器和数据库服务器。其中Web浏览器为表现层，主要提供系统人机交互界面；Web/WebGIS服务器为应用层，提供系统中与应用逻辑有关的各种服务构件，也是系统运行的枢纽部分；数据库服务器为数据层，管理各类数据库，主要包括空间数据库、属性数据库、知识库，并借助B/S结构的分布式网络平台进行发布。

其次，将三部分进行整合，主要是完成Zigbee传感器网络与上位机无线通讯，以及嵌入式移动终端与上位机之间的GPRS网络接入。其中Zigbee传感器网络与上位机无线通讯采用的点对点式，自主编写协议，利用GSM网络的SMS短消息完成所采集信息的发送；而嵌入式移动终端与上位机之间则利用外接的GPRS模块组建B/S结构，由于所选用的GPRS模块内嵌了TCP/IP协议栈，在发送和接收过程中，所有涉及到的数据封装为IP包和解析IP数据包的工作都由GPRS模块自动完成，只需要通过相关的AT命令就可以控制和操作GPRS模块，进行网络设置和网络连接。当终端和远端服务器建立好了一条TCP或UDP连接后，写入串口的数据会被封装成IP包，并被发送到远端服务中心。同时，从远端服务中心发回的控制信息也将进入串口的缓冲区，终端只需监听串口，读取缓冲区数据即可。最后，对整个系统进行调试，实现所有基本功能，完成基于Zigbee网络和嵌入式3S技术的农业信息监测系统设计，初步实现了农田信息监测的自动化、网络化、智能化，方便用户管理农田，为相关部门提供决策支持，提高了农田防灾抗灾能力。

Claims

1.一种基于ZigBee网络与嵌入式3S技术的农田信息监测系统，其特征在于，它主要由ZigBee固定点数据采集单元(1)、ZigBee固定点数据接收/发送单元(2)、嵌入式移动单元(3)组成，所述的ZigBee固定点数据采集单元(1)由农田属性信息传感器、微处理器ARM7、ZigBee无线通信模块组成，微处理器ARM7的USB接口接农田属性信息传感器的输出，微处理器ARM7的串口输出与ZigBee无线通信模块输入相连，ZigBee无线通信模块的输出与ZigBee网络相连；ZigBee固定点数据接收/发送单元(2)由ZigBee接收模快、微处理器ARM7’、数字信号处理器DSP、全球移动通信/通用分组无线系统GSM/GPRS发送模块组成，ZigBee接收模块与ZigBee网络无线连接，ZigBee接收模块的输出与微处理器ARM7’的串口相连，ARM7’的数据线与数字信号处理器DSP的数据线相连，GSM/GPRS发送模块与微处理器ARM7’的串行输出口相连，ZigBee固定点数据接收/发送单元(2)的GSM/GPRS发送模块与基于internet的地理信息系统WebGIS服务器的GSM/GPRS发送接收模块无线相连；嵌入式移动单元(3)由ZigBee’接收模块、微处理器ARM9、LCD显示器、CCD’摄像头、全球定位系统GPS模块、通用分组无线系统GPRS模块组成，ZigBee’接收模块与ZigBee网络无线连接，ZigBee’接收模块的输出与微处理器ARM9的串口相连，ARM9的输出、输入口分别接LCD显示器的输入、输出端，CCD’摄像头的输出与微处理器ARM9的输入相连，GPS模块的输出与微处理器ARM9的串口相连，微处理器ARM9的串行输入、输出口分别与通用分组无线系统GPRS模块的输入、输出端相连，并通过GPRS模块与基于internet的地理信息系统WebGIS服务器的GSM/GPRS发送接收模块无线连接。

2.根据权利要求1所述的基于ZigBee网络与嵌入式3S技术的农田信息检测系统，其特征是农田信息传感器采用温度传感器、湿度传感器、PH值传感器及CCD摄像头。

3.根据权利要求1所述的基于ZigBee网络与嵌入式3S技术的农田信息检测系统，其特征是微处理器ARM7外接以太网模块、存储模块、仿真器模块、电源。

4.根据权利要求1所述的基于ZigBee网络与嵌入式3S技术的农田信息检测系统，其特征是微处理器ARM7’外接以太网模块、存储模块、仿真器模块、电源。

5.根据权利要求1所述的基于ZigBee网络与嵌入式3S技术的农田信息检测系统，其特征是微处理器ARM9外接以太网模块、存储模块、仿真器模块、电源。