1、 基于物联网的农田环境监控系统的设计与研究院 、 部： 计算机与信息科学学院 摘 要采用物联网技术对农业生产环节中农作物的生长环境监控，实现一个轻量级别的辅助管理系统。基于传感网络采集的温度、湿度、光照等相关数据达到对当前实时环境的远程监控并做出实际的机械操作。整个系统是通过传感器将基本的监控数据利用 ZigBee 技术传送到局域网路由器，基于 C/S 模式，服务器对传感网络收集的数据进行容错筛选，再存储。管理者通过移动终端向服务器发出请求命令，服务器收到请求解析并做出相应的反应，从而达到对系统环境状况的实时监察调度。本文从当前物联网出发，结合农艺技术，提出了物联网农业系统结构的总体框架，为用
2、户实时监控农田并进行生产决策提供了数据支持，真正实现了农业管理的智能化，符合现代农业的发展。关键词 物联网；传感网络；现代农业；生产决策ABSTRACTUsing Internet technology to agricultural production in crop growth environment monitor to Implement a lightweight auxiliary management system. Based on data of temperature, humidity, light and other sensor networks to achie
3、ve the current collection of real-time remote monitoring of the environment and make the actual mechanical operation.The whole system is monitored by basic sensor data utilizing ZigBee technology transfer to the LAN router, based on C / S mode, the sensor network server data collected fault toleranc
4、e screening, and then store. Managers issued through the mobile terminal requests to the server command, the server receives the request parsing and react accordingly, so as to achieve real-time monitoring system scheduling environment. This article from the current of things, combined with agronomi
5、c techniques, made things overall framework of police dispatch system structure of agriculture.The user real-time monitoring of farmland and production data to support decision-making, truly intelligent management of agriculture, in line with the development of modern agriculture.Key words epc netwo
6、rk; sensor network; modern agriculture; production decision目 录第一章 引 言 .41.1 课题背景和意义 .41.2 国内外研究现状 .41.3 篇章组织 .5第二章 基于物联网的农田环境监控系统的设计框架 .71.1 智能家居系统中的环境监控解决思路 .71.2 基于物联网的农田环境监控系统 .9第三章 硬件环境的搭建 .112.1 硬件环境组成框图 .112.2 服务器端环境搭建 .122.2.1 开发与调试工具包安装 .122.2.2 开发板开发与调试环境配置 .132.3 数据采集端环境配置 .172.3.1 硬件资源概览
7、.172.3.2 模块芯片的选择 .182.3.3 开发与调试工具包安装 .19第四章 软件设计 .213.1 服务器端的软件设计 .223.1.1 Linux 内核移植 .223.1.2 SQLite 数据库 .223.1.3 Json 文件的格式实现 .233.1.4 服务器端的通信协议的设置 .233.2 数据采集端软件设计 .263.2.1 总体设计概述 .263.2.2 数据采集端 M0 与服务器端 A9 通信协议设置 .273.3 Android 客户端软件设计 .29第五章 系统实验与调试 .304.1 服务器 A9 模块的数据接/发调试的相关过程展示 .304.2 数据采集 M
8、0 模块的调试 .374.3 客户端测试展示 .39第六章 总结反思 .41参考文献 .42致 谢 .43第一章 引 言1.1 课题背景和意义物联网是当今新一代信息技术的核心，物联网从一开始的提出就不断赋予新的意义。物联网是个泛概念，它是多学科、多领域的集合体，它集中体现了后互联网时代的技术方向，同样是人类更高层次发展的切入口。从单纯的知识概念上讲，这是一个入门很高的学科领域，它所体现的就是当今互联网理念思想发展的更高层次的分化与融合。从市场与技术的纵向上看，物联网实现的是更高生活品质的宜人化的服务层次，它所蕴含的产业价值也定不会逊色于电商时代。物联网概念的提出其实是很早的，但是受制于现实技术
9、等因素，它的发展也总是很缓慢，物联网展现的是多领域的融合。从这个角度讲，它的的发展同样是一个面的概念，反而是单个因素成为磕绊发展的短板！物联网不是中国首次提出的，却是在当前背景下发展最为全面的，而从实际的角度上讲，先驱意味着前行，意味着时间与金钱上无限的投入。但是，从长远角度上讲，这些投入都是必须的也是值得的！2009 年美国白宫，肯定了在基于物联网基础提出的“智慧地球”概念，并在全球经济下行压力极大的情况下，大手笔的投入智慧地球。对于高科技美国人历来是唯快不破，并牢牢把握科技的上游，这也体现了物联网背后的政治与科技的角逐！1.2 国内外研究现状物联网从本世纪出的首次提出到今天，它的应用已经渗
10、入了我们生活的林林总总。从饭不离手的智能手机到疯狂惊叫的 VR 设备，再到强大的“大狗”机器人，无不体现嵌入式在现代生活元素中的身影。从国内外的视角来看，在农业上物联网的应用也在不断的深入。在农业生态环境监测领域，美国、法国和日本等一些国家运用高科技手段构建全国性或者全区域性的先进农业生态环境监测网络，凭借先进的传感器感知技术、信息融合传输技术以及互联网技术建立区域性的农业信息化平台，实现对农业生态环境的自动监测，从宏观上保证农业生态环境的可持续发展，并指导农业现代化种植与发展。在农业生产精细管理领域，美国、澳大利亚、法国等传统的农畜牧业比较强大的西方国家建立了完善的指导机制平台，并形成了广泛
11、的实用性极强的控制系统。在物联网农业的发展我国其实也是奋起直追，在相关领域也有着不错的成绩，现阶段我们在北京、上海、江苏等地方建立起了很多农业示范园，同时各地也在 积极推进物联网农业的优质项目，并且这些项目的到了较好的回应，在保证农民增收的基础上，对于粮食供给和食品安全领域的助推也是显而易见的。在全国性的环境监控上我们同样有我们自己的特色。但是我们相较之国外的发展，还是有很多的问题的。物联网农业遍地开花的局面并没有产生，传统小田农业结构的弱化甚至是破碎较为严重！换言之，我们的传统的耕作与管理模式都在弱化！国家从 2003 年就在不断的加大农业生产上的补助与扶持，从国家政策层面上来讲，我国已经在
12、农业发展上出台了多个国家级文件。但是我国的传统农业的发展也仅仅是缓慢的发展。物联网农业的成熟应用主要集中在农畜牧业发展比较强大的西方国家，这不是偶然却存在着必然！农业的发展是一个积累渐进的过程。对于中国这样一个传统的农业大国来说，农业发展是的不平衡性不是一个政策一揽子文件就能解决的，它背后体现的是市场与价值还有实际人文的选择与转变，这就意味着农业的不平衡性将是长期的。一时的大手笔绝对不是解决的方法，一味的放置偏颇更是不可取，在技术与资金上的积极引导才是正道，国家层面的示范建设是标杆，企业及个人的投入是补充，主体与局部的结合才是物联网农业在中国当前的实际技术与地理环境上的真正选择！1.3 篇章组
13、织本文研究的是小型化的农业生产环节的环境监控的设计。主要就是建立一个核心在局域网的小型农田监控系统，主要是对中、近距离数据传输与监控。整个设计分为三个模块：服务器模块，数据采集模块，应用层模块。在服务器端将采用 Cortex-A9 芯片，数据采集模块采用的是芯片 Cortex-M0，应用层是移动终端通过访问本地路由器建立与通信。在 M0 模块将实现光照监控，温度监控。还有简单的模拟开关灯，模拟开关风扇。在服务器 A9 端实现数据的处理存储，同时是通过有线与本地路由器进行连接，服务器 A9 与 M0 模块是通过ZigBee 模块进行通信的。用户可以通过手机、平板等移动终端通过 WIFI 与路由器
14、进行通信，从而访问服务器。针对现实学习需求与知识技能的储备，本文仅仅是有选择有裁剪的模拟实现了环境检测的简单框架。本文第二章简要介绍了智能家居实现监控的基本逻辑框架与思路。因为物联网农业监控与智能家居在起点与数据处理阶段同宗同源，同时详细说明本设计的框架。第三章对整个系统的模块细分并说明各自的功能与实现逻辑以及硬件部分详细设计。第四章为软件详细设计部分。第五章是单元测试以及系统集成测试。第六章指出该系统的特色与反思以及对物联网农业的展望。第二章 基于物联网的农田环境监控系统的设计框架 1.1 智能家居系统中的环境监控解决思路这里首先介绍下当前物联网框架下的智能家居系统的模式与基本实现解决思路。
15、物联网农业是基于物联网发展而来的，是物联网应用向农业的触及，但是从当前的大环境上来讲，物联网在农畜牧业的发展也仅仅停留在大田示范园的阶段，而物联网在适宜人居环境的应用、推广与投入是比较成功也是比较大的。这种现象其实很好找到原因。作为一个商业性的发展，利益驱动才是根本，很明显投资物联网农业在成本上与市场回报上周期都是很长的，而研发成本以及硬件成本是很高的，而做出的产品在市场的普及上又是未知的，利益小风险大，所以说这个领域的成熟的参考是较少的。但是智能家居与物联网农业在模块化的数据采集与数据的传输阶段又是相通的，我们基于“用已知去探求未知，化抽象为具体”的解决思想，从当前智能家居的模式与问题解决方
16、案来找到灵感，打趣的说我们是站在巨人的肩膀上看待物联网农业前景的！坦率的讲，在智能家居领域的产品竞争早已不是单个产品再或者单个系列的小打小闹，在竞争的背后是对这个行业甚至是对互联网+时代的技术与市场的把控与行业标准的抢占。当前，无论是实力强大的互联网企业还是传统的电商大鳄，更甚是刚步行业的微小型公司，他们都在利用自己的优势打造自己关于物联网智能家居的理解和对未来高品质家居生活的阐释。通俗的讲，这些企业关注点和抢占的先机就是智能家居的控制入口。任何一个标准化的产品都是从竟态下的考验最终在市场与利润的现实驱动因素下走向标准，今天的物联网产业正处于竟态下，都在把握市场与价值的切合点上起舞，不同的性质
17、的企业对这个舞蹈的欣赏又是各不相同的！智能硬件企业：手机+智能单品模式。毫不夸张的说在嵌入式产品中的发展中，各大手机厂商绝对可以称得上主要力量。从智能手机的门被打开的那一刻，疙瘩手机更是层出不穷，做情怀产品的时代几乎是一夜间就消失殆尽了。同时在智能家居的领域这些厂商也是拼劲十足。主要代表的就是小米和华为的智能家居战略。他们的思路就是在路由器上做文章，将自家的路由器作为智能家居战略的入口和推广平台，并且配置相关系列的智能配件来自我组装一个可供自己选择且适合自己的口味的智能家居环境，同时将自己的平台做有限的开放，将更多的开发接口提供出来，为个人的意愿发展提供现有微小平台。对于手机制造厂家来说轻车熟
18、路更易于成功，所要解决的问题主要是“点”的定位，而不完全受制于一个完整的平台约束，扩展性很强，在网络接入和产品控制上，变得更容易！互联网企业：用解决方案做顶级的智能家居。谈及对当前科技的把控，互联网大公司绝对是最为敏感的，对于做服务的互联网大佬们，利润的驱动绝对是至上的，从这几年 BAT 一系列的收购行为以及对 P2P 与 O2O 平台的大手笔的投入便可看出。对于智能家居，他们也有着自己对未来宜人家居的品质生活的定位与看待。百度通过搭建硬件平台并推出了百度云服务；腾讯则是以微信为自己的突破口；阿里则借助电视盒子和云 OS 作为智能家居平台的入口。当我们静下心去细细想下这些互联网公司的选择的突破
19、口，我们会发现他们最大的优势是其巨大的流量、用户数据、附带的系列软件等，结合当前的云存储与云计算，为智能家居的提供一个顶层设计也是一种完美的拟合。但是到目前为止也仅仅是百度做出了点成效。在早期的智能家居探索的产品是很多的，但是收益甚微，那一轮的家居热情就此虎头蛇尾的结束了。对于智能家居的家居元素的理解的深度还是不够透彻，由此可见当前市场上充斥着以小米模式喷涌的智能小产品，但是主流价值产品却是不足！不得不说主流产品布局的智能家居是一个整体框架的必然需要。传统家电企业：产业联盟式入口模式。不得不说最早嗅到物联网下智能家居发展的是传统的家电厂家。物联网本身就是一个技术驱动的产业，很显然凭借传统电商的
20、营销老路子是走不通的，曾经大批家电企业在轰轰烈烈的进军 PC产业的教训是痛在他们心里的。现实的状况是，在专业性技术和推广策略的限制下传统家电企业在智能家居领域的单打独干显得很无力。当物联网的浪潮真正全面袭来的时候，主流的家电公司纷纷选择他们的方式家电联盟，去融入并打造他们世界观下的智能家居。比如海尔的 U-home 系统为平台，凭借 E 家佳联盟标准达到了多产品的兼容。传统家电企业对家用电子设备是真正理解，凭借自己在传统家电行业内的威望，组建一个企业联盟进而建立拉拢一批小型智能家居制造商，搭建统一的开放平台，以此来把控智能家居的入口也不失为一个上上策。化性能。 CC1100 无线模块中有极少的
21、外部元件：芯片内频率合成器，不需要外部滤波器或RF 转换，可编程控制的基带调制解调器；有理想的多路操作特性，有可控的数据包处理硬件，可快速频率变动合成器带来的合适的频率跳跃系统，有可选的带交错的前向误差校正，有单独的 64 字节 RX 和 TX 数据 FIFO 高效的 SPI 接口：所有的寄存器能用一个“突发”转换器控制，有数字 RSSI 输出与遵照 EN 300 220(欧洲)和 FCC CFR47 Part 15 标准的系统相配，还有自动低功率 RX 拉电路的电磁波激活功能，并拥有许多强大的数字特征，使得使用廉价的微控制器就能得到高性能的 RF 系统。 CC1100 无线模块还包含集成模拟
22、温度传感器，及能自由引导的绿色数据包，能对数据包导向系统的灵活支持：对同步词汇侦测的芯片支持，地址检查，灵活的数据包长度及自动 CRC 处理。还有可编程信道滤波带宽 OOK 和灵活的 ASK 整型支持 2-FSK，GFSK和 MSK 支持自动频率补偿，可用来调整频率合成器到接收中间频率对数据的可选自动白化处理；对现存通信协议的向后兼容的异步透明接收/传输模式的支持可编程的载波感应指示器 ，可编程前导质量指示器及在随机噪声下改进的针对同步词汇侦测的保护，支持传输前自动清理信道访问（CCA） ，即载波侦听系统 ，支持每个数据包连接质量指示。 CC1100 无线模块是一种低成本真正单片的 UHF 收
23、发器，为低功耗无线应用而设计。电路主要设定为在 315、433、868 和 915MHz 的 ISM 和 SRD（短距离设备）频率波段，也可以容易地设置为 300-348 MHz、400-464 MHz 和 800-928 MHz 的其他频率。RF 收发器集成了一个高度可配置的调制解调器。这个调制解调器支持不同的调制格式，其数据传输率可达 500kbps。通过开启集成在调制解调器上的前向误差校正选项，能使性能得到提升。 CC1100 无线模块为数据包处理、数据缓冲、突发数据传输、清晰信道评估、连接质量指示和电磁波激发提供广泛的硬件支持。CC1100 的主要操作参数和 64 位传输/接收FIFO
24、（先进先出堆栈）可通过 SPI 接口控制。本课题通过实验验证，系统中使用的 CC1100 无线模块的功效距离大约 1.2 公里，只要再对其进行一些技术上的改进，可以确定地说，在以后对水库无线远程监控的应用中，它会起到非常大的作用。2.2 串口通讯应用串行通信是指数据的各位是一位一位得按顺序传送的通讯方式。它的突出优点是只需要一根传输线，甚至可以利用电话线作为传输线，这样就大大降低了传输成本，特别使用于远距离通讯。其缺点是传送速度较低。假如并行传送 N 位数据所需要的时间为 T，那么串行传送的时间至少为 NT，而实际上总是大于 NT。(1) 串行通讯的两种基本方式围绕着当两个设备进行串行通讯时，
25、如何才能保证接受机接受到正确的字符这个问题，通常采用通讯双方都认可的两种传送方式（即通信方式） 。 异步传送方式在异步传送方式中，字符是按帧格式进行发送的。在帧格式中，先是一个起始位“0”，然后是 5 至 8 位数据。异步传送方式规定低位在前，高位在后；接下来是奇偶校验位（可略） ；最后一位是停止位“1” 。异步通信的帧格式如图 2.3 所示。瀠瀠 创 造 条 件 。(4)加 快 “ 保 障 ” 体 系 的 建 立 ,减 少 农 民 后 顾 之忧 。 在 农 村 ,全 面 落 实 义 务 教 育 政 策 ,加 快 推 进 新 型农 村 合 作 医 疗 制 度 ,建 立 农 村 最 低 生 活
26、保 障 制 度 ,逐步 发 展 农 村 社 会 化 养 老 ,树 立 农 村 居 民 消 费 信 心 ,稳定 农 民 未 来 支 出 预 期 ,由 “ 重 未 来 ” 转 变 为 “ 重 现 期 ”消 费 ,提 高 农 民 实 际 购 买 力 和 有 效 需 求 。(5)加 强 农 村 市 场 体 系 建 设 ,注 重 建 立 多 载 体 、多 层 次 、 多 渠 道 的 流 通 网 络 体 系 ,引 导 鼓 励 城 市 大 型商 贸 流 通 企 业 经 营 网 络 向 农 村 延 伸 ,采 取 直 营 、 城 镇连 锁 经 营 、 物 流 配 送 、 代 理 、 租 赁 、 加 盟 等 灵
27、活 方 式 ,开 办 村 镇 超 市 、 便 利 店 ,为 农 民 提 供 物 美 价 廉 的 商品 ,降 低 农 村 市 场 流 通 成 本 和 农 村 居 民 消 费 成 本 ,扎实 搞 好 “ 万 村 千 乡 ” 市 场 工 程 1 。(6)积 极 落 实 国 家 “ 建 立 农 村 信 贷 担 保 机 制 ,扩大 农 村 有 效 担 保 物 范 围 ,积 极 探 索 发 展 农 村 多 种 形式 担 保 的 信 贷 产 品 ;积 极 扩 大 住 房 、 汽 车 和 农 村 消 费信 贷 市 场 ” 的 农 村 金 融 政 策 ,重 点 加 大 对 住 房 和 耐用 消 费 品 的 信
28、贷 支 出 ,适 时 地 形 成 适 合 农 村 特 点 的消 费 信 贷 模 式 ,培 育 农 村 消 费 热 点 ,起 到 推 动 农 村 消费 需 求 的 作 用 。(7)加 强 农 村 市 场 监 督 检 查 ,对 假 冒 伪 劣 商 品 、坑 农 害 农 现 象 加 大 查 处 力 度 ,保 护 农 民 消 费 权 益 和消 费 信 心 ,保 证 农 民 的 正 常 消 费 活 动 。4 结 语受 金 融 危 机 的 影 响 ,中 国 农 村 消 费 市 场 的 发 展有 喜 有 忧 ,各 区 域 消 费 市 场 结 构 具 有 分 异 性 。 为 应对 金 融 危 机 、 刺 激
29、内 需 ,中 国 应 实 施 差 异 性 消 费 鼓 励政 策 以 消 除 地 域 影 响 ,努 力 拓 宽 增 加 农 民 收 入 的 渠道 ,加 快 农 村 基 础 设 施 与 市 场 流 通 体 系 建 设 ,释 放 农村 消 费 市 场 的 巨 大 潜 力 ,促 进 经 济 增 长 。参 考 文 献 :1 梁 达 .关 注 新 形 势 下 的 农 村 市 场 与 农 民 消 费 J .中 国 金融 ,2009(7):58- 59 .2 中 国 统 计 局 .中 国 统 计 年 鉴 -2009M .北 京 :中 国 统 计出 版 社 ,2009:216- 224.3 中 经 网 统 计 数 据 库 EB/ OL . http:/ n .chinafilm .com,2009 -08- 31.4 汪 军 .阜 新 城 镇 居 民 消 费 结 构 的 数 量 分 析 J
