第38卷
v01．38
第17期
No．17
计算机工程
ComputerEngineering
2012年9月
September2012
·物联网专题·文章编号：1000—3428(2012)17—0020--04文献标识码：A中圈分类号：TP393
基于物联网技术的远程农田监控系统设计
李雪喇，黄梦醒，朱东海
(海南大学信息科学技术学院，海13570228)
摘要：针对嵌入式网关的无线网络接入成本以及流量负荷过高的问题，设计一种基于物联网技术的远程农田信息监控系统。将无线传感
器网络作为采集系统，采用ARMll的嵌入式网关、嵌入式数据库和嵌入式服务器，利用3G无线网络接入技术，开发智能手机客户端，
进行远程控制、数据访问和可视化。分析结果表明，该系统可对农田信息进行有效监控，适合现代农业发展的需要。
关奠词：物联网；无线传感器网络；嵌入式Linux；嵌入式网关；智能手机；远程监控
DesignofRemoteFarmlandMonitoringSystem
BasedonlOTTechnology
LIXue-gang,HUANGMeng-xing,ZHUDong-hai
(CollegeofInformationScience&Technology，HainanUniversity，Haikou570228，China)
[Abstract]AremotefarmlandmonitoringsystembasedonInternetofThings(10T)technologyisdesignedtosolvethehigh-priceoftheInternet
accessandhighflowloadoftheremotedata-center．ThesystemadoptsWirelessSensorNetwork(WSN)tOcollecttheenvironmentalinformation
andtheembeddedgatewaybasedonARMl1．whichaccessestotheInternetusingthe3Gtechnology．Meanwhileamobileclientisdevelopedfor
usertoviewtheinformationandcontrolthedevices．Analysisresultsshowthatthesystemcaneffectivelymonitorandcontrolthefarmland
information，andbesuitablefortheneedsofmodemagriculturaldevelopment。
[KeywordslInternetofThings(IOT)；WirelessSensorNetwork(WSN)；embeddedLinux；embeddedgateway；smartphone；remotemonitoring
DoI：10．3969／j．issn．1000-3428．2012．17006
1概述
随着信息技术的发展、“感知地球”概念的提出，物
联网的发展越来越快。而在数字农业发展的今天，感知农
田环境信息成为迫切的需要”1。物联网技术是实现农业集
约、高产、优质、高效、生态、安全的重要支撑，主要应
用于田问信息的感知。对肥力、温度、光照、水分、二氧
化碳浓度等环境因素的检测及作物图像信息的获取等，通
过采集田问信息，对农作物长势进行动态监测，可以及时
了解农作物的生长状况、土壤墒情、肥力参数、植物营养
特性和病虫害状况，以便及时采取管理措施，实现农作物
良性生长，保障农业产业安全，为对农业进行科学管理提
供平台和依据。
近年来，随着嵌入式技术、无线通信技术和手机的发
展，国内外都提出了各自的远程监控方案。文献[2]提出一
种通过接入以太网作为服务器的嵌入式网关方案，文
献[3-4]通过GPRS模块将传感器数据发送到远程数据服
务器上。文献[5]提出一种基于$3C2440的医疗监控系统，
利用3G模块将血压等健康信息发送到医生工作室的数据
库中，通过无线通信的方式将数据发送到数据中心的方法
被普遍采用。文献[6]针对温室环境数据信息监控特点，进
行了基于ZigBee协议的传感器节点技术的开发，并在此
基础上组成现场监控无线传感器网络，通过网络汇聚节点
与无线移动网络(GPRS／CDMA)和Interact的无缝连接，
实现数据远程传输至指定数据库服务器。文献[7]的方案采
用手机短信、彩信的方式进行远程监控。但是，文献【2]
的网络接入方式对于农业环境而言以太网接入的成本太
高；文献[3-4]的远程数据中心方式流量负载很大；文献[5]
的B／S模式相对C／S模式来说，实时性较差。为此，本文
参考国内外已有的研究成果，提出一种基于物联网技术的
远程农田信息监控系统方案，采用无线传感器网络进行信
息采集，利用ARM处理器和嵌入式Linux技术，结合无
线通信网络覆盖范围广的特点，开发能进行田间信息等精
细农业信息采集与传输，并能通过智能手机客户端随时随
地进行C／S模式的远程监控的智能农业系统。
基金顶日：国家自然科学基金资助项目(71161007)：教育部人文社会科学基金资助项目(10YJCZH049)；海口市重点科技计划基金资助项目
(2010-0067)
作者倚介：李雪刚(1987--)，男，硕士研究生，主研方向：物联网技术，农业信息化；黄梦醒、朱东海，教授、博士
收稿日期：2011—09·05修回日期：2011-10-20E-marl：huangmx09@gmail．corn
万方数据
第38卷第17期李雪刚，黄梦醒，朱东海：基于物联网技术的远程农田监控系统设计21
2系统总体结构
农田信息监控系统结构如图1所示，分成现场传感器
网络、嵌入式网关和手机监控终端3个部分。
图1农田信息监控系统结构
无线传感器网络承担着在监控区域进行数据采集的
工作，传感器节点上配备温度、湿度等多种传感器，节点
通过Zigbee模块进行自组网，各节点之间相互协作，除
了进行本地信息收集和处理外，还对其他节点转发过来的
数据进行转发等处理，共同完成监测任务。并经过节点路
由将采集到的数据按照设定的上传周期发送到基站节点。
基站节点不负责采集传感数据，只负责收到各节点的采集
数据之后，通过RS一232串13总线将实时数据传送给嵌入
式网关和将网关发送的配置指令分发给指定节点。
嵌入式网关在系统中负责数据的接收处理、数据存
储、数据服务器等：
(1)监听串口设备，接收并分析处理基站节点发送的数
据，根据数据的来源和相关属性送本地嵌入式数据库
存储。
(2)嵌入式网关会监听远程客户端的访问请求，以响应
来自用户远程客户端的配置请求和查询请求，并将请求结
果反馈给远程客户端。
手机客户端负责数据的访问、可视化以及指令的配置
发送。提供友好界面供用户进行相关指令的配置、发送，
并进行表格和曲线可视化。这种即时的查询、反馈模式省
去了用户查询时频繁的信息确认时间，避免了大量传感信
息同时发送时引起的网络堵塞问题，具有很强的实时性。
3系统模块实现
系统共分成信息采集、信息处理、信息访问3个部分，
分别由传感器网络、嵌入式网关和智能手机实现。
3．1无线传感器网络
监控区域的信息采集利用无线传感器网络，由传感器
末梢节点与基站节点组成，节点之间通过Zigbee模块通
信。传感器的末梢节点结构如图2所示。
圈2传●器的末糟节点结构
传感器末梢节点是一个带外围传感器(温度感应器、
湿度感应器、光强感应器等)和Zigbee无线通信模块的低
功耗嵌入式MCU，电池供电，其具有感知数据采集、计
算处理、无线通信、自动组网和设备控制的能力。节点以
单片机为核心，通过各种外围传感器采集模拟信号，经过
A／D转化为数字信号，再由单片机对所获取的数据进行处
理，封装打包通过Zigbee模块发送给基站节点。
传感器的基站节点结构如图3所示，基站节点是同时
配备串口和Zigbee无线通信模块的节点。数据经过多个
节点的转发路由之后最终传到基站节点，基站节点又称网
关节点，其数据处理能力、存储能力和通信能力较强，完
成传感网末梢节点信息的组网控制和信息汇集，或完成向
传感器末梢节点下发信息的转发等功能。也就是传感器末
梢节点之间完成组网后，如果末梢节点需要上传数据，则
将数据发送给基站节点，基站节点收到数据后，通过
RS．232串口总线实时将数据传送给嵌入式网关。
图3传■嚣的基站节点结构
3．2嵌入式两关
3．2．1网关硬件结构
嵌入式网关硬件结构如图4所示。
+—一256DDRRAM
卜一N1。G。州BSL。；C。
S3C6410一电罴灯幡—一标准电源接口
微处理器
．t—一串口K—刊基站节点
‘—一串口坼一网络模块
圈4嵌入式厝关硬件结构
嵌入式网关设备以ARMll芯片(三星$3C6410)处理
器为核心，外围硬件接口包括256MDDRRAM，1GB
SLCNandFlash存储器，5V的电源供电，底板具有3个
LCD接口、4线电阻触摸屏接口、100M标准网络接口、
标准DB95线串13、MiniUSB2．0接口、USBHost1．1、
3．5mm音频输入输出13、标准Tv-0uT接口、SD卡座、
红外接收等常用接171；另外还引出4路TTL串口，
另1路TV-OUT、SDl02接口(可接SDWiFi)接13等；在
板的还有蜂鸣器、12C—EEPROM、备份电池、AD可调电
阻、8个中断式按键等。
外围硬件接口的选择将决定整个系统通过何种方式
万方数据
计算机工程2012年9月5日
接入网络，目前，最常用的既廉价又成熟的方法是采用以
太网接口，但是由于农田环境的特殊性，常用的接入方式
反而加重成本。因此，本文采用3G模块实现无线互联网
的接入，提供无线网络解决方案，为移动客户的访问提供
远程连接悼J。
3．2．2网关软件结构
根据嵌入式网关的功能需求，本文采用的网关软件结
构如图5所示。底层操作系统采用嵌入式Linux系统，应
用程序分成3个模块：服务器模块，数据操作模块，串13
通信模块。
图5基于C／S模式的罔关软件结构
嵌入式网关通过串口通信模块对获取的数据进行综
合分析处理后，调用数据操作模块存储到本地的嵌入式数
据库中，并采用C／S模式供远程客户端访问，客户端与服
务器之间通过Socket交换数据实现实时监控。服务器监
听Socket端13，一旦服务器接收到来至客户端的服务请
求，就会对服务请求进行分析处理，并连接数据库进行
操作。
3．3智拍手税
为了能够随时随地的对于农田信息进行监控，本文采
用NokiaN900智能手机作为访问终端，自带Maem05操
作系统，内置了OMAP3430处理器，可运行IGB的虚拟
内存，工作频率达到了600MHz。并支持GSM，WCDMA
的制式，可通过GMS／GPRS／WCDMA／EDGE／HSDPA进行
网络连接。
本文利用QT开发环境开发客户端程序，手机客户端
程序具有连接服务器程序、发送请求指令、分析数据和数
据可视化的功能。
4系统软件设计
4．1嵌入式罔关软件设计
两关软件除了底层嵌入式Linux的裁剪、移植外，分
成服务器模块、数据操作模块、串口通信模块3个模块，
各模块之间相互作用，共同完成相关功能。网关软件程序
流程如图6所示。
图6罔关软件程序藐程
4．1．1服务器模块
监控系统采用的C／S模式，服务器与客户端之间采用
Socket进行通信。服务器模块负责监听Socket端13，并将
服务请求进行解析处理，并将结果反馈给客户端程序，工
作流程如下：
(1)为服务器创建socket，并绑定、监听端13。
(2)一旦端口接收到数据报，对数据报进行解析。
(3)如果是配置指令，调用串口通信模块，将指令写入
串口；如果是查询请求。调用数据操作模块，根据请求参
数进行数据查询，并将查询结果返回给客户端。
4．1．2串13通信模块
程序打开串日，就监听串口设备，一旦有数据由基站
节点通过串口设备发送过来，就对数据进行解析和处理，
并调用数据操作模块将传感器数据分类存储。服务器模块
万方数据
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也可以调用串口通信模块将配置指令写入串口。其工作流
程如下：
(1)设备初始化，打开串I=1，设置串I=1属性包括设置波
特率、设置控制模式标志、设置本地模式标志、设置输入
／输出模式标志、设置控制字符等。
(2)清空发送／接收缓冲区，为保证读／写操作不被串口
缓冲区中原有的数据干扰，可以在读／写数据前将串El发
送／接收缓冲区清空。
(3)从串口读取数据，将数据进行解析，并调用数据操
作模块进行数据存储；将配置指令写入串口。
4．1．3数据操作模块
提供接口供服务器模块和串口模块调用，可对嵌入式
数据库进行各种操作。包括表的创建、数据的插入、数据
的查询等各种SQL操作。
4．2手机终靖软件设计
运行在智能手机上的客户端程序由3个基本功能模块
组成，人机接口、服务请求模块和数据接收处理模块。人
机接口不仅提供操作界面供用户进行相关的设置操作，用
户可对需要查询的节点、传感器类型等参数进行设置并发
送，还可以组织节点初始化、上传周期等下行指令。人机
接口同时提供表格和曲线2种形式的数据可视化，用户可
以充分监测到监控区域的实时以及历史状态数据。服务请
求模块负责将数据查询请求指令和配置指令打包发送到
服务器上。数据接收处理模块会将接收的数据包进行解
码、分析并进行相应的处理。
5系统测试
测试实验选用6个传感器节点和1个基站节点，基站
节点通过串El与嵌入式网关相连。远程用户通过启动智能
手机的客户端，如图7所示。
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圈7客户■主界胃
在主界面中设置服务请求的相关参数，如查询节点、
传感器类型、查询类型等进行设置，并将查询指令发送到
服务器。服务器根据用户请求进行数据库操作，并将查询
的数据返回给客户端。图8显示了1号节点温度信息的实
时数据曲线。
裹括田缸
一^，1，～、^r＼^九．^^LA
√”＼，L＼，』VV’、，VVV＼，-．J、
圈8客户■实时效曩●囊
6结束语
本文提出一种基于物联网技术的远程农田信息监控
系统，利用3G无线网络实现接入，通过智能手机终端实
现各种应用。本系统实时响应强、高效可靠，用户可随时
随地通过智能手机进行监控，能够较好地解决农田环境网
络接入以及流量负载过高的问题。下一步将在感知节点上
扩展更多环境因子的传感器，如光照强度、二氧化碳浓度、
土壤温湿度等，并增加摄像头进行图像视频的监测，使工
作人员能更全面地获取农业环境、农作物生长状态等各种
信息。
参考文颤
…姚世凤，冯春贵，贺园园，等．物联网在农业领域的应用【J】
农机现代化，2011，(7)：190一193．
[2】张杰，石为人，涂巧玲，等．基于无线传感器网络的信息采
集监测系统设计【J】．传感器技术学报，2009，14(6)：861·864．
【3]BenciniL，ChitiF''CollodiGAgriculturalMonitoringBasedon
WirelessSensorNetworkTechnology：RealLongLife
DeploymentsforPhysiologyandPathogensControl[C]／／Proc．of
the3rdInternationalConferenceonSensorTechnologiesand
Applications．Athens，Greece：【S．n．]，2009．
【4】4KabashiAH，ElmirghaniJMH．ATechnicalFrameworkfor
DesigningWirelessSensorNetworksforAgriculturalMonitoring
inDevelopingRegions[C]／／Proc．ofthe2ndInternational
ConferenceonNextGenerationMobileApplications，Services，
andTechnologies．Cardiff,UK：【S．n．】，2008．
【5】5PengZhongbao，HuChao，LiaoJingsheng．DesignofEmbedded
RemoteMonitoringTerminalBasedon3GNetwork[C]／／Proc．of
CME’11．Harbin，China：【S．n．】，2011．
【6】韩华峰，杜克明，孙忠富，等．基于ZigBee网络的温室环境远
程监控系统设计与应用【J】t农业工程学报，2009，25(7)：158·
163．
【7】高强，郑晓庆，陈敏．嵌入式Linux的家用无线远程监控系
统【J】．自动化与仪表，2010，25(5)：47·51．
[8]劳凤丹，余礼根，腾光辉，等．设施农业3G_VPN远程监控系统
的设计与实现【J】．中国农业大学学报，2011，16(2)：155—159．
编辑顾姣健
万方数据
基于物联网技术的远程农田监控系统设计
作者：李雪刚，黄梦醒，朱东海，LIXue-gang，HUANGMeng-xing，ZHUDong-hai
作者单位：海南大学信息科学技术学院,海口,570228
刊名：计算机工程
英文刊名：ComputerEngineering
年，卷(期)：2012,38(17)
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jsjgc201217006.aspx
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