1  引言

我国是世界人口大国，是农业大国，也是世界上种茶、制茶、饮茶最早的国家，农业的发展直接影响我国农村经济的发展，目前我国茶园的生产管理水平比较落后，基础设施也比较差、人工种植一直是茶叶生产的传统方式，茶农无法实时掌握茶叶的生长环境状况，更不能及时调节茶叶生长所需的培育环境，从而造成茶园的茶叶质量不高，直接限制了我国传统茶园向现代化茶园转变，因此非常有必要引入先进的信息技术手段来提高茶园的科学化、现代化的管理水平，从而降低茶园的人力成本并提高茶叶质量。

随着zigbee技术、物联网技术、NB_IOT技术和云服务技术的快速发展，为了节约茶园的人力成本，提供管理水平，提高茶叶产量和质量，本文提出了一种基于ZigBee和NB_IOT技术相结合的茶园环境监测系统的设计。通过该系统，用户可以实时了解茶园茶树生长的环境参数，并根据环境参数对茶园现场的控制设备进行相应调控以便为茶树提供更好的生长环境，地面环境参数传送采用无线组网方式，地下环境参数采用485有线通信方式。

2  茶园环境监测系统的总体架构设计

    茶园环境监测系统主要由采集节点、路由节点、网关、云平台、客户端四部分组成。系统总体架构如图1所示。

图1  茶园环境监测系统的总体架构图

茶园环境监测系统主要实现对茶园的环境参数实时监测。先将采集节点、路由节点、协调器即网关布设在茶园各个检测区域，从而组成一个无线传感网络（ZigBee网络），采集节点一方面采集地面上的温湿度、光照、风速信息，同时通过RS-485通信方式采集土壤的温湿度、土壤酸碱度(PH)、土壤电导率(EC)土壤氮磷钾等多项参数。协调器同时具有网关的功能，协调器将收到的采集数据按照固定协议通过NB_IOT功能模块M5310NB模组传送到中国移动的OneNET平台，然后用户通过PC客户端B/S，或C/S的方式，或者通过手机端APP实时查看获取的环境参数，然后通过分析获得的参数来向网关及控制器设备发送指令，比如打开水阀进行灌溉，或控制智能水肥一体机进行施肥等等，从而改善茶园茶树的培育环境，更有利于茶树生长，减少害虫，提高茶叶产量和质量，降低茶园的人力成本。

3  茶园环境监测系统的功能及设计

3.1  ZigBee网络的功能及设计

本系统的数据采集部分实质上是一个无线传感网络，采用ZigBee组网技术^[1]，ZigBee网络主要是采集茶园的地面和地下土壤的环境参数，并通过路由器转发到协调器即网关。Zigbee技术是一种基于IEEE 802.15.4的无线通信协议。

3.2  采集节点的功能及设计

采集节点的硬件主要包括传感器模块、CC2530、电源模块三部分，其中传感器模块又包括两部分，一部分是采集地面上环境信息的温湿度、光照、风速传感器，另一部分是采集土壤环境信息的土壤综合传感器模块（采集土壤温湿度、土壤酸碱度(PH)、土壤电导率(EC)土壤氮磷钾等参数）。具体结构示意图如图2虚线左边所示。

                                                                       图2  采集节点结构示意图

3.3  协调器即网关的功能及设计

协调器即网关的主要功能是将采集节点无线方式发送的数据按照固定协议打包后通过串口发送给NB_IOT模块M5310，该模块再将数据发送到OneNet云平台。协调器即网关的硬件包括NB_IOT模块、CC2530、电源模块三部分，其结构示意图如图2虚线右边所示。

3.4  OneNet云平台功能

OneNET-中国移动物联网开放平台是由中国移动打造的PaaS物联网开放平台。平台能够帮助开发者轻松实现设备接入与设备连接,提供综合性的物联网解决方案,实现物联网设备的数据获取,数据存储,数据展现。

该平台主要是接收NB_IOT模块发送的数据，并保存起来，以便客户查询，同时还可以进行数据展现和分析。

3.5  客户端功能

客户端程序分为WEB页面程序和移动终端程序。WEB页面使用HTML5+CSS3+Java Script开发，移动客户端程序采用android studiok开发，PC端可以采用visual studio2015开发。

4  结束语

基于ZigBee和NB_IOT技术茶园环境监测系统同时结合云服务技术，具有安全性高、可用性高、扩展灵活及成本低的特点，后期可以根据获得的环境监测大数据进行分析，从而可以对茶园的环境进行自动化、精准化和智能化调控。


   参考文献：

[1]陈思琦，张清波，隋斌雁，等． 基于ZigBee农田自动灌溉信号采集及数据传输系统［J］． 上海工程技术大学学报，2013(4): 369-372．

[2] 邵金梓．深亚微米片上电磁兼容技术研究与应用［D］．南京:东南大学，2009．

项目支持：

重庆市教委科技项目《基于nb-iot云服务平台的茶园环境监测系统研究》（项目编号KJQ N201903901）；重庆市教委科技重点项目《基于人工智能的校园安防系统研究（项目编号KJZD-K201903901）;重庆城市职业学院校级课题《基于NB_IOT技术的茶园远程环境监测系统研究》（项目编号XJXK201801001）。

作者简介：

何东（1975-）男 重庆人 硕士研究生 副教授

主要研究方向：嵌入式系统、电子信息与通信、物联网