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基于NFC与ZigBee技术的农业种植监测系统
作者：万雪芬 杨义 郑涛 蒋学芹 来源：《物联网技术》2017年第03期
摘 要：文中提出了一种融合近场通信与ZigBee技术的农业种植监测系统。该系统不仅支持通过ZigBee实现上位机与节点之间种植信息的远程交互，还可以利用移动智能设备通过近场通信方式就近从节点查看局部种植信息。系统实现了从近端到远端、全局到局部的多层次种植监测信息获取。文中对系统硬件设计、上位机软件设计、移动智能设备App开发、NFC设计及设备数据交互设计的具体实现方法进行了讨论。实际测试结果表明，该系统具有结构简单、成本低廉、可靠性高、覆盖区域广及对移动智能设备支持性好等优点。其可为未来农业物联网领域提供一种新的种植监测手段。
关键词：智能农业；近场通信；移动智能设备；无线传感器网络；ZigBee
中图分类号：TN709；TP27 文献标识码：A 文章编号：2095-1302（2017）03-00-04 0 引 言
近年来，我国农业物联网技术飞速发展，基于物联网技术的智能农业监测系统有望得到较大规模的推广应用[1-4]。但传统的物联网农业监测系统其网络结构层次单一，多采用基于有线或无线结构的节点-上位机数据采集模式[5-8]，节点数据访问模式缺乏灵活性，对监测数据的获取过度依赖上位机。使用者需要通过上位机或远程网络才能实时获得种植信息。在很多场合中，使用者感兴趣的仅仅是局部种植信息或现场田间接入，若利用3G/4G网络或WiFi作为技术支持手段，则存在系统建立与维护成本高昂、拓扑结构单一、节点功耗增加、对外部网络依赖性强等缺点。
NFC是近几年蓬勃发展的一种新型短距离高频无线通信技术[9-11]。该技术允许电子设备之间进行非接触式点对点数据传输（数厘米内）。相对于RFID技术，NFC不仅可用于识别，还具有一定的通信能力。近年来国内外已经将NFC用于移动支付、广告营销及安全控制等领域。NFC技术由于具有与移动智能设备集成度好、可用于识别、成本低廉及安全性高等优点，未来将成为物联网的主要短距离通信/识别手段之一。
本文提出了一种融合近场通信（Near Field Communica-tion，NFC）与ZigBee技术的农业种植监测系统。该系统不仅可以借助ZigBee无线网络向上位机传输节点采集到的温湿度、土壤温度、光照、氧气含量等数据，还可以让使用者在田间地头直接通过智能手机或平板电脑等移动智能设备与身边的监测节点交互，经由NFC实时动态地了解局部种植监测信息。该系统
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可丰富现有物联网智能农业监测系统的工作模式，尤其在一些高端农业种植、个体植株监测与观光农业领域，有望得到推广应用。 1 系统设计
本文提出的农业种植管理系统主要面向智能观光农业领域。管理者通过系统获得温湿度等种植信息，还可将施肥、喷药等信息写入终端节点。而普通访问者（如农业观光园中的游览者）通过具有NFC功能的移动智能设备获取某一节点周围局部的挂果时间、农业肥料喷洒时间、栽培品种、温湿度、价格等相关信息供其采摘时参考。管理者还可通过NFC接入次数在宏观层面了解各种植区的人流及采摘兴趣。系统中网络节点分为数据采集节点与数据汇聚节点。数据采集节点采集种植区内的空气温湿度、土壤温度、日光照度与氧气数据，并通过ZigBee送往数据汇聚节点。数据汇聚节点负责将前端数据送往上位机，并周期性地将接收到的上位机下行信息分发到数据采集节点。汇聚节点同样使用ZigBee信道与采集节点及上位机进行交互。上位机将采集数据进行存储显示，并对网络进行管理控制。移动智能设备可以通过NFC从数据采集节点获得种植信息，并利用设备上已安装好的相应App来查看。种植信息向节点的写入方式可以采用近程与远程两种模式，既可以由种植区管理者在种植的每一个阶段用NFC读写器将信息写入节点，也可以由远程上位机下达。如果采用NFC读写器写入种植信息，每次写入的结果还将在下一个轮询周期内发往上位机。系统结构如图1所示。
由于NFC与ZigBee技术处于不同频率范围（NFC：13.56 MHz；ZigBee：2.4 GHz），二者在频率上不会形成干扰。由于NFC为近程点对点协议，因此在节点网络设计过程中可以排除多NFC并行接入单节点的情况。在设计网络空间拓扑时，可直接根据ZigBee组网的需求进行布局。温湿度、光照等数据变化速度相对较为缓和，数据采集节点及数据汇聚节点通过ZigBee传输数据时可采用分周期轮询机制。而移动智能设备通过NFC对节点的访问具有较大的随机性。轮询机制下每个数据采集节点在接到轮询指令后都会在指定时间窗口（通常为数秒）内将数据发出，而通常NFC访问所消耗的时间仅需数百毫秒。所以为避免二者在时间窗上冲突，可以将NFC网络传输的优先级设高。如果同时发生对节点资源的请求，则进入NFC数据传输模式，优先完成NFC数据传输。这一方式既保障了NFC方式的数据，也不会对ZigBee传输造成明显影响。 2 硬件设计
由于系统中数据采集节点既需承担对种植参数的采集与发送工作，也需要负责NFC的数据读写，因此其设计的优劣将直接决定系统的工作性能。在具体设计中，采用微芯公司生产的PIC16F690单片机作为节点MCU。PIC16F690具有高可靠性、低能耗及低成本等特点，非常符合户外监测系统的应用需求。节点温湿度传感器选用AM2306，该传感器为单总线数字式传感器，温湿度、精度都可以达到0.1%RH的标准。土壤温度传感器选用不锈钢封装的DS18B20。节点日光照度传感器选取美国DAVIS公司生产的6450日光辐照传感器，其光谱响应范围覆盖了400 nm到1 100 nm的区域，输出角度响应为一余弦响应曲线。氧气传感器采用
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英国City Technology公司生产的4OXV氧气电池式氧气传感器。4OXV输出信号经由AD8602高精度放大器放大后供MCU进行A/D采样。
数据采集节点NFC部分采用恩智浦半导体（NXP）PN532芯片，PN532是一个高度集成的非接触读写芯片，它包含带40 KB ROM和1 KB RAM的80C51微控制器内核，用于NFC协议控制，同时还集成了13.56 MHz的各种主动/被动式非接触通信方法和协议。在NFC模式下，典型工作距离约为100 mm。节点中PN532通过SPI接口与MCU相连。节点ZigBee部分选用基于TI公司CC2530的DRF-2617透传模块。PIC16F690通过USART接口与其连接。为了降低ZigBee传输受葡萄藤蔓、大棚支撑物等障碍物的干扰，还采用了信号增益为18 dBi的八木定向天线作为增强ZigBee传输的手段。节点主板与设置安装如图2所示。 数据采集节点共有三种工作模式，即NFC写、NFC读与ZigBee采集/传输。
在NFC写模式下，系统管理者可以利用NFC读写器，通过PN532将种植信息（如施肥种类/时间、农药喷洒种类/时间、植株挂果时间）等按照预先设定好的格式写入节点的存储空间中。
在NFC读模式下，智能设备通过PN532读取种植信息，此外还可查阅该时刻节点传感器采集到的氧气浓度、温湿度等棚内环境实时信息。设计通过绑定读写器ID来分辨设备的工作模式与读写权限。此外，在移动智能设备配套App中也设置了相应的权限标签。
在没有NFC访问要求时，节点工作于ZigBee采集/传输模式下。当接到上位机通过数据汇聚节点发来的轮询传输请求后，节点先检查是否有上位机发来新的种植信息或自身内部存储中是否有未上传的种植信息，如果有则执行相应更新。完成种植信息交互后，节点采集传感器数据，并与周期内NFC接入次数一起发往上位机。
系统数据汇聚节点采用与数据采集节点相同的硬件平台，但其与数据采集节点的主要硬件区别体现在以下方面：
（1）硬件结构中省略了对NFC功能与传感器采集功能的支持。
（2）节点使用15 dBi的全向玻璃钢天线以达到ZigBee信号全向覆盖的目的。由于该系统的节点硬件平台在设计时就考虑了通用性，所以通过移除替换对应模块就可实现硬件功能改变。在此基础上通过改写MCU程序，即可实现数据中转汇聚功能。上位机通过RS-232连接DRF-2617模块，该模块设为Coordinator。系统的ZigBee网络为双层网络架构，初始化时数据采集节点自动寻找RSSI最优的数据汇聚节点，上位机收集该节点配对信息。每隔一定时间，网络重复该操作，从而实现对数据流向及空间覆盖的规划设定。 3 系统软件设计 3.1 上位机软件设计