物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

張軍國(guó)，賴小龍，楊睿茜，呂靜霞

（北京林業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京 100083）

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是當(dāng)今世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，中國(guó)作為一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，對(duì)于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的需求更為迫切，怎樣合理經(jīng)濟(jì)地以少投入獲得多回報(bào)，這不僅是可持續(xù)發(fā)展的要求，更是社會(huì)進(jìn)步的體現(xiàn)。農(nóng)田的環(huán)境監(jiān)測(cè)是支撐精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)的關(guān)鍵，實(shí)時(shí)、方便、有效地采集農(nóng)業(yè)環(huán)境參數(shù)是實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的重要基礎(chǔ)[1]。

傳統(tǒng)的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)多采用有線組網(wǎng)的方式或者直接采用人工實(shí)地檢測(cè)獲得環(huán)境數(shù)據(jù)，這兩者都具有局限性。有線組網(wǎng)方式缺乏靈活性，受地理環(huán)境的限制，線路資源損耗較大，難以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)；人工實(shí)地檢測(cè)更耗費(fèi)人力、物力，且獲取的數(shù)據(jù)量有限，此外受主觀因素限制，測(cè)量結(jié)果難免出現(xiàn)誤差。新興的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為農(nóng)田信息獲取提供了一個(gè)嶄新的思路。本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，研究人員在總控制室就能對(duì)農(nóng)田進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，根據(jù)空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、土壤濕度和土壤pH值等農(nóng)情信息做出正確決策，滿足精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)自動(dòng)化、經(jīng)濟(jì)化、準(zhǔn)確化的要求。

1 物聯(lián)網(wǎng)概述

物聯(lián)網(wǎng)（The Internet of Things）是通過無(wú)線射頻識(shí)別（RFID，Radio FrequencyIdentification）、傳感器、全球定位系統(tǒng)（GPS，Global Position in System）等各種設(shè)備，利用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交換和通信，實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、監(jiān)控和管理的巨大網(wǎng)絡(luò)[2]。它是一種綜合性的動(dòng)態(tài)全球網(wǎng)絡(luò)，通過基礎(chǔ)配置和可互操作的協(xié)議，使用智能接口和無(wú)縫集成進(jìn)入信息網(wǎng)絡(luò)[3]。

物聯(lián)網(wǎng)在實(shí)物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)中包括三個(gè)層次——感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。其中感知層的主要功能是全面感知，信息感知可以通過RFID射頻標(biāo)簽技術(shù)或者傳感網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)；網(wǎng)絡(luò)層的主要功能是實(shí)現(xiàn)感知數(shù)據(jù)和控制信息的雙向傳遞，通過各種電信網(wǎng)絡(luò)與互聯(lián)網(wǎng)的融合，將物體的信息實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地傳遞出去；應(yīng)用層主要是利用經(jīng)過分析處理的感知數(shù)據(jù)，為用戶提供豐富的特定服務(wù)[4]。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.1 精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)內(nèi)涵

隨著近年來無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳感器技術(shù)的發(fā)展，精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)（precision agriculture）已成為農(nóng)業(yè)科學(xué)工作者關(guān)注的熱點(diǎn)。精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是指根據(jù)作物生長(zhǎng)的土壤性狀來調(diào)節(jié)對(duì)作物的投入，以最少的或最節(jié)省的投入達(dá)到同等收入或更高的收入并改善環(huán)境。結(jié)合無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐孕畔⒕W(wǎng)絡(luò)為中心的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)模式，農(nóng)田的耕種可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化[5]。從而有效地降低成本并提高產(chǎn)量，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

環(huán)境監(jiān)測(cè)作為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，能直接獲得作物生長(zhǎng)的土壤性狀相關(guān)參數(shù)，為精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的執(zhí)行過程提供最直觀的依據(jù)，是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)實(shí)現(xiàn)過程中不可或缺的組成部分。而作物生長(zhǎng)的土壤性狀相關(guān)參數(shù)通常包括空氣溫濕度、光照強(qiáng)度、土壤濕度和土壤PH值等[6-8]。

2.2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是一種全新的信息處理和獲取方式，目前基于物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究成為熱點(diǎn)，本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)圖

傳感層采用無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的方式，由大量部署在農(nóng)田信息采集區(qū)域的自組織傳感節(jié)點(diǎn)（包含普通節(jié)點(diǎn)和傳感節(jié)點(diǎn)）組成。普通傳感節(jié)點(diǎn)進(jìn)行環(huán)境參數(shù)的采集后通過Zigbee無(wú)線傳輸至簇首節(jié)點(diǎn)，簇首節(jié)點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)融合，打包，通過Zigbee無(wú)線傳輸將農(nóng)情信息傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)。

網(wǎng)絡(luò)層由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、GPRS/3G網(wǎng)和Internet組成，將環(huán)境參數(shù)傳送至監(jiān)測(cè)端。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)包含匯聚節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)部分，匯聚節(jié)點(diǎn)部分接收傳感層發(fā)送的信息，將其進(jìn)行數(shù)據(jù)融合等處理后傳送至網(wǎng)關(guān)部分，由網(wǎng)關(guān)部分通過GPRS/3G模塊將信息傳至Internet，然后遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)端就可以通過Internet讀取農(nóng)田環(huán)境信息了。此外，網(wǎng)關(guān)部分也可以通過各種通信方式直接和本地監(jiān)測(cè)端通信。

應(yīng)用層由遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)端組成，當(dāng)監(jiān)測(cè)端設(shè)備接入Internet時(shí)，生產(chǎn)者和技術(shù)研究人員就可以在任何時(shí)候、任何地點(diǎn)監(jiān)測(cè)所采集的農(nóng)情信息，對(duì)作物生長(zhǎng)情況進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤和分析，以及根據(jù)環(huán)境變化采取相應(yīng)措施，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的要求[9-11]。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

節(jié)點(diǎn)是組成基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本單位，包括傳感節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。傳感節(jié)點(diǎn)是監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感層的基本組成單元，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)則是網(wǎng)絡(luò)層的硬件基礎(chǔ)，它們的硬件設(shè)計(jì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的功能、性能都至關(guān)重要。本文分別對(duì)傳感節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行了硬件設(shè)計(jì)。

3.1 傳感節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

傳感節(jié)點(diǎn)通過傳感器部分采集農(nóng)情信息，經(jīng)由處理單元進(jìn)行簡(jiǎn)單轉(zhuǎn)換、處理，由無(wú)線收發(fā)模塊傳給上級(jí)節(jié)點(diǎn)。結(jié)合其功能特點(diǎn)，傳感節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)框如圖2示。

傳感節(jié)點(diǎn)的微處理器單元和無(wú)線傳輸單元采用CHIPCON公司的CC2430芯片，它是一款基于ZigBee協(xié)議，集成了80C51內(nèi)核處理器的芯片和ZigBee無(wú)線收發(fā)模塊，是一種比較成熟的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)解決方案。

圖2 傳感節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖

本系統(tǒng)中濕度、溫度測(cè)量采用錦州陽(yáng)光科技有限公司的TDR-3A型土壤溫濕度傳感器，該傳感器集溫度和濕度測(cè)量于一體，具有密封、防水、精度高的特征，是測(cè)量土壤溫濕度的理想儀器。光強(qiáng)測(cè)量采用TAOS公司推出的第二代光強(qiáng)數(shù)字轉(zhuǎn)換芯片TSL2561，它可直接通過I2C總線協(xié)議由微控制器訪問，微控制器則通過對(duì)其內(nèi)部的16個(gè)寄存器的讀寫來實(shí)現(xiàn)對(duì)TSL2561的控制。光纖pH值傳感器用于測(cè)量土壤pH值，基于pH值的變化將導(dǎo)致光纖傳感探頭中光頻譜特性變化這一原理，經(jīng)放大電路和A/D轉(zhuǎn)換器能得到數(shù)字輸出，然而這種方法的缺點(diǎn)是在土壤干燥時(shí)誤差較大。

此外，外部時(shí)鐘電路用于控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行頻率；串行通信接口作為程序調(diào)試和下載接口；復(fù)位電路用來恢復(fù)系統(tǒng)死機(jī)或程序跑飛等意外情況；電源模塊負(fù)責(zé)整個(gè)節(jié)點(diǎn)的能量供應(yīng)。

3.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)兼具匯聚節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)的功能，一方面收集無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)來的農(nóng)情信息，另一方面將這些信息經(jīng)過初步的處理，通過無(wú)線收發(fā)模塊（如GPRS模塊、3G模塊等）以及3G網(wǎng)和GPRS網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換，通過互聯(lián)網(wǎng)，網(wǎng)關(guān)可以發(fā)送農(nóng)情信息到遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心并且接收遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心發(fā)來的命令。具體結(jié)構(gòu)框如圖3所示。

圖3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖

因網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理工作任務(wù)繁重，對(duì)資源需求較高，而且要求成熟的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議支持，故采用三星公司的ARM9處理器S3C2410。該處理器采用0.18μm制造工藝的32位微控制器，擁有獨(dú)立的16 KB指令Cache和16 KB數(shù)據(jù)Cache，MMU，支持TFT的LCD控制器，NAND閃存控制器，3路UART，4路DMA，4路帶PWM的Timer，I/O口，RTC，8路10位ADC，Touch Screen接口，IIC-BUS接口，IIS-BUS接口，2個(gè)USB主機(jī)，1個(gè)USB設(shè)備，SD主機(jī)和MMC接口，2路SPI，最高可運(yùn)行在203 MHz。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過CC2430接收傳感節(jié)點(diǎn)采集到的農(nóng)情信息，并發(fā)送控制信息。通過GPRS網(wǎng)絡(luò)并入互聯(lián)網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)與遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心的通信。本系統(tǒng)中GPRS模塊采用SIM5218，它支持下行速率達(dá)7.2 Mbps和上行速率為5.76 Mbps的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，同時(shí)還具有豐富的接口包括UART、USB2.0、GPIO、I2C、GPIO、GPS、攝像頭傳感器和內(nèi)嵌SIM卡等。如需傳輸圖像，音頻等信息，則采用3G模塊傳輸，選用芯訊通無(wú)線科技（上海）有限公司研發(fā)的3G無(wú)線傳輸芯片：TD-SCDMA Module系列中的SIM4200。

此外，RS485總線接口用于必要時(shí)與本地監(jiān)測(cè)端的通信。JTAG調(diào)試接口和串行調(diào)試接口主要負(fù)責(zé)程序的燒寫、調(diào)試，F(xiàn)LASH用于掉電下的程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，SRAM主要用于在線的仿真，電源單元負(fù)責(zé)整個(gè)過程的能量供應(yīng)。

4 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包含：ZigBee協(xié)議棧，GPRS/3G協(xié)議棧的程序編寫以及傳感節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)?；赯igBee技術(shù)GPRS/3G技術(shù)已較為成熟，本系統(tǒng)采用現(xiàn)成的協(xié)議棧程序，而主要工作重心放在傳感節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的軟件設(shè)計(jì)上。又由于傳感節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的功能特點(diǎn)，工作任務(wù)有所差異，因此分開討論。

4.1 傳感節(jié)點(diǎn)的主程序設(shè)計(jì)

傳感節(jié)點(diǎn)相當(dāng)于網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)，自組織式聯(lián)網(wǎng)，是物聯(lián)網(wǎng)傳感層中的基層環(huán)節(jié)，直接與物聯(lián)網(wǎng)的目標(biāo)測(cè)量相關(guān)聯(lián)，將農(nóng)情信息轉(zhuǎn)換為有效的開關(guān)量進(jìn)行傳遞，主要工作有：等待網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)喚醒、采集農(nóng)情信息、發(fā)送數(shù)據(jù)、進(jìn)入休眠等，具體工作流程如圖4所示。

傳感節(jié)點(diǎn)通常情況下處于休眠模式，當(dāng)接收到上級(jí)節(jié)點(diǎn)的命令被喚醒后，便馬上發(fā)送請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)，等待網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)答成功加入網(wǎng)絡(luò)后，開始進(jìn)行農(nóng)情信息如土壤溫濕度、光強(qiáng)、pH值等的采集并傳輸給命令發(fā)送端節(jié)點(diǎn)，上級(jí)節(jié)點(diǎn)發(fā)送應(yīng)答位，確定接收成功后，傳感節(jié)點(diǎn)又轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)，這樣循環(huán)往復(fù)。

4.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的主程序設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)建立并管理網(wǎng)絡(luò)，允許或拒絕任何一個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)，并將各傳感節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)收集發(fā)送至互聯(lián)網(wǎng)，監(jiān)控端通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的讀取、記錄。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)一直在工作狀態(tài)，不會(huì)休眠。它的工作過程一般分為：等待監(jiān)測(cè)命令，建立網(wǎng)絡(luò)，加入節(jié)點(diǎn)，等待數(shù)據(jù)信息，發(fā)送數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的具體工作流程如圖5所示。

圖4 傳感節(jié)點(diǎn)工作流程

圖5 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)工作流程

在建立網(wǎng)絡(luò)時(shí)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)會(huì)不斷地搜索空的信道，如果搜索到某一信道，被另一網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)占用，則重新搜索，直到搜到空信道，其立即做相應(yīng)標(biāo)識(shí)，準(zhǔn)備建立自己的網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)一個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)要求加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，它會(huì)發(fā)送請(qǐng)求，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)根據(jù)自己的資源需求決定是否加入傳感節(jié)點(diǎn)，如果選擇加入此節(jié)點(diǎn)，則給它分配一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址，構(gòu)成新網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)傳達(dá)監(jiān)測(cè)命令給下級(jí)節(jié)點(diǎn)，等待接收數(shù)據(jù)，接收成功后發(fā)送至遠(yuǎn)程檢測(cè)端和本地監(jiān)測(cè)站。

5 結(jié)束語(yǔ)

精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)是當(dāng)今世界農(nóng)業(yè)發(fā)展的潮流，環(huán)境監(jiān)測(cè)是支撐精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)的關(guān)鍵，相比于傳統(tǒng)的農(nóng)田環(huán)境監(jiān)測(cè)方式的局限性，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測(cè)則滿足了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)快速、精確、連續(xù)測(cè)量的要求。本文基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提出了精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，簡(jiǎn)述了該系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)，研究了系統(tǒng)傳感層的基本單元——基于CC2430的傳感節(jié)點(diǎn)，和系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層的基礎(chǔ)——基于S3C2410的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，對(duì)它們的硬件設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)闡述。然而，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用還存在很多有待解決的問題。比如：數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性、數(shù)據(jù)傳輸安全性等問題還有待進(jìn)一步的優(yōu)化。

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