基于情景感知水稻育秧大棚農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的設計與實現(xiàn)

摘 要：情景感知提供有一種依據(jù)情景信息實現(xiàn)智能決策的計算模式。文章提出了一種基于情景感知的水稻育秧大棚環(huán)境感知與控制服務模型，較好地解決了物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下農(nóng)業(yè)領域的情景感知、情景處理及情景服務問題。在實際的水稻育秧農(nóng)業(yè)產(chǎn)生中，感知節(jié)點可提供水稻育秧大棚內(nèi)的各類環(huán)境信息，執(zhí)行節(jié)點則執(zhí)行相關的情景處理結果，基站平臺、服務器平臺、移動終端平臺負責情景信息處理與信息推送，這樣，通過設置控制因子與環(huán)境因子之間的關系，即可自主應對各類異常情況。

關鍵詞：農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)；情景感知；環(huán)境參數(shù)；數(shù)據(jù)融合

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302(2014)06-0029-03

0引言

隨著無線傳感器與執(zhí)行器網(wǎng)絡、網(wǎng)格計算及情景感知等技術的成熟，農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的大田種植、設施園藝、畜禽養(yǎng)殖、水產(chǎn)養(yǎng)殖及農(nóng)產(chǎn)品物流等方面已進入快速推進和實質應用階段。

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)以農(nóng)業(yè)現(xiàn)場的各類傳感器為感知設備，充分利用無線傳感器網(wǎng)絡、互聯(lián)網(wǎng)等多種傳輸通道，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)信息的多尺度的可靠傳輸，并將獲取的海量農(nóng)業(yè)信息進行融合、處理，實現(xiàn)智能控制，進而提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)經(jīng)營精細化管理水平，達到合理使用農(nóng)業(yè)資源、降低生產(chǎn)成本、改善生態(tài)環(huán)境、提高農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和品質[1]。

黑龍江省是中國主要的水稻產(chǎn)區(qū)之一，因氣候原因，黑龍江省內(nèi)各墾區(qū)的水稻育秧工作一般在每年3月中旬到5月中旬在水稻育秧大棚內(nèi)進行，大棚內(nèi)的環(huán)境直接影響到秧苗的質量。通過在水稻育秧大棚內(nèi)部署農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，水稻育秧管理人員可隨時隨地了解育秧大棚內(nèi)環(huán)境并可遠程控制大棚內(nèi)的設備，實現(xiàn)精確化管理，可有效提升壯秧率，提高水稻的產(chǎn)量[2]。

本文基于此，在充分分析了水稻育秧大棚的功能需求基礎上，基于WSAN和情景感知，設計了一套水稻育秧大棚情景感知農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，實現(xiàn)了全面感知水稻育秧大棚的實時環(huán)境，并通過對感知信息融合處理，實現(xiàn)基于智能決策的精準控制。

1系統(tǒng)模型

1.1情景感知

情景感知形成于普適計算環(huán)境下，指利用傳感器感知情境信息，通過對情景信息的分析、處理，自主地為用戶提供服務的過程。凡是能夠按照用戶需求，根據(jù)情境向用戶提供相關信息及服務的系統(tǒng)，均可稱作情境感知系統(tǒng)。情境感知系統(tǒng)由情景獲?。ㄇ榫疤峁?、情景表示（情景處理）和情景使用（應用服務）等三部分構成[3]。

2006年8月Google提出了云計算，云計算較好地解決了情境感知系統(tǒng)中大數(shù)據(jù)收集、分析、處理，以及實時信息服務等儲多問題，從而促進了情景感知技術在物聯(lián)網(wǎng)領域的應用。與傳統(tǒng)情景感知服務相比，云計算環(huán)境下的情景感知服務在情景獲取、情景表示和情景使用等方面都有了全新實現(xiàn)模式[4]，從而具有智能化、交互性強，以及實時性高的特點。

1.2情景感知系統(tǒng)結構

應用于水稻育秧大棚的情景感知物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結構[5-8]如圖1所示。該系統(tǒng)由情景獲取、情景處理、應用服務等三部分組成。

圖1水稻育秧大棚的情景感知物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)結構

情景獲取主要負責對水稻育秧大棚內(nèi)的環(huán)境因子進行采集和獲取，在經(jīng)過保真預處理后，將信息轉換成指定格式。情景獲取通常利用無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)來實現(xiàn)，這種實現(xiàn)方式僅能感知情景，而無法自主的改變情景，為解決這一問題，本設計中引入了無線傳感器與執(zhí)行器網(wǎng)絡(WSAN)，這種網(wǎng)絡由一組傳感器節(jié)點和執(zhí)行器節(jié)點構成。傳感器節(jié)點用于提供水稻育秧大棚內(nèi)的各類環(huán)境信息，而執(zhí)行器節(jié)點用于執(zhí)行相關的情景服務。另外，針對水稻育秧大棚群數(shù)據(jù)處理的實際，系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理結構借鑒了 “半自主結構”和“協(xié)同結構”的思想[9]，并將兩者思想相融合，提出半自主協(xié)同結構，圖2所示是系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的網(wǎng)絡結構。在這種結構中，感知節(jié)點同時向執(zhí)行節(jié)點和匯聚節(jié)點傳送數(shù)據(jù)，執(zhí)行節(jié)點將對收到的數(shù)據(jù)分析，但在執(zhí)行某類操作以前會與匯聚節(jié)點進行協(xié)商。在這種結構中，匯聚節(jié)點監(jiān)控整個信息網(wǎng)絡，并與服務器平臺、感知節(jié)點與執(zhí)行節(jié)點通信。

情景處理是情景感知系統(tǒng)的核心，基于農(nóng)業(yè)情景知識庫，對所感知的情景進行建模，同時對所感知的情景進行過濾和篩選，并最終對生成的情景進行識別，以便輸出情景控制信息。

圖2系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理網(wǎng)絡結構

2系統(tǒng)構建

2.1感知節(jié)點

圖3所示的感知節(jié)點用于感知水稻育秧大棚內(nèi)的三大類環(huán)境參數(shù)。節(jié)點MCU采用Silicon Laboratories公司推出的完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片C8051F021，該芯片集成2個ADC（8通道12位ADC0，8通道10位ADC1），便于實現(xiàn)多通道模擬量采集。

圖3感知節(jié)點

感知節(jié)點的傳感器部分并沒有采用傳統(tǒng)的“板載”設計，而是采取了 “開放式”設計。即感知節(jié)點利用MCU接口豐富優(yōu)勢，預留電流型傳感器接口、電壓型傳感器接口、數(shù)字型傳感器接口，而具體傳感器的種類、類型可利用軟件進行配置，感知節(jié)點通道配置軟件如圖4所示。通過配置軟件可為每一感知節(jié)點配置一個長度為16位的編碼，作為感知節(jié)點網(wǎng)內(nèi)標識。對于每個模擬通道必須配置通道名稱、單位、測量范圍等參數(shù)后，才可正常使用，而對于數(shù)字通道只需配置通道名稱和單位即可。

感知節(jié)點的無線傳輸部分同時兼融433 MHz無線數(shù)據(jù)傳輸模式和2.4 GHz ZigBee無線數(shù)據(jù)傳輸模式，以適應不同地區(qū)現(xiàn)場需要。433 MHz無線模塊采用Silicon Laboratories公司的SI4464實現(xiàn)，與MCU通過SPI接口連接，為增大無線數(shù)據(jù)傳輸距離，在SI4464射頻模塊外增加了一級PA，使最大發(fā)射功率達到30 dBm；ZigBee通信部分采用了Digi公司XBee S2模塊。XBee S2以ZigBee協(xié)議運作，支持低成本、低功耗無線傳感器網(wǎng)絡工程。

圖4感知節(jié)點通道配置軟件

感知節(jié)點在數(shù)據(jù) “保真”預處理方面，采取了“分布圖+Kalman+Bayes”的“輕量級”數(shù)據(jù)融合算法[10]。

2.2執(zhí)行器節(jié)點

執(zhí)行器節(jié)點如圖5所示，用于控制水稻育秧大棚內(nèi)的通風電機、噴淋閥等設備。執(zhí)行器節(jié)點通過無線方式接收基站平臺的控制指令。執(zhí)行器節(jié)點在設計過程中充分考慮了信號隔離與信號抗干擾、卷膜電機上升和下降的互鎖機制，以及設備狀態(tài)的自動檢測與處理。

圖5控制節(jié)點

與感知節(jié)點一樣，執(zhí)行器節(jié)點同樣也配置一個長度為16位的編碼，作為網(wǎng)內(nèi)設備標識，且要與感知節(jié)點統(tǒng)一編碼。

2.3基站節(jié)點

基站節(jié)點除承擔WSAN網(wǎng)絡情景感知網(wǎng)關節(jié)點的功能外，還同時具有匯總數(shù)據(jù)、感知數(shù)據(jù)的初級分析與處理，反饋控制信息以及移動終端信息推送等功能。此外，情景推理模塊的特征級融合及部分決策級整合也在基站節(jié)點實現(xiàn)。

據(jù)此，基站節(jié)點利用工控PC機實現(xiàn)，基站節(jié)點情景信息管理軟件平臺如圖6所示。該軟件使用C#語言在.NET環(huán)境下開發(fā)的，采用“感+傳+控”體系結構，數(shù)據(jù)存儲管理是利用SQLite 3.0實現(xiàn)。

圖6情景信息管理軟件平臺

3結語

農(nóng)業(yè)作為國民經(jīng)濟的基礎，必將成為物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)應用的重要領域。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)需要解決數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)智能處理等儲多問題，情景感知作為一種依據(jù)情景信息，實現(xiàn)智能決策的計算模式，為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的構建提供了良好的實現(xiàn)模式。本文結合水稻育秧大棚的實際需求，提出了一種應用于水稻育秧大棚農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的情景感知系統(tǒng)模型，包括情景獲取、情景處理、應用服務三個層次。最后，基于本文所提出的模型，實現(xiàn)了水稻育秧大棚情景感知系統(tǒng)，實驗室測試與現(xiàn)場應用均驗證了該設計的有效性。

參 考 文 獻

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