基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)

岳明燈，梅廣

（1.西華大學(xué)計(jì)算機(jī)與軟件學(xué)院，成都　600039；2.成都大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都　610106）

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)

岳明燈1,2，梅廣1

（1.西華大學(xué)計(jì)算機(jī)與軟件學(xué)院，成都600039；2.成都大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都610106）

0　引言

目前中國實(shí)施的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的具體策略一方面是依靠對(duì)國外類似案例中獲得的寶貴經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，再分析自身的實(shí)情來制定對(duì)策。另一方面是做好基于目前相對(duì)成熟的ZigBee技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品研制與推廣使用。由于無線技術(shù)在過去的三十年間廣泛地使用使得它在很多民用領(lǐng)域的研究與應(yīng)用取得迅速發(fā)展。在ZigBee技術(shù)的支撐下，現(xiàn)代化的精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)大多建立在溫室大棚種植技術(shù)基礎(chǔ)上。在大棚內(nèi)的各區(qū)域選擇出典型地塊，建立監(jiān)測(cè)點(diǎn)對(duì)土壤含水量，溫濕度進(jìn)行監(jiān)控。再利用相應(yīng)預(yù)報(bào)軟件，分析獲取農(nóng)作物灌溉的最佳時(shí)間，所需要灌溉的水量，可在濕度不足時(shí)，通過相應(yīng)設(shè)備給農(nóng)作物補(bǔ)充適量水分；在光線不充分時(shí)采用人造光線來補(bǔ)充，借此來滿足農(nóng)作物的光合作用需求；也可以調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，讓農(nóng)作物處在一個(gè)適宜生長的環(huán)境，可以這樣說，能夠利用物聯(lián)設(shè)備按照農(nóng)作物需求隨意控制光線、雨露、空氣等。

1　系統(tǒng)組成

一個(gè)典型物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)包括一個(gè)由眾多傳感器和短距離通信設(shè)備組成的本地網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)已有的可提供公共服務(wù)與通信的互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境，以及各種移動(dòng)或固定的用戶終端設(shè)備。物聯(lián)網(wǎng)就是將這三個(gè)部分整合成一個(gè)整體，將現(xiàn)實(shí)世界與虛擬的信息世界連接起來，以此實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的概念。與傳統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)組成類似，本文所描述的系統(tǒng)具有四個(gè)層次：智能感知平臺(tái)、無線傳輸平臺(tái)、管理平臺(tái)、用戶平臺(tái)。該系統(tǒng)結(jié)合先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、軟件技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)，系統(tǒng)通過感知層的一系列傳感器遠(yuǎn)程獲取大棚內(nèi)部植物生長的一系列相關(guān)要素，再通過具體分析，可以對(duì)溫室內(nèi)的濕簾、噴頭、滴灌、側(cè)窗頂窗、補(bǔ)光等一系列設(shè)備進(jìn)行控制。同時(shí)，該系統(tǒng)還可以利用計(jì)算機(jī)等相應(yīng)的信息終端，向管理人員實(shí)時(shí)推送檢測(cè)到的信息、提前預(yù)警信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫室大棚的信息化管理。如圖1所示。

作為物聯(lián)網(wǎng)感知層的范疇，該系統(tǒng)需要的傳感器有土壤溫濕度傳感器、可以測(cè)濕度、溫度、輻射、降雨量、風(fēng)向與風(fēng)速的氣象站。

該系統(tǒng)的傳輸網(wǎng)絡(luò)包含：網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)、LAN網(wǎng)絡(luò)、PAN網(wǎng)絡(luò)、無線數(shù)傳電臺(tái)、WAN網(wǎng)絡(luò)等。

系統(tǒng)的管理平臺(tái)包括：農(nóng)田現(xiàn)狀的預(yù)報(bào)、灌溉的遠(yuǎn)程控制或是自動(dòng)控制、針對(duì)農(nóng)田水利管理，以這些手段來改善農(nóng)作物生長環(huán)境。

圖1　系統(tǒng)總體示意圖

用戶通過手機(jī)、電腦等信息終端來接收農(nóng)田實(shí)時(shí)氣象信息，還可以通過這些終端設(shè)備來遠(yuǎn)程對(duì)灌溉設(shè)備進(jìn)行控制。政府相應(yīng)的管理部門還能通過對(duì)此平臺(tái)的數(shù)據(jù)分析來提升農(nóng)業(yè)氣象、農(nóng)情、農(nóng)田水利等方面整體管理水平。

2　基于智能農(nóng)業(yè)的開發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)

該智能化農(nóng)業(yè)系統(tǒng)采用多種無線傳輸方式，包含GSM全球移動(dòng)通信系統(tǒng)、GPRS、CDMA、3G網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)主要描述ZigBee，ZigBee屬于短距離無線通信的范疇，擁有廉價(jià)、能量消耗低、結(jié)構(gòu)簡單、傳輸速度較低等方面特點(diǎn)，它是在IEEE 802.15.4基礎(chǔ)之上發(fā)展而來，ZigBee工作在2.4GHz或者868/915MHz的頻段，2.4GHz頻段能在全球通用，868MHz頻段、915MHz頻段分別在歐洲與北美都通用［1］。在無線網(wǎng)絡(luò)通信中ZigBee擁有一些其他通信方式無法取代的優(yōu)勢(shì)，例如它相對(duì)Wi-Fi要更加簡單，可靠性高，對(duì)處理器的芯片要求相對(duì)更低，低成本開發(fā)，此外它的每個(gè)網(wǎng)絡(luò)最多可擁有65000個(gè)子節(jié)點(diǎn)，憑借以上的優(yōu)點(diǎn)，盡管它的通信速率相對(duì)較低但還是可以滿足數(shù)據(jù)在無線網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)男枨?，另外針?duì)ZigBee傳輸距離比較短，一般只有百米左右的情況，加上信號(hào)放大器、無障礙的情況通信距離能夠達(dá)到

一千米；ZigBee的協(xié)議棧結(jié)構(gòu)如圖2所示［2］。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點(diǎn)一般是由電源、傳感器、處理器、無線收發(fā)四大模塊組成［3］。系統(tǒng)的框圖如圖3所示。

圖2　ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)

圖3　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)框架

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件節(jié)點(diǎn)的平臺(tái)，首要條件是具備能夠支持ZigBee協(xié)議棧的射頻模塊，擁有處理器模塊，具備相對(duì)較強(qiáng)處理能力，有一定容量的存儲(chǔ)器還要考慮到節(jié)點(diǎn)成本。本文中描述的系統(tǒng)選擇德州儀器旗下的Chipcon公司的CC2430芯片CC2430使用增強(qiáng)8051內(nèi)核，在速度和功耗上有了很大改善，與內(nèi)置的ZigBee射頻電路能夠良好地配合使用，具有8KB RAM 和128KB內(nèi)存。在此之外還將電壓傳感器和溫度傳感器集成在CC2430芯片上，這很適合簡單的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建［4］。CC2430芯片架構(gòu)圖如圖4所示。

CC2430片的初始化是采用DMA通道方式來實(shí)現(xiàn)無線通信，無線發(fā)送與接收都要先對(duì)DMA部分和射頻部分進(jìn)行初始化，初始化部分包括對(duì)DMA通道、定時(shí)重傳的定時(shí)器、通信頻段、RF相關(guān)寄存器進(jìn)行［5］。CC2430能夠在2.4GHz～2.4834GHz的11～26號(hào)16個(gè)信道上正常工作，單一信道擁有5MHz的頻帶帶寬［6］。信道頻段的計(jì)算公式如式（1）所示。

圖4　CC2430芯片架構(gòu)簡圖

CC2430是以對(duì)FSCTRLH、FSCTRLL兩者進(jìn)行相關(guān)的頻率值設(shè)置來初始化信道擇取。數(shù)據(jù)的無線發(fā)送，首先要判斷該數(shù)據(jù)包的長度是否在單個(gè)數(shù)據(jù)包所能容納的長度上限以內(nèi)，如果超出就要對(duì)這個(gè)數(shù)據(jù)包分片進(jìn)行傳輸?；贒MA在之前就配置好了，現(xiàn)在只需將等待發(fā)送的數(shù)據(jù)寫到寄存器。數(shù)據(jù)在發(fā)送的時(shí)候還要對(duì)RSSI的值循環(huán)檢查看有效與否，若無效說明當(dāng)前信道正在使用中，程序遵循CSMA/CA機(jī)制，會(huì)退一段時(shí)間，再對(duì)RSSI值檢測(cè)，當(dāng)信道處于空閑時(shí)即可發(fā)送數(shù)據(jù)。如果發(fā)出的消息需要得到回復(fù)那么下一步進(jìn)入接收模式。無線數(shù)據(jù)的接收首先使數(shù)據(jù)發(fā)送端和接收端的信道頻段保持一致，接著將接收DMA通道的數(shù)據(jù)源設(shè)置成RFD，將DMA的觸發(fā)信號(hào)設(shè)成RADIO，這樣同一頻段只要出現(xiàn)無線信號(hào)DMA通道就有反應(yīng)。接收端以判斷數(shù)據(jù)包目的地址來決定下一步是否有動(dòng)作，如果有，再判斷需不需發(fā)送確認(rèn)幀［7］。

傳感器采集到的數(shù)據(jù)能夠抵達(dá)端口是通過數(shù)據(jù)的采集和無線通信來實(shí)現(xiàn)的，怎樣能夠使遠(yuǎn)程指令反向傳送與遠(yuǎn)程獲取信息能夠相對(duì)簡單地實(shí)現(xiàn)，這就需要網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)。由于當(dāng)前的Tiny6410［8］嵌入式核心板具有強(qiáng)大的信息處理力，比較成熟的技術(shù)，我們就選用它作為處理器。再將Linux操作系統(tǒng)配置在嵌入式板上，相關(guān)軟件用QT開發(fā)，再對(duì)串口采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類。主要工作就是轉(zhuǎn)發(fā)和控制。轉(zhuǎn)發(fā)具體是網(wǎng)關(guān)程序根據(jù)基站串口傳送過來的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)口將串口信息轉(zhuǎn)發(fā)到遠(yuǎn)程服務(wù)器。控制為網(wǎng)關(guān)程序向串口寫入相關(guān)命令，再由基站根據(jù)命令來對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制［9］。

圖5是網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)采集與上傳功能界面，圖6是網(wǎng)關(guān)上紅外控制端和短信貓端功能界面。

圖5　網(wǎng)關(guān)數(shù)據(jù)采集與上傳功能界面

圖6　網(wǎng)關(guān)上紅外控制端和短信貓端功能界面

3　系統(tǒng)功能

該系統(tǒng)的用戶可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通過電腦查看溫室所處環(huán)境的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，包括空氣和土壤的溫濕度、光照強(qiáng)度、二氧化碳含量等?？梢噪S時(shí)查看溫室的監(jiān)控視頻，還可以對(duì)錄像進(jìn)行保存，通過一系列技術(shù)手段來確保農(nóng)作物安全。若溫室的環(huán)境對(duì)農(nóng)作物生長不利，系統(tǒng)會(huì)有預(yù)警，用戶可以根據(jù)具體情況對(duì)報(bào)警做出相關(guān)處理，可以遠(yuǎn)程控制調(diào)節(jié)內(nèi)部環(huán)境的設(shè)備，如風(fēng)機(jī)、灌溉設(shè)備、開窗等。用戶還可以觀察到溫室環(huán)境的曲線圖，隨時(shí)掌握農(nóng)作物生長環(huán)境。如圖7、圖8所示。

系統(tǒng)可以自由設(shè)置不同溫室所需要的環(huán)境參數(shù)的閾值上下界。超過設(shè)定值的時(shí)候，系統(tǒng)就會(huì)根據(jù)事先完成的設(shè)置，通過手機(jī)短信，或者通過系統(tǒng)消息等方式提醒相關(guān)管理人員。報(bào)警的具體提示內(nèi)容可以根據(jù)客戶的喜好來設(shè)置。通過報(bào)警和先進(jìn)的遠(yuǎn)程自動(dòng)化控制技術(shù)可以不受時(shí)空限制及時(shí)處理問題。

通過系統(tǒng)可以按特定的條件組合查詢對(duì)比歷史環(huán)境數(shù)據(jù)。系統(tǒng)支持圖標(biāo)和列表的方式進(jìn)行查看，以非常直觀的方式呈現(xiàn)給用戶，用戶借所得數(shù)據(jù)可以為農(nóng)作物建立數(shù)據(jù)模型分析出提高農(nóng)作物產(chǎn)量的輔助策略。

圖7　空氣溫度趨勢(shì)圖　

圖8　光照強(qiáng)度趨勢(shì)圖

系統(tǒng)的用戶可以通過電腦客戶端隨時(shí)查看溫室環(huán)境數(shù)據(jù)，接受系統(tǒng)發(fā)來的預(yù)警信息，通過攝像頭查看大棚內(nèi)的實(shí)時(shí)場景，操作環(huán)境控制設(shè)備。

4　結(jié)語

該基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)單個(gè)節(jié)點(diǎn)可以同時(shí)支持多路水分信息采集、多路電磁閥控制；無線采用的是GPRS、GSM、無線數(shù)字傳輸電臺(tái)等多種方式，比鋪設(shè)電纜的方法更加靈活方便，系統(tǒng)可以定時(shí)采集節(jié)點(diǎn)電壓、工作環(huán)境所處的溫度、通信鏈路所處的狀態(tài)，擁有網(wǎng)絡(luò)自行診斷的功能，管理軟件還可以根據(jù)采集到的土壤信息推算出農(nóng)作物適宜的灌溉時(shí)間和灌溉水量。系統(tǒng)是建立在相對(duì)成熟的物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)上，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，溫室智能監(jiān)控終端安裝簡便、高集成度、擴(kuò)展性好、方便二次開發(fā)。本系統(tǒng)中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)模塊是單一的，單個(gè)節(jié)點(diǎn)模塊只有一個(gè)傳感器，這就沒有做到能夠?qū)C2430這個(gè)片上系統(tǒng)充分利用，在下一步工作中可以將功能、接口相似的傳感器模塊加入到單個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)上。其次將來還可以采用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對(duì)采集到的農(nóng)作物生長環(huán)境以及長勢(shì)等數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找出與農(nóng)作物生長相關(guān)的潛在規(guī)則，改善農(nóng)作物生長環(huán)境，增加產(chǎn)量。

［1］Han D M，Lim J H.Design and Implementation of Smart Home Energy Management Systems Based on ZigBee［J］.Consumer Electronics，IEEE Transactions on，2010，56（3）：1417～1425

［2］李蔚.基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議棧設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.電子科技大學(xué)，2012

［3］岳靜.ZigBee溫濕度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研究［J］.煤炭技術(shù)，2011，30（1）：176～177

［4］蔣凌云，馬奧，呂亞超.基于CC2430片上溫度傳感器的溫度監(jiān)控系統(tǒng)［J］.計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2012，22（4）：191～194

［5］Power Modes in CC111xFx，CC243x，and CC251xFx［EB/OL］.（2007-11-23）.http：//focus.ti.com/lit/an/swra162/swra162.pdf.

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［7］楊耀.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.南京：南京郵電大學(xué)，2014

［8］祝忠方，劉紅.基于Tiny6410開發(fā)板的應(yīng)用研究［J］.價(jià)值工程，2013（23）：210～212

［9］徐蔚.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能節(jié)能與智能交通關(guān)鍵技術(shù)的研究與應(yīng)用［D］.南京：南京郵電大學(xué)，2013

Internet of Things；Intelligent Agriculture；ZigBee；CC2430

Intelligent Agriculture System Based on the Internet of Things Technology

YUE Ming-deng1，2，MEI Guang1
（1.School of Computer and Software，Xihua University，Chengdu 610039；
2.School of Information Science and Technology，Chengdu University，Chengdu 610106）

1007-1423（2015）09-0072-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.09.018

岳明燈（1988-），男，江蘇鹽城人，碩士研究生，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)挖掘

2015-02-12

2015-03-05

針對(duì)農(nóng)田種植范圍大、監(jiān)控點(diǎn)眾多、布線與電源供給難度大等特點(diǎn)，從智慧農(nóng)業(yè)內(nèi)涵出發(fā)，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，采用智能氣象臺(tái)和土壤溫濕度傳感器，采集農(nóng)作物所處的土壤墑情，實(shí)時(shí)環(huán)境信息，該智能農(nóng)業(yè)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)災(zāi)情預(yù)報(bào)、遠(yuǎn)程控制灌溉，溫度控制等設(shè)備為農(nóng)作物生長提供良好條件。

物聯(lián)網(wǎng)；智慧農(nóng)業(yè)；ZigBee；CC2430

梅廣，安徽天長人，研究方向?yàn)閿?shù)字圖像處理、人臉識(shí)別

Discusses a system which is aiming at several agriculture characters like widespread rural planting，huge numbers of monitoring sites，difficult of wiring and hardship for power supplying.From the intelligent agriculture's connotation，this system takes the Internet of Things technology，and uses the soil temperature and humidity sensor to collect the soil moisture content and the real-time environmental information，so that it can realize its functions like forecast the flood risk，long-range controls the irrigation equipment，makes automatic decision of irrigation water capacity and so on.The system can provide an ideal conduction for crop growth.